CN103599759A - 一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，属环境材料制备技术领域。本发明利用已商品化的干酵母为基质材料，先将其改性为接引发剂的复合材料，然后分别以环丙沙星为模板，甲基丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯为功能单体，乙二醇二(甲基丙烯酸)酯为交联剂，溴化亚铜为催化剂，利用表面引发原子转移自由基聚合方法，在绿色、环境友好的乳液体系中合成了酵母菌表面分子印迹吸附剂。静态吸附实验用来研究了制备的印迹吸附剂的吸附平衡、动力学和选择性识别性能。结果表明利用本发明获得的酵母菌表面印迹吸附剂对水环境中环丙沙星具有较快速的吸附动力学性质和优越的识别性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，特指以酵母为基质材料，环丙沙星为模板，甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA)为功能单体，乙二醇二（甲基丙烯酸）酯（EGDMA）为交联剂，溴化亚铜（CuBr）为催化剂，利用原子转移自由基聚合，在绿色友好的乳液体系中合成环丙沙星表面分子印迹聚合物的方法, 属环境材料制备技术领域。
背景技术
环丙沙星，属于第三代氟喹诺酮类抗生素，由于其抗菌谱广、吸收好、血液浓度高、能迅速分解到各组织、半衰期长等特点，被广泛用于人类医疗和畜牧养殖业。但是，进入机体的抗生素并没有被完全吸收，而是有相当一部分被以母体 或代谢产物的形式排入到水环境中。以环丙沙星为代表的抗生素的残留富集对人类的健康造成潜在的威胁。因此，建立一种高效识别分离水环境中的环丙沙星的方法具有重要的研究意义。
传统的抗生素分离技术有：溶剂萃取技术，膜分离技术，浓缩结晶技术等。这些方法各有优点，但是也有一定的局限性，例如溶剂萃取技术需大量有机溶剂，易产生二次污染；膜分离技术存在膜的堵塞问题；浓缩结晶技术成本高，工艺过程复杂。近年来，由于低成本，高选择性，重复性好的特点，分子印迹技术得到迅速的发展。分子印迹技术（Molecular Imprinting Technique, MIT）是以目标分子为模板分子，制备对该分子具有特异选择性识别功能的高分子印迹聚合物（MIPs）的一种技术。即选用能与模板分子产生特定相互作用的功能性单体，在模板分子周围与交联剂进行聚合，形成三维交联的聚合物网络，最后通过物理化学等方法除去模板分子，就获得了具有对模板分子具有特殊亲和性及识别性孔穴的功能性高分子。但是，传统分子印迹技术整体还存在的一些缺陷，如活性位点包埋过深，传质和电荷传递的动力学速率慢，吸附-脱附的动力学性能不佳等。表面分子印迹技术通过把分子识别位点建立在基质材料的表面，有利于模板分子的去除和传质性能的提高。
原子转移自由基聚合（Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP）是一种新型的可控活性自由基聚合方式。ATRP 分子设计能力强，反应条件温和，可在室温下引发反应，也可在水溶液中进行，容易实现可控反应，逐渐成为一种新型的表面印迹聚合方式。利用ATRP所具有的活性/可控的特点，通过优化实验条件可以控制分子印迹聚合物层在基质表面的生长。传统的基质材料有硅胶，金，石墨等，微生物类生物材料例如酵母菌等，具有无机材料无可比拟的优势：成本低廉，来源易得；形貌结构特殊，产出率高；含有丰富的活性官能团等。微生物材料作为吸附剂，吸附分离金属离子、燃料、农药残留已有大量研究，并进一步应用到工业污水处理中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种选择性分离水环境中的环丙沙星的制备方法，特指利用原子转移自由基乳液聚合方式，在酵母菌基质材料上制备表面印迹聚合物的方法。
本发明的技术方案如下：
首先，对已商品化的干酵母进行活化，接着对活化的酵母接上卤素，制得酵母接溴复合材料；其次，利用原子转移自由基聚合，在乳液体系中，以酵母为基质材料，合成表面印迹聚合物。一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，按以下步骤进行：
（1）酵母接溴复合材料的制备：
称取活化酵母分散在二氯甲烷中，然后加入三乙胺，冰浴10~40 min，通N2除氧，再逐滴加入2-溴异丁酰溴，室温下反应8~15 h。反应生成物先用二氯甲烷冲洗三次，再用无水乙醇冲洗三次，最后在50 oC的真空干燥箱中干燥12 h。
