苏丹红多孔分子印迹复合膜的制备及其性能研究

蔡良根1，徐小艳2,*，庞 杰1，孙远明2，董 彬2，罗晓敏2

(1.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；

2.广东省食品质量安全重点实验室，华南农业大学食品学院，广东 广州 510642)

摘 要：以聚偏氟乙烯(PVDF)微孔滤膜为支撑膜，苏丹红Ⅰ为模板分子，二甲基甲酰胺(DMF)和聚乙二醇20000(PEG2000)为致孔剂，采用紫外光引发原位聚合制备分子印迹复合膜(MICM)。通过扫描电镜(SEM)和傅里叶变换衰减全反射红外光谱(FITR-ATR)技术分析复合膜的表面形态和结构，并探讨膜结合、选择渗透和稳定性机理。结果表明苏丹红Ⅰ与MAA之间相互作用的两个氢键构成了特异性孔穴的结合位点，对苏丹红Ⅰ具有较强的结合能力；MICM表面呈多孔状，对模板分子及其结构类似物具有良好的选择性和渗透性能；MICM可在温度为30～80℃、pH值为1.5～10的条件下可稳定使用。

关键词：分子印迹复合膜；苏丹红Ⅰ；原位聚合；多孔；性能

Preparation and Characterization of Porous Molecularly Imprinted Composite Membrane with Sudan Ⅰ as the Template

CAI Liang-gen1，XU Xiao-yan2,*，PANG Jie1，SUN Yuan-ming2，DONG Bin2，LUO Xiao-min2

(1. College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China；

2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Food Quality and Safety, College of Food Science,

South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：Molecularly imprinted polymer composite membrane (MICM) was prepared with PVDF membrane as the supporting membrane, Sudan Ⅰ as the template molecule, DMF and PEG20000 as the porogen through in-situ polymerization by UV irradiation. SEM and FITR-ATR spectroscopy were employed to describe surface feature and structure of the membrane. Three parameters such as binding capacity, selective permeation and stability of MICM were further discussed. The results showed that hydrogen bonds of Sudan Ⅰ and MAA could interact with each other and constitute the bonding sites in caves. The porous surface of MICM also exhibited higher permeation selectivity for the template molecule and its analogues. Furthermore, MICM can work steadily at 30–80 ℃ and pH 1.5–10.

Key words：molecularly imprinted composite membrane (MICM)；Sudan Ⅰ；in-situ polymerization；porous；characterization

中图分类号：TQ028.3；TS207.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)18-0070-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201318015

分子印迹膜有整体膜[1-2]和复合膜[3]两种类型，是近些年才发展起来的用于分离及检测目标物的分子印迹新技术，其作为敏感材料与如今研究较热的生物敏感材料相比，具有制备简单、成本低、耐受性高，可多次重复使用，易于保存和应用等优点[4-5]，在分离富集[6]、固相萃取[7]和仿生传感器[8-9]等应用领域中有很广阔的前景。1990年，Piletsky等[2]采用原位聚合法首次成功制备了分子印迹整体膜，实现了对腺苷酸的特异识别和分离。为了改善分子印迹整体膜膜通量小的缺点，Yoshikawa[10]、Kochkodan[6]、Pernites[11]等在相转化、表面修饰和电化学等制备方法上做了大量富有成效地研究。目前，国内外关于苏丹红分子印迹聚合物的研究已有一些报道[12-14]，但以PVDF膜为载体制备具有稳定的多孔苏丹红分子印迹复合膜(SudanⅠ-MICM)并探讨其结合、选择渗透和稳定性机理的研究鲜有报告。

由于表面修饰法对载体膜要求较苛刻，应用难，且制备出的复合膜稳定性差[15]。为此，本实验采用应用更为普遍的原位光引发聚合为制备方法，以PVDF膜为支撑膜，苏丹红Ⅰ为模板分子，通过添加线型高聚物PEG20000，改善传统原位制备方法交联度过高、通量小的缺点[1]，制备稳定性好、选择性强、结合能力高的多孔苏丹红Ⅰ-MICM，对于实现样品中苏丹红的分离和快速检测具有一定的现实意义和利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

