专利名称：微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于材料科学与工程和现代分离分析领域,涉及到微波辅助分子印迹磁性微球的 制备方法。适用于生物、医药、环境样品和食品等复杂样品中印迹分子及与之结构类似化合 物的分离与富集。
背景技术：
近年来随着分子印迹技术研究的深入和应用领域的扩大，分子印迹聚合物(MIP)的制 备技术及其性能研究受到各国学者的广泛关注和高度重视。但是MIP的制备方法仍以本体聚 合和溶液聚合为主，制得的产物通常为块状，虽然聚合过程简单，但后续处理工作繁琐、费 时，研筛过程中产品损失严重，且产物形状不规则，分散性较差，相比之下，直接合成的分 子印迹聚合物微球不仅形状规整、比表面积大、吸附能力强、粒径可根据需要进行调整，而 且后处理工序简单，只需经过模板分子的洗脱便可直接使用，因此分子印迹聚合物微球的制 备和应用研究正成为分子印迹技术研究的热点。
复杂基体如生物、医药和环境样品中痕量组分的分析常常需要进行多步预处理，才能进 入各种仪器进行分析，存在操作过程繁杂、消耗试剂、分离效率低等问题。以具有分子识别 能力的分子印迹聚合物作为分离材料，可望解决此类问题。MIP的特异性识别能选择富集某 类结构类似的组分，除去其它性质相近的杂质。与常用的一些吸附型分离介质相比，有选择 性高、步骤简化、污染少等优势。大多数分子印迹聚合物采用本体聚合法制得，极易破坏分 子印迹聚合物结合位点，降低分子印迹聚合物的分子识别能力与选择性能，筛分过程只能得 到部分有用的产品，合成成本较高。多年来，MIP的制备研究大多集中在非水体系中，主要 是因为MIP的制备和识别过程大多是利用功能单体与模板分子之间形成的氢键等的非共价 结合作用，而水分子具有的强极性则被认为会削弱它们之间这种作用力。因此大部分印迹过 程都是在非极性环境中进行的，很少在富水体系中进行印迹的研究。然而仅仅在有机溶剂中 进行印迹无法满足实际应用中水性环境的要求。例如天然的分子识别系统，酶和底物、抗原 和抗体、给体与受体等都是在水环境中进行识别的典型例证。并且目前制备的分子印迹聚合 物多用做色谱的固定相，只能用于物质的静态分离，若赋予分子印迹聚合物以磁响应性，则 可实现对待识别物质的主动识别和动态的分离。
磁性复合材料是由磁性粒子与各种含活性功能基团的材料复合而成的具有一定磁性以
及特殊表面结构的材料。磁性微球的研究始于20世纪70年代G. Widder. 1983, Pharmacol Ther， 20:3337),国内的相关研究从20世纪80年代以来也日渐活跃(洪霞,郭薇,李军,等.2004.高等 学校化学学报,25 :3445)。通过共聚合和表面改性，磁性微球的表面可被赋予多种活性功能 基团，如-COOH、 -COH、 -NH2等，也可共价结合酶、细胞、抗体等生物活性物质。因其具 有磁性，故可在外加磁场的作用下方便地被导向、定位和分离。作为新型功能材料，磁性聚 合物微球在生物、医学(生物大分子分离、靶向药物等)、细胞学(细胞标记、细胞分离等) 和环境工程(废水处理等)等领域已经有了大量的研究和广阔的应用前景。
高分子材料的合成与处理耗时、耗能，且收率低、产物特性粘度低。利用微波加热可大 大减少反应的时间与降低能耗，因而在高分子领域正日渐成为人们关注的热点。微波具有加 热快速高效的特点，近年来大量实验证实微波加热可提高一些反应的反应速率，缩短反应时 间，简化后处理，提高收率与选择性，还能使一些在通常条件下不易进行的反应迅速进行(R Gedye and F Smith ,1986 .Tetrahedron Lett 27 (3) :279)。通常以常规加热法聚合时，外部热源 通过热辐射由表及里的传导式加热，使体系生成网状结构，粘度增大，阻止了单体继续聚合， 从而导致转化率降低。然而，在微波加热下极性分子发生定向极化和转向运动，产生"内摩 擦"，体系温度迅速升高，以引发剂的分解物为中心，以高分子链节在高频电场中的活动范 围进行"整体聚合"，不仅具有升温快速均匀、热效率高等优点，而且为单分散微球的形成提 供了有利条件。因此，大大提高了反应速率和转化率。
