三硝基甲苯分子印迹微球的制备与应用

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第2期
·644·
化 工 进
展
三硝基甲苯分子印迹微球的制备与应用
吴萍，蔡爽，郭建良，饶国宁
（南京理工大学化工学院，江苏 南京210094）
摘要：以三硝基甲苯（TNT ）为模板分子，丙烯酰胺（AM ）为功能单体，采用沉淀聚合法制备分子印迹聚合物MIP 。

通过紫外光谱法研究TNT 和AM 之间的相互作用，结果表明TNT 与AM 之间作用力较强，有助于形成结构稳定、亲和性强的聚合物；利用扫描电镜观测不同制备条件下印迹聚合物的表观形貌，发现乙腈用量为100mL ，缓慢的搅拌速率下制备的聚合物形貌较优异；利用红外光谱分析聚合物的结构特征，验证印迹聚合物的制备与模板分子的洗脱；平衡吸附实验表明，MIP 对TNT 的吸附存在两种作用位点并且吸附量随TNT 初始浓度增加而增加；动力学吸附实验发现印迹聚合物对TNT 的吸附速率远大于非印迹聚合物；选择性吸附实验中，MIP 对TNT 表现出较好的特异吸附性能，而对于TNT 的结构类似物DNT 、RDX 吸附能力较差。

关键词：三硝基甲苯；分子印迹；沉淀；聚合；吸附
中图分类号：TQ31 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）02–0644–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0948
Preparation and application of TNT molecularly imprinted microspheres
WU Ping ，CAI Shuang ，GUO Jianliang ，RAO Guoning
（School of Chemical Engineering ，Nanjing University of Science and Technology ，Nanjing 210094，Jiangsu ，China ）
Abstract ：The molecularly imprinted polymers （MIP ）were prepared by precipitation polymerization
method using 2,4,6-trinitrotoluene （TNT ）as the template molecule and acrylamide （AM ）as the functional monomer. The interaction between TNT and AM was studied by UV spectroscopy. It was found that TNT and AM had a strong force ，which could help to form MIP with stable structure and binding ability. The morphologies of the polymers were observed by scanning electron microscopy （SEM ）. It was found that the polymers prepared with 100mL acetonitrile under slow stirring were better than others. The equilibrium adsorption experiments showed that there were two kinds of adsorption sites and the adsorption capacity increased with the increase of initial concentration of TNT. Kinetic adsorption experiments showed that the adsorption rate of MIP was much quicker than that of non-imprinted polymers （NIP ）. Meanwhile ，the specific adsorption of MIP was also tested. The results showed that MIP had strong specific adsorption properties to TNT ，while the adsorption to the structural analogues of TNT （DNT and RDX ）was quite weak. Key words ：2,4,6-trinitrotoluene （TNT ）；molecular imprinting ；precipitation ；polymerization ；adsorption
分子印迹是制备对目标分子具有特异选择性的聚合物，即分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymer ，MLP ）的技术，被形象地描绘为制造识别“分子钥匙”的“人工锁”技术[1-2]。

由于MIP 制备简单、构效可预订、结构稳定及可重复使用等优势[3-5]，迄今，分子印迹技术已经广泛运用于固相萃
取[6]、药物分离[7]、传感器检测[8]、酶模拟催化[9]及
收稿日期：2017-05-19；修改稿日期：2017-09-19。

基金项目：国家自然科学基金青年基金（11102091）及江苏省社会公共安全科技协同创新中心青年基金项目。

第一作者：吴萍（1993—），女，硕士研究生。

通讯作者：饶国宁，讲师，研究方向为爆炸及其与目标的作用、装药结构安全性等。

E-mail ：********************。

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环境分析[10]等领域。

三硝基甲苯（TNT）是一种常用的单质炸药，其理化性能稳定、爆炸威力大、成本价格低廉，因此被广泛运用于军事工业。

TNT毒性大、降解难，生产以及使用场所残留的TNT对人员健康以及环境安全均造成巨大的威胁，进入土壤、废水中的TNT 处理十分困难[11]。

目前常用的处理方法包括活性炭吸附以及降解法等，但是这些方法检测效率低，吸附剂难于再生。

本文使用沉淀聚合法，制备用于TNT 特异性识别的分子印迹聚合物，该方法有望给TNT 的检测处理提供一条新的途径。

1 实验材料与方法
1.1 实验试剂与仪器
三硝基甲苯（TNT），军用品，水重结晶后使用；2,4-二硝基甲苯（DNT），CP，国药集团化学试剂有限公司；环三次甲基三硝胺（RDX），辽宁庆阳化学工业公司提供；丙烯酰胺（AM）AR，国药集团化学试剂有限公司；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA），AR，阿拉丁试剂；偶氮二异丁腈（AIBN），AR，天津市光复精细化学研究所；其余各试剂均为分析纯；实验用水均为去离子水。

