核壳结构磁性分子印迹聚合物去除水中内分泌干扰物的研究.docx

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核壳结构磁性分子印迹聚合物去除水中内分泌干扰物的研究

核-壳结构磁性分子印迹聚合物去除水中内分泌干扰物的研究

ResearchonRemovalofEDCsinaqueoussolutionsbycore–shellmagneticmolecularlyimprintedpolymers

中文摘要

近年来，环境中内分泌干扰物EDCs的危害及其它的污染控制问题已经逐渐成为人们日益关注的新热点。

环境中的内分泌干扰物EDCs最终将是要排入到水体中，水生生物吸收了这些物质，并在生物体内积累，然后通过生物积蓄影响到整个的生态系统，同时也严重影响了我们人类的生活。

本论文选择内分泌干扰物EDCs中具有代表性的外源性内分泌干扰物双酚A和内源性内分泌干扰物17β-雌二醇作为污染物研究对象，开发了一种廉价、快速、选择性强的基于分子印迹与磁性分离技术的吸附剂，吸附去除水环境中的内分泌干扰物双酚A和17β-雌二醇。

研究采用了非共价技术制备具有磁性的核壳结构双酚A和17β-雌二醇表面分子印迹聚合（Fe3O4@SiO2-MIPs）吸附剂。

在乙腈中以双酚A（17β-雌二醇）为模板，α-甲基丙烯酸（甲基丙烯酸）为功能单体，二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）为交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN），合成分子印迹微球，而非分子印迹微球只是在制备过程中未加入模板分子，其余步骤同分子印迹的一样。

与非分子印迹聚合物（NIPs）比较，MIPs对双酚A（17β-雌二醇）表现出显著的亲和性和选择性，并且在外磁场作用下容易达到磁性分离。

采用X-射线衍射（XRD）、扫描电镜和傅里叶变换红外光谱对产物的结构进行了表征。

通过平衡重结合实验与斯卡查德（Scatchard）分析证实了MIPs的吸附性质。

此外，MIPs对与双酚A（17β-雌二醇）相关类似雌激素化合物，例如对硝基苯酚、对苯二酚、双酚C（雌酮）也有一定的吸附性，表明此材料有可能处理复杂的内分泌雌激素干扰物。

在酸性和弱酸性条件下pH<7，MIPs对双酚A（17β-雌二醇）吸附率最高，且各种离子和腐植酸的存在基本不影响MIPs的吸附率，Freundlich吸附模型很好的拟合了双酚A在Fe3O4@SiO2-MIPs的吸附等温线，相关系数R2＞0.99，而Langmiur吸附模型很好的拟合了17β-雌二醇Fe3O4@SiO2-MIPs的吸附等温线，相关系数R2＞0.99。

利用伪一级动力学模型拟合时，所得的相关系数R2达到了0.99，主要是以物理吸附为主。

另外，至少二十次的重复使用而性能没有任何变化证明了MIPs可重用性。

关键词：

内分泌干扰物；分子印迹聚合物；双酚A；17β-雌二醇；选择性吸附；

ABSTRACT

Inrecentyears,environmentalendocrinedisruptorsEDCsandotherhazardsofpollutionhavegraduallybecomeincreasinglythenewhotspot.Theydumpedeventuallyintothewater,aquaticorganismsabsorbthesesubstancesandaccumulateinvivo,thenaffecttheentireecosystemandourhumanlife.

ThispaperchooseexogenousEDCschemicalsbisphenolAandendogenousEDCs17β-estradiolastherepresentativeendocrinedisruptorspollutantsstudied,studiedaadsorbentwithfast,inexpensive,highlyselectiveandmagneticseparationbasedonmolecularimprintingtechnology,andremovebisphenolAand17β-estradiolinwater.

