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黄杉素分子印迹聚合物的合成与性能研究



全 文 :黄杉素分子印迹聚合物的合成与性能研究
贺敏强a, 何 娟a, 金兔红a, 温成志a, 程晓农b
(江苏大学a.化学化工学院;b.材料科学与工程学院,江苏 镇江212013)
摘 要:采用本体聚合法以黄杉素(Taxifolin,TAX)为模板分子,2-乙烯基吡啶(2-Vpy)为功能单
体,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)为交联剂,制备了黄杉素分子印迹聚合物(TAX-MIP)。通过
紫外光谱考察了TAX与2-Vpy的非共价作用,并采用静态和动态结合实验评价了TAX-MIP对
底物分子的结合特性。结果表明,TAX与2-Vpy通过静电作用形成主客体配合物,其结合常数和
化学配位比分别为K=6.06×10 10(mol/L)-4和n=4;TAX-MIP对TAX存在不同亲和力的两类
结合位点,并对TAX显示出很高的选择吸附特性和良好的分子识别性能;TAX-MIP对TAX的吸
附符合准二级反应动力学方程。
关键词:黄杉素;分子印迹;吸附;选择性
中图分类号:O 639;R284.2   文献标志码:A
文章编号:0367-6358(2012)07-0407-05
Synthesis and Characterization of Taxifolin Molecular Imprinted Polymer
HE Min-qianga, HE Juana, JIN Tu-honga, WEN Cheng-zhi a, CHENG Xiao-nongb
(Jiangsu University:a.School of Chemistry and Chemical Engineering;
b.School of Material science and Engineering,Jiangsu Zhenjiang 212013,China)
Abstract:Taxifolin molecular imprinted polymer(TAX-MIP)was synthesized by molecular imprinting
technique using taxifolin as template,2-vinylpyridine as a functional monomer and EDMA as a cross-
linker.The non-covalent interactions between taxifolin and 2-vinylpyridine were observed by UV
spectrophotometry.Taxifolin imprinted polymer’s binding affinity to taxifolin was evaluated by both static
and dynamic binding experiment.The results showed that a stable host-guest complex was formad prior to
polymerization between taxifolin and 2-vinylpyridine with the dissociation constant and chemical
combination ratio of 6.06×1010(mol/L)-4 and 1∶4,respectively.There were two classes of recognition
sites in TAX-MIP,which had different affinity to taxifolin.Furthermore,TAX-MIP displayed excelent
molecular recognition ability.Pseudo-second order equation was fitted for absorption of TAX on
TAX-MIP.
Key words:taxifolin;molecular imprinting;adsorption;selectivity
收稿日期:2011-11-14;修回日期:2012-06-07