（2）环丙沙星表面印迹聚合物（MIPs）的制备：
在三口烧瓶中加入吐温-20和蒸馏水，超声2~10 min，然后搅拌，直至没有气泡产生。接着分别加入环丙沙星、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二(甲基丙烯酸)酯和酵母接溴复合材料到上述乳液体系中，混合物超声10 min，得到预聚合溶液。接着，将混合物通氮除氧 10 min，缓慢的加入N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺，最后迅速的加入溴化亚铜（CuBr），混合物在 35 oC下反应20~30 h，然后在转速为3000 rpm下离心10 min，35 oC 真空干燥12 h。合成的产物用甲醇和醋酸的混合液为提取液索氏提取48 h，脱除模板分子环丙沙星，在50 oC下真空干燥6 h制得环丙沙星表面印迹聚合物。
其中，步骤（1）中所述的活化酵母与二氯甲烷的质量体积比为1g:（10~25）mL。
其中，步骤（1）中所述的2-溴异丁酰溴与三乙胺体积比为1:0.5~2。
其中，步骤（2）中所述的吐温-20和蒸馏水的质量体积比为1 g：（50~65）mL。
其中，步骤（2）中所述的环丙沙星、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：（2~4）：（2~4）。
其中，步骤（2）中所述的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二(甲基丙烯酸)酯的摩尔比为1：1：（6~10）。
其中，步骤（2）中所述的酵母接溴材料与环丙沙星的质量与摩尔比为1 g：（0.5~1） mol。
其中，步骤（2）中所述的CuBr与N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺的质量体积比为1 mg：（1.5~2.5）μL。
其中，步骤（2）中所述的甲醇和醋酸的体积比为9:1。
上述的技术方案中，混合物超声混合10 min的目的是形成预组装体系。
上述技术方案中所述的环丙沙星，其作用为模板分子。
上述技术方案中所述的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯，其作用为功能单体。
上述技术方案中所述的乙二醇二(甲基丙烯酸)酯，其作用为交联剂。
上述技术方案中所述的溴化亚铜，其作用为催化剂。
上述技术方案中所述的酵母菌，其作用为基质材料。
上述技术方案中所述的酵母基质材料在使用前需要先活化，酵母活化的具体步骤如下：
常温下取3 g干酵母分散在50 mL质量分数为0.9% 的NaCl 溶液中，混合液在35 oC下搅拌4 h，然后在转速为2000 rpm下离心5 min，用乙醇冲洗两次，在35 oC下干燥得到活化的酵母。
对应的非印迹吸附剂（NIPs）制备方法与上述相同，但不加模板环丙沙星。
（3）将所制得的吸附剂进行吸附性能分析测试。
①静态吸附试验
称取5 mg MIPs和NIPs，加入不同浓度的环丙沙星溶液，浓度范围为5~200 mg L-1。在35 oC恒温水浴中静置，考察吸附溶液的初始浓度、反应温度和结构类似物干扰对表面印迹吸附剂识别环丙沙星分子的影响；吸附后，通过离心分离收集得到测试液中上层清液，未吸附的环丙沙星分子浓度用紫外光谱在276 nm处测定，并根据结果计算出吸附容量(Q e，mg/g)：
其中C 0 (mg/L) 和C e (mg/L) 分别是吸附前后环丙沙星的浓度，W (g) 为吸附剂的质量，V (mL)为环丙沙星溶液的体积。
②选择性吸附试验
选取环丙沙星（CIP）、恩诺沙星 (ENR)、四环素 (TC) 和磺胺二甲嘧啶 （SMZ）为竞争吸附底物，分别配置以上三种化合物的水溶液，每种底物的浓度都为50 μmol/L。取10 mL 配置好的溶液加入到比色管中，分别加入5 mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在35 oC 的水浴中分别静置12 h；静置时间完成后，离心分离得到上清液，未吸附的各种竞争吸附底物的浓度用紫外光谱（UV）在276 nm处测定。
本发明的技术优点：
