一种表面功能单体预聚合体系引发的分子印迹复合膜的制备方法及其应用与流程

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种表面功能单体预聚合体系引发的分子印迹复合膜的制备方法和应用。

背景技术：

随着分离纯化技术的不断发展，膜技术作为一种简单、低成本、高效的方法成为众多工作者的研究对象。然而，传统的分离膜很难解决许多技术问题，如选择性分离、特异性识别和分离能力。近年来，膜特异性识别与分离技术的应用不仅对生物科学的发展有很大帮助，而且对生命科学的发展也有很大帮助。因此，开发具有特异识别能力和特异选择性的膜是非常必要的。分子印迹技术作为一种简单而成熟的技术受到广泛关注。

众所周知，分子印迹技术(mit)被认为是一种有吸引力的技术手段，用来建立识别腔，以补充模板分子的大小、形状和功能。分子印迹聚合物(mip)是具有预定选择性的合成聚合物，用于给定分析物或一组结构相关物种。在各种膜表面改性方法中，表面引发剂原子转移自由基聚合(atrp)是一种比较新的方法。近年来，由于其制备简单、成本低、化学稳定性好等优点，在分离、传感器、催化、水处理和药物设计等许多领域得到了迅速发展。因此，分子印迹膜(mim)由分子印迹聚合物或含有分子印迹聚合物组成。分子印迹聚合物的加入可提高膜的特异识别能力，分子印迹在多孔膜表面上可以实现模板分子的分离和提纯。它具有良好的结合能力和快速分离性能。近年来，多孔分子印迹膜具有不同的孔径和层状结构，其独特的分离性能引起了人们的广泛关注。目前，合成mims的常用方法是在表面铸造或接枝印迹层。虽然大量报道指出分子印迹膜中仍存在高扩散阻挡、低再生、低选择性和结构电阻等问题，使得如何广泛应用分子印迹膜的问题成为研究的核心问题之一。对分子印迹膜进行研究，寻找一种有效的方法，将无机颗粒均匀地分散到膜材料中，从而提高对特定化合物的识别和选择性。

聚偏氟乙烯(pvdf)作为一种理想的膜材料，由于其高疏水性和低表面能，导致pvdf膜的选择分离性能较差，成为实际应用中的重大挑战。无机纳米粒子混合膜可将稳定和可加工的高分子材料与无机材料的高选择性相结合。纳米颗粒由于其超薄的尺寸，具有许多特殊的性质。冰胶(cryogel)是一种通过聚合或交联反应制备的疏松的、大孔状的凝胶，它以特有的大孔结构、良好的机械性能和稳定性越来越受到人们的关注，并在吸附、固定化以及催化载体等方面有着广泛的应用。最近，聚合物表面聚多巴胺(pda)的结构是一个非常通用的纳米颗粒集成平台。纳米粒子(tio2/sio2/ag/au等)附着在膜表面,由于其与均匀分散的多孔膜具有化学稳定性和机械强度具有协同作用,膜的耐久性、机械强度和抗污染性能都有了显著提升而且使得修饰的纳米颗粒在膜表面的紧密结合。

城市化与人口老龄化的大环境下，国内医药产品和内分泌干扰物等目标污染物不断被排放污染环境。四环素又是人类第二大广泛应用于人类和动物的广谱抗生素。由于传统的废水处理工艺无法祛除水中的四环素，这类污染物目前存在于污水处理的水排放物中，以及地表水，地下水，沉积在沉积物上，甚至是在饮用水中。此外，生态毒性研究表明，pps可以影响鸟类，鱼类，无脊椎动物、植物和细菌的生长，繁殖和行为。所以，废水中抗生物浓度较低会导致细菌对抗生素产生耐药性，tc的存在可能会对环境造成不利的影响，从而成为一个未来的公共卫生问题的重要来源。所以将mst、fpt与mit相结合制备合成的分子印迹膜具有能耗低、分离方便、容易操作、易于实现连续作业等优点。然而，一般的常规聚合物颗粒如sio2共混的分离膜最主要的问题是流动阻力大。近年来，低温凝胶在分离过程中得到了广泛的应用，由于其内部大孔隙的相互连接，使得低温凝胶具有相对较低的背压。低温凝胶是由聚合物前体或单体的冷冻溶液聚合而成的凝胶基质，所以同样也具备较高的机械和化学抗性，它们是在吸附分离过程很有吸引力的材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，以非共价印迹体系为基础，结合乳胶共混技术、表面分子印迹技术和膜分离技术，制备出了对四环素具有特异性识别和分离能力的分子印迹复合膜。

