O404S布洛芬分子印迹膜的制备及其手性拆分性能的研究

第七届全国膜与膜过程学术报告会1S-S-S-S-布洛芬分子印迹膜的制备及其手性拆分性能的研究****刘丽娟许振良**华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，化学工程研究所膜科学与工程研发中心，上海，2002371前言分子印迹技术（MIT）是近年来迅速发展起来的一项技术，用来制备对目标分子具有特异选择性而且高度稳定的分子印迹聚合物（MIPs）。与生物识别体系中的酶、抗原等相比，MIPs具有亲和性强、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长等优点；与化学识别体系中的冠醚、环糊精等相比，又具有高特异识别性的优点。因此，MIPs在色谱分离[1,2]、固相萃取[3,4]、化学和生物传感器[5,6]、临床药物分离[7,8]和膜分离技术[9]等领域都展现出了良好的应用前景，在手性识别拆分中表现出了特别的优势。雷建都等[10]以丙烯酰胺为功能单体制备了手性固定相，对naproxen对映体进行了拆分。Chin-YinHung等[11]以S-布洛芬为模板分子，制备了均一粒径的分子印迹聚合物用于液相色谱固定相实现了对外消旋布洛芬的拆分。分子印迹复合膜由于其可以同时优化支撑层和皮层，能够兼具有大通量和高选择性的特点，已经成为研究者们研究的重点。布洛芬是一种应用广泛的非甾体抗炎、解热类药物。这种物质主要以两种形式存在，R-(-)-布洛芬和S-(+)-布洛芬，体外实验表明S-布洛芬的药理作用是R-布洛芬的160倍，因此布洛芬对映体的拆分十分必要。本文以S-布洛芬为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，在PVDF中空纤维膜上涂敷聚合制备分子印迹膜。考察了不同合成条件对其识别性能的影响，并且通过错流过滤实验进一步考察了其手性拆分性能。2实验部分2.1试剂与仪器聚偏氟乙烯中空纤维膜（PVDF，自制）。S-布洛芬，TCI-GR，东京仁成工业株式会社；布洛芬，TCI-EP，东京仁成工业株式会社；二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDMA），98%，Acros公司；4-乙烯吡啶（4-VPY），96%，Alfa公司；偶氮二异丁腈（AIBN），化学纯，上海试四赫维化工有限公司。除高效液相色谱流动相采用色谱纯外，其余试剂均为分析纯。Waters1525高效液相色谱（HPLC），美国Waters公司；JC2000D1接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；JSM-5600LV扫描电子显微镜扫描电镜，日本JEOL公司；中空纤维膜渗透装置，自制。2.2S-布洛芬分子印迹膜的制备将1mmolS-布洛芬（S-Ibuprofen）和4mmol4-乙烯吡啶（4-VPY）溶解于5ml氯仿中，超声溶解完全后，加入20mmol乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）和适量引发剂偶氮二异丁腈（AIBN），混合均匀。将PVDF中空纤维膜浸入混合溶液中2min，取出晾干，置于密闭容器中，抽真空，在60℃下聚合24h。将反应后制得的分子印迹膜，浸入甲醇和乙酸（v:v=9:1）的混合溶液超声洗脱4h，再用纯甲醇洗去残留的乙酸，置于真空干燥箱中干燥，得到所需*“十一五”国家科技重大专项资助项目(2009ZX02032)**通讯联系人，Tel：[phone]；Email：[e-mail]第七届全国膜与膜过程学术报告会2的MIM。2.3吸附实验将一定质量的膜浸入5ml浓度为1mM的S-布洛芬正己烷溶液中，浸泡24h后通过HPLC在218nm处测定溶液中S-布洛芬的浓度。通过下式计算MIM的结合容量Q（μmol/g）：(1)式中，V是布洛芬正己烷溶液体积；m是MIM的质量；C0和C是吸附前和吸附后布洛芬正己烷溶液浓度。