除特殊说明外，以上试剂均未作处理直接使用。

紫外-可见分光光度计（Thermo Fisher Evolution220）；扫描电子显微镜（SEM），江苏扬州；红外光谱仪（NICOLET IS10）；高效液相色谱仪（AGILENT 1200）；台式高速离心机（TG16-WS），湖南湘仪；真空干燥箱（DZF6050），上海精宏。

1.2 TNT分子印迹聚合物微球的制备
于250mL三口圆底烧瓶中，加入113.6mg TNT、142.2mg AM和一定量乙腈，振荡混合均匀后，加入1.982g交联剂EGDMA、50mg引发剂AIBN。

冰水浴条件下，将上述体系超声脱气5min，通氮气除氧15min，使用真空硅脂密封，使体系保持氮气氛围。

将密封后的烧瓶水浴加热，磁力搅拌，60℃和一定搅拌速度下反应24h。

反应结束后，体系缓慢冷却至室温，高速离心分离制备的聚合物微球，并且分别使用乙腈、甲醇洗涤。

将聚合物置于甲醇/乙酸（8∶2体积比）混合溶液中振荡洗脱，每8h 换一次溶液，直至提取液中检测不到TNT的紫外吸收峰。

分别使用甲醇、乙醇洗涤，40℃真空干燥过夜，得到去除模板的分子印迹聚合物MIP。

非印迹聚合物（NIP）的制备同上，只是过程中不加入模板分子TNT。

1.3 聚合物吸附性能
称取15mg MIP或者NIP于10mL离心管中，分别加入不同浓度的TNT乙腈溶液5mL。

将离心管密封置于振荡器中，室温下振荡一定时间。

高速离心分离吸附后的溶液，取适量离心液稀释，0.22μm膜过滤。

使用高效液相色谱仪在245nm处测定吸附液中TNT浓度，每个样品测量3次，取平均值。

根据吸附前后溶液中TNT浓度变化，使用式(1)计算聚合物对TNT的平衡结合量Q，如式(1)。

()
Q C C V/m
=−×(1)式中，Q为MIP或NIP对TNT的平衡吸附量，mg/g；C0为吸附液中TNT的初始浓度，mg/mL；C 为吸附平衡时溶液中的TNT浓度，mg/mL；V为吸附液的体积，mL；m为加入的聚合物的质量，mg。

为了评价聚合物的吸附选择性，分别测定MIP 和NIP对TNT结构类似物DNT、RDX的吸附能力。

称取15mg MIP置于10mL离心管中，分别加入5mL 不同浓度的DNT、TNT、RDX乙腈溶液，室温振荡24h，离心，0.22μm膜过滤，同样使用高效液相色谱仪测定吸附量。

2 结果与讨论
2.1 TNT与AM相互作用表征
使用紫外光谱法表征溶液中TNT和AM的相互作用，结果如图1所示。

从图1中可以看出，向TNT溶液中加入AM后，混合溶液的紫外吸收峰形明显变窄，最大吸收波长由243nm红移至296nm 处，最大吸收峰的吸收强度随之降低，说明TNT 与AM之间产生了明显的相互作用。

图2为向4mmol/L TNT溶液中分别加入不同量AM使两者呈不同摩尔比的吸收光谱图，可以看出随着AM浓度增加，混合溶液的最大吸收峰持续红移，最大吸
图1 TNT和AM溶液的紫外光谱图
（以溶剂作空白）
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图2 TNT 与AM 不同摩尔比溶液的紫外光谱图
（以相应浓度的AM 溶液作空白）
收峰强度降低。

实验过程也表明，TNT 以及AM 的乙醇/乙腈（8∶2，体积比）溶液在可见光区均呈无色，将两者混合之后混合液呈淡红色，且随着AM 浓度增加，混合液颜色加深。

这些现象均表明，在溶液中TNT 和AM 产生了较强的相互作用。

基于TNT 与AM 的分子结构，这种相互作用可能是由于TNT 分子中的硝基与AM 分子中的酰胺基之间形成了氢键作用。

此外，TNT 分子中含有3个吸电子的硝基，使分子结构中的苯环呈缺电子的特性，而AM 中的酰胺基团具有富电子特性，因此在溶液中TNT 与AM 可以通过强烈电荷转移作用形成配合物[12]。

本文在聚合过程中TNT 与AM 摩尔比选择经典的1∶4比例，虽然随着AM 的浓度增大，TNT 与之作用力也相应地增大，但是增加的幅度有限且过量的AM 可能会导致自聚及产生不完全聚合的残基，使得聚合物非选择性结合位点增多，特异吸附性能降低。

