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委徐
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1 药物氟哌酸分子印迹共混膜的制备及结构表征刘伟, 张志良天津工业大学材料科学与化学工程学院, 天津 (300160) 摘要 : 以氟哌酸为模板分子,α- 甲基丙稀酸为功能单体, 三甲氧基丙烷三甲基丙稀酸酯为交联剂, 利用本体聚合方法制备了具有特异选择性的氟哌酸分子印迹聚合物并利用聚砜与氟哌酸分子印迹聚合物共混的方法制备了分子印迹聚合物膜运用红外光谱分析和透射电子显微镜研究了氟哌酸分子印迹聚合物的结构运用扫描电子显微镜研究了分子识别膜的机理和吸附性能, 运用平衡结合实验法证明了分子识别膜对氟哌酸表现出了较高的选择性关键词 : 分子印迹技术 ; 氟哌酸 ; 模板聚合物膜 ; 特异选择性 1. 前言分子印迹技术是一种人工合成具有分子识别功能聚合物的新技术, 基于该技术所制备的分子印迹聚合物能够识别和结合在空间结构大小和化学功能基团上与之互补的印迹分子 [4], 与生物实体相比, 分子印迹聚合物具有亲和性高抗恶劣环境能力强稳定性好使用寿命长等优点, 在许多领域, 如色谱分离固相萃取化学和生物传感器不对称催化和酶模拟催化, 临床药物分析和膜分离技术等领域都展现了良好的应用前景同时, 分子印迹技术对于研究酶结构认识受体抗体作用机理等方面也具有重要的理论意义和使用价值本试验所选用的模板分子氟哌酸是喹诺酮类抗菌药物的优秀代表之一 [5], 具有抗菌作用强抗菌谱广生物利用度高组织渗透性好及与其他抗菌素无交叉耐药性和副作用小等特点, 而且口服吸收快, 已被广泛用于临床但是它也存在着使胎儿畸形, 损害肾功能等毒复作用, 控制并检测在人体中的含量, 对最佳疗效的效果和最小毒复作用有着重要意义因此本实验主要研究了氟哌酸分子印迹聚合物的合成方法, 结构特征, 吸附性能, 为了进一步的研究奠定了基础分子印迹膜 (MIM) 因其兼具分子印迹技术与膜分离技术的优点, 近年来已成为分子印迹技术领域研究的热点 [6] 其最大的特点就是对模板分子的识别具有可预见性, 对于特定物质的分离极具针对性但在制备分子印迹聚合物时为了维持识别位点的空间结构需加入大量的交联剂, 使得得到的印迹聚合物膜柔韧性差, 机械强度低, 容易破碎, 影响了印迹聚合物膜的实际应用因此, 人们正在努力寻找一种新方法, 使得印迹聚合物膜不但具有特异选择性, 而且有良好的柔韧性, 使其容易处理和使用目前, 已有报道利用平板膜作为支撑膜, 将模板聚合物涂附于膜表面, 在膜表面聚合制备模板聚合物膜 [1] 但通常情况下, 聚合物与支撑膜之间紧靠弱的分子间力作用, 制备的识别膜经过多次使用, 聚合物会从支撑膜上脱落, 膜就不再具有结合选择性而本实验选用柔韧性非常好的聚砜与模板聚合物按一定比例进行共混制备了共混分子识别膜, 不仅具有良好的分子识别特性, 而且保持着聚砜膜本身的良好柔韧性和强度, 也克服了涂附方法易脱落的问题, 为分子识别膜实际应用提供了新的实验结果 2. 实验部分 2.1 药品与仪器氟哌酸又称诺氟沙星 (orfloxacin FXC), 三甲氧基丙烷三甲基丙稀酸酯 (Trimethylolpropane Trimethacrylate TRIM), ( 北京百灵威化学技术有限公司 ); 甲基丙烯酸 (methacrylic acid MAA, 分析纯, 天津化学试剂研究所 ), 使用前减压蒸馏除去阻聚剂 ; 偶氮 - 1 -

