《武汉工程大学学报》 2015年06期
10-14
出版日期：2015-06-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
分子印迹聚合物对林可霉素的静态吸附
０ 引 言林可霉素是一类高效广谱的抗生素，它对革兰氏阳性菌和支原体有较强的抗菌和抑制作用，并具有抗菌谱广、抗菌力强、毒性低、给药方便等优点，因此在医药方面有着重要的应用［１］．我国林可霉素提取方法为溶剂萃取法，此法原理简单，应用较为普遍，但存在着工艺流程复杂、消耗多、成本高等问题［２］，因而设计一种高效简便的林可霉素分离方法具有重要意义．分子印迹聚合物［３］是一种具有特异空间结构和结合位点的新型高分子聚合物，对目标分子的选择性和识别性很高，适用于从混合体系中分离某种特定的成分，在化工、医药、环境和生物等领域得到了广泛的应用［４－９］．本实验在课题组以往的研究基础之上［１０］，以林可霉素为模板分子，聚苯乙烯微球为种球，选用二步溶胀聚合法［１１］，制备出了一种对林可霉素具有特异识别性的分子印迹聚合物，并研究了该聚合物对林可霉素的静态吸附行为．此研究对于以分子印迹聚合物作为吸附剂的研制与工业应用具有一定的理论和现实意义．１ 实验部分１．１ 试剂与仪器盐酸林可霉素（工业级，南阳普康药业有限公司）；二甲基丙烯酸乙二醇酯（分析纯，上海嘉辰化工有限公司）；聚乙烯吡咯烷酮、三氟甲基丙烯酸（分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司）；十二烷基硫酸钠（分析纯，天津市博迪化工有限公司）；聚乙烯醇（进口分装）；苯乙烯、α－甲基丙烯酸、丙烯酰胺、偶氮二异丁腈、邻苯二甲酸二丁酯等其他试剂均为分析纯（国药集团化学试剂有限公司）．１２６０高效液相色谱仪（安捷伦科技有限公司），ＳＸＴ－０６索式提取器（上海洪纪仪器设备有限公司）；ＨＺＱ－Ｘ１００恒温振荡培养箱（金坛市杰瑞尔电器有限公司）．１．２ 印迹聚合物的合成１．２．１ 聚苯乙烯微球制备 量取５０ ｍＬ乙醇和苯乙烯于１００ ｍＬ锥形瓶中，加入１ ｇ聚乙烯吡咯烷酮和０．２ ｇ偶氮二异丁腈，在冰浴环境中于２００ W超声１０ ｍｉｎ，然后将所得乳液转入四口瓶中，在氮气保护下，于７０ ℃，２００ ｒ／ｍｉｎ的搅拌速度下反应２４ ｈ．反应结束后，冷却至室温，离心除去上清液，将获得的聚苯乙烯微球反复洗涤干燥后备用．１．２．２ 林可霉素分子印迹聚合物的制备 称取１ ｇ聚苯乙烯微球和０．２ ｇ十二烷基硫酸钠加入到３０ ｍＬ超纯水中，于４００ W超声１５ ｍｉｎ，将形成的悬浊液加入四口瓶中，在室温下以１５０ ｒ／ｍｉｎ的速度搅拌；称取０．１ ｇ偶氮二异丁腈，０．５ ｍＬ邻苯二甲酸二丁酯，１ ｍＬ甲苯加入到３０ ｍＬ超纯水中，于１５０ W超声５ ｍｉｎ形成乳浊液，加入上述四口瓶中，在室温下搅拌溶胀２４ ｈ．０．４６１ ｇ林可霉素，０．５２ ｇ甲基丙烯酸，４．９６ ｇ二甲基丙烯酸乙二醇酯，０．４ ｇ聚乙烯醇，０．１ ｇ十二烷基硫酸钠，５ ｍＬ正辛醇，１０ ｍＬ氯仿加入到４０ ｍＬ超纯水中，于４００ ｗ超声１５ ｍｉｎ形成乳浊液，加入上述四口瓶中继续搅拌溶胀２４ ｈ．称取０．２ ｇ聚乙烯醇溶于２０ ｍＬ超纯水，于４００ W超声１０ ｍｉｎ，加入上述四口瓶中，升温至７０ ℃，在氮气保护下反应２４ ｈ．混合物离心分离得到粒状聚合物，将其置于索式提取器内，以比例为９∶１的甲醇－乙酸混合液为溶剂清洗２４ ｈ以除去模板分子，然后再以纯甲醇继续洗涤５ ｈ除去多余的乙酸，最后用超纯水离心洗涤除去甲醇，真空干燥备用．非印迹聚合物作为对照，制备时除了不加入林可霉素以外，其他方法与上述相同．１．３ 林可霉素吸附实验称取５０ ｍｇ的分子印迹聚合物于５０ ｍＬ锥形瓶中，加入一定浓度的林可霉素溶液１０ ｍＬ，用保鲜膜封口，在室温下以１５０ ｒ／ｍｉｎ恒温振荡．从聚合物接触溶液瞬间开始计时，在特定时间以注射器抽取该混合物以孔径０．４５ μｍ微膜过滤，在２１４ ｎｍ处通过高效液相色谱仪测定滤液吸收峰，根据标准曲线测定其中林可霉素浓度．