作者简介:贺敏强(1963-),男,江苏镇江人,副教授,主要从事功能材料制备与应用研究。E-mail:jbmwgkc@126.com。
  分子印迹技术(Molecular Imprinting Technol-
ogy,MIT)是近年来发展起来的制备对目标化合物
具有特定识别能力的分子印迹聚合物(Molecularly
Imprinted Polymers,MIPs)的技术。MIPs因具有
构效预定性、特异识别性和广泛实用性等特点,在仿
生传感、免疫分析、模拟酶催化、临床药物分析等诸
多领域日益显示出巨大的应用前景[1,2]。黄杉素
(taxifolin,TAX)又称花旗松素、二氢槲皮素,属黄
酮类化合物,其具有清除自由基、抗菌、抗病毒和抗
肿瘤等作用,具有很高的研究与应用价值[3,4]。目
·704·第7期 化  学  世  界  
前,从天然产物中分离提取黄杉素主要采用传统的
溶剂萃取和柱层析技术[5,6],不仅提取效率低,而且
选择性差。因此,将对模板分子具有特殊亲和性和
选择性的 MIPs应用于TAX的分离提取具有重要
的意义。本研究以黄杉素为模板,采用本体聚合法
制备了黄杉素分子印迹聚合物(TAX-MIP),考察了
其静态和动态的吸附特性,并通过选择性实验评价
了其对TAX的分子识别能力,旨在为高效且有选
择性地分离提取高生物活性黄杉素提供科学的实验
依据。
1 实验部分
1.1 试剂与主要仪器
黄杉素(Taxifolin,TAX)、芹菜素(Taxifolin,
API)、芦丁(Rutin,RUT)(南京泽朗医药科技有限
公司,纯度大于97%);甲醇、四氢呋喃、乙酸(国药
集团化学试剂有限公司,AR);偶氮二异丁腈
(AIBN)(上海试四赫维化工有限公司,AR);2-乙烯
基吡啶(2-Vpy)(Alfa公司,纯度大于97%);乙二
醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)(上海海曲化工有限公
司,纯度大于97%);高纯氮(苏州市金宏气体有限
公司,99.999%)。
实验用水均为二次蒸馏水。EDMA 使用前经
减压蒸馏除去阻聚剂。
UV-2450紫外可见分光光度计(日本岛津);
SHZ-82气浴恒温振荡器(江苏金坛中大仪器厂);
KQ2200DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器
有限公司);YXJ-Ⅱ型高速离心机(江苏金坛市中大
仪器厂);DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩
义市予华仪器有限责任公司)。
1.2 TAX-MIP的制备
称取0.5mmol TAX和3.0mmol的2-Vpy充
分溶解于20.0mL四氢呋喃中,并将其置于安瓿瓶
中常温回旋振荡6h,加入15.0mmol的交联剂
EDMA和一定量的引发剂 AIBN(功能单体和交联
剂质量的1%),充分混溶后,超声并通 N2 脱氧
15min后封管,在60℃水浴中聚合24h,所得的棒
状聚合物用研钵磨碎并过88μm(180目)分样筛,
以甲醇/乙酸(v/v=6∶4)溶液洗脱除去模板分子
后真空干燥至恒重,所得的聚合物即为黄杉素分子
印 迹 聚 合 物 (Taxifolin Molecularly Imprinted
Polymer,TAX-MIP)。空白聚合物(non-imprinted
polymer,NIP)的制备除不加模板分子 TAX外,其
它均与印迹聚合物相同,记为NIP。
1.3 预聚体系的非共价作用
固定TAX浓度(0.05μmol/mL)不变,改变2-
Vpy的用量(浓度范围为2.0~4.0μmol/mL),扣
除溶剂和2-Vpy的背景吸收,测定 TAX紫外光谱
的变化并计算其与2-Vpy的结合常数与化学配
位比。
1.4 静态结合实验
称取等量的 TAX-MIP和 NIP各0.025g,置
于10mL离心管中,分别加入5.0mL不同浓度
TAX的四氢呋喃溶液,25℃振荡4h后高速离心沉
降,移取适量上层清液,用四氢呋喃稀释至一定倍数
后,采用紫外分光光度度法测定TAX的平衡浓度,
差减法计算 TAX-MIP和 NIP对 TAX的吸附量
Q。TAX-MIP及NIP对 TAX结构类似物吸附量
的测定方法同上。
1.5 动态结合实验
准确 称 取 一 系 列 等 量 的 TAX-MIP(每 份
