CN102382247A

CN102382247A - 一种尺寸均一的分子印迹聚合物微球制备方法及应用

Info

Publication number: CN102382247A
Application number: CN2010102714703A
Authority: CN
Inventors: 雷建都; 马光辉; 苏志国; 耿立媛; 寇星
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN102382247B

Abstract

一种分子印迹聚合物微球，平均粒径在1～500μm之间，粒径分布系数C.V.不大于20％。其制备方法为：首先将分散相溶液在一定压力下从微孔膜的一侧挤入另一侧的连续相溶液中，形成乳液；然后在氮气保护下，乳液经交联聚合得到聚合物微球；冲洗聚合物微球以除掉聚合物中的模板分子和未反应的功能单体，便得到尺寸均一的分子印迹聚合物微球。

Description

一种尺寸均一的分子印迹聚合物微球制备方法及应用

技术领域

本发明涉及功能高分子材料及生化分离、分析化学领域。更具体地说，涉及一种尺寸均一的分子印迹聚合物微球。

本发明还涉及上述分子印迹聚合物微球的制备方法。

本发明还涉及上述分子印迹聚合物微球的应用。

背景技术

分子印迹技术是一种新兴的、有效的制备对目标分子具有预定选择性的聚合物的技术，所制得的聚合物被称为分子印迹聚合物(Molecularly ImprintingPolymers，通常简写为MIPs)。由于MIPs与目标分子或模板分子具有“锁-钥”关系，具有高选择性和高强度(即耐热、耐有机溶剂、耐酸碱)的优点，近年来得到快速发展，每年发表的文章和参与的研究人员几乎以指数的速度增长。分子印迹聚合物已被广泛应用于环境检测、动植物食品检测、抗体或受体模拟、生物传感器等诸多领域，已显示出良好的应用前景。

早期的分子印迹聚合物通常为块状，经研碎并过筛后得到，颗粒不规则、尺寸不均一，将其用于色谱分离时，分辨率低，并且容易引起色谱峰展宽、拖尾严重。用于固相萃取时，选择性较低。而尺寸均一的球形分子印迹聚合物，选择性高，不仅具有色谱分辨率较高的优点，而且在其它应用方面使用更方便(如固相微萃取)。

球形分子印迹聚合物微球的制备方法主要有分散聚合、沉淀聚合、种子溶胀悬浮和多步溶胀悬浮聚合、表面模板聚合、表面印迹等。其中分散聚合比较简单，但得到的分子印迹聚合物微球单分散性差、尺寸不均一；种子溶胀悬浮聚合和多步溶胀悬浮聚合、表面模板聚合、表面印迹法制备得到的分子印迹聚合物微球的单分散性好、尺寸均一，但是制备过程繁杂、费时。沉淀聚合法难以制备几微米以上较大粒径的分子印迹聚合物微球，且模板分子用量大、浪费多、分子印迹聚合物产率低。粒径在1-500μm的分子印迹聚合物微球有非常重要的应用，如作为固相萃取介质用于目标分子的选择性吸附和萃取，作为色谱介质用于目标分子的分离和分析。因此有必要探索一种更为有效的粒径在1-500μm之间的尺寸均一的分子印迹聚合物微球制备方法。

直接膜乳化法(direct membrane emulsification)^[1-5]，也称常规膜乳化法，其操作方式是：在一定压力下使分散相溶液(dispersed phase)透过微孔膜进入连续相溶液(continuous phase)中，形成乳液，由于微孔膜的膜孔比较均一，因此获得的乳滴粒径比较均一。采用的微孔膜可以是平板膜，也可以是管式膜。直接膜乳化法中，最典型的模式就是错流膜乳化法(Cross-Flow MembraneEmulsification)^[6]。目前，关于直接膜乳化方法已有多篇文献报道，但尚未用于分子印迹聚合物微球的制备中。

