CN104140501B - 一种温敏双酚a印迹聚合物微球及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料科学与工程和环境科学领域，具体涉及一种温敏双酚A印迹聚合物微球及其应用。微球为以聚苯乙烯为载体，以双酚A(BPA)为模板分子，结合温敏性材料单体，聚合得到温度响应性BPA印迹聚合物微球。所述温敏双酚A印迹聚合物微球用于对双酚A的检测。本发明原理明确，设计新颖，成本低廉，操作简便，采用了分散聚合、溶胀聚合和沉淀聚合等方法，获得的印迹聚合物微球形貌规则、性质稳定，对双酚A吸附速率快、结合容量高、特异性好、重现性好，应用于含双酚A的海水/酸奶样品检测中可达到90％以上加标回收率且重复使用性能良好。此外，本发明得到的智能印迹聚合物对外界温度反应灵敏，不同的溶液温度对其吸附能力影响很大。

Description

一种温敏双酚A印迹聚合物微球及其应用

技术领域

本发明属于材料科学与工程和环境科学领域，具体涉及一种温敏双酚A印迹聚合物微球及其应用。

背景技术

双酚A(BPA)化学名称为2,2-二(4-羟基苯基)丙烷，是重要的有机化工原料，广泛用于塑料和树脂产品、抗氧化剂和反应引发剂等。大约5％的BPA产品被用于食品包装，通过工业、农业和城市废水等方式流入水体环境，成为主要的污染源。BPA已成为日常生活中常见的内分泌干扰雌激素，研究证实长期接触过量水平的BPA会干扰人体内分泌系统平衡并引起一系列的健康问题，并且其低剂量危害性也已引起关注。因此，亟需对其进行高效识别和检测，而具有高选择富集能力的前处理材料和技术随之成为研究的热点。

分子印迹聚合物(MIPs)能对模板分子(目标识别分子)进行特异性的识别和分离，类似于生物体内的抗原-抗体，酶-底物间的相互作用，且具有稳定高效、制备简单、生物相容性好、环保安全等特性，引起了众多科研工作者的关注。已有BPA印迹聚合物相关研究的报道，例如Nebewia G等人提出了一种基于可逆蛋白石的印迹凝胶用于检测BPA，它的凝胶膜厚薄决定了对外界pH刺激的敏感程度；Yuma H等人制备了一种BPA磁印迹聚合物，它是在均一粒径的磁性纳米粒子上经过多步溶胀聚合得到的；Lu B等人合成了一种新型的光电化学传感器用于检测BPA，它是基于垂直整齐排列的具有光催化活性TiO₂纳米管实现的；Jin Q等人发明了一种具有高选择性的表面增强拉曼散射方法用于检测BPA，是通过在金纳米粒子表面包上一层BPA分子印迹聚合物实现的。以上这些BPA印迹聚合物都具有很好的形貌和性能，具有一定的实际应用价值。但是也存在一些缺点限制了其进一步应用，例如采用单一的识别单体，对BPA的吸附容量普遍偏小；没有很好的载体承载，识别效能难以完全发挥出来，且印迹产物不稳定，不能长期保存；印迹聚合物对BPA的识别和吸附效果只能在理想的单因素溶液状态下才能有效，对于不同温度、不同成分的混合溶液则效果很差甚至没有效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温敏双酚A印迹聚合物微球及其应用。

为实现上述目的本发明采用的技术方案为：

一种温敏双酚A印迹聚合物微球，微球为以多孔聚苯乙烯为载体，以双酚A(BPA)为模板分子，结合温敏性材料单体，聚合得到温度响应性BPA印迹聚合物微球。

进一步的说，以通过溶胀聚合得到的多孔聚苯乙烯微球为载体，两种结合温敏性材料的功能单体协同作用与双酚A进行印迹，得到对双酚A的结合容量高且对温度敏感的智能分子印迹聚合物。