为了实现以上目的，具体步骤如下：

(1)2-甲基丙烯酰胺谷氨酸(maga)的合成；

首先，在二氯甲烷中加入谷氨酸和对苯二酚，混合后低温保存；然后通入氮气排尽水中氧气，加入三乙胺和甲基丙烯酰氯，室温磁搅拌；反应结束后，加入naoh，通过旋转蒸发器蒸发溶液中的水相，将残渣放入真空干燥箱得到干燥物，即为maga；

(2)poly(hema-maga)颗粒的制备；

将过氧化苯甲酰、聚丙烯醇、甲基丙烯酸羟乙酯(hema)与与步骤(1)制备的maga混合进行共聚反应；反应结束后，过滤洗涤，真空烘箱中干燥，干燥后磨碎，得到poly(hema-maga)颗粒；

(3)利用乳胶共混法制备poly(hema-maga)颗粒掺杂pvdf纳米复合膜的制备(ppms)；

将步骤(2)制备的poly(hema-maga)颗粒、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙二醇(peg4000，mr＝4000)和n-甲基吡咯烷酮(nmp)混合，在恒温条件下机械搅拌，静置一段时间后，将混合溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒刮膜，然后将玻璃板斜插入水中，通过相转移法得到poly(hema-maga)颗粒掺杂pvdf纳米复合膜，记为ppms；

(4)利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh-570)表面修饰改性的ppms；

将步骤(3)制备得到的ppms基底膜剪裁后，浸没于乙醇和水组成的混合溶液中，加入kh-570并放入磁子，通入氮气排出反应容器中的氧气，随后进行密封；置于恒温水浴中反应，反应后分别用乙醇和水对其进行浸泡清洗，经烘干后得到kh-570表面修饰改性的ppms；

(5)利用atrp法tc-分子印迹复合膜的制备；

为了实现atrp引发剂的固定化，将步骤(4)所得kh-570表面修饰改性的ppms的片段浸泡在乙醇中，依次加入丙烯酰胺(am)、四环素(tc)和二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)；超声处理得到均相溶液；再加入偶氮二异丁腈(aibn)作为引发剂，通入氮气一段时间后进行密封；密封后进行固定化，固定化过程在氮气保护下进行，固定化后得到的产物，用甲醇和乙酸溶液清洗，然后在真空干燥箱内干燥，得到表面功能单体预聚合体系引发的分子印迹复合膜，记为tc-kh570@ppms。

优选的，步骤(1)中所述二氯甲烷、谷氨酸、对苯二酚的用量比为100ml：5.0g：0.2g；所述低温保存的温度为0℃。

优选的，步骤(1)中所述二氯甲烷、三乙胺、甲基丙烯酰氯、naoh的用量比为100ml：13.0g：4.0ml：1.3g。

优选的，步骤(1)中所述室温磁搅拌的时间为2h；所述真空干燥的温度为60℃，时间为24～48h。

优选的，步骤(2)中所述过甲基丙烯酸羟乙酯、maga、氧化苯甲酰和聚丙烯醇的用量比为10ml：0.5g：0.5g：0.5g。

优选的，步骤(2)中所述共聚反应的温度为40℃，反应时间为24h。

优选的，步骤(3)中所述pvdf、peg4000、poly(hema-maga)和nmp的用量比为2.4～3.6g：0.6g：0.5g；26.8g。

优选的，步骤(3)中所述恒温条件的温度为50℃；所述机械搅拌的时间为6h；所述静置为12～24h。

优选的，步骤(4)中ppms基底膜剪裁的尺寸为7.5mm×15mm×10mm。

优选的，步骤(4)中所述ppms基底膜的片数、乙醇、水和kh-570的用量比为6片：80ml：20ml：3ml。

优选的，步骤(4)中所述密封是用真空塞、脱脂胶带及保鲜膜进行密封；所述恒温水浴的温度为80℃，恒温水浴中反应时间为16～24h。

优选的，步骤(5)中所述乙醇、丙烯酰胺、四环素、二甲基丙烯酸乙二醇酯和aibn的用量比为60ml：1.0mmol：0.25～0.5mmol：4.0mmol：30mg。

优选的，步骤(5)中所述通入氮气一段时间为15～20min。

优选的，步骤(5)中所述固定化过程为：先在50℃反应6h；然后在60℃反应18～24h。

优选的，步骤(5)中所述真空干燥的温度为35℃，时间为24h。

非印迹纳米复合膜的制备(kh570@ppms)：制备方法同步骤(1)～(4)，区别是制备不加入模板分子tc的非印迹纳米复合膜以备对照使用，为方便起见后续的非印迹膜均记为kh570@ppms。

