木犀草素分子印迹聚合物的制备及吸附性能研究

仝海娟，左卫元，史兵方，*，陈盛余，李媚

（1.百色学院化学与环境工程学院，广西高校桂西生态环境分析和污染控制重点实验室，广西百色533000；2.广西高校化学与生物转化过程新技术重点实验室，广西民族大学化学化工学院，广西南宁530006）

木犀草素分子印迹聚合物的制备及吸附性能研究

仝海娟1，左卫元1，史兵方1，*，陈盛余1，李媚2

（1.百色学院化学与环境工程学院，广西高校桂西生态环境分析和污染控制重点实验室，广西百色533000；2.广西高校化学与生物转化过程新技术重点实验室，广西民族大学化学化工学院，广西南宁530006）

采用分子印迹技术，以木犀草素作为模板分子，丙烯酰胺和甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，制备木犀草素表面分子印迹聚合物。采用静态吸附法研究影响该聚合物对木犀草素的吸附能力的因素，并对等温吸附过程和吸附机理进行判断。结果表明：该印迹聚合物对木犀草素具有优良的吸附效果，在pH值为7.0，底液浓度为100mg/L，吸附时间2h条件下，该聚合物对木犀草素的吸附量为28.32mg/g；吸附平衡试验说明该等温吸附过程符合Langmuir方程，饱和吸附量为31.983 mg/g，吸附动力学研究表明，该吸附过程符合准二级动力学方程，吸附速率常数为0.045 3 g/（mg·min）；选择性试验说明该印迹聚合物对目标物具有优异的选择识别能力。该聚合物能应用于木犀草素的前处理、提取等方面。

木犀草素；印迹聚合物；吸附；动力学

分子印迹技术自20世纪70年代提出以来，由于具有优越的目标分子识别和高度选择性的特点而受到了人们的广泛重视[1-3]。该技术在样品前处理、生物传感器、环境污染治理、食品分析等方面展现出了优良的应用前景[4-6]。研究表明，印迹聚合物对目标物的吸附量受功能单体种类、模板分子与聚合物之间作用力、聚合物的孔结构等条件影响[7-9]。因此，寻求适宜的聚合物功能单体以及聚合物的合成方法依然备受关注。

木犀草素是黄酮类化合物的一种，为黄色针状晶体，易溶于有机溶剂，具有抗氧化、抗炎症、抗肿瘤等功效[10]，因此，人们对木犀草素的需求量日益扩大。木犀草素主要从天然植物中提取，植物中的黄酮类化合物种类繁多的特点，给木犀草素的分离和提纯带来了极大的困难，传统的分离技术很难解决这个难题[11]。因此，寻求一种高吸附量、高选择性以及特异分子识别能力的分离方法成为紧迫的任务[12]。分子印迹技术的专一吸附特点为中草药有效成分的提取和分离带来了极大的方便。已有大量学者将分子印迹技术用于复杂的样品前处理、分离提纯等工作中，取得了较为显著的成效。智康康等[13]以刀豆凝集素和3-氨基苯硼酸为双功能单体合成了磁性葡萄糖分子印迹聚合物，发现合成的聚合物度葡萄糖具有特性识别能力，研究成果可应用于富含糖苷类化合物的提取与分离。吴宗远等[14]制备了可用于甲苯磺丁脲富集和分离的核-壳型磁性固相萃取材料，该材料对甲苯磺丁脲的表观吸附量为89.53 mg/g，且具有良好的耐用性能。据此，在借鉴前人工作的基础上，将分子印迹技术应用在木犀草素的分离和提取上具有重要意义。

本研究以木犀草素作为模板分子，以丙烯酰胺和甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，合成木犀草素分子印迹聚合物，探讨影响该聚合物吸附木犀草素的工艺条件，并研究该吸附过程的吸附等温线和吸附动力学，以期为该分子印迹聚合物的应用提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器

PB-10型pH计：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；KO-200KDB型高功率数控超声清洗器：昆山市超声仪器有限公司；DF-2集热式磁力搅拌加热器：金坛市精达仪器公司；索氏提取器：南宁精密仪器有限公司；UV-1800型紫外分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；TDZ5-WS离心机：济南博鑫生物技术有限公司。