Thispaperreportsthepreparationadsorbentofsurface-imprintedcore-shellmagneticaboutbisphenolAand17β-estradiol.MIPsmicrospheresweresynthesizedinacetonitrilebybisphenolA（17β-estradiol）asthetemplate,α-MAA（MAA）asthefunctionalmonomer,andEthyleneglycoldimethacrylate（EGDMA）asthecross-linker.Whencomparedwiththenonimprintedpolymer（NIPs）,theMIPsshowedoutstandingaffinitytowardbisphenolA（17β-estradiol）inaqueoussolutionwith25%Methylalcohol,andeasilyreachthemagneticseparationunderanextermalmagneticfield.ThestructureofresultingcompositeswerecharacterizedbyX-raydiffraction（XRD）,scanningelectronmicroscopy（SEM）andFouriertransforminfrared（FT-IR）analysis.TheadorptionpropertiesweredemonstratedbyequilibriumrebindingexperimentsandScatchardanalysis.Inaddition,TheMIPsexhibitedsignificantbindingaffinitytowardotherrelatedestrogeniccompoundssuchasp-nitro-phenol,Hydroquinone,bisphenolC（estrone）,suggestingthatthismaterialmaybeappropriatefortreatingacomplexmixtureofestrogenicpollutants.Variousofionsorhumidaciddon’teffectadsorbedrateintheweakacidsconditions.FreundlichadsorptionmodelcandescribeadsorptionIsothermalsaboutbisphenolA.LangmiuradsorptionmodelcandescribeadsorptionIsothermalsabout17β-estradiol.ThebisphenolA（17β-estradiol）adsorptiondynamicsbyFe3O4@SiO2-MIPscanbedescribebythepseudosecond-ordermodelandphysicaladsorptionpredominateditsadsorptionprocess,thecorrelationcoefficientsis0.9999.Theperformanceofresultingcomposites（Fe3O4@SiO2-MIPs）withoutobviouslydeteriorationwasdemonstratedatleastfiverepeatedcycles.

Keywords:

EndocrineDisruptingChemicals（EDCs）；molecularlyimprintedpolymeric；bisphenolA；17β-estradiol；adsorbwithselection；

目录

第一章绪论1

1.1磁性纳米粒子1

1.1.1磁性分离技术的概述1

1.1.2磁性纳米粒子的概述1

1.2分子印迹技术2

1.2.1分子印迹技术概述2

1.2.2分子印迹基本原理2

1.2.3影响非共价分子印迹聚合物识别性能的因素4

1.2.4分子印迹制备方法5

1.2.5分子印迹聚合物的应用7

第二章研究内容12

2.1环境内分泌干扰物12

2.1.1环境内分泌干扰物的概述12

2.1.2环境内分泌干扰物的来源与种类12

2.1.3环境内分泌干扰物的危害13

2.2双酚A14

2.2.1双酚A的概述14

2.2.2双酚A的来源及危害15

2.317β-雌二醇15

2.3.117β-雌二醇的概述15

2.3.217β-雌二醇的来源和危害16

2.4环境水体中内分泌干扰物去除方法研究进展16

2.4.1活性炭法16

2.4.2膜分离技术17

2.4.3高级化学氧化17

2.4.4生物降解17

2.5课题研究内容及意义18

2.6本课题研究的创新点19

第三章核壳结构分子印迹聚合物吸附环境水体中双酚A的研究20

3.1实验材料20

3.1.1主要药品与试剂20

3.1.2仪器设备21

3.2实验方法21

3.2.1核壳结构磁性分子印迹聚合物的制备21

3.2.2仪器分析与表征22

3.2.3BPA的吸附去除实验23

3.3结果与讨论26

3.3.1核壳磁性分子印迹聚合物合成的影响因素26

3.3.2核壳磁性分子印迹聚合物的合成27

3.3.3合成粒子的表征分析28

3.3.4分子印迹聚合物的吸附30

3.4本章小结40

第四章核壳结构分子印迹聚合物吸附去除水体中17β-雌二醇42

4.1实验材料42

4.1.1主要药品及试剂42

4.1.2仪器设备43

4.2实验方法43

4.2.1以17β-雌二醇为模板分子的Fe3O4@SiO2-MIPs的制备43

4.2.217β-雌二醇的测试方法44

4.3结果与讨论44

4.3.1MIPs对BPA的静态吸附平衡结合实验44

4.3.2吸附等温线分析45

4.3.3Scatchard方程分析46

4.3.4MIPs与NIPs的选择性去除效率47

4.3.5吸附影响因素47

4.3.6吸附动力学研究49

4.3.7不同吸附剂对二级出水的吸附去除率51

4.3.8Fe3O4@SiO2-MIPs再生性52

4.4本章小结53

第五章结论与展望54

5.1实验结论54

5.2展望55

参考文献56

发表论文和参加科研情况说明61

致谢62

第一章绪论

1.1磁性纳米粒子

1.1.1磁性分离技术的概述

磁性分离技术是将物质进行磁场处理的一种技术。

它的应用已经深入到各个有关的领域，从分离磁性大颗粒到去除弱磁性以及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分选到目前的工业水处理，从磁性与非磁性元素发展到抗磁性流体混合物组分间的分离[1]。