更进一步的说，

a.聚苯乙烯种子微球的合成：将聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于无水乙醇和去离子水混合的溶液中，然后再加入苯乙烯溶液，在引发剂偶氮二异丁腈的作用下聚合反应，获得的聚苯乙烯微球产物，真空干燥至恒重，待用；

b.中空多孔聚苯乙烯微球的合成：对上述获得的聚苯乙烯种子微球进行三步溶胀聚合，即得到中空多孔聚苯乙烯微球；

c.中空多孔聚苯乙烯微球的表面修饰：向上述合成的中空多孔聚苯乙烯微球中加入硫代乙醇酸，进而得多孔表面稳定并使其表面呈现负电性，同时增加其表面聚合亲和能力的修饰后的微球；

d.温敏BPA印迹聚合物的制备：将共聚单体和模板分子BPA首先在冰水浴中混合搅拌4—8h预聚合，随后加入上述表面修饰过的中空多孔聚苯乙烯微球、交联剂和引发剂，使体系温度升高至50—70℃并恒温，在N₂保护下聚合反应12—24h，聚合后过滤离心清洗后通过索氏提取回流洗去模板分子BPA，干燥后即得到温敏双酚A印迹聚合物微球；其中，共聚单体为在交联剂和引发剂的存在下将温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺和识别性单体4-乙烯基吡啶在40—60℃下预聚合反应4-8h所得。

所述步骤a.中，将0.5-1.0g聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于95-145ml的无水乙醇和去离子水混合液中，然后缓慢的加入3—8mL的苯乙烯，并通氮气20—40min，而后再加入30—50mg偶氮二异丁腈，并将混合溶液升温至50-70℃并维持恒定，在氮气保护下聚合反应12—24h；获得的聚苯乙烯微球产物依次用去离子水和无水乙醇各洗5—8遍，将所得产物于30-50℃下真空干燥至恒重，收集备用；

其中，无水乙醇和去离子水之间按体积为5:1的比例混合。

所述步骤b.中，将十二烷基磺酸钠溶解在去离子水中，之后加入上述合成的聚苯乙烯种子，得均一的乳液；向上述均一的乳液中加入酞酸二丁酯，室温下搅拌溶胀20—28h；而后向溶胀乳液中加入甲苯和甲基丙烯酸，室温溶胀12—24h；溶胀后再加入二乙烯苯和过氧化苯甲酰搅拌12—24h后，将温度升高至60—80℃，在N₂保护下继续反应12—24h；最后，将产物离心分离并分别用二氯甲烷和甲醇清洗3—5次，将所得产物30—50℃下真空干燥12—24h，收集产物即为中空多孔聚苯乙烯微球。

所述步骤c.中向80—120mg的多孔聚苯乙烯微球中加入40—60μL的硫代乙醇酸，分散于30—50mL乙腈和8—12mL甲醇混合溶剂中搅拌4—8h。

所述步骤d.中将共聚单体和模板分子BPA在冰水浴中混合预反应4—8h，反应后加入表面修饰过的中空多孔聚苯乙烯微球混合，搅拌30min后，加入乙二醇二甲基丙烯酸酯并不断搅拌，反应体系通N₂排空气20—40min后，将体系的温度升高至50—70℃并恒温，随后加入偶氮二异丁腈，混合溶液在N₂氛围下沉淀聚合反应12—24h；产物过滤离心，分别用丙酮和甲醇清洗3—5次，然后洗去模板分子，35—45℃下真空干燥12—24h后，收集产物即为温敏BPA印迹聚合物。

所述共聚单体为0.1—0.2g的温敏单体N-异丙基丙烯酰胺和0.3—0.5mL的识别性单体4-乙烯基吡啶，再加入40—60mL去离子水，搅拌20—40min后加入10—30mg的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和8-16mg过硫酸钾，然后在40—60℃恒温油浴锅中搅拌反应4—8h，产物过滤，用去离子水洗3—6次，然后30—50℃下真空干燥12—24h，收集产物共聚单体。

所述洗去模板分子的条件：通过洗脱的方式将模板洗脱，先用甲醇/乙酸(4:1,v/v)用索氏提取装置回流洗脱12—16h，每隔2—6h更换一次上述索氏提取的洗脱剂(即甲醇/乙酸(4:1,v/v))；然后，用甲醇/乙酸(9:1,v/v)再洗涤12—16h，每隔2—6h再更换一次上述洗涤液(即甲醇/乙酸(9:1,v/v)洗脱剂)；之后，35—45℃真空干燥12—24h，收集产物，密封保存备用。