2 二异丁腈 ( AIB, 化学纯, 上海试四赫维化工有限公司 );,- 二甲基甲酰胺 (DMF, 分析纯, 天津化学试剂三厂 ); 聚砜 (PSF, 天津工业大学膜天膜公司提供 ) UV-240 型双波长紫外可见分光光度计 ( 日本岛津 ); HY-4 型调速振荡器 ( 天津市华北实验仪器有限公司 ); 长波 (365nm) 紫外照射灯 ( 天津紫晶特种光源有限公司 ); QUATA-200 扫描电镜 (SEM)(FEI 公司 );TESOR37 傅立叶变换红外光谱仪 ( 德国 BRUKER 公司 ) ;H7650 透射电镜 ( 日立公司 ) 2.2 实验步骤氟哌酸分子印迹聚合物 (MIP) 的制备称取 g(0.15 mmol) 诺氟沙星 (FXC) 溶于 0.5 ml,- 二甲基甲酰胺 (DMF) 中, 然后加入 0.05mL(0.625 mmol) 功能单体 α- 甲基丙稀酸 (MAA) 于调速振荡器振荡 6 小时左右, 使 FXC 与 MAA 充分混合并发生作用, 再依次加入 0.5 ml 交联剂三甲氧基丙烷三甲基丙稀酸酯 (TRIM) 和 7.5mg 引发剂偶氮二异丁腈 (AIB), 经充分混合后, 通氮气 5min, 再抽真空 10min, 然后将该反应混合液置于玻璃片上, 在真空下泥封并在 365nm 紫外灯光照下聚合 5-6 小时得到白色块状聚合物固体, 用体积比为 9:1 的甲醇 / 乙酸溶液洗掉模板分子和未聚合的单体和交联剂, 然后烘干研磨成粉末, 再过 100 目筛, 将此聚合物粉末真空干燥 24 小时后待用合成非印迹聚合物 (MIP) 除不加模板分子 FXC 外, 其余操作步骤同上 F O F O + H C 2 H 5 H C 2 H 5 乙二醇二甲基丙烯酸酯 (1) ECDMA (2) AIB 偶氮二异丁腈 H F O HOOC C 2 H 5 -Template +Template 重结合模板分子 HOOC 图 1 FXC 分子印迹聚合物的制备示意图氟哌酸聚合物聚砜共混膜的制备将一定量干燥的聚砜溶于 DMF 中, 配制成铸膜液, 再将 MIP 粉末加入到铸膜液中, 在恒温恒速的搅拌条件下制备共混溶液放置 24h 达到均一后真空脱泡在一定的温度和湿度下, 将溶液浇铸在 20 20cm 的玻璃板上, 用刮刀刮制成平板膜, 再将该膜浸入蒸馏水中, 即得诺氟沙星聚合物聚砜共混膜将制得的膜保存在 50% 甘油中待用 - 2 -

3 3. 结果与讨论 3.1 红外光谱分析红外光谱是测定有机化合物的重要物理方法之一 [3] 我们运用红外光谱分析法来推断模板分子以及其形成分子的印迹聚合物的结构红外谱图见图 1 所示 Transmittance(%) W avenumber(cm -1 ) A B 图 2 未洗脱及洗脱后的分子印迹聚合物的红外谱图图 1 中两谱图分别为诺氟沙星未洗脱 (B) 以及洗脱后 (A) 的分子印迹聚合物的 FTIR 光谱图从红色谱图中可以观察到, 在 cm -1, cm -1, cm -1, cm cm -1 和 cm -1 处出现了尖锐的峰, 它们分别代表了分子中存在 C=,C-H,C=C 芳环 C=C 伸缩振动, 芳香胺 C-, C-F 和 -H 弯曲振动等特征官能团, 由此可以推断结合有模板分子诺氟沙星的未洗脱的分子印迹聚合物的结构. 将黑色谱图即洗脱后的分子印迹聚合物与红色谱图相比较还可看出, 洗脱后的分子印迹聚合物 cm -1, cm -1, cm -1, cm -1 处有明显的羰基 C=C,-OH 面外弯曲和 - 的吸收峰, 这与反应式中所示的洗脱后的聚合物分子所应具有的特征官能团相一致洗脱后的理论聚合物中不存在模板分子, 而完全是由功能单体 α- 甲基丙稀酸结合而成而且诺氟沙星所具有 C-H, 芳香胺 C- 和 C-F 等特征吸收峰消失与图 2 中的经洗脱的分子印迹聚合物最后产物的分子结构相吻合. 说明印迹聚合物中模板分子已基本洗脱干净, 经过洗脱 MIPs 形成了空穴 3.2 透射电镜透射电镜 (TEM) 实现了揭示材料宏观性能与其显微特性之间的内在关联性我们应用透射电镜观察分子印迹聚合物的内部结构特征 ( 如图 3), 将分子印迹聚合物的高选择吸附性能与其微观结构相结合, 以此说明分子印迹聚合物具有选择吸附性 - 3 -