2.2 聚合物的红外表征
聚合物的红外谱图见图3。

谱图中1723cm –1处的吸收峰为EGDMA 中C==O 伸缩振动峰，1632cm –1处的弱峰为AM 中C==C 振动吸收峰，这表明共聚
图3 聚合物的红外谱图
反应的成功引发，体系中仅剩余少量未反应双键。

曲线a 为未洗脱模板的MIP ，曲线b 为NIP ，曲线c 洗脱后的MIP 。

曲线a 中1540cm –1和1350cm –1处出现的吸收峰为TNT 的特征吸收峰，分别由TNT 分子中的苯环骨架振动和—NO 2伸缩振动引起。

由曲线a 和b 的对比可知，TNT 成功被引入至分子印迹聚合物结构之中。

经过甲醇/乙酸（8∶2）洗脱后，如曲线c 所示，TNT 的特征吸收峰明显减弱，几乎完全消失。

洗脱后的MIP 曲线和NIP 的曲线几乎完全相同，说明印迹在MIP 中的绝大部分TNT 被洗脱出来，在聚合物中留下了与TNT 形状和大小相互匹配且具有一定相互作用的空穴，从而实现对于模板分子TNT 的特异性吸附。

2.3 不同制备条件对印迹微球表面形貌的影响 2.
3.1 溶剂对印迹聚合物形貌的影响
固定其他条件不变，只改变溶剂乙腈的用量，研究溶剂对聚合物的形貌及粒径的影响。

如图4所示，乙腈用量为125mL 时制备的聚合物形状近似于球形，但是聚合物之间相互黏结，微球粒径分布不均匀；用量减少至70mL 时不能生成单分散的聚合物微球，用量为100mL 时能产生形貌规则且分散性较好的聚合物，因此后续实验中溶剂用量均选择100mL 。

图4 不同乙腈用量制备的分子印迹聚合物SEM 图
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在分子印迹聚合物材料的制备过程中，常常会向体系中加入甲苯作为致孔剂增加聚合物的比表面积和孔穴，进而提高模板分子的洗脱与再结合效 率[13-14]。

由于TNT 和AM 在甲苯中的溶解性较差，本文使用文献中常用的乙腈/甲苯=3∶1（体积比）混合溶液来研究加入甲苯的影响。

如图5所示，在相同的条件下，乙腈溶液中能产生分散性好且形貌规则的聚合物微球，而在乙腈/甲苯（3∶1，体积比）溶液中，生成的聚合物粒径较小，形状不规则。

这是由于甲苯的溶解度参数为8.9MPa ，而EGDMA 的溶解度参数为18.2MPa ，甲苯对EGDMA 的溶解能力较差，二者不能实现很好的共混，当溶剂中加入较多的甲苯时，系统组分的溶解度参数不匹配程度增加，相分离时间提前，导致形成的聚合物粒径小，形状不规则[15]。

2.3.2 搅拌速度对聚合物形态的影响
保持其他条件不变，研究不同搅拌速度下制备的MIP 形貌，结果如图6
所示，不搅拌的情况下，
图5 乙腈溶液与甲苯/乙腈溶液中制备聚合物的SEM 图
图6 不同搅拌速度制备的印迹聚合物SEM 图
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合成出的聚合物分散性较好，但是粒径不均匀。

这是由于生成的聚合物不能很好地分散在溶液中，导致部分聚合物沉积，从而不能够持续从溶液中捕获单体生长。

实验过程中发现，未加搅拌的体系内部受热不均匀，较早开始出现沉淀并且生成的微球黏结于瓶壁，烧瓶内部产生沉淀较少，制得的微球粒径较大，产率降低。

当采用较为温和的搅拌速率时，可以产生粒径较小、分布均匀且单分散的聚合物。

但是伴随着搅拌速度增大，微球粒径稍有增加，当搅拌速度达到240r/min时，生成的微球粒径分布不均匀，且分散变差。

结果说明搅拌速率对聚合的生成具有一定的影响，温和的搅拌速度有利于制备分散性好、粒径均匀的聚合物微球。

2.3.3 模板分子对聚合物形貌的影响
由图7可知，在相同条件下制备的NIP与MIP 形貌相似，但是NIP的粒径远大于MIP，并且相互之间黏结更为严重。

这可能是由于在加入TNT的反应体系中，TNT与AM产生的作用力减少了AM单体的自聚并使聚合物的空间排列发生变化[16]，交联聚合物核的生长受到一定的影响，从而在一定程度上导致最终形成的聚合物粒径减小。

