2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料的制备方法和应用与流程

本发明属于磁性分子印迹聚合物复合材料领域，特别涉及一种2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料及其制备和应用。

背景技术：

分子印迹技术是为获得在空间结构和结合位点上与目标分子完全匹配的聚合物的实验制备技术，是近年来集高分子合成、分子设计与识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门新型的交叉学科。分子印迹聚合物(molecularimprintingpolymers,mips)具有分子识别特性、物理和化学稳定性好、抗干扰性强、亲和性和选择性较高、使用寿命长以及应用范围广等特点。尤其是分子印迹微球具有规整的形状和良好的动力学特征，因此已广泛应用于分析化学的各个领域，如色谱分离、固相萃取(spe)以及生物/化学传感器等研究领域。

制备分子印迹聚合物微球最常用的方法是沉淀聚合法，利用聚合物的刚性表面，使其在特定的溶剂中彼此分散，从而形成粒径均匀的具有高交联度的聚合物微球。如果将磁性材料包裹在聚合体系中，便可利用沉淀聚合方法制备出磁性分子印迹聚合物微球(magneticmolecularlyimprintedpolymers,mmips)，它同时兼备一般分子印迹聚合物和磁性材料的共同优点，既具有选择性识别作用，又具有优良的磁性。传统的mips在完成识别吸附过程后，需要利用离心或过滤等繁琐的步骤将吸附溶液和mips进行分离。而复合磁性微球在外加磁场作用下则具有快速分离特性，被称为“动态粒子”，从而可以在其完成对模板分子“主动”识别后，在外加磁场作用下很容易地与基质分离，且操作简单，分离时间短。这种可逆可控的快速分离特性，使得分子印迹技术的应用领域得到进一步的发展。磁性分子印迹聚合物微球已广泛应用于生物医学领域的酶的固定、细胞分离、靶向给药、产物提纯分离、以及环境废水、工业污染物等的处理等方面。

2,4-二硝基苯胺(dnan)是分散染料、中性染料、硫化染料和有机颜料的中间体，用于生产硫化深蓝3r、分散红b、分散紫2r等染料，也用于其他有机合成，如生产农药二硝散以及用作印刷油墨的调色剂和制取防腐剂。工厂排放的废水废气是主要污染源，储运过程中的翻车、泄漏、容器破裂等事故，也会造成地表水与地面水的污染。由于dnan蒸气压较低，因此在水中和土壤中不易挥发，存在时间较长。dnan属于6.1类毒性物质，对眼睛、粘膜、呼吸道及皮肤有刺激作用，吸收进入体内导致形成高铁血红蛋白而引起紫绀，因而被列为“水中优先控制污染物”，俗称"黑名单"。合成纤维的印染工业废水中由于含大量氯化铵盐，该废水不能直接生化处理，常用方法是调节ph值后蒸发析盐处理，但这种处理方法会产生大量固废。

本发明结合了分子印迹技术与磁分离技术，以dnan为目标物，合成了能选择性吸附环境水体中dnan污染物，易于分离再生的磁性分子印迹材料，解决了传统吸附材料无选择性、难以分离、再生繁琐的问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料。

本发明另一目的在于提供上述2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料在水环境治理中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料，其主要由以下方法制备得到：

(1)在溶剂存在条件下将模板分子2,4-二硝基苯胺和功能单体混合后超声震荡静置过夜得到预聚体溶液；

(2)将分散剂溶于乙腈后，依次加入交联剂、引发剂、磁流体后，将所得混合物与步骤(1)中得到的预聚体溶液合并，超声震荡，然后在惰性气氛下发生聚合反应，然后将所得反应产物纯化即得到2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料(磁性印迹聚合物微球mmips)。

步骤(1)中所述的功能单体为甲基丙烯酸(maa)、丙烯酸(aa)中的至少一种；所述的溶剂为乙腈。

优选的，所述的功能单体优选为甲基丙烯酸(maa)。

步骤(1)中所用的模板分子2,4-二硝基苯胺和功能单体的摩尔比为1:(3～4)；所用的溶剂的量为每1mmol的模板分子对应使用15～30ml的溶剂。

步骤(1)中所述的超声振荡是指在35～55khz的超声频率下超声。

步骤(2)中所述的分散剂为聚乙二醇；所述的交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(edma)、二乙烯基苯(dvb)中的至少一种；所述的引发剂为偶氮二异丁腈(aibn)；所述的磁流体为fe3o4磁流体。