(a) 未洗脱的 FXC 分子印迹聚合物图 (500nm) (b) 洗脱后的 FXC 分子印迹聚合物透射电镜图 (500nm) 图 3 分子印迹聚合物透射电镜图

我们可以清晰的看到, 洗脱 FXC 后的分子印迹聚合物具有很多的空穴, 这些空穴印迹了模板分子的构大小和空间位置等信息, 只有模板分子才能进入空穴, 空穴

5~5mmol/L 的范围时印迹聚合物的平衡吸附量 Q 随着 FXC 初始浓度的变化, 实验数据如表 1 所示表 1 MIP 以及 MIP 对底物 FXC 的结合数据

空白对诺氟沙星溶液的结合情况 C M 0 (mmol/l) C M t (mmol/l) Q M (µmol) 1 5.0 3.76 9.89 5.0 4.71 2.

4 (a) 未洗脱的 FXC 分子印迹聚合物图 (500nm) (b) 洗脱后的 FXC 分子印迹聚合物透射电镜图 (500nm) 图 3 分子印迹聚合物透射电镜图对比洗脱后和未洗脱的分子印迹聚合物透射电镜图可以看出, 当 FXC 还没有从印迹聚合物中洗脱下来时, 它与功能单体以非共价键结合, 不存在空穴结构 ; 而从 (b) 图中, 我们可以清晰的看到, 洗脱 FXC 后的分子印迹聚合物具有很多的空穴, 这些空穴印迹了模板分子的构大小和空间位置等信息, 只有模板分子才能进入空穴, 空穴只对模板分子具有选择 [2] 3.3 MIP 的识别性能在实验中, 采用平衡结合的测定方法, 测定了 FXC 初始浓度在 1.5~5mmol/L 的范围时印迹聚合物的平衡吸附量 Q 随着 FXC 初始浓度的变化, 实验数据如表 1 所示表 1 MIP 以及 MIP 对底物 FXC 的结合数据底物为 TMP 的初始浓度不同的 DMF 溶液编号分子印迹聚合物对诺氟沙星溶液的结合情况 C M 0 (mmol/l) C M (mmol/l) t Q M (µmol) 空白对诺氟沙星溶液的结合情况 C M 0 (mmol/l) C M t (mmol/l) Q M (µmol)

5 对比 MIP 以及 MIP 对 FXC 的结合情况可以看出,MIP 相对于 MIP 而言, 对 FXC 的识别性能优越, 相同情况下 MIP 对 FXC 的平衡结合量大很多在分子印迹中常用 Scatchard 方程评价分子模板聚合物的识别性能我们将获得的结合数据用于 Scatchard 方程中进行分析, Scatchard 方程如下式 : Q/C(FXC)=(Qmax-Q)/Kd ( 式 1) 式中 Kd 是平衡结合位点的平衡解离常数,Qmax 是结合位点的最大表观结合数 C(FXC) 代表诺氟沙星在吸附液中的平衡浓度根据 Scatchard 方程 Q/C(FXC) 随 Q 变化的曲线, 由图 3-5 可见 Q/C(FXC) 对 Q 几乎成一条直线, 其线性方程为 [7] : Y= x ( 式 2) 其斜率和截距分别是 -1/ Kd 和 Qmax/Kd 这表明在所研究的浓度范围内 MIP 存在一类等价的结合位点, 对 FXC 呈现均匀的识别能力从图 4 直线的斜率和截距可以求得 Kd=0.029mmol/L,Qmax=6395.8µmol/g, 于理论最大吸附量还有一段距离, 这主要是因为在聚合过程中, 一部分 FXC 分子被包埋无法洗去, 另一方面在聚合过程中, 使用的是 FXC 的 DMF 溶液,DMF 极性较强不利于形成稳定的氢键, 故对聚合物的吸附性有一定的影响但从上面的数据可以看出, 这种影响并不显著, 印迹聚合物相对于非印迹聚合物对 FXC 有显著的吸附性能 Q/C(ml) Q(μmol) 图 4 评价 MIP 识别性能的 Scatchard 图另外, 由图 5 可以看出, 非印迹聚合物 (MIP) 在 1.5~5mmol/L 的浓度范围内吸附量随着浓度的增加而增大, 而印迹聚合物 (MIP) 在该浓度范围内先增大而后逐渐趋于饱和. 由于在许多底物的结合实验中, 因为 MIP 的非选择性的线性增加, 结合量对初始浓度的关系曲线往往难以达到饱和, 因而可以从图中得出 MIP 对 FXC 的吸附是非选择性吸附而 MIP 的 - 5 -