2.4外消旋布洛芬过滤实验取10根中空纤维MIMs做成膜组件，用正己烷预压2h，直至膜完全被润湿。配制一定浓度的外消旋布洛芬正己烷溶液作为壳程溶液，而正己烷溶液作为管程溶液，过滤一段时间后，分别取两侧液体进行HPLC分析，得出两侧S-和R-布洛芬的浓度。分子印迹膜对布洛芬对应体的选择性因子(α)由下式计算：2200//SRSRCCCCα=(2)式中，C0i、C2i分别表示原料液浓度、滤液i组分（S-或R-布洛芬）的浓度。3结果与讨论3.1功能单体的选择功能单体的选择对MIM的识别能力有很大的影响，非共价键结合制备MIM，一般都采用4-VPY和MAA作为功能单体。很多文献中均以报道[12,13]布洛芬与功能单体的最佳比例为1:4。4-VPY是弱碱，布洛芬为弱酸，当4-VPY作为功能单体，吡啶残基能够与布洛芬分子的-OH形成氢键，如图1（A），而且4-VPY和布洛芬分子都有芳香环，两者之间可以形成静电力（π-π叠加效应）。当MAA作为功能单体时，MAA中的羧基-COOH与布洛芬中的-OH形成氢键，如图1（B）。由表1也可以看出4-VPY作为功能单体制备的MIM，结合量和结合选择性都比MAA作为单体制备的MIM好。图1MIM中能够与S-布洛芬作用的结合位点，（A）以4-VPY作为功能单体，（B）以MAA作为功能单体表1功能单体对MIM结合性能及过滤选择性的影响膜吸附量Q(μmol/g)分离因子αS/R4-VPY11.41.20MAA9.191.17第七届全国膜与膜过程学术报告会3选择4-VPY作为功能单体，需要进一步确定功能单体的用量。从图2中可以看出随着4-VPY量增加，MIM对S-布洛芬结合量先增大后减少。4-VPY量太少时，聚合物中结合位点过少，只有少量的S-布洛芬能与之形成复合物，还有大量未结合的印迹分子存在，结合量相应也比较小。当4-VPY用量逐渐增加时，更多的S-布洛芬与之形成复合物，他们直接的自组装进行得更加充分，形成稳定的复合物。但是4-VPY过多，会导致聚合物内非特异性结合位点增加，从而选择性也降低。所以S-布洛芬与4-VPY的最佳摩尔比是1:4。图2功能单体含量对S-布洛芬结合性能的影响图3致孔剂使用量对MIM结合性能的影响3.2溶剂的影响一般来说，溶剂的极性越强，功能单体与模板分子的结合能力越差，因为强的极性溶剂会与模板分子竞争功能单体的功能基团。采用预聚液中的溶剂（即氯仿）作为吸附实验或过滤实验的溶剂时，实验效果是比较好的。在很多其他的研究中，也有采用甲醇、乙腈或水等等作为吸附或过滤实验的溶剂。从图3可以看出，溶剂量越少，S-布洛芬结合量越大。这是因为溶剂用量较多时，反应溶液浓度较低，聚合反应速率变慢，在相同的合成时间内聚合反应不完全，而且聚合物内孔径较大。随着溶剂用量减少，聚合物孔径越小，相对比表面积越大，表面结合位点越多，吸附量增大。但是溶剂太少，会使孔径大大减小，通量也大大减小。所以实验选择氯仿用量为5mL。3.3过滤实验分析表2的数据是在中空纤维膜膜外浓度为0.5mM下测定的，从MIM1、MIM2、MIM3可以看出，随着溶剂量的减少，选择性因子逐渐升高，截留在膜内的吸附量逐渐升高。溶剂在聚合中是作为致孔剂，随着溶剂量增加，膜表面致密层内孔径增大，通道更多，无论是R-还是S-布洛芬，更加容易通过膜进入渗透液，所以吸附后截留在膜内的吸附量变少，选择性系数降低。表2不同MIMs的吸附截留量与选择性因子氯仿用量(ml)过滤时间(h)滤液浓度(mM)CCCC2R2R2R2RCCCC2S2S2S2S15.01.500.2560.2591.013.000.3270.3311.0110.01.500.1350.1511.123.000.2390.2541.065.001.500.09510.1121.173.000.1600.1731.082.501.500.01850.02231.213.000.1710.1831.07第七届全国膜与膜过程学术报告会4从表2中可以找出，随着过滤时间的增加，选择性系数逐渐降低。过滤时间越长，膜溶胀得越多，膜表面致密层孔穴越大，识别位点的空间结构发生变化，降低了印迹层的识别能力，使R-和S-布洛芬更加容易通过，导致选择性系数降低。