首先，该产品利用的基质材料酵母菌是微生物材料，成本低廉，来源易得，且含有丰富的冠能团，有利于进一步材料的修饰；其次，利用原子转移自由基乳液聚合解决了印迹聚合物在水溶液中合成的难点，且溶剂无毒环保；最后，由于印迹发生在酵母菌基质材料的表面，避免了部分模板分子因包埋过深而无法洗脱的问题，大大地降低了非特异性吸附。利用本发明获得的环丙沙星表面印迹吸附剂具有较高的吸附容量，快速的吸附动力学性质以及较高的分子识别性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明技术作进一步描述。
图1 为实施例1中活化酵母、酵母接溴和印迹聚合物的红外光谱图；从图1中可以看出在3290 cm-1，2930 cm-1 宽且强的峰归因于N-H，O-H的伸缩振动。相对于酵母的红外峰，酵母接溴复合材料在约 1380 cm-1处新出现的峰归因于异丙基中C-H的伸缩振动峰，表明卤素Br成功的固定在酵母的表面。印迹聚合物在1720 cm-1和1160 cm-1左右处的特征峰分别是C=O的伸缩振动和C-O的对称伸缩振动峰。通过活化酵母、酵母接溴和印迹聚合物在以上两个特征峰的比较，表明了印迹聚合物已经成功嫁接到酵母菌的表面。
图2 为实施例1中酵母菌（a）、环丙沙星表面印迹聚合物（b~d）的扫描电镜和透射电镜图；从图2中可以看出未修饰的酵母表面光滑，而合成的表面印迹聚合物层分布均一、表面粗糙膨松，从透射电镜图中可以看出明显的聚合物层，上述结果表明印迹聚合物成功的合成。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）酵母接溴复合材料的制备
将2 g活化酵母分散在20 mL二氯甲烷中，然后加入2 mL的三乙胺，冰浴10 min，通N2除氧，然后逐滴加入2-溴异丁酰溴1mL，室温下反应8 h。反应生成物先用二氯甲烷冲洗三次，再用无水乙醇冲洗三次，最后在50 oC的真空干燥箱中干燥12 h。
（2）环丙沙星表面印迹聚合物（MIPs）的制备
在100 mL 的三口烧瓶中加入0.5 g吐温-20和25 mL蒸馏水，超声2 min，然后搅拌，直至没有气泡产生。接着分别加入0.125 mol环丙沙星、0.5 mol甲基丙烯酸、0.5 mol甲基丙烯酸羟乙酯、3 mol乙二醇二(甲基丙烯酸)酯和0.25 g酵母接溴复合材料到上述乳液体系中。混合物超声10 min，得到预聚合溶液。接着，将混合物通氮除氧 10 min，缓慢的加入N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺18 μL，最后迅速的加入溴化亚铜（CuBr）12 mg。混合物在 35 oC下反应20 h，然后在转速为3000 rpm下离心10 min，35 oC 真空干燥12 h。合成的产物用90 mL甲醇和10 mL 醋酸的混合液为提取液索氏提取48 h，脱除模板分子环丙沙星，在50 oC下真空干燥6 h制得环丙沙星表面印迹聚合物。对应的非印迹吸附剂（NIPs）制备方法与上述相同，但不加模板环丙沙星。
（3）静态吸附试验
取10 mL初始浓度分别为5、10、15、20、25、50、75、100、150和200 mg L-1的环丙沙星溶液加入到10 mL的比色管中，分别加入5 mg上述制得的印迹和非印迹吸附剂，把测试液分别放在35 oC的水浴中静置12 h后，离心分离得到上清夜，未吸附的环丙沙星分子浓度用紫外光谱在276 nm处测定，并根据结果计算出吸附容量。
结果表明，环丙沙星表面印迹吸附剂在35 oC的饱和吸附容量分别为19.61、mg/g，明显高于相应的非印迹吸附剂的14.47 mg/g。
（4）选择性吸附试验
选取环丙沙星（CIP）、恩诺沙星 (ENR)、四环素 (TC) 和磺胺二甲嘧啶 （SMZ）为竞争吸附底物，分别配置以上三种化合物的水溶液，每种底物的浓度都为50 μmol/L。取10 mL 配置好的溶液加入到比色管中，分别加入5 mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在35 oC的水浴中分别静置12 h；静置时间完成后，离心分离得到上清液，未吸附的各种竞争吸附底物的浓度用紫外光谱（UV）测定。
结果显示，环丙沙星表面印迹吸附剂对恩诺沙星、四环素和磺胺二甲嘧啶的分离因子为1.212、2.002和10.65 都明显大于而非印迹聚合物相应的分离因子为1.152、1.779和6.441，表明此环丙沙星表面印迹材料对环丙沙星分子具有良好的选择识别性能。
实施例2
（1）酵母接溴复合材料的制备