优选的，所述的交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(edma)或二乙烯基苯(dvb)；所述的fe3o4磁流体由以下方法制备得到：先配制0.5mol/l的fecl2溶液，0.25mol/l的fecl3溶液和1mol/l的naoh溶液。将50mlh2o加热至60℃并恒温，然后加入10gpeg600，待其完全溶解后，加入fecl2溶液10ml、fecl3溶液40ml；待其混合均匀后，以2～8滴/s的速度加入naoh溶液40ml，60℃反应4h，得到棕黑色fe3o4粒子的悬浮液，静置24h后除去50％～70％的上清液，即为fe3o4磁流体。

步骤(2)中所用的分散剂、交联剂、引发剂的质量比为2：(2.60～3.96)：0.04；步骤(2)中所用的乙腈的量为每1g的分散剂使用2.5～5ml的乙腈，步骤(2)中所述的混合物与预聚体溶液的体积比为(20～26):(15～30)；步骤(2)中所用的磁流体的量为每1mmol模板分子对应使用10ml磁流体；

步骤(2)中所述的超声震荡是指在35～55khz的超声频率下超声20～30min；所述的聚合反应是指在60℃下反应24h。

步骤(2)中所述的纯化是指将所得反应产物冷却至室温后用体积比为1:9～2:8的冰醋酸与甲醇的混合溶液作为洗脱液，直至聚合物上清液中检测不到模板分子2,4-二硝基苯胺，然后用磁铁将2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料(磁性印迹聚合物微球mmips)与洗脱液分开，干燥即得2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料(磁性印迹聚合物微球mmips)。

上述的2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料对2,4-二硝基苯胺具有高选择性，且具有较强的净化水体dnan染料的能力，且易于磁性分离并再生利用，可应用在水环境治理中。

本发明的机理为：

印迹聚合物的制备原理是让功能单体围绕模板分子预组装，然后用交联聚合的方式将模板分子固定在聚合物中，最后把模板分子洗脱出来，使之成为具有印迹空穴和特定识别位点的聚合物。印迹聚合物的识别能力决定于聚合反应前模板分子与功能单体形成的配合物的稳定程度以及模板分子与功能单体之间作用的形式。由于dnan的两个硝基为吸电子基团，-nh2具有较强的碱性，所以在与maa(pka为4.6)形成配合物时，会同时发生静电和氢键的协同作用。印迹聚合物的形成过程以及识别过程如图1所示。且在平衡吸附实验中，印迹聚合物由选择性结合位点产生的专一性结合明显大于其非选择性吸附作用。因此，dnan主要是靠特异性结合而吸附在数量有限的选择性位点上。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

本发明所制备的2,4-二硝基苯胺磁性分子印迹复合材料对2,4-二硝基苯胺具有高选择性，且具有较强的净化水体dnan染料的能力，且易于磁性分离并再生利用。

附图说明

图1为印迹聚合物的形成过程以及识别过程的示意图。

图2为实施例1～2和对比例1～2中得到的磁性印迹聚合物微球和磁性非印迹聚合物微球的sem图。

图3为实施例3中不同初始浓度的dnan在磁性印迹聚合物微球上的平衡吸附效果图。

图4为实施例3中的scatchard分析图。

图5为磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips和edma-mmips)对5ppmdnan水溶液的动态吸附效果图。

图6为磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(dvb-mnips)对dnan的动态吸附曲线比较图。

图7为实施例5中磁性印迹聚合物微球(edma-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(edma-mnips)在水相中的选择性比较图。

图8为实施例6中磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(dvb-mnips)在不同水样中对dnan的去除效果比较图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所用试剂均可从市场常规购得。

对比例1：磁性非印迹聚合物微球dvb-mnips的制备

(1)先配制0.5mol/l的fecl2溶液，0.25mol/l的fecl3溶液和1mol/l的naoh溶液。将50mlh2o加热至60℃并恒温，然后加入10gpeg600，待其完全溶解后，加入fecl2溶液10ml、fecl3溶液40ml；待其混合均匀后，逐滴加入naoh溶液40ml，60℃反应4h，得到棕黑色fe3o4粒子的悬浮液，静置24h后分去绝大部分的上清液，即为fe3o4磁流体；