4 分子印迹聚合物膜的扫描电镜分析对不同浓度的 FXC 分子印迹聚合物膜扫描电镜图进行分析, 膜的表面结构和形貌结构的变化如图 6 所示 (a) 空白聚砜膜表面扫描电镜图 (50µm) (b)fxc 分子印迹聚合物膜表面扫描电镜图 (100µm) 图 6

6 吸附是选择性吸附对比两种聚合物的合成过程, 可以得出 MIP 对 FXC 具有选择性的原因是由于聚合物内部形成了形状空间结构和官能团位置均与 FXC 相匹配的孔穴, 正是由于这些孔穴的存在, 使 MIP 对模板分子具有良好的选择性结合能力这也表明在 MIP 合成的过程中模板分子与功能单体形成复合物的作用力对印迹聚合物的选择性起着非常重要的作用 Q(μmol) C(mmol/L) MIP MIP 图 5 MIP 及 MIP 的结合量随 FXC 起始浓度变化曲线 3.4 分子印迹聚合物膜的扫描电镜分析对不同浓度的 FXC 分子印迹聚合物膜扫描电镜图进行分析, 膜的表面结构和形貌结构的变化如图 6 所示 (a) 空白聚砜膜表面扫描电镜图 (50µm) (b)fxc 分子印迹聚合物膜表面扫描电镜图 (100µm) 图 6 分子印迹聚合物膜表面扫描电镜图对空白聚砜膜与 FXC 分子印迹聚合物膜的表面扫描电镜图进行比较可以看出, 可以看出聚砜膜为非对称膜, 分子印迹聚合物能够比较均匀的分散在聚砜膜表面 - 6 -

(a)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (50µm) (b)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (20µm) (c)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (10µm) 图 7

的扩散受到膜孔结构的阻挡, 只有印迹分子 A 和识别位点相互作用, 从一个结合位点移动到另一个识别位点, 最终通过分子印迹膜, 形象地称 Piletsky 之为门模型所以当 FXC 的溶液通过膜表面时,

在此过程中, 由于膜内部各个孔道互相联通, 分子印迹聚合物分布在膜孔道中, 溶液在通过各孔道时, 模板聚合物就会对进入膜内部的 FXC 分子产生吸附作用, 因此分子印迹聚合物膜对模板分子有较高的吸附性,

7 (a)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (50µm) (b)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (20µm) (c)fxc 分子印迹聚合物膜截面扫描电镜图 (10µm) 图 7 分子印迹聚合物膜断面扫描电镜图根据 Piletsky 的门模型传质机理 [8], 即在浓度梯度的作用下, 印迹分子 (A) 和其它分子 (B) 都有向同一方向扩散的可能, 但是不被识别的 B 的扩散受到膜孔结构的阻挡, 只有印迹分子 A 和识别位点相互作用, 从一个结合位点移动到另一个识别位点, 最终通过分子印迹膜, 形象地称 Piletsky 之为门模型所以当 FXC 的溶液通过膜表面时, 分子主要通过扩散作用进入膜内部, 在此过程中, 膜表面的分子印迹聚合物就会对经过它表面的 FXC 分子产生吸附作用, 而当含 FXC 的溶液进入膜内部后, 溶液流经膜内部互相联通的孔道最后从膜另一侧流出, 在此过程中, 由于膜内部各个孔道互相联通, 分子印迹聚合物分布在膜孔道中, 溶液在通过各孔道时, 模板聚合物就会对进入膜内部的 FXC 分子产生吸附作用, 因此分子印迹聚合物膜对模板分子有较高的吸附性, 而聚砜膜本身对 FXC 分子仅有少量吸附这一过程可以由空白聚砜膜与 FXC 分子印迹聚合物膜的截面扫描电镜图中推测出来由 7 图也表明了将分子印迹聚合物与聚砜共混并没有破坏分子印迹聚合物的空穴结构, 同时对聚砜膜的孔径和孔隙率并没有产生很大的影响 [9] - 7 -