聚偏氟乙烯微孔滤膜(PVDF膜，孔径0.22μm直径25mm)；苏丹红Ⅰ～Ⅳ(分析纯) 阿拉丁化学试剂厂公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA，纯度98%) 美国Sigma-aldrich公司；PEG20000 建阳生物科技有限公司；α-甲基丙烯酸(MAA)、偶氮二异丁腈(AIBN)、甲醇、正己烷、DMF(均为分析纯) 天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

FOSS Soxtec 2055自动索氏提取系统 美国福斯公司；KQ-100DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；KD200 型氮气吹扫仪 杭州奥盛仪器有限公司；U-3010 Spectrophotometer紫外-可见分光光度计 日本日立公司；FEI XL30 ESEM型扫描电镜 荷兰Philips电子光学仪器有限公司；VERTEX 70傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司。

1.3 方法

1.3.1 苏丹红分子印迹复合膜和非印迹复合膜的制备

将0.2mmol 苏丹红Ⅰ溶于1mL的DMF后加入0.8mmol MAA，室温条件下自聚合30min，再分别加入4mmol EGDMA、20mg AIBN和30mg PEG20000，聚合液超声波脱气5min，充氮气10min，将PVDF膜放入聚合液中浸泡30min后取出置于两块硅烷化的干净载玻片中间并挤压至没有气泡。用250W紫外汞灯照射3h后，用甲醇浸润至与玻璃片分开，即可得到苏丹红Ⅰ-MICM。采用索氏提取方法对模板分子进行洗脱，直至洗脱液中测不出苏丹红后停止洗脱。将制备完成的苏丹红分子印迹复合膜真空干燥后保存在玻璃干燥皿中备用。

非分子印迹膜在不加模板分子的情况下，按照上述同样的实验方法制备。

1.3.2 膜的表面形貌和结构研究

用SEM和FTIR-ATR对PVDF膜、苏丹红Ⅰ-MICM和非分子印迹复合膜(NMICM)的表面形态和表面化学结构的变化进行分析。

1.3.3 膜的结合性能研究

1.3.3.1 吸附动力学实验

分别称取25mg的苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM于20μg/mL的苏丹红Ⅰ溶液中，振荡吸附一定时间(15、30、60、120、210、330、480min)后，根据吸附前后溶液中底物浓度的变化得出相应时间点上苏丹红Ⅰ-MICM的结合量Q。

1.3.3.2 吸附平衡实验及Scatchard分析

分别称取25mg 苏丹红Ⅰ-MICM置于一系列不同质量浓度的苏丹红Ⅰ溶液中，振荡吸附1h后，根据吸附前后溶液中底物的质量浓度变化得出苏丹红Ⅰ-MICM对不同溶度苏丹红溶液的结合量Q。

1.3.4 膜的渗透选择性研究

分别将PVDF膜、苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM置于自制的H形渗透装置如图1所示，左边的供给池里加入80.0mL质量浓度为100μg/mL的苏丹红Ⅰ～Ⅳ正己烷溶液，右边的接受池中加入80.0mL的正己烷，每隔一定时间从接受池取一定体积的溶液，测定底物的浓度，然后根据膜面积和溶液体积计算渗透量P。

图 1 膜渗透装置图

Fig.1 Membrane permeation device

1.3.5 膜的稳定性研究

分别将25mg 苏丹红Ⅰ-MICM置于30～80℃的烘箱内和0.1mol/L的HCl、HAc、NaOH、NH3•H2O和H2O溶液中2h，根据处理前后苏丹红Ⅰ-MICM结合性能的变化研究其稳定性。

2 结果与分析

2.1 膜表面形貌特征

由扫描电镜观察PVDF膜、苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM的表面形貌。如图2所示，支撑膜PVDF膜呈中空纤维网状结构，膜的孔状结构为不规则的圆形或椭圆形。当以PVDF膜为支撑膜发生聚合后，支撑膜表面形貌发生了明显变化，原有不规则的纤维网状结构消失，取而代之的是表面形成的一层具有一定孔穴的多孔聚合物膜，表面的暗处为支撑膜的孔穴，这表明了在PVDF膜的表面和内部均发生了聚合反应。对比苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM的扫描电镜图，二者的表面形貌存在一定的差异。虽然两者均在PDVF膜的表面形成了多孔聚合物膜，但是苏丹红Ⅰ-MICM所形成的孔穴更为规则，分布更为均匀，膜的表面也比较粗糙，这可能与苏丹红Ⅰ-MICM具有与模板分子大小与形状相匹配的空穴有关，其较为粗糙的表面可能是洗脱的时候造成的。而非分子印迹复合膜之所以形成不均匀、不规则的孔穴，是由于致孔剂的致孔作用造成的。