2.4 聚合物的吸附性能
2.4.1 平衡吸附性能
为了研究聚合物的吸附性能，分别在浓度
图7 MIP和NIP的SEM图0.01～0.1mmol/mL范围内测定了MIP和NIP对TNT的吸附，结果如图8所示。

可以看出MIP和NIP的吸附量均随TNT的浓度增加而增大，在测试浓度范围内，MIP对TNT的吸附量明显高于NIP。

当TNT的浓度达到0.04mmol/mL时，NIP的吸附已趋于平衡。

印迹聚合物洗脱模板分子后在聚合物内部留下了与TNT大小形状相匹配的空穴以及活性结合位点，使得MIP对于TNT具有更高的亲和力，而NIP交联聚合后内部形成了紧凑的空穴结构，功能单体的活性基团大多包埋在聚合物中，与TNT的作用大部分依靠表面的物理吸附作用[17]。

为了进一步研究聚合物对TNT的结合特性，使用Scatchard方程对数据进行分析拟合，结果如图9所示，MIP对于TNT的吸附存在两种结合位点，这两种结合位点可能是由于TNT与AM之间存在两类不同的作用力造成的：一种为TNT缺电子的苯环与富电子的AM之间的电荷转移作用；另一种是由于TNT的硝基与AM的酰胺基之间形成了氢键[18]。

2.4.2 吸附动力学
为了研究MIP和NIP对TNT的吸附速率，固定TNT的浓度为0.1mmol/mL，聚合物的用量为
图8 MIP和NIP对不同浓度TNT的吸附曲线
图9 MIP和NIP对TNT吸附量的Scatchard
方程拟合
第2期吴萍等：三硝基甲苯分子印迹微球的制备与应用·649·
15mg，测定不同吸附时间MIP和NIP的吸附量。

实验结果如图10所示，随着吸附时间的增加，聚合物的吸附量随之增加，MIP的吸附速率远远大于NIP。

吸附刚开始时，MIP的吸附量迅速增加，90min 时吸附速率降低，吸附趋于平衡，吸附时间达150min时，MIP达到总吸附量的95%。

这是由于MIP中的空穴结构的分布所决定的，吸附刚开始时，分布于MIP表面的空穴迅速被TNT分子所占据，因而对TNT表现出较快的吸附速率。

当表面的结合达到饱和后，主要依靠TNT分子通过孔道向内扩散吸附，这一阶段的吸附速率受传质阻力的影响较大，使得吸附速率降低，吸附趋于平衡[19]。

NIP对TNT 的吸附主要依靠表面的物理吸附，因此吸附速率低，且很快达到平衡。

图10 MIP和NIP的吸附动力学曲线
2.4.3 吸附选择性
分别选择TNT及其结构类似物RDX、DNT为底物测定MIP的吸附性能。

实验结果如图11所示，随着底物浓度的增大，MIP对3种物质的吸附量均有所增加。

实验浓度下，MIP对TNT的吸附量均远远高于RDX和DNT，特别是对于RDX几乎不吸附。

MIP对不同底物的分离常数及选择性系数计算结果如表1所示，3种浓度条件下，MIP对RDX和DNT的选择性系数均达到4以上，进一步表明MIP 对TNT具有较好的特异吸附性能。

这是由于三者的结构差异决定的，DNT与TNT的结构更为接近，但是与TNT相比DNT苯环上少了一个硝基，苯环电子云密度增加，缺电子特性降低，与AM相互作用随之减弱，导致MIP对其虽具有一定的吸附作用，但吸附能力降低。

RDX与DNT虽然与TNT结构类似，但是由于不能与MIP的印迹孔道及作用官能团进行有效的匹配，因此，MIP表现出对其较差的吸附能力。

图11 MIP对TNT及其结构类似物的吸附量表1 MIP对不同浓度底物分离常数及选择性系数
浓度
/mg·mL–1
分离常数K/mL·g–1选择性系数K′
TNT RDX DNT TNT/RDX TNT/DNT
0.01 293.805524.4820669.68527 12.00085 4.216178
0.03 329.729319.5985244.11855 16.824197.473711
0.05 334.321517.6748340.4682 18.915128.26134
3 结论
以AM为功能单体，采用沉淀聚合法制备了TNT的分子印迹聚合物，考察了溶剂、搅拌速率和模板分子对聚合物形貌的影响，发现适当的溶剂和搅拌速率对产生形貌规则、粒径均匀的聚合物具有重要的影响，制备的MIP对TNT具有较高的亲和能力和特异吸附性。

沉淀聚合法合成过程简单，产物不需要研磨，且制备的聚合物形貌规则、吸附性能好，有望用于环境中TNT的检测处理。

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