它是充分利用了组分或元素的磁敏感性不同，借助外磁场处理这几种物质，从而达到强化分离的一种新兴技术。

磁分离技术作为洁净、节能的新兴技术，显示出了它诱人的开发前景。

目前磁性分离技术作为一种新兴的水处理技术已获得了许多成功的应用，显示出了诸多的优点。

它具有效率高、处理方便、能力大、能量消耗少等优点[2]。

1.1.2磁性纳米粒子的概述

磁性纳米粒子（magneticnanopartieles，MNPs）是20世纪80年代出现的一种新型材料，它的发现使得在材料性能领域有了质的飞跃[3]。

磁性纳米粒子在1-100μm范围内表现的是顺磁磁性临界尺寸、磁单畴尺寸和交换作用长度等[4]，它不仅具有普通纳米晶体量子效应、小尺寸效应、表面和介面效应的共同性质，而且享有自己独特的物理性质：

1）粒径比较小，比表面积很大；2）亲和反应进行的比较快速，稳定性也很好，；3）具有超顺磁性，在外磁场作用下，固液相分离十分迅速，不需要使用其他分离设备，倾倒法就可以分离。

固相载体选用磁性纳米材料作为分离材料的应用前景非常广泛，因为它们大的比表面积，为在其表面修饰多种功能团提供了基础。

在磁性纳米材料表面可以引入一些活性基团（氨基、羟基、羧基、醛基），通过一系列反应在磁性载体表面结合上需要的分子，这样既使得分子的活性保留了下来，又能够在外加磁场作用下发生定向移动，很方便地与底液分离，操作简便，分离效率高。

磁性纳米粒子的种类繁多，金属合金、氧化铁、铁氧体等都经常被使用到，磁性纳米粒子通过表面共聚和改性的方法，能与高分子聚合物、有机物或无机材料相结合形成具备核壳结构的磁性复合微球，它既有磁性，又有表面活性基团[5]。

1.2分子印迹技术

1.2.1分子印迹技术概述

分子印迹技术（MolecularImprintingTechnology，MIT）被人们形象地描述为制造“分子钥匙”的“人工锁”技术，其中模板分子相当于钥匙，而我们制备的分子印迹聚合物为锁。

它是模拟自然界本身存在的分子识别作用，以预设的目标分子为模板，利用它与功能单体之间的作用力而合成的具有明显的特异性分子识别功能的印迹高分子聚合物（即：

分子印迹聚合物，MolecularlyImprintedPolymers,MIPs）的一种技术[6]。

首先，分子印迹技术来源于免疫学。

在20世纪40年代，当时的Pauling（诺贝尔奖获得者）在研究抗原和抗体的相互作用时，首次向大家提出了抗体形成学说——抗体在形成过程中，它的三维结构会尽量的同抗原体结合，会形成多重作用点，抗原作为一种模板就会“铸造”在抗体的结合部位[7]。

虽然这一设想在免疫学并没有成功，但却成为了描述分子印迹最初概述，对分子印迹的理论奠定了一定意义上的基础。

20世纪70年代，Wulff等人合成出了多种高分子聚合物，它们对糖类和氨基酸衍生类物质具有较高的选择性，于是用作了高效液相色谱（HPLC）的固相填充物，这种新的方法，被人们称为分子印迹[8]。

但由于它主要集中在共价型分子聚合物的研究上，而且比较慢的动力学过程限制了它在其它别的领域的发展。

80年代之后，出现了非共价型的分子聚合物，特别是于1993年，Mosbach等在《Nature》上发表了一篇有关茶碱分子印迹物的研究报道之后，分子印迹技术才得到了蓬勃发展[9]。

其后，随着Whitcombe等共价—非共价混合型分子印迹聚合物制备技术方面的创新性工作，分子印迹技术得到了广泛研究和迅猛发展。

1.2.2分子印迹基本原理

分子印迹技术基本原理是指为得到聚合物质的空间结构和结合位点完全匹配上已经预定好的某一分子（模板分子）的一种实验制备技术。

它是按照以下过程来实现的如图1-1：

图1-1分子印迹制备基本原理

具体步骤如下：

（1）将所选择好的模板分子与功能单体加入到一定的溶剂（也称致孔剂）中，二者之间依靠官能团的共价或非共价的作用形成了主客体配合物；

（2）之后加入一定体积的交联剂、引发剂，通过光或热的引发进行聚合反应，这样客体配合物与交联剂通过自由基共聚合，便能够在模板分子的四周形成刚度较好的高度交联的聚合物；