一种温敏双酚A印迹聚合物微球的应用，所述温敏双酚A印迹聚合物微球用于对双酚A的检测。

本发明所具有的优点：

本发明针对目前BPA相关印迹聚合物的不足，以提高产物稳定性、识别能力和吸附能力为目标，最终得到了产率较高，对温度较敏感的智能印迹聚合物。

本发明引入温度响应性单体N-异丙基丙烯酰胺，其低临界溶解温度(LCST)为33℃，当溶液温度低于LCST时，N-异丙基丙烯酰胺的酰胺链与溶液相互作用产生大量氢键，呈现出亲水性和延伸展开的状态；当溶液温度高于LCST时，较高的温度引起的相变化抑制了其氢键的相互作用，表现为疏水特性和收缩的状态。利用温敏性单体和识别性单体的协同作用，既能提高印迹聚合物对BPA的吸附容量，又能适用于不同温度水体中BPA的分析检测。同时，采用多孔聚苯乙烯为载体，大大提高了印迹产物的识别能力和稳定性。

本发明原理简单新颖，试剂廉价易得，反应条件温和，通过两种单体协同作用，所得中空多孔核壳印迹微球形貌规则、粒径均一为1μm左右，单分散性好、对BPA吸附容量大、吸附速率快、结合容量高、特异性好、重现性好，且对不同的溶液温度响应良好。结合固相萃取在20℃应用于水体中BPA的检测分析，其加标回收率达到90％以上，重复使用6次的相对标准偏差低于10％，重用性良好。本发明得到的智能印迹聚合物对外界温度反应灵敏，不同的溶液温度对其吸附能力影响很大，将通过简单的温度调控实现模板分子的吸附与释放，适用于特殊水体环境中双酚A的分离检测，为污染物的识别、富集和去除提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明实施例提供的温敏BPA印迹聚合物制备过程示意图。

图2为本发明实施例提供的聚苯乙烯、中空多孔聚苯乙烯和温敏BPA印迹聚合物(T-MIPs)的扫描电镜图。

图3为本发明实施例提供的聚苯乙烯、中空多孔聚苯乙烯、T-MIPs和温敏BPA非印迹聚合物(T-NIPs)的红外光谱图。

图4为本发明实施例提供的T-MIPs和T-NIPs对BPA及其类似物的吸附容量柱状图。

图5为本发明实施例提供的T-MIPs和T-NIPs在不同温度的静态吸附等温线图。

具体实施方式

实施例1

a.聚苯乙烯种子微球的合成：向250mL三口烧瓶中加入100mL无水乙醇，20mL去离子水和0.7g聚乙烯吡咯烷酮，然后通过超声和不断的搅拌使它们分散均匀，接着缓慢的加入5mL的苯乙烯，通氮气30min，然后加入40mg偶氮二异丁腈，并将混合溶液升温至60℃并维持，在氮气保护下聚合反应24h。获得的聚苯乙烯微球产物依次用去离子水和无水乙醇各洗6遍，将所得产物于40℃下真空干燥至恒重，收集备用。

b.中空多孔聚苯乙烯微球的合成：向100mL的两口烧瓶中加入0.125g的十二烷基磺酸钠和50mL去离子水，振摇至溶解完全后加入0.2g上述合成的聚苯乙烯种子，不断搅拌和超声处理使体系成为均一的乳液，然后进行三步溶胀。第一步溶胀：准确量取0.7mL的酞酸二丁酯加入到乳液体系中，室温下搅拌溶胀24h；第二步溶胀：10mL的甲苯和4mmol的甲基丙烯酸依次缓慢加入到第一步溶胀溶液中，室温溶胀24h；第三步溶胀：4mL的二乙烯基苯和60mg的过氧化苯甲酰依次缓慢加入到第二步溶胀溶液中，搅拌24h后，将温度升高至70℃，在氮气保护下继续反应24h。最后，将产物离心分离并分别用二氯甲烷和甲醇清洗4次，将所得产物40℃下真空干燥24h，收集备用。

c.中空多孔聚苯乙烯微球的表面修饰：将100mg的多孔聚苯乙烯微球加入到50μL的硫代乙醇酸中，分散于40mL乙腈和10mL甲醇混合溶剂中置于100mL三口烧瓶中，搅拌6h。

d.双功能单体的预聚合：准确称取0.113g的N-异丙基丙烯酰胺和0.431mL的4-乙烯基吡啶，加入到含50mL去离子水的100mL单口烧瓶中，搅拌30min后加入20mg N,N-亚甲基双丙烯酰胺和10mg过硫酸钾，然后在50℃恒温油浴锅中搅拌反应6h，产物过滤，用去离子水洗3次，然后40℃下真空干燥24h，收集产物共聚单体。