木犀草素、槲皮素、丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸（MA）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、偶氮二异丁腈（AIBN）、丙酮、甲醇、乙醇、乙酸等（均为分析纯）：南宁精密仪器有限公司；水为二次蒸馏水。

1.2 印迹聚合物的制备

为合成木犀草素分子印迹聚合物，取模板分子木犀草素0.287 1 g溶解于10 mL甲醇溶液中，再将功能单体丙烯酰胺和甲基丙烯酸各5 mmol加入到上述溶液中后，室温下反应1.5 h，使木犀草素与功能单体充分混匀，随后加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯4.10mL和引发剂偶氮二异丁腈12 mg，搅拌，混合均匀后，氮气除氧10 min后，密封。放入70℃的恒温水浴箱，恒温聚合反应24 h后，得到淡黄色膏状聚合物。将聚合物置于干燥箱中60℃干燥15 h后，取出，进行研磨粉碎和过20目筛，收集经筛分后的聚合物颗粒，置于索氏提取器中，以体积比为9∶1的甲醇-乙酸混合溶液进行抽提，以洗去聚合物表面的模板分子和未聚合的功能单体，再用甲醇溶液提取，以除去残留的乙酸。参照文献[15]将获得的聚合物置于干燥箱中于60℃干燥20 h后取出，密封备用。此分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymer，MIP）即为目标物，标记为MIP。非印迹聚合物（Non-Imprinted Polymers，NIP）的制备过程除不加模板分子木犀草素外，其他过程与印迹聚合物制备过程一致。

1.3 分子印迹聚合物的吸附试验

根据试验要求，分别取一定质量的木犀草素印迹聚合物和非印迹聚合物置于100 mL具塞锥形瓶中，再按要求加入一定质量浓度的木犀草素甲醇溶液，25℃下，于100 r/min的摇床中振荡2.0 h后，取样，离心分离后，以分光光度法（测量波长为350 nm）分析溶液中木犀草素的浓度，并计算吸附量。吸附量按式（1）进行计算。

式中：C0为加入的初始木犀草素溶液的浓度，mg/L；Ct为t时刻木犀草素溶液的浓度，mg/L；V为加入的木犀草素的溶液体积，L；W为加入的聚合物的质量，g；Q为吸附量，mg/g。

2 结果与讨论

2.1 pH对MIP吸附木犀草素的影响

准确称取若干份质量为100 mg的MIP和NIP置于具塞锥形瓶中，加入50 mL质量浓度为100 mg/L的pH值分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的木犀草素溶液，25℃下，于100 r/min的摇床中振荡2.0 h后，测定溶液中木犀草素的浓度，计算吸附容量，考察pH对MIP吸附木犀草素的影响。结果见图1。

图1 pH对MIP和NIP吸附量的影响Fig.1Effects of pH on adsorption capacity of luteolin onto MIP and NIP

由图1可知，溶液pH值对MIP和NIP吸附木犀草素吸附容量的影响具有相同的趋势，MIP的吸附量远远大于NIP对木犀草素的吸附量，说明了印迹聚合物对特性分子的优异吸附能力。另外，在pH值为7.0时，两者的吸附容量均达到最高值。因为在pH值较低的溶液中，溶质分子被大量质子包围，造成溶质分子质子化，不利于吸附质与聚合物表面的官能团结合，造成吸附量较低。而高pH值环境，有可能腐蚀聚合物的构架，造成聚合物结合力下降而引起孔结构的塌陷，所以吸附容量降低。因此，较佳pH值为7.0。

2.2 底液浓度对MIP吸附木犀草素的影响

为探究底液浓度对聚合物吸附木犀草素的影响，准确秤取若干份质量为100 mg的MIP和NIP置于具塞锥形瓶中，各加入50 mL质量浓度为50 mg/g～ 150 mg/g的pH值为7.0的木犀草素溶液，待吸附平衡后，取样分析，计算吸附量。结果见图2。