（3）通过投加萃取剂加热洗脱，便将聚合物上结合的模板分子萃取下来，这样就使高分子共聚物（即分子印迹聚合物）中留下了与模板分子在空间结构上相匹配、形状也相匹配，能够与模板分子进行专一结合功能基的三维空腔，这个空腔孔穴中形成了精确排列着的与模板分子官能团互补的功能基团。

分子印迹聚合物具有下列性质[10]：

1）预定性，即为了满足各种需要，可以根据不同的需求制备不同种类的MIPs；

2）识别性，即可专一地识别印迹分子，因为它是按照模板分子量身定做的；

3）实用性，即能够表现出良好的稳定性和较长的使用寿命，由于它能够与天然的生物分子识别系统相媲美，例如抗原与抗体、酶与底物、受体与激素，但制备它又是利用化学的合成方法，因此又另有天然分子识别系统所没有的能够抵抗恶劣的外部环境。

根据功能单体与模板分子之间作用力的不同，通常将分子印迹技术分为非共价结合型（自组装型）、共价结合型（预组装型）、综合型三类。

非共价结合型也被俗称为自组装型[12]，在印迹技术中主要是利用非共价作用力中较弱作用力形成复合物，这种过程比较简单，在温和的条件下就可容易去除模板分子。

一般氢键、静电引力、疏水作用、范德华力、金属螯合作用以及电荷转移等都属于非共价作用力，而经常用到的是氢键,如果在印迹和后续的分离过程中只存在氢键作用时,拆分外消旋体的效果不佳；而如果在印迹过程中既有氢键,又有其他的结合位点时,其拆分外消旋体的分离系数α值很高。

适合利用非共价这种类型的有部分染料、胺类、氨基酸及其衍生物、多肽、核酸、生素、激素、金属、除草剂和蛋白质等。

共价结合型又被俗称为预组装型[11]，它主要是将功能单体和模板分子通过共价键结合，加入交联剂聚合以后，利用化学手段将模板分子从形成的网状结构中洗脱出来，它在制备和识别过程当中，主要依靠的是功能单体和模板分子之间的共价键，而共价键之间的作用力非常强，比非共价作用力要强好多倍，虽然形成的聚合物对模板分子的选择性很高，本身也很稳定，但是要从形成的聚合物中洗脱掉模板分子非常困难，因为共价键作用力强，况且它结合与解离的速度也较慢，不利于进行分离。

目前用共价键法制备的MIPs所用到的模板分子已包括一些酯、醛、酮、氨基酸及其衍生物、甘油酸及其衍生物、糖类及其衍生物、铁转移蛋白酶和西佛碱等。

综合型印迹技术是将以上两种技术结合起来，得到兼有共价型亲和性强、选择性高以及非共价型操作条件温和等特点。

1.2.3影响非共价分子印迹聚合物识别性能的因素

非共价分子印迹聚合物的识别性能主要受到功能单体、交联剂、致孔剂的种类和相对比例以及引发剂的性质的影响。

1.2.3.1功能单体的选择

非共价分子印迹聚合物之所以具有选择识别性，主要是取决于制备过程中所需要的功能单体，它必须具备如下描述的特征：

它的一端要和预定的模板分子相结合，而另一端则要能和所使用的交联剂发生共聚合反应，而且功能单体和模板分子的这种结合力应比较容易被断裂，如此模板分子才能够容易被去除，这样就形成了与模板分子结构相同的空腔结构。

要能够成功制备MIPs，必须选择合适的功能单体。

可供制备非共价型MIPs的功能单体按化学性质可分为：

酸性、碱性和中性。

具有不同酸碱性的模板分子分别采用碱性或酸性的单体使分子间产生比氢键作用更强的离子作用。

常用的非共价键单体：

丙烯酸、甲基丙烯酸、苯二胺、4-乙烯基吡啶、2-乙烯基吡啶、三氟甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、异丁烯酸、甲叉丁二酸、环糊精、三氯化铝等功能单体。

一般为提高功能单体和模板分子的相互作用力，关于碱性的模板分子，适合使用酸性强的功能单体，而对于酸性的模板分子，应用碱性的功能单体，这样能够使得分子印迹聚合物的选择识别性更高。

1.2.3.2交联剂的选择

交联剂在聚合反应中起着决定性的作用，主要利用它可以使得模板分子和功能单体的四周能够形成高度交联的网状结构，这种结构保持有一定的刚度，它的选择直接关系到MIPs中功能基团的数目及排列稳定性，进而影响到MIPs的选择识别性。