因此，本发明专利采用直接膜乳化法来制备粒径均一性好的、粒径为1-500μm之间的分子印迹聚合物微球。

发明内容

本发明的目的在于制备一种球形分子印迹聚合物微球，其粒径分布窄，按下式计算的粒径分布系数不大于20％：

C.V.＝{[∑(di-d)²/N]^1/2/d}×100％

式中，C.V.代表粒径分布系数；di代表各个微球的直径；d代表微球的数均平均粒径，d＝∑di/N；N为用于计算粒径的微球数量，且N≥200个。

本发明的又一目的在于提供上述分子印迹聚合物微球的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的分子印迹聚合物微球，平均粒径在1～500μm之间。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，主要步骤如下：

①配制分散相溶液，由功能单体、模板分子、致孔溶剂、交联剂、引发剂组成的混合溶液，超声脱气3～10min，通入氮气5～60min；

②配制连续相溶液，将分散剂加入水中，超声脱气3～10min，通入氮气5～60min；

③将分散相溶液在一定压力下通过亲水性微孔膜的膜孔进入连续相溶液中，形成粒径均一的乳液；然后将乳液转移到反应器中，轻微搅拌，搅拌速度优选50-240rpm，在氮气保护下，乳液经交联聚合得到聚合物微球；

④将③得到的聚合物微球进行冲洗，以除掉微球中的模板分子和未反应的功能单体，便得到分子印迹聚合物微球。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，聚合反应可以紫外引发聚合，紫外引发时的温度，优选0-4℃；聚合反应也可以高温引发聚合，聚合温度优选40-60℃。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，模板分子、功能单体、交联剂的摩尔比为1∶1～10∶2～50。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，功能单体是甲基丙烯酸、丙烯酰胺、4-乙烯基吡啶、2-乙烯基吡啶、苯乙烯、环糊精、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、甲苯-2，4-二异氰酸酯或2，2-羟甲基丁醇三甲基丙烯酯。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，致孔溶剂是氯仿、液体石蜡、正己烷、环己烷、二氯甲烷、庚烷、甲苯或乙酸乙酯或上述溶剂的混合溶液。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，连续相是含有分散剂的水溶液，分散剂是聚乙烯醇PVA、十二烷基磺酸钠SDS、Tween 20、Tween 60或Tween80，分散剂重量百分比浓度为0.1％～5％之间。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，所用微孔膜的孔径为1-100μm，优选1-30μm，微孔膜可以是平板膜，也可以是管式膜。

上面所述的分子印迹聚合物微球的制备方法中，步骤③所述的压力为0.05-10kgf/cm²。

上面所述的模板分子是兽药分子，包括氯霉素、利福平、红霉素、玉米赤霉醇、氯丙嗪、己烯雌酚、克伦特罗。

上面所述的模板分子是农药分子，包括三唑酮、敌百虫、甲胺膦、甲基对硫磷、氧乐果、莠去津、单嘧磺隆。

上面所述的模板分子是药物分子，包括紫杉醇、齐墩果酸、喜树碱、绿原酸、水飞蓟素。

上面所述的分子印迹聚合物微球可用作模板分子的选择性吸附剂，如可作为固相萃取介质，用于目标分子的选择性吸附。

上面所述的分子印迹聚合物微球可作为色谱填料，用于目标分子的分离分析。

具体实施方式

根据一个优选的实施方案，本发明采用表面亲水性的玻璃膜作为微孔膜，先将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，产生乳液，所述的压力不能太大，以略大于分散相在膜孔的临界压力为较佳压力，因为压力太大，分散相进入连续相速度太快，容易产生大液滴，从而导致乳滴不均一；之后将乳液转移到聚合反应器中，通入氮气，加热至在一定温度或在紫外引发聚合，交联聚合得到聚合物微球，洗涤除去模板分子和未交联的功能单体，便得到粒径均一的分子印迹聚合物微球。

关于分子印迹聚合物微球的制备，影响分子印迹聚合物性能的因素很多，包括：过膜压力、分散剂用量、模板分子用量，功能单体、交联剂、致孔溶剂的种类和用量，聚合温度、时间，引发剂用量等。因此，分子印迹聚合物微球制备需要考察多个条件。

实施例1

采用5微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子氯霉素超声溶解在致孔溶剂氯仿和乙酸乙酯(重量比为1∶2)6mL中，加入功能单体4-乙烯基吡啶5mmol，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯25mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.20g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA 1.2g加入90mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在60℃下聚合18h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有氯霉素检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的氯霉素分子印迹微球。

获得的氯霉素分子印迹微球平均粒径为15.6微米，C.V.＜10％.