分子印迹聚合物一般为高熔点的高分子聚合物，采用物理方法较难实现包被，并且同样 存在不均匀、开裂等问题。而合成磁性高分子聚合物，无论采用无乳化剂乳液聚合、还是用 分散聚合，都会因为铁氧化物粒子与单体相容性较差，大部分悬浮或沉淀在水相中，无法在 铁氧体粒子表面直接进行聚合反应。改变磁流体粒子表面结构是完成包被的途径，若表面改 性处理不完全，极易产生聚合材料均匀性差、包被率低、致密性差等问题。
发明内容
针对上述分子印迹聚合物在制备过程中耗时、均匀性差等方面的局限性，以及应用过程 中存在的选择性、稳定性和重复性等方面的不足，本发明的目的是提供一种微波辅助分子印 迹磁性微球的制备方法，采用温度可控的微波加热代替传统加热方法制备Fe304磁性粒子和 聚(丙烯酸-苯乙烯)分子印迹磁性微球，实现MIP磁性微球的粒径可控，提高其均匀性和 稳定性。
本发明通过以下技术方案实现 一种微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在 于包括以下步骤
(1) 微波加热化学沉淀法合成纳米Fe304磁流体，超声清洗、磁场分离，磁流体清洗至中 性，重新分散于水中；
(2) 将模板分子、功能单体混合充分摇匀，放置；在该混合溶液中加入交联剂，充分摇匀， 持续放置，制得的预聚合溶液；
(3) 将步骤(1)制得的Fe304磁流体与水、阴离子表面活性剂、稳定剂搅拌混合，超声分 散；
(4) 将聚合溶剂和步骤(3)分散在阴离子表面活性剂和稳定剂中的磁流体混合，进行机械 搅拌和微波加热；
(5) 通入N2除氧，滴加步骤(2)制得的预聚合溶液，并加入交联剂和引发剂，微波控温 加热引发聚合，聚合反应中分次加入步骤(2)制得的预聚合溶液；
(6) 反应结束后，磁分离并超声清洗上述磁性微球直至超声液经色谱检测不到模板分子；
(7) 将去除模板分子的磁性微球，干燥、老化，制得分子印迹磁性微球。 本发明采用微波加热老化Fe304磁流体，得到粒径在100nm以下的磁流体，在微波加热
下磁流体老化时间缩短，粒径均匀，分散度良好，采用阴离子表面活性剂对Fe304磁性粒子
进行表面改性，以微波加热悬浮共聚反应制备分子印迹聚合物包磁性微球，同时，通过采用
分次加入预聚溶液的方法，实现MIP磁性微球的粒径可控，提高其均匀性和稳定性。本发明
将分子印迹技术的选择性高、稳定性好与磁分离技术操作简便、定向性的特点结合在一起，
提高了从复杂样品中分离、富集目标分子及结构类似物的选择性，清除基体干扰，从而降低
分析方法的检出限。
图1是本发明微波辅助分子印迹磁性微球制备过程示意图2是本发明制得分子印迹磁性微球的透射电子显微镜照片(a.放大200000倍；b.放大 50000倍);
图3是本发明制得分子印迹磁性微球的红外光谱图； 图4是本发明制得分子印迹磁性微球的磁滞回线图； 图5是本发明制得分子印迹磁性微球的热重分析屈； 图6是本发明制得分子印迹磁性微球的粒度分析图7是本发明制得的分子印迹磁性微球萃取模板分子和六种类似物的液相色谱图(分子 印迹磁性微球及空白聚合物(NIP,除在合成过程中不添加模板分子以外，其余步骤和MIP 完全相同)磁性微球萃取3 mL 2 Mg/L四氢呋喃标液)，图中峰1至7依次为西玛津、西草 津、莠去津、莠灭净、扑灭津、扑草净和特丁净；
图8是本发明制得MIP和NIP分子印迹磁性微球萃取2 ng/L莠去津和六种结构类似的 三嗪类除草剂及苯性能分析图。
具体实施例方式
本发明是一种微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，包括以下步骤
1) .微波加热化学沉淀法合成纳米^304磁流体，超声清洗、磁场分离，磁流体清洗至中性， 重新分散于水中；