上述技术方案中所述的四环素，其作用为模板分子。

上述技术方案中所述的丙烯酰胺，其作用为功能单体。

上述技术方案中所述的乙二醇二甲基丙烯酸酯，其作用为交联剂。

上述技术方案中所述的偶氮二异丁腈作为atrp反应的引发剂。

上述技术方案中所述的poly(hema-maga)/pvdf纳米共混膜，其作用为膜材料。

上述技术方案中所述的吸附性能分析测试方法具体为：

(i)静态吸附试验

取一定质量的印迹膜加入相应测试溶液中，恒温水浴震荡，考察不同吸附溶液的初始浓度对复合膜的影响，吸附后完成后，未吸附的四环素分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量(qe，mg/g)：

其中c0(mg/l)和ce(mg/l)分别是吸附前后四环素的浓度，w(g)为吸附剂用量，v(ml)为测试液体积。

同样的方法，考察不同吸附溶液的吸附时间对复合膜的影响，吸附后完成后，未吸附的四环素分子浓度用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量(qt，mg/g)：

其中c0(mg/l)和ct(mg/l)分别是吸附前后四环素的浓度，w(g)为吸附剂用量，v(ml)为测试液体积。

(iii)选择渗透性试验

自制两个完全相同的带有磨口支管的玻璃池，将印迹膜或空白膜用夹子固定于两个玻璃池中间，组成h形渗透性装置，保证两池没有渗漏，一池中加入底物为四环素、头孢氨苄和磺胺甲嘧啶水溶液，另一池中加入乙醇溶剂，隔一定时间取样，测定透过聚合物膜的底物的浓度，并据此计算渗透量。

本发明的有益效果：

(1)本发明本章以poly(hema-maga)冰胶颗粒掺杂pvdf为基底，利用硅烷偶联剂建立次级反应平台，并以tc为模板，基于分子印迹技术，成功构建了tc-印迹纳米复合膜(tc-kh570@ppms)。

(2)利用本发明获得的四环素分子印迹膜具有热稳定性好，快速的吸附动力学性质，明显的四环素分子识别性能；通过选择性吸附及渗透实验结果表明，所制备的tc-kh570@ppms在较低的工作浓度(100mgl^-1)即表现出对tc较高的吸附选择性(及渗透选择性)。

(4)本发明由于印迹聚合发生在功能单体改性的多层纳米复合膜材料表面，避免了部分模板分子因包埋过深而无法洗脱的问题，获得的印迹膜耐高温，识别点不易破坏，非特异性吸附降低了70％。

(5)本发明采用非共价印迹原理、膜分离原理结合改性膜预聚合体系，在多层纳米复合膜表面合成四环素分子印迹复合膜。

附图说明

图1中(a)为实施例1制备的poly(hema-maga)合成过程；(b)为实施例1制备的tc-kh570@ppms的选择性识别分离tc合成过程示意图。

图2分别为pvdf膜原材料(a-b)、ppms(c-d)、kh570@ppms(e-f)和tc-kh570@ppms(g-h)的扫描电镜图。

具体实施方式：

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：

(1)2-甲基丙烯酰胺谷氨酸(maga)的合成；

首先，在100ml二氯甲烷中加入5.0g谷氨酸和0.2g对苯二酚，0℃保存；然后加入氮气，加入13.0g三乙胺和4.0ml甲基丙烯酰氯，室温磁搅拌2h；反应结束后，加入1.3gnaoh，通过旋转蒸发器蒸发溶液中的水相；将残渣放入60℃的真空干燥箱中24h；得到干燥物，即为maga；可将10gmaga其溶解在40ml乙醇中，储存起来供以后使用；

(2)poly(hema-maga)颗粒的制备；

将0.5g的过氧化苯甲酰、0.5g的聚丙烯醇、10ml的甲基丙烯酸羟乙酯(hema)与0.5g的maga混合进行共聚反应，共聚反应的温度为40℃，反应时间为24h；反应结束后，过滤洗涤，真空烘箱中干燥，干燥后磨碎，得到poly(hema-maga)颗粒；

(3)利用乳胶共混法制备poly(hema-maga)颗粒掺杂pvdf纳米复合膜的制备

将3.6gpvdf、0.6gpeg4000、26.8gnmp、0.5gpoly(hema-maga)加入100ml圆底烧瓶中，50℃机械搅拌6h并在室温下静置12h，去除气泡。然后，将得到的溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒刮膜。然后玻璃板迅速斜插入水中,通过相转移法最终得到ppms；