图2 底液浓度对MIP和NIP吸附量的影响Fig.2Effects of initial concentration on adsorption capacity of luteolin onto MIP and NIP

由图2可知，随着底液浓度的逐步加大，MIP和 NIP对木犀草素的吸附量曲线趋向于平缓，表明木犀草素在两聚合物上的吸附达到了饱和。对于一定质量的吸附剂来说，其能提供的有效吸附位点是一定的。当溶液浓度加大，更多的溶质分子有机会占据空余的吸附位点，直至吸附剂表面的吸附位点完全利用为止。从图2数据判断，在底液浓度超过100 mg/L以后，吸附曲线变化已经很缓慢，因此，可以选择底液浓度为100 mg/L。

2.3 吸附等温线

等温吸附线用来描述一定温度下达到吸附平衡时吸附质在溶液与吸附剂两相之间分配的关系。为研究该吸附过程的等温吸附行为，分别取5份质量为100mg的MIP和NIP置于具塞锥形瓶中，各加入50mL质量浓度范围为50 mg/g～250 mg/g的木犀草素溶液，待吸附达平衡后，取样分析溶液中木犀草素的浓度，并计算平衡吸附量。采用经典的Langmuir和Freundlich模型对等温吸附数据进行处理。Langmuir模型方程表达式为：

Freundlich模型方程表达式为：

式中：Qm为一定温度下聚合物的饱和吸附量，mg/ g；b为Langmuir常数，L/mg；kF和n为经验常数；Ce为木犀草素的平衡浓度，mg/L；Qe为平衡吸附量，mg/g。

等温吸附结果见图3，相关拟合数据见表1。

图3 等温吸附曲线Fig.3The adsorption isotherm of luteolin by MIP and NIP

由表1 Langmuir和Freundlich等温吸附模型拟合的相关参数可以看出，相比Freundlich模型，MIP和NIP两种聚合物对木犀草素的等温吸附过程能更好地符合Langmuir模型，且MIP的饱和吸附量（31.983 mg/g）远超NIP的饱和吸附量（19.960 mg/g），说明此印迹聚合物的印迹效果优良，能显著提高对目标物的吸附量。由于Langmuir模型基于单分子层吸附假设，且化学吸附一般为单分子层吸附，故可初步判断该吸附过程为化学吸附过程。

2.4 吸附动力学

为进一步研究聚合物对木犀草素的吸附速率和吸附机理，采用准一级动力学方程和准二级动力学方程来研究该吸附过程。准一级动力学方程表达式为：

准二级动力学方程为：

式中：k1为准一级吸附速率常数，min；k2为准二级吸附速率常数，g/（mg·min）；Qt和Qe分别表示t时刻吸附量和平衡吸附量，mg/g。吸附动力学结果见图4，拟合所获得的动力学相关参数见表2。

图4 聚合物MIP和NIP的吸附动力学曲线Fig.4Adsorption kinetic curves of MIP and NIP

表2 动力学方程拟合参数Table 2Kinetic parameters of pseudo first-order and pseudo second-order for Mn（Ⅱ）adsorption

由图4吸附动力学曲线可知，MIP和NIP聚合物对木犀草素的吸附量在前2.0 h内吸附量迅猛增加，超过2.0 h后曲线变得非常平缓，表示吸附过程已经达到吸附平衡状态，且MIP的吸附量要高于NIP的吸附量。这是因为MIP的空穴被木犀草素印迹，生成的空穴较大，在吸附初始阶段模板分子易于由液相向固相的传质，所以初始阶段表现较快吸附速率[16]。随着时间的推移，模板分子的空穴逐渐被填满，造成浓度梯度下降，所以吸附速度变缓，吸附达到了动态平衡。而非印记聚合物由于表面的非特异性吸附作用，且未有特定的印记空穴，造成吸附量有限。对表2的准一级动力学方程和准二级动力学方程的拟合结果进行分析可知，准二级动力学方程的拟合结果相关系数R2均较准一级动力学方程的R2要好，且由准二级动力学计算的平衡吸附量QeMIP和QeNIP（分别为31.983 mg/g和18.011 mg/g）接近于实验值（分别为28.32 mg/g和18.53 mg/g），说明MIP和NIP聚合物对木犀草素的吸附过程能更好的服从准二级动力学方程。由于准二级动力学方程是基于化学吸附假设，可判断MIP和NIP聚合物对木犀草素的吸附均属化学吸附过程，吸附速率常数分别为kMIP为0.045 3 g/（mg·min），kNIP为0.021 2 g/（mg·min）。