2) .将模板分子、功能单体混合充分摇匀，室温放置10-14h:在该混合溶液中加入交联剂， 充分摇匀，室温持续放置10-14h。
3) .将步骤(1)制得的Fe304磁流体与水、阴离子表面活性剂、稳定剂搅拌混合，超声分 散时间不少于30min;
4) .在微波反应器中的反应瓶中加入聚合溶剂和步骤(3)中分散在阴离子表面活性剂和稳 定剂中的磁流体，同时开启机械搅拌和微波加热，在40-5(TC下保持7-13 min;
5) .通入N2除氧，滴加步骤(2)制得的预聚合溶液，并加入交联剂和引发剂，机械搅拌20-25 min后启动微波加热，升温程序如下45-55 'C保持2-5min，升温至55-65 °〇保持2-51^11， 再加热到65-75 'C保持40-50 min,期间每隔30-50 min分次滴加步骤(2)制得的预聚合溶 液；
6) .反应结束后，超声清洗上述磁性微球直至超声液经色谱检测不到模板分子；
7) .将去除模板分子的磁性微球，干燥、老化，制得分子印迹磁性微球。
本发明中，以阴离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)对Fe304磁流体进行表面处理，经聚 乙二醇处理的Fe304磁流体具有良好的亲油性。采用微波加热老化Fe304磁流体，使其具有 较小粒径表面和表面较多的活性官能团，超声30 min将Fe304磁流体分散于PEG和PVP的 水溶液中，微波加热50'C下机械搅拌对PEG-Fe3O4磁流体进行活化处理，改善包被的均匀 性、覆盖率和致密性。
PEG-Fe304磁流体与一部分预聚合溶液机械搅拌混合，微波加热引发PEG-Fe304磁流体 参与自由基引发悬浮共聚反应，从而将MIP通过化学键包被到Fe304粒子表面。该方法克 服了本体聚合法的产物为块状的缺点，以及常规加热反应时间长和不均匀等不足。
MIP的制备所采用的功能单体、交联剂、聚合溶剂以及各反应物之间的比例直接影响印 迹聚合物的形态、粒径和萃取性能等关键问题。本发明采用丙烯酸为功能单体，苯乙烯、二 乙烯基苯为交联剂，乙醇和水为聚合溶剂；通过优化，选择模板分子、功能单体、交联剂三 者的摩尔比为1:4:4,功能单体与所用聚合溶剂体积的比例为1 : 8 12 (最佳为1 : 10)。 制备的MIP磁性微球均匀、致密，表面为疏松多孔结构，有利于增加比表面积，降低萃取 及解吸的传质阻力，提高了稳定性和操作的重复性。
采用微波加热合成以丙烯酸一苯乙烯作为聚合材料，由于微波加热为体加热，由此产生
的内热效应使反应体系均匀升温，成核速度快，二次成核的几率降低。微波辐照所产生的分 子微搅拌作用使自由基很容易进入颗粒。而聚苯乙烯一丙烯酸本身不吸收微波，相互不易聚 集，使得最后制备的粒子较均匀。
本发明采用分次加入预聚合溶液的方法来控制聚合物包被磁性粒子的厚度和时间。在 前一部分聚合溶液反应了一定时间后，再加入新的预聚合溶液，待所用的预聚溶液完全加入， 反应一段时间后，取样观察磁性复合微球粒径不再变化，且超声10min无破碎现象后停止反 应。这样即保证磁性复合微球不发生破碎和粉化现象，又可以提高微球的均匀性和操作的重 复性。为保证此磁性MIP交联度足够高，包被层牢固.将其置于无氧气条件下(例如在真空 干燥箱中)老化一段时间，以提高MIP的交联度。
实施例
本实施例如以莠去津为例，对本发明进行详细地描述，但并不以此限定本发明的保护 范围。
如图l所示，莠去津分子印迹磁性微球的制备方法如下
(1) 采用微波化学反应器，微波输出功率连续可调。在微波反应器中安装带有机械搅拌
(聚四氟乙烯搅拌棒)、冷凝管、加液口和通气口的反应瓶，加入20mLFe3、 Fe2+ 为2: l的混合溶液于120mL蒸馏水中，通入N2 20min后，600r/min机械搅拌下，以 平衡加液漏斗快速加入28 %WNH3fl20。