(2)在100ml的圆底烧瓶中加入maa3.95mmol，乙腈30ml，于室温下在超声仪中振荡20min后静置过夜得预聚体溶液；

(3)在三口烧瓶中加入10ml乙腈溶液，peg6002g，60℃恒温待其溶解，再加入dvb20mmol和aibn40mg，磁流体10ml，转入步骤(2)中得到的预聚体溶液，超声震荡30min，使磁流体充分分散，然后通n25min以除去氧气。最后在60℃进行聚合12h，取出冷却至室温。用冰醋酸与甲醇混合溶液(体积比为1:9)作为洗脱液，反复洗涤聚合物至上清液中检测不到dnan，然后使用磁铁使其与洗脱液分离，置于烘箱中干燥即得磁性非印迹聚合物微球dvb-mnips。

对比例2：磁性非印迹聚合物微球edma-mnips的制备

此对比例与对比例1的区别在于所用的交联剂不一样，本对比例中所用交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(edma)，其余均与对比例1相同。

实施例1：磁性印迹聚合物微球dvb-mmips的制备

(1)先配制0.5mol/l的fecl2溶液，0.25mol/l的fecl3溶液和1mol/l的naoh溶液。将50mlh2o加热至60℃并恒温，然后加入10gpeg600，待其完全溶解后，加入fecl2溶液10ml、fecl3溶液40ml；待其混合均匀后，逐滴加入naoh溶液40ml，60℃反应4h，得到棕黑色fe3o4粒子的悬浮液，静置24h后分去绝大部分的上清液，即为fe3o4磁流体；

(2)在100ml的圆底烧瓶中加入dnan1mmol、maa3.95mmol，乙腈30ml，于室温下在超声仪中振荡20min后静置过夜得预聚体溶液；

(3)在三口烧瓶中加入10ml乙腈溶液，peg6002g，60℃恒温待其溶解，再加入dvb20mmol和aibn40mg，磁流体10ml，转入步骤(2)中得到的预聚体溶液，超声震荡30min，使磁流体充分分散，然后通n25min以除去氧气。最后在60℃进行聚合12h，取出冷却至室温。用冰醋酸与甲醇混合溶液(体积比为1∶9)作为洗脱液，反复洗涤聚合物至上清液中检测不到dnan，然后使用磁铁使其与洗脱液分离，置于烘箱中干燥即得磁性印迹聚合物微球dvb-mmips。

实施例2：磁性印迹聚合物微球edma-mmips的制备

此实施例与实施例1的区别在于所用的交联剂不一样，本实施例中所用交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(edma)，其与均与实施例1相同。

将对比例1～2和实施例1～2中得到的磁性印迹聚合物和磁性非印迹聚合物进行sem表征，结果如图2所示，从图2中可以看出，磁性印迹聚合物和磁性非印迹聚合物都呈球形，图2中的(a)、(b)分别为以edma为交联剂制备的磁性印迹聚合物微球edma-mmips和磁性非印迹聚合物微球edma-mnips的sem图，粒径分别为1.5μm及2.5μm左右，微球有粘连的现象，图2中的(c)、(d)分别为以dvb为交联剂制备的为磁性印迹聚合物dvb-mmips和磁性非印迹聚合物dvb-mnips的sem图，从图2中可以看出，磁性印迹聚合物微球dvb-mmips平均粒径大约在40nm左右，磁性非印迹聚合物微球dvb-mnips的平均粒径大约为56nm左右。整个微球中未出现明显的分相，说明印迹聚合物微球有较高的fe3o4含量。其中不同交联剂得到的印迹聚合物微球的粒径不同。

实施例3：磁性印迹聚合物的结合特性

分别取适量dnan标准储备液溶液配成浓度为1.5,3.0,6.25,12.5,25,50,75，100及120μg/ml的dnan标准系列的溶液，另分别称取40mg的实施例1中制备得到的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips于9个10ml的磨口锥形瓶中，分别加入上述标准系列的溶液4.00ml，室温震荡6h后，分别于波长340nm，用1cm的比色皿测其上清液的吸光度。