a

b

c

a.PVDF微孔滤膜；b.苏丹红Ⅰ分子印迹复合膜；c.非分子印迹复合膜。

图 2 电镜扫描图

Fig.2 Scan electron micrographs of PVDF membrane, MICM and NMICM

2.2 膜表面结构的研究

图3为PVDF、苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM的红外图谱，通过对比可以发现，PVDF与苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM中的特征吸收峰存在差异，说明经过聚合作用PVDF膜的表面结构发生了改变。聚合上分子印迹层后，PVDF膜上的吸收峰位置和吸收强度均发生变化，如：在3578.08cm-1处出现羟基吸收峰，1668.65cm-1处的羰基吸收峰的吸收强度明显增强，1404.94cm-1的—CH2弯曲振动峰和1179.94、876.37cm-1的—C—C—骨架振动吸收峰的吸收强度均明显降低，1070.85cm-1的平面摇摆峰消失。

图 3 傅里叶变换衰减全反射红外光谱图

Fig.3 FTIR-ATR spectra of PVDF membrane, MICM and NMICM

苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM红外图谱基本相同，说明苏丹红Ⅰ-MICM内的苏丹红Ⅰ已被洗脱除去。相比NMICM，苏丹红Ⅰ-MICM的红外图谱中羟基和羰基的吸收峰均向低波长移动，其中羟基从3578.08cm-1移动至3568.24cm-1，羰基从1725.26cm-1移动至1724.03cm-1。由于氢原子和电负性很大的N、O原子之间易产生氢键作用[16]，且羟基与羰基之间产生的氢键会使—C=O的频率下降[17]，因此可以推断，在苏丹红Ⅰ-MICM中，MAA中的羟基除了部分发生自身缔合外，其余的羟基会与苏丹红Ⅰ中的偶氮键形成氢键，同时，MAA中的羰基也会与苏丹红Ⅰ中的羟基发生氢键作用，致使羟基与羰基的吸收频率降低。苏丹红Ⅰ与MAA之间相互作用的这两个氢键共同构成了特异性孔穴的结合位点，这一推论与文献[12,18-19]报道相一致。

2.3 膜的结合性能研究

2.3.1 吸附动力学实验

图 4 苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM的吸附动力学曲线

Fig.4 Kinetic curve of Sudan Ⅰ-MICM and NMICM for

the adsorption of Sudan Ⅰ

如图4所示，在前15min内印迹膜的吸附量迅速增加，此后吸附量增加渐缓，60min后已基本达到平衡，由此可见，制备的分子印迹膜作为识别敏感层可以满足快速分析检测的要求。由于分子印迹聚合物是由交联剂和功能单体所构成的立体孔穴组成，其分布不可能完全均匀，必然存在深孔穴和浅孔穴。在开始吸附时，浅孔穴对印迹分子的结合较快，所以呈现出很快的结合速率，而一旦浅孔穴被饱和后，印迹分子向MICM的深孔穴传质有一定的位阻，以致使吸附速度下降，从而吸附量增加缓慢乃至达到平衡[18-19]。

2.3.2 吸附平衡实验及Scatchard分析

分别测定了苏丹红Ⅰ-MICM对苏丹红Ⅰ在0～600μg/mL质量浓度范围内的吸附容量并对吸附实验结果进行Scatchard方程分析，其结果如图5所示。

从图5可以看出，Scatchard曲线可分为两段，两条斜率不同的直线分别呈现良好的线性关系，拟合后，得到的线性方程分别为：Y=－2.4039x＋56.272(R2=0.9859)、Y=－0.3931x＋36.361(R2=0.9958)。说明在该浓度范围内，制备的苏丹红Ⅰ-MICM与苏丹红Ⅰ的作用并不是完全等价的，形成两种不同的结合位点。由Scatchard曲线的斜率和截距可知苏丹红Ⅰ-MICM与苏丹红Ⅰ的高亲和力结合位点的解离常数为：Kd1=2.5439mmol/L，饱和结合量Qmaxl=92.4981μmol/g。而低亲和力结合位点解离常数为：Kd2=0.416mmol/L，饱和结合量Qmax2= 23.4086μmol/g。