将2.5 g活化酵母分散在50 mL二氯甲烷中，然后加入3 mL的三乙胺，冰浴20 min，通N2除氧，然后逐滴加入2-溴异丁酰溴3 mL，室温下反应10 h。反应生成物先用二氯甲烷冲洗三次，再用无水乙醇冲洗三次，最后在50 oC的真空干燥箱中干燥12 h。
（2） 环丙沙星表面印迹聚合物（MIPs）的制备
在100 mL 的三口烧瓶中加入0.6 g吐温-20和36 mL蒸馏水，超声5 min，然后搅拌，直至没有气泡产生。接着分别加入0.2 mol环丙沙星、0.6 mol甲基丙烯酸、0.6 mol甲基丙烯酸羟乙酯、4.8 mol乙二醇二(甲基丙烯酸)酯和0.25 g酵母接溴复合材料到上述乳液体系中。混合物超声10 min，得到预聚合溶液。接着，将混合物通氮除氧 10 min，缓慢的加入N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺25 μL，最后迅速的加入溴化亚铜（CuBr）12.5 mg。混合物在 35 oC下反应25 h，然后在转速为3000 rpm下离心10 min，35 oC 真空干燥12 h。合成的产物用90 mL甲醇和10 mL 醋酸的混合液为提取液索氏提取48 h，脱除模板分子环丙沙星，在50 oC下真空干燥6 h制得环丙沙星表面印迹聚合物。对应的非印迹吸附剂（NIPs）制备方法与上述相同，但不加模板环丙沙星。
（3）静态吸附试验
取10 mL初始浓度分别为5、10、15、20、25、50、75、100、150和200 mg L-1的环丙沙星溶液加入到10 mL的比色管中，分别加入5 mg上述制得的印迹和非印迹吸附剂，把测试液分别放在35 oC的恒温水浴中静置12 h后，离心分离得到上清夜，未吸附的环丙沙星分子浓度用紫外光谱在276 nm处测定，并根据结果计算出吸附容量。
结果表明，环丙沙星表面印迹吸附剂在35 oC的饱和吸附容量分别为19.72、mg/g，明显高于相应的非印迹吸附剂的13.39 mg/g。
（4）选择性吸附试验
选取环丙沙星（CIP）、恩诺沙星 (ENR)、四环素 (TC) 和磺胺二甲嘧啶 （SMZ）为竞争吸附底物，分别配置以上三种化合物的水溶液，每种底物的浓度都为50 μmol/L。取10 mL 配置好的溶液加入到比色管中，分别加入5 mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在35 oC的水浴中分别静置12 h；静置时间完成后，离心分离得到上清液，未吸附的各种竞争吸附底物的浓度用紫外光谱（UV）测定。
结果显示，环丙沙星表面印迹吸附剂对恩诺沙星、四环素和磺胺二甲嘧啶的分离因子为1.352、2.273和10.674 都明显大于而非印迹聚合物相应的分离因子为1.171、1.786和6.545，表明此环丙沙星表面印迹材料对环丙沙星分子具有良好的选择识别性能。
实施例 3
（1）酵母接溴复合材料的制备
将3 g活化酵母分散在75 mL二氯甲烷中，然后加入4 mL的三乙胺，冰浴40 min，通N2除氧，然后逐滴加入2-溴 异丁酰溴8 mL，室温下反应15 h。反应生成物先用二氯甲烷冲洗三次，再用无水乙醇冲洗三次，最后在50 oC的真空干燥箱中干燥12 h。
（2）环丙沙星表面印迹聚合物（MIPs）的制备
在100 mL 的三口烧瓶中加入0.8 g吐温-20和52 mL蒸馏水，超声10 min，然后搅拌，直至没有气泡产生。接着分别加入0.25 mol环丙沙星、1 mol甲基丙烯酸、1 mol甲基丙烯酸羟乙酯、10 mol乙二醇二(甲基丙烯酸)酯和0.25 g酵母接溴复合材料到上述乳液体系中。混合物超声10 min，得到预聚合溶液。接着，将混合物通氮除氧 10 min，缓慢的加入N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺35 μL，最后迅速的加入溴化亚铜（CuBr）14 mg，混合物在 35 oC下反应30 h，然后在转速为3000 rpm下离心10 min，35 oC 真空干燥12 h。合成的产物用90 mL甲醇和10 mL 醋酸的混合液为提取液索氏提取48 h，脱除模板分子环丙沙星，在50 oC下真空干燥6 h制得环丙沙星表面印迹聚合物。对应的非印迹吸附剂（NIPs）制备方法与上述相同，但不加模板环丙沙星。
（3）静态吸附试验