0.025g),置于10mL离心管中,加入1.64μmol/mL
的TAX四氢呋喃溶液5mL,测定室温(25℃)下不
同吸附时间内,TAX-MIP对TAX的吸附量。
1.6 选择性吸附实验
选用TAX和与其具有相似结构或功能基团的
芹菜素、芦丁作为竞争底物,采用静态分配系数KD
(KD=cP/cS;cP为聚合物结合底物的浓度(μmol/g),
cS为吸附平衡时溶液中底物的浓度(mmol/L))和
分离因子α(α=KDi/KDj;i和j分别表示底物及其
竞争底物,当i=j时,α=1)来评价聚合物对底物
的选择性吸附能力[7]。
2 结果与讨论
2.1 TAX和2-Vpy的非共价作用
紫外光谱常用于研究分子印迹技术中模板分子
与功能单体形成主客体配合物的结合常数和化学配
位比。TAX与2-Vpy的结合反应如下:
TAX+n2-Vpy幑幐

TAX(2-Vpy)n (1)
式中 K 为主客体配合物的结合常数,n为化学配
比,假设TAX浓度为a0,2-Vpy浓度为b0,则
[TAX(2-Vpy)n]=a0b

0K
1+bn0
(2)
   根据 Lamber-Beer定律,设 Δε 为 TAX(2-
Vpy)n与TAX的摩尔吸收系数之差,混合溶液的体
积(L)及吸光度变化分别为l和△A,可得[8]:
ΔA
bn0
=-KΔA+KΔεla0 (3)
  以ΔA/bn0 对ΔA 作图,当n为合理自然数时,
ΔA/bn0 和ΔA的函数关系才表现为线性关系。选择
测定波长为TAX的最大吸收波长(290nm),反应
时因消耗TAX形成配合物,故ΔA为负值。结果如
·804· 化  学  世  界  2012年
图1所示。
图1 在290nm下 ΔA/bn0 和ΔA的函数关系图
  由图1可见,当n=3和5时为曲线,当n=4时
为线性良好的直线(r2=0.9993),表明在此条件下
TAX和2-Vpy形成了1∶4的配合物。由直线的斜
率求得结合常数K 为6.06×1010 mol-4/L-4,表明
TAX与2-Vpy形成的主客体配合物具有一定的稳
定性。TAX与2-Vpy的相互作用如图2所示。
2.2 TAX-MIPs对底物的结合特性
2.2.1 吸附等温线
静态平衡结合实验得到了 TAX-MIP和 NIP
对不同浓度TAX的吸附等温线,如图3所示。
  由图3可见,TAX-MIP对TAX的吸附量随着
TAX起始浓度增加而增加,NIP虽然也有类似的变
化趋势,但与TAX-MIP相比差距明显。这表明组
图2 TAX与2-Vpy相互作用示意图
图3 TAX-MIP和NIP的吸附等温线
图4 TAX-MIP的Scatchard曲线
成相同的两种聚合物在空间结构上存在差异。
TAX-MIP中因含有与TAX空间结构匹配、官能团
相互作用的孔穴,决定了其对 TAX分子具有“记
忆”功能,从而选择性高,吸附能力强。NIP对TAX
的吸附主要是非特异性吸附,没有选择性。
2.2.2 Scatchard分析
对TAX-MIP的吸附数据进行Scatchard分析
可进一步了解 TAX-MIP对 TAX 的结合特性,
Scatchard方程如下:
Q/c0 = (Qmax-Q )/Kd (4)
  式中,Kd(μmol/mL)为结合位点的平衡离解常
数,Qmax(μmol/g)为结合位点的最大表观结合量,c0
(μmol/mL)表示底物在上清液中的平衡浓度。以
Q/c0 对Q作图,如图4所示。由图4可见,在实验
浓度范围内,Q/c0 与Q在高浓度和低浓度范围内分
别呈现不同的线性关系,表明TAX-MIP中存在对
TAX有不同亲和力的两类结合位点,所观察到的吸
附是这两类作用位点共同作用的结果,对数据进行
线性相关处理可求得高亲和力结合位点的离解常数
Kd1=0.749μmol/mL,最大表观吸附量 Qmax1=
13.55μmol/g;低亲和力结合位点的离解常数Kd2
=1.91μmol/mL,最大表观结合量Qmax2=27.82
μmol/g。
2.3 动力学研究
2.3.1 吸附动力学曲线
图5为TAX-MIP的吸附动力学曲线,图中可
以看出,在前20min内TAX-MIP对TAX的吸附
量迅速增加,随后吸附速率变慢,100min后已基本
·904·第7期 化  学  世  界  
达到平衡。这是由于经印迹、洗脱研磨后会在聚合
物表面产生深浅不一的印迹孔穴,较浅的空穴有利
于TAX-MIP对TAX的吸附,因此,在吸附开始阶