采用式（１）计算印迹聚合物吸附量： Ｑ＝■（１）式中，Ｑ为印迹聚合物的总吸附量（ｍｇ／ｇ）；Ｃ０为原林可霉素溶液的浓度（ｍｍｏｌ／Ｌ）；Ｃ为所测滤液中林可霉素的浓度（ｍｍｏｌ／Ｌ）；Ｖ为原林可霉素溶液的体积，ｍＬ；ｍ为加入印迹聚合物的质量，ｇ；Ｍ为林可霉素摩尔质量，ｇ／ｍｏｌ．１．４ 分子印迹聚合物吸附机理分析选用了Ｌａｎｇｍｕｉｒ与Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温吸附模型［１２］对印迹聚合物吸附行为进行了分析，其方程式分别如下所示．Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程式为： ■＝■ｃ+■（２）Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程式为： ｌｇｑ＝ｌｇｋ+■ｌｇｃ（３）采用了准一级［１３］、准二级［１４］与内扩散吸附动力学［１５］模型，对林可霉素分子印迹聚合物吸附动力学的实验数据进行了关联，其方程式分别如下所示．准一级动力学方程式为： ｌｎ（ｑｅ－ｑｔ）＝ｌｎｑｅ－ｋ１ｔ （４）准二级动力学方程式为： ■ｃ＝■+■ｔ（５）内扩散方程式为： ｑｔ＝ｋｉｔ０．５ （６）主要参数如表1所示.表1 吸附主要参数Table 1 Main parameters of adsorption２ 结果与讨论２．１ 吸附等温线与模型关联在以氯仿为溶剂，温度为２５ ℃的条件下，以平衡吸附量ｑ对平衡浓度ｃ作等温吸附图，结果如图１所示．由图可知，印迹聚合物与非印迹聚合物对林可霉素的吸附量都随着林可霉素的平衡浓度增加而增加，但前者要明显高于后者，说明在聚合物的合成过程中，印迹聚合物中形成了特异性结合位点，对林可霉素具有较高的吸附能力；而非分子印迹聚合物则不具备这种位点，对林可霉素的吸附是非特异性的，因而其吸附量低于分子印迹聚合物．图１ 分子印迹聚合物和非印迹聚合物的吸附等温线Ｆｉｇ． １ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍ ｏｆ ＭＩＰ ａｎｄ ＮＩＰ根据式（２）和式（３），以ｃ/ｑ为纵坐标， 对平衡浓度ｃ做线性拟合图；以ｌｇｑ为纵坐标， 对ｌｇｃ做线性拟合图，结果如图２所示．拟合数据见表２．表2 Langmuir模型与Freundlich模型的拟合结果Table 2 Fitting results by Langmuir and Freundlich adsorption isotherm models图２ Ｌａｎｇｍｕｉｒ与Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程关联的吸附等温线拟合图Ｆｉｇ．２ Ｌｉｎｅａｒ ｆｉｔ ｏｆ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍ ｂｙ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ａｎｄ Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ ｅｑｕａｔｉｏｎ由拟合结果得知，Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型计算得出的饱和吸附量为８９．６９ ｍｇ/ｇ，与实验所测最大吸附值８３．０８ ｍｇ/ｇ较为接近，说明关联效果较好，这是因为分子印迹聚合物中的结合位点具有专一吸附的能力，每个位点仅和一个林可霉素分子结合，比较符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型的单分子层吸附理论；所得总吸附平衡常数值略低，这是由于印迹聚合物中的结合位点并非绝对等价，其中存在的少数非特异性结合位点，降低了其对林可霉素分子亲和力的原因所致．Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型计算所得１/ｎ值为０．３２３ ２，说明印迹聚合物对林可霉素的结合力较强，吸附性能很好，单位质量浓度吸附量为１２．