取10 mL初始浓度分别为5、10、15、20、25、50、75、100、150和200 mg L-1的环丙沙星溶液加入到10 mL的比色管中，分别加入5 mg上述制得的印迹和非印迹吸附剂，把测试液分别放在35 oC的恒温水浴中静置12 h后，离心分离得到上清夜，未吸附的环丙沙星分子浓度用紫外光谱在276 nm处测定，并根据结果计算出吸附容量。
结果表明，环丙沙星表面印迹吸附剂在35 oC的饱和吸附容量分别为21.14 mg/g，明显高于相应的非印迹吸附剂的13.37 mg/g。
（4）选择性吸附试验
选取环丙沙星（CIP）、恩诺沙星 (ENR)、四环素 (TC) 和磺胺二甲嘧啶 （SMZ）为竞争吸附底物，分别配置以上三种化合物的水溶液，每种底物的浓度都为50 μmol/L。取10 mL 配置好的溶液加入到比色管中，分别加入5 mg印迹和非印迹吸附剂，把测试液放在35 oC的水浴中分别静置12 h；静置时间完成后，离心分离得到上清液，未吸附的各种竞争吸附底物的浓度用紫外光谱（UV）测定。
结果显示，环丙沙星表面印迹吸附剂对恩诺沙星、四环素和磺胺二甲嘧啶的分离因子为1.373、2.282和10.685 都明显大于而非印迹聚合物相应的分离因子为1.184、1.797和6.571，表明此环丙沙星表面印迹材料对环丙沙星分子具有良好的选择识别性能。
Claims (9)
1.一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）酵母接溴复合材料的制备：
称取活化酵母分散在二氯甲烷中，然后加入三乙胺，冰浴10~40 min，通N2除氧，再逐滴加入2-溴异丁酰溴，室温下反应8~15 h；反应生成物先用二氯甲烷冲洗三次，再用无水乙醇冲洗三次，最后在50 oC的真空干燥箱中干燥12 h；
（2）环丙沙星表面印迹聚合物的制备：
在三口烧瓶中加入吐温-20和蒸馏水，超声2~10 min，然后搅拌，直至没有气泡产生；接着分别加入环丙沙星、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇二(甲基丙烯酸)酯和酵母接溴复合材料到上述乳液体系中，混合物超声10 min，得到预聚合溶液；接着，将混合物通氮除氧 10 min，缓慢的加入N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺，最后迅速的加入溴化亚铜，混合物在 35 oC下反应20~30 h，然后在转速为3000 rpm下离心10 min，35 oC 真空干燥12 h；合成的产物用甲醇和醋酸的混合液为提取液索氏提取48 h，脱除模板分子环丙沙星，在50 oC下真空干燥6 h制得环丙沙星表面印迹聚合物。
2.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的活化酵母与二氯甲烷的质量体积比为1g: 10~25mL。
3.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的2-溴异丁酰溴与三乙胺体积比为1:0.5~2。
4.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的吐温-20和蒸馏水的质量体积比为1 g：50~65mL。
5.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的环丙沙星、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：2~4：2~4。
6.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和乙二醇二(甲基丙烯酸)酯的摩尔比为1：1：6~10。
7.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酵母接溴材料与环丙沙星的质量与摩尔比为1 g：0.5~1 mol。
8.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的CuBr与N,N,N',N,'N''-五甲基二亚乙基三胺的质量体积比为1 mg：1.5~2.5μL。
9.根据权利要求1所述的一种选择性分离水环境中环丙沙星的新型吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的甲醇和醋酸的体积比为9:1。
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