8 4. 结论本实验首先成功的合成了诺氟沙星分子印迹聚合物, 并通过红外光谱和透射电镜表征了其结构特征通过平衡实验法和扫描电镜的分析证明分子印迹聚合物与聚砜共混制备的分子模板聚合物膜对诺氟沙星分子有特异性的识别能力参考文献 [1] Hawkins.Daniel M, Trache.Andreea, Ellis.E Ann, et al. Quantification and confocal imaging of protein specific molecularly imprinted polymers [J]. Biomacromolecules.2006, 7(9): [2] Chau Jin Tan and Yen Wah Tong,The effect of protein structural conformation on nanoparticle molecular imprinting of ribonuclease a using miniemulsion polymerization,langmuir 2007, 23, [3] Josefine Cederfur, Yuxin Pei, Meng Zihui, and Maria Kempe,Synthesis and screening of a molecularly imprinted polymer library targeted for penicillin G,J. Comb. Chem. 2003, 5, [4] Wulff G, Sarhan A., Zabrocki K. Tetrahedron Lett., 1973, 44:4329~4332 [5] 卢春阳, 马向霞, 何锡文, 等, 药物氟哌酸分子印迹聚合物膜的制备及其渗透性质研究 [J], 高等学校化学学报,2005,26: [6] 李萍, 林保平, 以混旋邻氯扁桃酸为模板的分子印迹聚合物的制各及拆分性能研究 [J], 化学学报,2003, 61(11): [7] 杨座国, 许振良热聚合法制备 L-DBTA 手性分子印迹聚合物的研究 :Ⅱ 表征分子识别性能 [J] 华东理工大学学报,2005,31(5): [8] 赖家平, 何锡文, 郭洪声等, 分子印迹技术的回顾现状与展望 [J], 分析化学,2001,29(7):836-8l1 [9] 鲍春和, 陈子明, 耿慧珠. 硼螯化合法合成诺氟沙星 [J ]. 中国医药工业杂志, 1994, 25 (1) : 5-6. Synthesize and Application of orfloxacin Molecular Imprinting Polymer Membrane Liu Wei,Zhang Zhiliang College of material science and chemical engineering,tianjin Polytechnic University,Tianjin (300160) Abstract orfloxacin molecular imprinting polymer and template polymer membrane with orfloxacin-polysulfone blending were prepared by noumenon polymerization with orfloxacin(fxc) as template molecule, Methacrylic acid (MAA) as functional monomer and Trimethylolpropane Trimethacrylate (TRIM)as crosslinking agent. The structures of orfloxacin molecular imprinting polymer were measured and confirmed by spectra of FTIR and TEM,respectively.The combinative characteristic and mechanism of molecular recognition membrane were studied by scan electro-microscope(sem) and combinative equation experiment.the results showed that the molecular recognition membrane put up highly selectivity for orfloxacin. Keywords:molecular imprinting technique;orfloxacin; template polymer membrane;specific selectivity - 8 -

材料导报研究篇年月下第卷第期种球的制备单步溶胀法制备分子印迹聚合物微球洗脱处理种子溶胀聚合机理种球用量的影响

材料导报研究篇年月下第卷第期种球的制备单步溶胀法制备分子印迹聚合物微球洗脱处理种子溶胀聚合机理种球用量的影响水相中组氨酸单分散分子印迹聚合物微球的合成表征及其识别性能研究李思平等李思平徐伟箭较佳工艺条件下在水性体系中选用无皂乳液聚合法制得的单分散微米级聚苯乙烯微球为种球分别以组氨酸甲基丙烯酸或丙烯酸胺乙二醇二甲基丙烯酸酯为模板分子功能单体和交联剂合成了组氨酸分子印迹聚合物微球研究了形貌粒径及其分布以及模板分子与功能单体之间的相互作用分别以激光粒度分析仪紫外分光光度法和红外光谱表征功能单体与交联剂之间的共聚情况