分别称取100mg氯霉素分子印迹聚合物微球，分别放入3.0mL、3.0×10^-4mol/L氯霉素、氟甲砜霉素和甲砜霉素的20％乙醇水溶液中，振荡吸附过夜，离心后，分别测定上清液中氯霉素、氟甲砜霉素和甲砜霉素含量，通过吸附前后的样品含量，计算氯霉素分子印迹聚合物微球对氯霉素、氟甲砜霉素和甲砜霉素的吸附百分比，结果分别为82.5％、43.2％和42.1％。表明氯霉素分子印迹聚合物对氯霉素分子具有较好的选择性吸附能力。

实施例2

采用5微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子玉米赤霉醇超声溶解在致孔溶剂乙酸乙酯6mL中，加入功能单体4-乙烯基吡啶3mmol，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯15mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.15g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA2.7g加入180mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在60℃下聚合20h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有玉米赤霉醇检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的玉米赤霉醇分子印迹微球。

获得的氯霉素分子印迹微球平均粒径为15.3微米，C.V.＜10％.

实施例3

采用9.5微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子红霉素超声溶解在致孔溶剂氯仿5mL中，加入功能单体甲基丙烯酸4mmol，交联剂二乙烯基苯30mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.21g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA 1.9g加入120mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在50℃下聚合30h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有红霉素检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的红霉素分子印迹微球。

获得的氯霉素分子印迹微球平均粒径为33.6微米，C.V.＜10％.

实施例4

采用7微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子利福平超声溶解在致孔溶剂氯仿5mL中，加入功能单体甲基丙烯酸6mmol，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯30mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.25g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA 1.5g加入150mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在58℃下聚合24h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有利福平检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的利福平分子印迹微球。

获得的氯霉素分子印迹微球平均粒径为25.2微米，C.V.＜10％.

实施例5

采用5微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子敌百虫超声溶解在致孔溶剂氯仿6mL中，加入功能单体甲基丙烯酸3mmol，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯18mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.17g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA 1.8g加入130mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在65℃下聚合18h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有8％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有敌百虫检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的敌百虫分子印迹微球。

实施例6

采用9.5微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子甲胺膦超声溶解在致孔溶剂氯仿6mL中，加入功能单体甲基丙烯酸4mmol，交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯16mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.17g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA 1.8g加入160mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有甲胺膦检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的甲胺膦分子印迹微球。

实施例7

采用11微米膜孔的亲水性微孔玻璃膜。首先配制分散相溶液，将1mmol模板分子单嘧磺隆超声溶解在致孔溶剂氯仿6mL中，加入功能单体甲基丙烯酸5mmol，交联剂EDMA 40mmol、引发剂偶氮二异丁腈AIBN 0.26g，溶液经过超声脱气5min，通氮气除氧15min；配制连续相溶液，将分散剂PVA1.6g加入140mL水中，搅拌溶解，超声脱气5min，通入氮气除氧20min；

将分散相溶液在一定压力下通过微孔膜进入连续相溶液中，形成乳液。乳化完毕，将制备的乳液转入到反应器中，通入氮气，在55℃下聚合26h，得到粒径均一的聚合物微球。

获得的聚合物微球用含有10％乙酸的乙酸乙酯溶液冲洗，直到洗出液中没有单嘧磺隆检出为止，再用乙酸乙酯冲洗，过滤，真空干燥，便得到粒径均一性好的单嘧磺隆分子印迹微球。

获得的氯霉素分子印迹微球平均粒径为38.7微米，C.V.＜10％.