e.温敏BPA印迹聚合物的制备：将4mmol的上述所得共聚单体和1mmol的模板分子BPA先在冰水浴中混合，在50mL圆底烧瓶中预反应6h，然后将其转移到100mL三口烧瓶中，与上述所得表面修饰过的中空多孔聚苯乙烯微球混合，搅拌30min后，加入20mmol交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯并不断搅拌，反应体系通氮气排空气30min后，将体系的温度升高至60℃并恒温，随后加入20mg引发剂偶氮二异丁腈，混合溶液在氮气氛围下沉淀聚合反应24h。产物过滤离心，分别用丙酮和甲醇清洗3次。然后洗脱模板分子，洗脱后于40℃下真空干燥24h后收集产物即为温敏BPA印迹聚合物，记为T-MIPs。

其中，洗脱模板分子为先用甲醇/乙酸洗脱剂(4:1,v/v)用索氏提取装置回流洗脱12h，每隔4h更换一次上述索氏提取洗脱液(即甲醇/乙酸(4:1,v/v))；然后，用不同比例的洗脱剂(即甲醇/乙酸(9:1,v/v)再洗涤12h，每隔4h更换一次上述洗涤液(即甲醇/乙酸(9:1,v/v))。然后于40℃下真空干燥24h后收集产物即为温敏BPA印迹聚合物，记为T-MIPs(图1)。

温敏非印迹聚合物的制备：按照上述操作规程，除了不加模板分子BPA之外，其他步骤同上，记为T-NIPs。

上述制备所得T-MIPs进行电镜扫描，如图2所示，得到1μm粒径均一、形貌规则的微球颗粒。由图3红外谱图所示，表明成功制备了中空多孔聚苯乙烯种子为核的温敏BPA核壳结构印迹聚合物微球。

实施例2

分别称取20mg的T-MIPs和T-NIPs样品，置于6支10mL的磨口具塞试管中，分别加入2mL浓度为50mg/L的BPA及其5种结构相似物(β-雌二醇、雌三醇、雌酮、胆固醇和苯酚)的乙腈溶液，室温下振荡24h。然后将此混合液离心分离，用0.45μm的微孔滤膜过滤后，滤液中BPA及其结构类似物的浓度通过HPLC-UV测定，并依此计算出印迹产物对各种酚类雌激素的吸附容量，每组实验平行测定3次。作为对照，称取20mg的T-NIPs进行同样的实验。结果如图4所示，T-MIPs对BPA的吸附容量明显高于其他5种酚类物质，表明T-MIPs中存在特异性位点，对BPA具有高的选择性；而T-NIPs对这6种酚类物质的吸附容量没有明显差异，说明T-NIPs中不存在选择性位点，属于非特异性吸附。

实施例3

分别称取10mg的T-MIPs和T-NIPs样品加入到2.0mL含不同浓度BPA(1,10,30,50,100mg/L)的溶液中，置于5mL的具塞玻璃试管中，然后立即转移到20、33和50℃的恒温水浴锅中，经过24h的充分吸附后，迅速过滤离心，用0.45μm的微孔滤膜过滤后，滤液中的BPA浓度用HPLC-UV定量，评价三个温度下印迹聚合物对BPA吸附容量的变化情况。每组实验平行测定3次。结果如图5所示，T-MIPs和T-NIPs对各不同浓度的BPA的吸附随着温度变化都有一定的响应性；在低临界温度(LCST)33℃时，T-MIPs对模板分子吸附效果最好，表明印迹聚合物层呈现舒展状态；在20℃时，聚合物也为展开状态，吸附能力也很大，仅稍微小于33℃时的吸附量；然而，当溶液温度变为50℃时，聚合物变为收缩状态，吸附能力大大减弱。表明，T-MIPs具有很好的温度响应性能，因此可以通过调控温度来方便简单的控制模板分子的吸附和释放。

Claims (8)

1.一种温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：微球以硫代乙醇酸修饰的多孔聚苯乙烯为载体，以双酚A(BPA)为模板分子，以4-乙烯基吡啶结合N-异丙基丙烯酰胺为共聚单体，以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂聚合得到。