将吸附dnan后的dvb-mmips用磁铁分离，取出上清液，用去离子水稀释一定倍数使其在分光光度计的量程范围内后,用分光光度法在340nm波长下测定上清液中dnan的浓度。根据吸附前后溶液中dnan的浓度的变化计算聚合物的结合量q(即单位质量磁性印迹聚合物的吸附量,μg/g)，其结果用于scatchard分析。吸附量计算公式q＝(c0-c)·v/m,其中:c0为dnan溶液的原始浓度(μg/ml)；c为吸附后的浓度(μg/ml)；v为所加dnan溶液的体积(ml)；m为磁性印迹聚合物微球dvb-mmips的质量(g)；q是单位质量磁性印迹聚合物微球dvb-mmips的吸附量(μg/g)。对于不同初始浓度的dnan溶液，dnan在磁性印迹聚合物微球dvb-mmips上的平衡吸附效果如图3所示，从图3中可以判断出，dnan在高浓度下吸附量趋于饱和，表明对于磁性印迹聚合物(模板聚合物)由选择性结合位点产生的专一性结合明显大于其非选择性吸附作用。也就是说，dnan主要是靠特异性结合而吸附在数量有限的选择性位点上。因为在许多受体结合实验中由于非选择性结合的线性增加，结合量对初始浓度的关系曲线往往难于达到饱和。

根据scatchard方程:q/[平衡浓度]＝(qmax-q)/kd(这里kd:聚合物平衡离解常数；qmax:表观饱和结合位点数)，以q/[平衡浓度]对q作图，结果如图4所示。观察图4可以知道，scatchard图并不是线形的，说明模板聚合物对dnan的亲和力并不是均匀的，但是图中两个明显的部分有较好的线性关系，这表明，在所研究的模板分子浓度范围1.5～120μg/ml内，模板聚合物主要形成两种不同类型的结合位点。由scatchard曲线的斜率和截距可分别求得聚合物高亲和位点以及低亲和位点的离解常数kd和饱和结合位点数qmax，结果如表1所示。

表1印迹聚合物离解常数和饱和结合位点数

在所研究的模板分子浓度范围内，模板聚合物主要形成两种不同类型的结合位点，高亲和位点的最大吸附量qmax为6.98×10^-6mol/g，平衡解离常数kd为4.68×10^-6mol/l；低亲和位点的最大吸附量qmax为5.71×10^-4mol/g，平衡解离常数kd为1.40×10^-3mol/l。

实施例4：磁性印迹聚合物微球的吸附性能

分别称取60mg磁性印迹聚合物微球于5个玻璃样品瓶中，分别加入6.00mlph＝2、5、7、9、12的5ppm的dnan标准溶液，振荡6h，用磁铁分离，以水为参比，1cm石英比色皿，分别于波长340nm处，用紫外可见分光光度计测上清液的吸光度。

结果表明，实施例1中制备的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips和实施例2中制备的磁性印迹聚合物微球edma-mmips在ph＝5的条件下都出现最高吸附率，吸附效率分别为91％和96％；实施例2制备的磁性印迹聚合物微球在ph＝2、7、9、12条件下，吸附率基本相同；实施例1制备的磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips)的吸附效果在ph为2～9时，受ph条件的影响与实施例2中制备的磁性印迹聚合物微球edma-mmips相似，但是在碱性条件下(ph＝12)吸附率降低至60.4％。这主要是因为功能单体maa的pka约为4.6，所以在ph＝5的溶液中，功能单体与模板分子之间会产生较明显的氢键以及离子键的协同作用，因此在ph＝5左右时，分子印迹微球对模板分子的吸附能力较强，即在弱酸环境中有较好的吸附效果。

分别称取60mg的磁性印迹聚合物微球mmips和磁性非印迹聚合物微球mnips于玻璃样品瓶中，分别加入6.00ml5ppmdnan标准溶液，每振荡一段时间，用磁铁静置分离，以水为参比，1cm石英比色皿，分别于波长340nm处，用紫外可见分光光度计测上清液的吸光度，直到吸附饱和为止。

磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips和edma-mmips)对5ppmdnan水溶液的动态吸附效果图如图5所示，从图5中可以看出，实施例1中制备的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips和实施例2中制备的磁性印迹聚合物edma-mmips的平衡吸附率都能达到90％以上，但实施例2中制备的磁性印迹聚合物微球edma-mmips在10min左右就可以达到吸附平衡，而且在10～60min时间段内，其吸附率基本无明显变化，说明实施例2中制备的磁性印迹聚合物edma-mmips能迅速吸附dnan。而实施例1中制备的磁性印迹聚合物dvb-mmips的吸附速率较慢，吸附率随着时间的增长而升高，30min可达到吸附平衡，最终吸附容量为95％左右。这主要是因为，edma-mmips的疏水性适当，可以很好地分散在水中，因此吸附速度较快，能够在10min内达到吸附平衡；而dvb-mmips的疏水性较强，在水体中不易分散均匀，所以吸附速度较慢，但另一方面，正是由于其疏水性，所以对有机物dnan的亲和性大于水分子，因此dvb-mmips与edma-mmips相比较，在水中表现出较大的吸附容量。

磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(dvb-mnips)对5ppmdnan的动态吸附曲线比较图如图6所示，从图6中可以看出，实施例1制备的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips和对比实施例1制备的磁性非印迹聚合物微球dvb-mnips对dnan均有吸附作用，但是对于30μg的dnan(即6.00ml，5ppm的dnan标准溶液)，磁性印迹聚合物只用30min就能够达到95％的吸附量，而非印迹聚合物吸附1小时后，吸附量仅达到79％，说明印迹聚合物比非印迹聚合物吸附能力强，可以在较短时间内吸附大量的dnan，吸附容量较大。

实施例5：磁性印迹聚合物的选择性吸附实验

准确称60mg磁性印迹聚合物微球edma-mmips分别置于四个玻璃样品瓶中，分别加入8.00ml50ppm的dnan、邻氨基苯甲酸乙酯、氨苯乙哌啶酮和对羟基苯甲酸乙酯，振荡吸附6h，用磁铁分离后得上清液，以水为参比，1cm石英比色皿，分别于波长340nm、240nm、240nm、255nm处，用紫外可见分光光度计测量上清液的吸光度。

重复上述操作，将其中的磁性印迹聚合物微球edma-mmips替换为磁性非印迹聚合物微球edma-mnips。

磁性印迹聚合物微球(edma-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(edma-mnips)在水相中的选择性比较图如图7所示，从图7中可以看出，磁性印迹聚合物对具有相似结构的邻氨基苯甲酸乙酯、氨苯乙哌啶酮和对羟基苯甲酸乙酯的吸附效率分别为18.53％、14.32％及4.76％，已经吸附饱和了，而dnan吸附效率仍在90％以上。且印迹聚合物比非印迹聚合物具有较好的选择性，对模板分子具有较高的吸附容量，对于与模板分子具有相似结构的其它物质吸附容量较低，因此可以对模板分子起到富集纯化的作用。以上结果说明，本实验合成的磁性印迹聚合物具有特异识别特性。

实施例6：磁性印迹聚合物在实际样品净化中的应用

取广州大学自来水以及广州大学城中心湖水样，用实施例1制备的印迹磁性聚合物微球dvb-mmips和对比实施例1中的dvb-mnips进行处理。60mg磁性分子印迹微球分别置于玻璃样品瓶中，分别加入6.00ml水样，振荡吸附6h，用磁铁分离后得上清液，以水为参比，1cm石英比色皿，于波长340nm处，用紫外可见分光光度计测量上清液的吸光度。

磁性印迹聚合物微球(dvb-mmips)和磁性非印迹聚合物微球(dvb-mnips)在不同水样中对dnan的去除效果比较图如图8所示，从图8中可以看出，实施例1中制备的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips对广州大学城中心湖水中dnan最大的吸附量可达92.74％，对于广州大学自来水中dnan最大吸附量可达93.87％，而在去离子水中的吸附量为95.70％。测量自来水及湖水的ph,分别为7.2和7.9，电导率分别为258s/m和492s/m，说明复杂水样的基质不会影响到印迹聚合物对dnan的去除能力，无论在自来水还是湖水中，印迹聚合物都保持较高的吸附能力，对dnan的去除能力接近在去离子水样中的去除率。对比实施例1中制备的磁性非印迹聚合物微球dvb-mnips对dnan的去除效果和实施例1中制备的磁性印迹聚合物微球dvb-mmips相似，但相较于磁性非印迹聚合物微球，磁性印迹聚合物微球对dnan具有更强的吸附能力，而且其具有的特异选择吸附性能，有利于后续再生利用中，回收得到较纯净的dnan。

吸附了dnan的磁性粒子，用10％hac/甲醇处理，可以将dnan从磁性粒子上洗脱下来，使材料再生，继续进行水体中染料的吸附和去除。而且用有机溶剂洗脱出来的dnan，能够很容易的进行浓缩，回收得到较纯净的dnan染料中间体，可以在工业生产中继续加以利用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。