本发明中[]内的数字分别相应地表示如下参考文献。这些文献的全部内容都全文引入本发明作为本发明说明书中的一部分。

[1]Zhou QZ，Ma GH，Su ZG.Effect of membrane parameters on the size anduniformity in preparing agarose beads by premix membrane emulsification.JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE.2009，326(2)：694-700.

[2]Vladisavljevic GT，Williams RA.Recent developments in manufacturingemulsions and particulate products using membranes.ADVANCES IN COLLOIDAND INTERFACE SCIENCE.2005，113(1)：1-20.

[3]Wang LY，Gu YH，Zhou QZ，et al.Preparation and characterization ofuniform-sized chitosan microspheres containing insulin by membrane emulsificationand a two-step solidification process.COLLOIDS AND SURFACESB-BIOINTERFACES.2006，50(2)：126-135.

[4]Liu R，Ma GH，Wan YH，et al.Influence of process parameters on the sizedistribution of PLA microcapsules prepared by combining membrane emulsificationtechnique and double emulsion-solvent evaporation method.COLLOIDS ANDSURFACES B-BIOINTERFACES.2005，45(3-4)：144-153.

[5]Ma GH，An CJ，Yuyama H，et al.Synthesis and characterization ofpolyurethaneurea-vinyl polymer(PUU-VP)uniform hybrid microspheres by SPGemulsification technique and subsequent suspension polymerization.JOURNAL OFAPPLIED POLYMER SCIENCE.2003，89(1)：163-178.

[6]Yuan QC，Aryanti N，Gutie′rrez G and Williams RA.Enhancing theThroughput of Membrane Emulsification Techniques To Manufacture FunctionalParticles.INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARC H.2009，48，8872-8880。

Claims

1.一种分子印迹聚合物微球，其粒径分布窄，按下式计算的粒径分布系数不大于20％：

C.V.＝{[∑(di-d)²/N]^1/2/d}×100％

2.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其平均粒径在1～500μm之间。

3.权利要求1和2所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，主要步骤如下：

③将分散相溶液在一定压力下通过亲水性微孔膜的膜孔压入连续相溶液中，形成粒径均一的乳液；然后将乳液转移到反应器中，轻微搅拌，在氮气保护下，乳液经交联聚合得到聚合物微球；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，模板分子、功能单体、交联剂的摩尔比为1∶1～10∶2～50。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，功能单体是甲基丙烯酸、丙烯酰胺、4-乙烯基吡啶、2-乙烯基吡啶、苯乙烯、环糊精、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、甲苯-2，4-二异氰酸酯或2，2-羟甲基丁醇三甲基丙烯酯。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，致孔溶剂是氯仿、液体石蜡、正己烷、环己烷、二氯甲烷、庚烷、甲苯或乙酸乙酯或上述溶剂的混合溶液。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，连续相是含有分散剂的水溶液，分散剂是聚乙烯醇PVA、十二烷基磺酸钠SDS、Tween 20、Tween 60或Tween 80，分散剂重量百分比浓度为0.1％～5％之间。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所用微孔膜的孔径为1-100μm，优选1-30μm。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤③所述的压力为0.05-10kgf/cm²。

11.权利要求3和4所述的模板分子是兽药分子，包括氯霉素、利福平、红霉素、玉米赤霉醇、氯丙嗪、己烯雌酚、克伦特罗。

12.权利要求3和4所述的模板分子是农药分子，包括三唑酮、敌百虫、甲胺膦、甲基对硫磷、氧乐果、莠去津、单嘧磺隆。

13.权利要求3和4所述的模板分子是药物分子，包括紫杉醇、齐墩果酸、喜树碱、绿原酸、水飞蓟素。

14.权利要求1-3所述的分子印迹聚合物微球可用作模板分子的选择性吸附。

15.权利要求1-3所述的分子印迹聚合物微球可作为色谱填料的用途。