(2) 从制备纳米Fe304磁流体的反应发生至老化结束，持续通入N2除氧并保持搅拌速度 580—600r/min高速机械搅拌，当反应物变为棕黑色，启动微波加热，加热程序为 45-55 'C保持2-5 min， 60-65 。C保持2-5 min，升温至80 。C保持60-80 min后。磁场分 离、超声清洗至中性，重新分散于水中，所制备的纳米级磁流体为棕黑色，分别以 0.2 mol/L HAc和蒸馏水清洗三次，磁场分离磁流体。
(3) 在磨口锥形瓶中分别加入0.431 g莠去津(2 mmol)禾口l.OO mL丙烯酸功能单体(8
mmol),充分摇匀，室温放置12-14h。在该混合溶液中加入4 mL苯乙烯和0.5 mL二 乙烯基苯，充分摇匀，室温持续放置12-14h。
(4) 将10.0g聚乙二醇(PEG)、 0.50g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与1.0g磁流体混合，磁 力搅拌30 min后超声作用30 min，分散于20 mL蒸馏水中。
(5) 在微波反应器中的反应瓶中加入80mL乙醇和(4)中分散在PEG和PVP中的磁流体。 同时开启机械搅拌和微波加热，在50'C保持IO min，使包被表面活性剂的磁流体充 分分散于反应溶液中。
(6) 通入N2除氧，机械搅拌，同时往上述溶液中缓慢滴加(3)中的混合溶液1.71 mL以 及0.200g偶氮二异丁腈引发剂。20min后启动微波加热，加热程序如下5(TC (3 min) —6(TC (3 min) —70 。C (120min)。观察溶液变化，保持70 。C反应40 min后， 再次缓慢滴加1.71 mL (3)中的预聚合溶液，再次持续微波加热40 min，重复上述 滴加过程。在微波加热70'C期间每隔40min滴加步骤(3)的部分预聚合溶液，共分 三次加入预聚溶液，保持搅拌速度为600 r/min。微波加热制备磁性聚合物材料的在 7(TC反应120min后，聚合溶液产生棕色的聚合微粒，停止反应后，以磁场分离固体 与剩余溶液。
(7) 将上述MIP磁性聚合微球在烧杯中用IO % (V/V)乙酸一乙醇、乙醇溶液反复超声 清洗，每次超声时间30 min，以洗脱除去模板分子，直至超声液经色谱检测无模板 分子。再次浸泡12h后，8CTC真空干燥器放置24h。
试验结果分析如下
由于采用微波辅助加热制备分子印迹聚合物的方法，优化反应条件，以分次加入的预聚 溶液的量来控制聚合物包裹磁性粒子的厚度，聚合物厚度与加入预聚物的量之间在一定范围 内存在正比例关系。
制备方法示意(如图1所示)，平均粒径直径为1-10 (如图6所示)。
所制备出的分子印迹磁性微球结构均匀、致密，表面呈疏松多孔状，且具有活性结合位 点(如图2、 3所示)，良好的化学和机械稳定性能，以萃取方式使用10次后，没有粉碎、 剥落或被腐蚀现象。
本发明的方法所制备的分子印迹磁性微球，不仅对模板分子具有很高的选择性萃取能 力，且具有磁响应性，定向分离富集性能良好(如图4所示)。
利用本发明所述方法制备的分子印迹磁性微球对结构与模板分子相似的一类化合物(例 如三嗪类除草剂)均具有很好的选择萃取能力，对非结构类似物如甲苯则没有选择性萃取能
力(如图7、 8所示)，这种简便、快速、有效的分子印迹聚合物磁性微球的制备和应用，可 提高复杂样品中痕量目标分子的"富集一分离一分析"的灵敏度和准确性。
权利要求
1.一种微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)微波加热化学沉淀法合成纳米Fe3O4磁流体，超声清洗、磁场分离，磁流体清洗至中性，重新分散于水中；(2)将模板分子、功能单体混合充分摇匀、放置；在该混合溶液中加入交联剂，充分摇匀，持续放置，制得预聚合溶液；(3)将步骤(1)制得的Fe3O4磁流体与水、阴离子表面活性剂、稳定剂搅拌混合，超声分散；(4)将聚合溶剂和步骤(3)分散在阴离子表面活性剂和稳定剂中的磁流体混合，进行机械搅拌和微波加热；(5)通入N2除氧，滴加步骤(2)制得的预聚合溶液，再加入交联剂和引发剂，微波控温加热引发聚合，聚合反应中分次加入步骤(2)制得的预聚合溶液；(6)反应结束后，磁分离并超声清洗上述磁性微球，直至超声液经色谱检测不到模板分子；(7)将去除模板分子的磁性微球置于真空干燥箱内，干燥、老化，得到分子印迹磁性微球。
2. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(1)中，以微波辅助化学沉淀法合成纳米Fe304磁流体，按照下述配方准备原料Fe3+ : F^+的摩尔比为2 : 1的 FeClr6H20和FeS(V7H20混合溶液，加入过量的NH3.H20使得反应溶液pH值为U.5 12.5;从反应发 生至老化结束，持续通入N2除氧和维持高速机械搅拌，当反应物变为棕黑色，启动微波加热，加热程序 为40-50'C保持2-4 min,升温至55-65 'C保持2-4 tnin，再升温至75-85"保持55-65 min后，停止加热，磁场分离、超声清洗至中性，重新分散于水中。
3. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(2)中，功 能单体为丙烯酸，交联剂为苯乙烯和二乙烯苯；所述模板分子、功能单体、交联剂三者的摩尔比为1 :4:4。
4. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(3)中，阴 离子表面活性剂为双亲阴离子表面活性剂聚乙二醇，稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮。
5. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(4)中，聚合溶剂为乙醇和水；预聚合溶液与聚合溶剂体积比1 : 8 12。
6. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(5)中，交 联剂为苯乙烯和二乙烯苯，引发剂为偶氮二异丁腈。
7. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(5)中，机 械搅拌20min后启动微波加热，升温程序如下45-55 'C保持2-5min，升温至55-65 'C保持2-5min,再 加热到65-75 。C保持40-50 min，期间每隔30-50 min分次滴加步骤(2)制得的预聚合溶液；加入的预聚 合溶液与聚合溶剂体积的比例为1 : 8 12。
8. 根据权利要求1所述的微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法，其特征在于所述的步骤(7)中，所述干燥为真空千燥。
9. 根据权利要求1所述方法制备的微波辅助分子印迹磁性微球，应用于选择萃取模板分子或结构与模板分 子相似的同类化合物。
全文摘要
本发明属于材料科学与工程和现代分离分析领域，涉及到微波辅助分子印迹磁性微球的制备方法及其应用，步骤如下采用微波化学反应器，制备纳米级磁流体为磁核，经清洗和表面改性，超声分散于水中；模板分子与功能单体自组装；分次加入预聚合溶液、交联剂及引发剂，机械搅拌使其与磁流体充分混合分散，微波程序控温加热引发聚合；磁分离以上磁性微球，除去模板分子，真空干燥、老化。本发明制得的分子印迹磁性微球，不仅对模板分子及其类似物具有特异的识别能力，并且具有良好的“富集-回收”特性，制备过程利用微波加热，缩短了印迹聚合的时间，提高了聚合物形态的均一性和印迹效率。此类分子印迹磁性微球适用于环境样品、食品等复杂样品中结构类似物质的富集、分离与分析。
文档编号G01N1/34GK101101282SQ20071002853
公开日2008年1月9日 申请日期2007年6月11日 优先权日2007年6月11日
发明者毅 张, 李攻科, 胡玉玲 申请人:中山大学