６２ ｍｇ／ｇ．两者相关系数相比，Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型要优于Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ模型，表明Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型对实验结果的关联程度更高，可以更为准确地描述林可霉素在印迹聚合物上的吸附过程．２．２ 动力学曲线分析与模型关联在林可霉素浓度为２ ｍｍｏｌ／Ｌ，温度为２５ ℃的条件下，以吸附量ｑｔ对时间ｔ作图，结果如图３所示．由图可知，当氯仿为溶剂时，分子印迹聚合物的吸附量在前２０ ｍｉｎ内迅速升高，表明印迹聚合物对林可霉素的结合是一个快速进行的过程，吸附能力很强；当选用正丁醇、乙酸乙酯等含有羟基、羰基等官能团的极性溶剂时，动力学曲线则变得较为平缓，这说明林可霉素分子在印迹聚合物上的吸附过程受到了一定的影响，因而非极性环境更加有利于林可霉素的吸附．图 ３ 分子印迹聚合物的吸附动力学曲线Ｆｉｇ． ３ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＭＩＰ 选用溶剂为氯仿时的实验数据，根据式（４）和式（５），分别以ｌｎ（ｑｅ－ｑ）与ｔ/ｑ为纵坐标，吸附时间ｔ为横坐标作线性拟合图，结果如图４所示．由图可知，准一级吸附模型对实验数据的拟合结果一般，并且随着浓度的增加，实验数据偏离直线的情况越来越明显，故准一级吸附动力学方程并不能对印迹聚合物的吸附过程做出较好的描述．而准二级吸附模型的拟合图像表现出良好的线性关系，其相关系数Ｒ２为０．９９９ ２，由斜率计算得到的饱和吸附量为８３．１３ ｍｇ／ｇ，这与实验值比较接近，说明准二级动力学模型可对印迹聚合物的吸附过程做出较为准确的描述．根据式（６）作ｑ～ｔ０．５图，结果如图５所示．图中的曲线分成了三个部分，开始０～２０ ｍｉｎ内扩散速率常数ｋｉ＝１３．７２ ｍｇ·ｇ－１·ｍｉｎ－０．５，图线斜率较高，说明内扩散过程进行得较快，液膜扩散、表面吸附等外扩散过程发挥着主要作用；第二阶段２０～８０ ｍｉｎ内扩散速率常数ｋｉ＝５．６８ ｍｇ·ｇ－１·ｍｉｎ－０．５，此时吸附过程主要集中在颗粒内扩散．第三阶段８０～２００ ｍｉｎ曲线趋于水平，表明吸附已达平衡．图４ 准一级与准二级动力学模型的拟合图Ｆｉｇ． ４ Ｌｉｎｅａｒ ｆｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｓｅｕｄｏ ｆｉｒｓｔ ｏｒｄｅｒ ｋｉｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｐｓｅｕｄｏ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｋｉｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅｌ图５ 内扩散模型的拟合图Ｆｉｇ．５ Ｆｉｔｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ３ 结 语在室温下分子印迹聚合物可以有效地吸附林可霉素，吸附容量可达８３．０８ ｍｇ／ｇ，其等温吸附曲线可用Ｌａｎｇｍｕｉｒ模型进行很好的描述．聚合物的吸附过程进行得很快，但受溶剂极性影响较明显，在低极性溶剂中效果较优，８０ ｍｉｎ即达吸附平衡．吸附动力学行为可用准二级动力学方程进行很好的描述，吸附过程受液膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散等多种作用力的共同影响．研究结果表明，林可霉素分子印迹聚合物是一种性能优良的吸附剂，对于工业生产中林可霉素的分离提纯有着重要的意义．今后的研究应对吸附机理作进一步的深入探讨，建立更为精确的数学模型，为其实际应用奠定理论基础．致 谢感谢武汉工程大学化工与制药学院发表的《林可霉素Ａ分子印迹聚合物微球的制备及性能》作者的前期工作，同时对河南南阳普康药业有限公司的支持深表感谢！