所有的MIMs对R的吸附截留量大于S，S这是因为膜特异性和非特异性吸附同时吸附S-和R-布洛芬，但是由于S-布洛芬的分子构型与识别位点的空间结构一致，具有很好的空间匹配性，S型样品分子的化学功能基团在较为适宜的空间位置上与印迹空穴的功能基发生较强的作用；而R-布洛芬由于与S-布洛芬印记分子产生的印迹空穴空间匹配性交叉，样品分子在不适宜的空间位置上与其发生较弱的作用。可见适宜的空间构型对分子印迹的识别具有很大的影响，所以S能够透过膜进入渗透液，而R被吸附截留在膜内，所以MIMs对R的吸附截留量大于S。由于布洛芬手性分子，构型极其相似，所以选择性系数不是很大。图4是氯仿用量为5mL时原液和渗透液的对比图，可以看出分子印迹膜对外消旋布洛芬具有明显的手性拆分性能。图4MIM的过滤HPLC图3.4空白膜、印迹膜和非印迹膜的性能从表3中可以看出印迹膜的正己烷通量较PVDF空白膜有明显的下降，表明在膜的表面形成了致密的印迹层，非贯穿孔的尺寸也在一定程度上变小。印迹膜和非印迹膜的通量亦有较小的差别，这与膜各自表面的微观结构有关，MIM的通量略大于NIM，这是因为表面印迹层中模板分子的去除形成了一定的印迹孔穴和分子通道，从而使正己烷通量略大于非印迹膜。表3PVDF基膜、印迹膜和非印迹膜的性能膜正己烷通量Jn-HEXL/(m2·h)吸附量Q(μmol/g)BlankPVDF40.76.12MIM17.222.8NIM10.28.32从结合容量可以看出，NIM和PVDF对底物的结合两都相对较小。PVDF上少量的吸附是由于膜表面某些官能团造成的非特异性吸附。而NIM与洗脱后的MIM虽然在组成上相同，但是在空间结构上存在明显差异，NIM表面只存在着随着排列的功能单体而不含有能够与S-布洛芬在空间结构和结合位点上相互补的特异性识别孔穴，因此不存在对S-布洛芬的选择性吸附，所有的吸附为非特异性吸附。而MIM聚合物层中含有固定排列的功能基孔穴，这些孔穴对S-布洛芬具有“记忆”功能，因此对其有高度的选择性和识别性。3.5SEM表征第七届全国膜与膜过程学术报告会5图5中A、C、E分别为PVDF基膜的外表面和截面图，B、D、F分别为分子印迹膜的外表面和截面图。可以看出基膜的表面较为粗糙，有明显的非贯孔道，而经过表面涂层聚合后，膜表面明显涂上一层聚合物。从截面图可以看出，分子印迹膜表面形成了一薄层致密的印迹层，但是不是很明显，这是因为膜会溶解到预聚液中，形成的印迹层很薄。图5PVDF基膜（A,C,E）及分子印迹膜（B,D,F）的扫描电镜图其中A,B为膜的外表面，C,D,E,F为膜的截面4结论本文以中空纤维膜为支撑体成功制备了S-布洛芬分子印迹膜。膜的结合性研究表明该膜对模板分子S-布洛芬具有特异的结合能力，结合量达到22.8μmol/g。膜的错流过滤实验表明S-布洛芬透过膜的速率大于R-布洛芬，这将有利于外消旋布洛芬的分离，该透过机理符合促进渗透模型。参考文献参考文献参考文献参考文献[1]LucciP,DerrienD,AlixF,etal.MolecularlyImprintedPolymerSolid-PhaseExtractionforDetectionofZearalenoneinCerealSampleExtracts[J].AnalyticaChimicaActa,2010,672(1-2):15-19.[2]TomLA,FosterN.DevelopmentofaMolecularlyImprintedPolymerfortheAnalysisofAvermectin[J].AnalyticaChimicaActa,2010,680(1-2):79-85.[3]CaroE,MarcéRM,BorrullF,etal.ApplicationofMolecularlyImprintedPolymerstoSolid-PhaseExtractionofCompoundsfromEnvironmentalandBiologicalSamples[J].TrACTrendsinAn