图 5 苏丹红Ⅰ-MICM的吸附等温曲线(A)和Scatchard 分析曲线(B)

Fig.5 Adsorption curve and Scatchard plot analysis of Sudan Ⅰ on Sudan Ⅰ-MICM

2.4 膜的渗透选择性研究

图 6 PVDF膜(A)、苏丹红Ⅰ-MICM(B)和NMICM(C)对4种苏丹红

底物的时间-渗透量曲线图

Fig.6 Permeation amount vs. time curves of four Sudan dyes through PVDF membrane, Sudan Ⅰ-MICM and NMICM

从图6可以看出，苏丹红Ⅰ～Ⅳ通过苏丹红Ⅰ-MICM的速率关系为：苏丹红Ⅰ＞苏丹红Ⅲ＞苏丹红Ⅱ＞苏丹红Ⅳ，对底物的渗透具有选择性。这是因为在合成分子印迹膜时，模板分子与功能单体形成预组织被包裹在聚合物中，在经过极性溶剂的洗脱之后，形成的孔穴的空间结构和结合位点均与苏丹红Ⅰ一一对应，当底物透过膜时，溶液的渗透压和结合位点提供了源源不断的动力，而互补的空间结构起到筛选的作用。由于苏丹Ⅱ～Ⅳ体积较大，受孔穴空间结构和本身功能基团的制约，与膜内孔穴不完全匹配，所以通过苏丹红Ⅰ-MICM的速率就比苏丹红Ⅰ慢。由于致孔剂作用，NMICM内形成的孔穴不具特异性，无规律，且其孔的大小大于分子印迹膜，不具选择性，因此NMICM对4种苏丹红的渗透量均高于相应的苏丹红Ⅰ-MICM，而且其对不同底物的渗透量大小主要由底物的分子质量决定，由于从苏丹红Ⅰ～Ⅳ的分子质量依次上升，所以苏丹红Ⅰ～Ⅳ在NMICM孔内的滞留时间依次增加。而苏丹红Ⅰ～Ⅳ通过PVDF膜的速率明显快于苏丹红Ⅰ-MICM和NMICM，且PVDF膜对4种苏丹红的渗透量并无太大区别，这是由于PVDF膜的孔径大小(0.22μm)远远大于印迹层所形成的孔穴，无法对4种苏丹红起到选择渗透作用，此实验结果也进一步验证了PVDF膜表面印迹层的形成和特异性孔穴的存在。

2.5 膜的稳定性研究

实验发现，在30～80℃内，随着温度的升高，膜对苏丹红Ⅰ的吸附相对稳定，吸附量从687.6806μg/g逐渐降低至673.4528μg/g，表现出较好的热稳定性。经H2O(pH7)、HCl(pH1.5)、HAc(pH3)、NH3•H2O(pH10)处理后膜的吸附量分别为659.2249、621.2839、697.1659、644.997μg/g，在酸性和弱碱性条件下，膜表现出了良好的稳定性，但经过NaOH(pH12.5)处理后，膜对苏丹红Ⅰ吸附量降低至452.9207μg/g，这可能是由于NaOH易与聚合材料中的羧基发生反应，使膜上的部分氢键失活，导致吸附能力下降，因此在实际应用和存储时应避免分子印迹膜长时间暴露于碱性环境中。

3 结 论

本实验制备的多孔分子印迹复合膜表面存在空间形状和功能基团均与模板分子苏丹红Ⅰ相匹配的特异性空穴，它们之间主要通过氢键相互作用，具有结合速率快，吸附容量高，稳定性好的特点，能有效地选择分离模板分子，并研究和讨论了苏丹红Ⅰ～Ⅳ透过苏丹红Ⅰ-MICM的可能渗透机理和苏丹红Ⅰ-MICM在酸碱、高温环境下的吸附性能，为其在连续分离技术和传感器方面的应用提供理论和实验依据。

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