目前常用的交联剂有N,N’-亚甲基二丙烯酰胺、N,N-1,4-亚苯基二丙烯酰胺、3,5-二（丙烯酰胺）苯甲酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、MBA、N,O-二丙烯酰-L-苯丙胺醇，其中乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）最为常用，且在有机溶剂中应用广泛。

使用交联剂应注意用量，如果交联剂用量过低时，特异性结合降低，而与此相反，交联剂用量过高时，聚合物的刚性过强、容量下降，导致其识别位点可接近性差。

1.2.3.3致孔剂的选择

致孔剂同时也作为聚合反应的溶剂，能够使得聚合反应的所有物质（模板分子、功能单体、交联剂以及引发剂）全部溶解为均相。

表面分子印迹聚合物的合成是非共价印迹，功能单体和模板分子通过氢键、静电作用、疏水作用等结合。

其中溶剂的选择相当重要，它既要溶解所有的化合物质，又不可以减弱或着破功能单体和模板分子的氢键、静电作用或疏水作用等。

1.2.3.4引发剂的选择

聚合反应过程中常使用的引发剂有偶氮二异丁睛（AIBN）和偶氮二异庚睛（ABDV），通过自由基引发聚合完成。

目前常用引发聚合反应的方式有光电引发、热引发、臭氧引发、偶氮化合物和过氧化合物引发等。

光引发通常是用高压汞灯或紫外灯在低于室温的254nm或365nm波长下进行引发聚合。

由于用光引发的方式往往导致聚合物内部反应不完全，聚合后的MIPs通常要将反应后的MIPs再进行热处理。

热引发比较方便，仅仅是在加热的条件就可以进行引发聚合。

使用AIBN为引发剂进行热引发时，温度一般控制在45-80℃左右。

1.2.4分子印迹制备方法

近年来，分子印迹技术有了长足的发展，聚合方法上也在不断的创新。

采用的聚合方法包括本体聚合、沉淀聚合、悬浮聚合、表面印迹聚合等技术。

本体聚合法：

在MIT发展的早期，大多采用的是这一种合成方法。

它就是将印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定的比例溶解在惰性溶剂中，经过超声波脱气，充氮除氧，密闭，或经加热、紫外光照射引发聚合得到块状聚合物，然后经粉碎、磨细、筛选等过程获得合适大小的粒子，然后洗脱除去印迹分子，经真空干燥后即成。

该方法制备的MIPs的优点在于它具有满意的“记忆功能”，对模板分子有良好的选择性和识别性，而且合成条件易于控制，实验装置简单，便于普及，迄今为止仍是MIPs的主要制备方法之一，虽然此方法操作简单，但

（1）后续处理过程相对繁杂冗长，研磨过程中不可避免地产生些不规则的粒子和大量的过细的粒子，这些过细的粒子需经过沉淀去除，因而颗粒均一性较差，费时费力，产量也大大降低，原料未能充分利用利用，通常小于50%；

（2）进行大规模生产时有很大的难度；（3）由于网络的交联度很高，印迹分子的去除很困难[13]。

沉淀聚合法：

又称为均相溶液聚合法，制备分子印迹聚合物开始于均相的印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂的混合液，引发剂受到激发分解产生自由基，并引发聚合形成线型和分支的低聚物，然后低聚合物通过交联成核从介质中析出[14]，这些核又相互聚结而形成聚合物粒子，并通过捕捉低聚物和单体最终形成高交联的微球状聚合物。

该聚合反应所使用的功能单体、交联剂和引发剂均可溶，但产生的聚合物微球不溶而沉淀。

悬浮聚合法：

1996年，由Mayes等提出，是制备分子印迹聚合物微球的常用方法。

使用与一般有机溶剂皆不互溶的全氟烃为分散介质，加入特制的聚合物表面活性剂使印迹混合物形成乳液，聚合后得到粒度范围分布窄、形态规则的MIPs颗粒[15]。

通常使用的单体是疏水性的，所以连续相常用水或高极性的有机溶剂。

但对于分子印迹聚合物的合成而言，这些溶剂是不适宜的。

因为高极性溶剂会极大的降低功能单体与印迹分子间相互作用的数量与强度，从而影响聚合物对印迹分子的识别能力；另一方面，酸性单体在水中的溶解度过高，使单体与交联剂间的无规则共聚很难进行，并