(4)利用kh-570表面修饰改性的poly(hema-maga)/pvdf纳米复合膜的制备

将制备得到的ppms基底膜剪裁为长条状(7.5mm×15mm×10mm)，将6片剪裁后的ppms基底膜浸没于80ml乙醇和20ml水组成的混合溶液中，加入3mlkh570，放入磁子并通入氮气排出反应容器中的氧气，随后用真空塞、脱脂胶带及保鲜膜进行密封；置于80℃恒温水浴中反应16h，分别用乙醇和水对其进行浸泡清洗，烘干后得到kh570@ppms；

(5)利用atrp法tc-分子印迹复合膜的制备

为了实现atrp引发剂的固定化，将kh570@ppms的片段浸泡在60ml乙醇中，加入1.0mmol的am、0.1mmol的tc和4.0mmol的egdma。超声处理得到均相溶液。加入30mgaibn作为引发剂。继续通氮气15min后用真空玻璃塞、脱脂胶带及保鲜膜密封。固定化过程先在50℃反应6h，然后在60℃反应18h，整个实验过程在氮气保护下进行，得到的产物用甲醇和乙酸溶液彻底清洗，然后在35℃的温度下进行真空干燥24h，得到表面功能单体预聚合体系引发的分子印迹复合膜，记为tc-kh570@ppms。

(6)非印迹纳米复合膜的制备(kh570@ppms)：制备方法同步骤(1)～(4)，区别是制备不加入模板分子tc的非印迹纳米复合膜以备对照使用，为方便起见后续的非印迹膜均为kh570@ppms。

静态吸附试验：

分别称取印迹膜和非印迹膜各9份，分别放入到18个试管中，然后各加入10ml浓度为5,10,15,20,25,30,60,90,125mg/l的四环素水溶液，在25℃条件下恒温水浴震荡3h，吸附后完成后，用uv-vis测定未吸附的四环素分子的浓度，并根据结果计算出吸附容量。

结果表明，四环素分子印迹膜的最高饱和吸附容量为37.5mg/g，明显高于非印迹膜的11.32mg/g。

同样，在100mg/l四环素水溶液中进行不同时间(5、15、30、45、60、90、120、180、240min)的吸附试验。用uv-vis测定未吸附的四环素分子的浓度，并根据结果计算出吸附容量。

结果表明，四环素分子印迹膜的最高饱和吸附容量为38.23mg/g，明显高于非印迹膜的11.42mg/g。

选择渗透性试验：

自制两个完全相同的带有磨口支管的玻璃池，将印迹膜用夹子固定于两个玻璃池中间，组成h形渗透性装置，保证两池没有渗漏，一池中分别加入底物浓度为100mg/l的四环素、头孢氨苄和磺胺甲嘧啶的水溶液，另一池中加入水溶剂，取样时间分别为5、15、30、45、60、90、120、180、240min，测定透过聚合物膜的底物的浓度，并据此计算渗透量。

结果显示，在初始浓度为100mg/l的四环素、头孢氨苄和磺胺甲嘧啶水溶液，取样时间分别为5、15、30、45、60、90、120、180、240min，测得空白样品池中四环素的浓度分别为4.32、5.22、5.65、6.52、6.95、7.22、7.90、8.32、8.85mg/l，测得头孢氨苄的浓度分别为7.75、15.62、24.53、29.42、30.43、31.24、31.58、32.45、33.54mg/l，测得磺胺甲嘧啶的浓度分别为7.52、14.56、25.43、28.64、30.54、31.33、31.85、32.34、32.52mg/l。

实验结果表明四环素分子印迹膜对四环素有特异识别和促进非四环素分子(头孢氨苄和磺胺甲嘧啶)渗透性能。

实施例2：

(1)2-甲基丙烯酰胺谷氨酸(maga)的合成；

首先，在100ml二氯甲烷中加入5.0g谷氨酸和0.2g对苯二酚，0℃保存。然后加入氮气，加入13.0g三乙胺和4.0ml甲基丙烯酰氯，室温磁搅拌2h。反应结束后，加入1.3gnaoh，通过旋转蒸发器蒸发溶液中的水相。将残渣放入60℃的真空干燥箱中36小时。然后将10gmaga其溶解在40ml乙醇中，储存起来供以后使用；

(2)poly(hema-maga)颗粒的制备；

将0.5g的过氧化苯甲酰、0.5g的聚丙烯醇、10ml的甲基丙烯酸羟乙酯(hema)与0.5g的maga混合进行共聚反应，共聚反应的温度为40℃，反应时间为24h；反应结束后，过滤洗涤，真空烘箱中干燥，干燥后磨碎，得到poly(hema-maga)颗粒；