2.5 吸附选择性

为研究此印迹聚合物对木犀草素的吸附选择性，选择与木犀草素结构类似的化合物槲皮素作为竞争分子。取两份质量浓度均为50 mg/L的木犀草素和槲皮素甲醇溶液各50mL，再依次加入100 mg的MIP和NIP，待吸附平衡后，取样分析溶液中木犀草素的浓度。考察印迹聚合物的吸附选择性。

图5 吸附选择性试验Fig.5Selective adsorption of MIP and NIP

由图5可以看出，MIP聚合物对木犀草素和槲皮素的吸附量存在明显差异，而NIP聚合物对这两种化合物的吸附量差异却不明显，这再次证明了此印迹聚合物较强的吸附选择性。另外，由图5数据对比可知，印迹聚合物对两种化合物的吸附量都超过非印迹聚合物，说明经过印迹技术处理的聚合物能提供更多的吸附位点，显著提升吸附量。

3 结论

1）以木犀草素为模板分子，丙烯酰胺和甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，制备了木犀草素表面分子印迹聚合物。该印迹聚合物对木犀草素具有优良的吸附效果，在pH值为7.0，底液浓度为100 mg/L，吸附时间2.0 h条件下，该聚合物对木犀草素的吸附量为28.32 mg/g。

b）此印迹聚合物对木犀草素的等温吸附过程符合Langmuir方程，饱和吸附量为31.983 mg/g；吸附动力学研究表明，该吸附过程为准二级动力学方程，吸附速率常数为0.045 3 g/（mg·min）；选择性试验说明该印迹聚合物对目标物具有优异的选择识别能力。该聚合物能应用于木犀草素的前处理、提取等方面。

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The Study on Prepared of Luteolin Molecularly Imprinted Polymers and Its Adsorption Performance

TONG Hai-juan1，ZUO Wei-yuan1，SHI Bing-fang1，*，CHEN Sheng-yu1，LI Mei2
（1.College of Chemistry＆Environment Engineering，Baise University，Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Regional Ecological Environment Analysis and Pollution Control of West Guangxi，Baise 533000，Guangxi，China；2.Key Laboratory of Chemical and Biological Transformation Process of Guangxi Higher Education Institutes，School of Chemistry and Chemical Engineering of Guangxi University for Nationalities，Nanning 530006，Guangxi，China）

Molecularly imprinted polymers（MIP）prepared using luteolin，acrylamide and methyl acrylic acid and ethylene glycol dimethyl acrylic ester as template molecule，functional monomer and crosslinking agent，respectively.The factor affected the adsorption performance of MIP and the adsorption mechanism，as well as adsorption isothermal was investigated under static conditions.The result showed that：the luteolin adsorption capacity was 28.32 mg/g at pH value 7.0，initial concentration of luteolin 100 mg/L，adsorption time 2 h.Isotherms adsorption results indicated that the Langmuir model gave an acceptable fit to the experimental data than the Freundlich equation.Maximum luteolin uptake obtained was Qm=31.983 mg/g.Adsorption kinetics law conformed to a pseudo-second-order kinetics，the adsorption rate constant was 0.045 3 g/（mg·min）.The selectivity results indicated that the prepared MIP showed a good selectivity recognition ability to its template，It concluded that the prepared MIP could be employed as an effective material used in preliminary treatment，extract and other way of luteolin.

luteolin；molecularly imprinted polymers；adsorption；kinetics

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.09.022

2016-08-10

国家自然科学基金项目（41163007）；广西高校科学技术研究项目（KY2015LX387，2013LX156）

仝海娟（1983—），女（汉），实验师，硕士，主要从事分子印迹技术研究。

*通信作者：史兵方，教授，博士。