2.按权利要求1所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：

a.聚苯乙烯种子微球的合成：将聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于无水乙醇和去离子水混合的溶液中，然后再加入苯乙烯溶液，在引发剂偶氮二异丁腈的作用下聚合反应，获得的聚苯乙烯微球产物，真空干燥至恒重，待用；

b.中空多孔聚苯乙烯微球的合成：对上述获得的聚苯乙烯种子微球进行三步溶胀聚合，即得到中空多孔聚苯乙烯微球；

c.中空多孔聚苯乙烯微球的表面修饰：向上述合成的中空多孔聚苯乙烯微球中加入硫代乙醇酸，进而得多孔表面稳定并使其表面呈现负电性，同时增加其表面聚合亲和能力的修饰后的微球；

d.温敏BPA印迹聚合物的制备：将共聚单体和模板分子BPA首先在冰水浴中混合搅拌4—8h预聚合，随后加入上述表面修饰过的中空多孔聚苯乙烯微球、交联剂和引发剂，使体系温度升高至50—70℃并恒温，在N₂保护下聚合反应12—24h，聚合后过滤离心清洗后通过索氏提取回流洗去模板分子BPA，干燥后即得到温敏双酚A印迹聚合物微球；其中，共聚单体为在交联剂和引发剂的存在下将温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺和识别性单体4-乙烯基吡啶在40—60℃下预聚合反应4-8h所得。

3.按权利要求2所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：所述步骤a.中，将0.5-1.0g聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于95-145ml的无水乙醇和去离子水混合液中，然后缓慢的加入3—8mL的苯乙烯，并通氮气20—40min，而后再加入30—50mg偶氮二异丁腈，并将混合溶液升温至50-70℃并维持恒定，在氮气保护下聚合反应12—24h；获得的聚苯乙烯微球产物依次用去离子水和无水乙醇各洗5—8遍，将所得产物于30-50℃下真空干燥至恒重，收集备用；

其中，无水乙醇和去离子水之间按体积为5:1的比例混合。

4.按权利要求2所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：

所述步骤b.中，将十二烷基磺酸钠溶解在去离子水中，之后加入上述合成的聚苯乙烯种子，得均一的乳液；向上述均一的乳液中加入酞酸二丁酯，室温下搅拌溶胀20—28h；而后向溶胀乳液中加入甲苯和甲基丙烯酸，室温溶胀12—24h；溶胀后再加入二乙烯苯和过氧化苯甲酰搅拌12—24h后，将温度升高至60—80℃，在N₂保护下继续反应12—24h；最后，将产物离心分离并分别用二氯甲烷和甲醇清洗3—5次，将所得产物30—50℃下真空干燥12—24h，收集产物即为中空多孔聚苯乙烯微球。

5.按权利要求2所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：所述步骤c.中向80—120mg的多孔聚苯乙烯微球中加入40—60μL的硫代乙醇酸，分散于30—50mL乙腈和8—12mL甲醇混合溶剂中搅拌4—8h。

6.按权利要求2所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：所述步骤d.中将共聚单体和模板分子BPA在冰水浴中混合预反应4—8h，反应后加入表面修饰过的中空多孔聚苯乙烯微球混合，搅拌30min后，加入乙二醇二甲基丙烯酸酯并不断搅拌，反应体系通N₂排空气20—40min后，将体系的温度升高至50—70℃并恒温，随后加入偶氮二异丁腈，混合溶液在N₂氛围下沉淀聚合反应12—24h；产物过滤离心，分别用丙酮和甲醇清洗3—5次，然后洗去模板分子，35—45℃下真空干燥12—24h后，收集产物即为温敏BPA印迹聚合物。

7.按权利要求6所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：所述共聚单体为0.1—0.2g的温敏单体N-异丙基丙烯酰胺和0.3—0.5mL的识别性单体4-乙烯基吡啶，再加入40—60mL去离子水，搅拌20—40min后加入10—30mg的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和8-16mg过硫酸钾，然后在40—60℃恒温油浴锅中搅拌反应4—8h，产物过滤，用去离子水洗3—6次，然后30—50℃下真空干燥12—24h，收集产物共聚单体。

8.按权利要求6所述的温敏双酚A印迹聚合物微球，其特征在于：所述洗去模板分子的条件：应用索氏提取装置将模板洗脱，先用体积比4:1的甲醇/乙酸溶液为洗脱剂回流洗脱12—16h，其间每隔2—6h更换一次上述洗脱剂；然后，用体积比为9:1的甲醇/乙酸溶液再洗涤12—16h，其间同样每隔2—6h更换一次洗脱剂；之后，35—45℃真空干燥12—24h，收集产物，密封保存备用。