(3)利用乳胶共混法制备poly(hema-maga)颗粒掺杂pvdf纳米复合膜的制备

将2.4gpvdf、0.6gpeg4000、26.8gnmp、0.5gpoly(hema-maga)加入100ml圆底烧瓶中，50℃机械搅拌6h，并在室温下静置24h，去除气泡；然后，将得到的溶液倒在玻璃板上，用玻璃棒刮膜。然后玻璃板迅速斜插入水中，通过相转移法最终得到ppms；

(4)利用kh-570表面修饰改性的poly(hema-maga)/pvdf纳米复合膜的制备

将制备得到的ppms基底膜剪裁为长条状(7.5mm×15mm×10mm)，将6片剪裁后的ppms基底膜浸没于80ml乙醇和20ml水组成的混合溶液中，加入3mlkh570，放入磁子并通入氮气排出反应容器中的氧气，随后用真空塞、脱脂胶带及保鲜膜进行密封；置于80℃恒温水浴中反应16h，分别用乙醇和水对其进行浸泡清洗，烘干后得到kh570@ppms；

(5)利用atrp法tc-分子印迹复合膜的制备；

为了实现atrp引发剂的固定化，将kh570@ppms的片段浸泡在60ml乙醇中，加入1.0mmol的丙烯酰胺(am)、0.5mmol的四环素(tc)和4.0mmol的egdma。超声处理得到均相溶液。加入30mgaibn作为引发剂。继续通氮气15min后用真空玻璃塞、脱脂胶带及保鲜膜密封。固定化过程先在50℃反应6h，然后在60℃反应24h，整个实验过程在氮气保护下进行，得到的产物用甲醇和乙酸溶液彻底清洗，然后在35℃的温度下进行真空干燥24h，得到表面功能单体预聚合体系引发的分子印迹复合膜，记为tc-kh570@ppms。

(6)非印迹纳米复合膜的制备(kh570@ppms)

制备方法同步骤(1)～(4)，区别是制备不加入模板分子tc的非印迹纳米复合膜以备对照使用,为方便起见后续的非印迹膜均为kh570@ppms。

静态吸附试验；

分别称取印迹膜和非印迹膜各9份，分别放入到18个试管中，然后各加入10ml浓度为5,10,15,20,25,30,60,90,125mg/l的四环素水溶液，在25℃条件下恒温水浴震荡3h，吸附后完成后，用uv-vis测定未吸附的四环素分子的浓度，并根据结果计算出吸附容量。

结果表明，四环素分子印迹膜的最高饱和吸附容量为35.2mg/g，明显高于非印迹膜的9.32mg/g。

同样，在100mg/l四环素水溶液中进行不同时间(5、15、30、45、60、90、120、180、240min)的吸附试验。用uv-vis测定未吸附的四环素分子的浓度，并根据结果计算出吸附容量。

结果表明，四环素分子印迹膜的最高饱和吸附容量为37.23mg/g，明显高于非印迹膜的9.92mg/g。

选择渗透性试验；

自制两个完全相同的带有磨口支管的玻璃池，将印迹膜用夹子固定于两个玻璃池中间，组成h形渗透性装置，保证两池没有渗漏，一池中分别加入底物浓度为100mg/l的四环素、头孢氨苄和磺胺甲嘧啶的水溶液，另一池中加入水溶剂，取样时间分别为5、15、30、45、60、90、120、180、240min，测定透过聚合物膜的底物的浓度，并据此计算渗透量。

结果显示，在初始浓度为100mg/l的四环素、头孢氨苄和磺胺甲嘧啶水溶液，取样时间分别为5、15、30、45、60、90、120、180、240min，测得空白样品池中四环素的浓度分别为5.32、6.23、6.65、7.55、7.85、8.12、9.90、10.42、10.55mg/l，测得头孢氨苄的浓度分别为7.85、14.62、23.53、26.45、29.55、30.25、30.48、30.69、30.88mg/l，测得磺胺甲嘧啶的浓度分别为7.42、14.46、23.33、25.65、28.64、29.36、29.88、30.33、30.56mg/l。

实验结果表明四环素分子印迹膜对四环素有特异识别和促进非四环素分子(头孢氨苄和磺胺甲嘧啶)渗透性能。

图2分别为pvdf膜原材料(a-b)、ppms(c-d)、kh570@ppms(e-f)和tc-kh570@ppms(g-h)的扫描电镜图；从图2中可以看出与其他膜相比较，在合成印迹膜后，ppms基膜表面粗糙不规则，有一层薄薄珊瑚状的印迹层，结合其优秀的选择性，表面印迹成功。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。