段,吸附速率较快,但当表面空穴被吸附饱和后,较
深的孔穴存在传质位阻,从而吸附速率变慢。
图5 TAX-MIP的吸附动力学曲线
2.3.1 吸附动力学
以准一、二级反应动力学方程分析所得到的吸
附动力学数据,进一步研究TAX-MIP吸附TAX的
动力学[9]。
准一级反应动力学方程:
log(Qe-Qt)=logQe- k1t2.303
(5)
  准二级反应动力学方程:

Qt =

k2Q2e
+tQt
(6)
式中,Qe,Qt分别表示吸附平衡与t时刻TAX-MIP
对 TAX 的 吸 附 量 (μmol/g),k1 (1/min),k2
(min/μmol)分别为准一、二级动力学速率常数,其
值可由log(Qe-Qt)对t作图(见图6和图7)所得直
线方程的斜率求得,相关准一、二级反应动力学方程
的动力学参数见表1。
表1 准一、二级反应动力学方程的动力学参数
样品 Qeexp/μmol·g-1
一级动力学
k1min-1  Qe.cal/(μmol·g-1) r2
二级动力学
k2/(g min·μmol-1)Qecal/(μmol·g-1) r2
MIP  12.24 -0.0514  11.44  0.9072  5.028×10-4  13.08  0.9980
  由图6、图7和表1可以看出,由准二级反应动
力学方程拟合的线性相关系数较高,且利用准二级
图6 TAX-MIP吸附TAX的准一级动力学方程
图7 AX-MIP吸附TAX的准二级动力学方程
反应动力学方程求得平衡吸附量Qe.cal与实际测定
值Qe.exp比较吻合,说明TAX-MIP对TAX的吸附
动力学符合准二级反应动力学方程。
2.4 TAX-MIP的分子识别性能
实验选择芹菜素和芦丁为竞争物底物,采用静
态结合法进一步考察TAX-MIP的分子识别性能。
黄杉素、芹菜素和芦丁的分子结构如下:
黄杉素(Taxifolin,TAX)
芹菜素(Apigenin,API)
芦丁(Rutin,RUT)
TAX-MIP和NIP对不同底物的静态分配系数
KD、分离因子α见表1。
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表1 TAX-MIP对不同底物选择性吸附
KD/(mL·g-1)
TAX  API
α
KD/(mL·g-1)
TAX  RUT
α
TAX-MIP  7.7  4.07  1.89  7.7  0.45  17.11
NIP  4.08  2.33  1.75  4.08  0.52  7.84
  由表1可知,印迹聚合物对 TAX的分配系数
KD 不仅明显大于竞争底物API和RUT,而且也远
大于NIP,说明TAX-MIP对TAX产生了专一的印
迹识别位点,因而表现出对 TAX显著的分子识别
能力和较高的吸附选择性。进一步分析表中数据发
现,竞争物底物API和RUT分子中均含有与TAX
相同的功能基羟基,但RUT的分离因子却是 API
分离因子的九倍,这是因为 API与TAX结构非常
相似,而 RUT则相差很大,后者无法进入识别位
点,因此TAX-MIP的吸附选择性不仅取决于与官
能团互补的功能基,同时还有结构互补的三维空穴。
3 结论
(1)以 TAX为模板分子,2-Vpy为功能单体,
采用 本 体 法 制 备 了 黄 杉 素 分 子 印 迹 聚 合 物
TAX-MIP。
(2)TAX与2-VPy通过离子间相互作用自组
装,制备的TAX-MIP中因存在与TAX在功能基团
和空间结构上高度吻合的印迹位点而表现出对
TAX良好的亲和性和吸附选择性。TAX-MIP内
部对TAX存在两种不同的结合位点,其中高亲和
力结合位点的离解常数Kd1=0.749μmol/mL,最
大表观结合量Qmax1=13.55μmol/g;低亲和力结合
位点的离解常数Kd2=1.91μmol/mL,最大表观结
合量Qmax2=27.82μmol/g。
(3)TAX-MIP对TAX的静态分配系数KD 和
对竞争底物的分离因子α揭示 TAX-MIP对 TAX
具有良好的分子识别能力。TAX-MIP对 TAX的
吸附基本在100min之内完成,且吸附符合准二级
反应动力学方程。
参考文献:
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科 学 发 展,
共 建 和 谐 社 会。
·114·第7期 化  学  世  界