一种雅努斯型磁性印迹纳米片及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种雅努斯型磁性分子印迹纳米片及其制备方法和应用，属于功能性材料技术领域。

背景技术：

2'-脱氧腺苷(da)作为具有良好生理活性的嘌呤类核苷之一，是基因药物和基因工程研究的重要原材料。此外，da具有很好的生理活性，是很多抗病毒、抗肿瘤和抗艾滋病药物公认的良好中间体，因此在市场上有极其广泛需求。目前，常见da的获取方法有合成法、结晶法和吸附法，但合成法的副产物多，其产物的浓度低；结晶法能耗高，生成速率较慢；吸附法对产品中微量da具有提取率高且易连续操作的优点，但常见吸附剂的选择性、吸附容量和传质速率仍有待进一步提高。因此根据da分子结构的特点，从da与吸附剂吸附位点的相互作用出发，研究新型吸附剂并用于获得高纯度da极其重要。

分子印迹聚合物(mips)，通常称为合成抗体模拟物，能够对靶分子进行特异性分子识别。与天然抗体相比，mips更稳定，易于满足广泛应用的要求而且价格低廉。表面印迹聚合物(smips)是把分子印迹识别位点构筑在基质材料表面的聚合吸附剂，显示出高结合能力、快速传质和快速结合动力学。迄今为止，多种硅基材料常作为基质材料来制备smips，涉及的硅基基质多为球形或管状结构，如二氧化硅、沸石、高岭土、分子筛、埃洛石纳米管等。纳米片具有更高的比表面积，且由于它们较高的纵横比而具有差异化方向性，因此可实现多种功能作用于同一纳米片基质。

利用超顺磁性颗粒为基质制备的复合印迹聚合物为磁性分子印迹聚合物（mmips）。mmips可同时实现目标物的识别和吸附剂的磁响应快速分离，有效避免了通过繁琐的离心、静置、过滤等步骤将材料与母液分离。目前，已有研究采用磁性颗粒改性sio2纳米片来制备mmips，但磁性粒子的引入会覆盖印迹位点并产生不均匀分布，从而降低结合容量。同时，印迹聚合物层的引入易导致饱和磁化强度降低，且在多次吸附-解吸循环后mmips泄漏的磁性颗粒无法可逆恢复。

技术实现要素：

本发明为解决现有mmips复合吸附剂中存在的功能位点与区域重叠、选择性低和分离效果差等技术瓶颈之一，提供了一种janus型磁性印迹纳米片吸附剂的制备方法，并实现了da的选择性分离。

本发明首先通过溶胶凝胶法制得了janus中空微球，通过超声破碎得到一面含有氨基（亲水）、另一面含有氯元素（疏水）的janus纳米片；随后以表面氯元素为原子转移自由基聚合（atrp）的引发剂，da作为模板分子，与da形成氢键且具有较好匹配性的5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷（acru）作为功能单体，在janus纳米片疏水的表面接枝了da分子印迹聚合物(janus-mips)；再通过氨基和羧基之间的键合作用，将油酸包覆的fe3o4颗粒结合到janus的亲水表面上，制备了janus型磁性分子印迹纳米片吸附剂(janus-mmips)，并将得到的材料应用于水溶液中da的高效选择性吸附与分离。

为达到上述技术的目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种雅努斯型磁性分子印迹纳米片吸附剂(janus-mmips)的制备方法，所述方法包括如下步骤：

（1）羧基改性的fe3o4颗粒的制备：

将0.2mol/l油酸钠水溶液与0.2mol/l氯化铁水溶液按一定的比例混合。过滤得棕色油酸铁络合物，用正己烷使其分散，再用蒸馏水洗涤，在干燥器中干燥。在室温下将该复合物加入到含有一定量油酸的20ml乙醇中。将混合物转移到高压釜中并加热至180℃保持5小时。在反应完后，用乙醇洗涤黑色油酸封端的fe3o4纳米颗粒(fe3o4nps)并用磁铁分离。将产物以10mg/ml的浓度再分散在甲苯中。

其中所述的油酸钠水溶液和氯化铁水溶液的体积比为1ml:1-2ml，所述的乙醇中含有的油酸的量为的浓度为10-15%。

（2）janus纳米片的制备：

将一定量hsma和水于烧杯中作为连续相，用hcl溶液调节ph至3-4。取一定量的固体石蜡，加入一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)和一定量的3-氯丙基三乙氧基硅烷(cptes)和一定量的正硅酸四乙酯(teos)作为分散相，70水浴加热后在高速搅拌将分散相逐滴加入连续相中，搅拌5min，混合物于70℃下反应12h。随后，离心收集，洗去油相，超声破碎，得到janus纳米片，真空干燥。

（3）janus分子印迹聚合物(janus-mips)的制备：

首先，将2'-脱氧腺苷(da)、5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷（acru）溶于二甲亚砜和乙腈的混合液中，常温通氮气30min，避光自组装1.5h；再加入二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)和janus纳米片，30℃搅拌0.5h后，加入n,n,n,n,n-五甲基二乙烯三胺(pmdeia)、氯化铜(cucl2)和抗坏血酸(vc)，混合溶液持续搅拌并在70℃下水浴加热反应12h之后，离心收集产物，接着以甲醇/盐酸的混合溶液作为洗脱剂(7:3，v:v)对janus-mips洗涤纯化，以去除未反应的模板分子和有机溶剂，最后，在45^oc下使纯化的janus-mips干燥24h。

所述2'-脱氧腺苷与5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷的质量比为：1:4-5；所述2'-脱氧腺苷与二甲亚砜和乙腈的混合液的用量为1g:200-250ml；

所述的二甲亚砜和乙腈的混合液中二甲亚砜和乙腈的体积比为：1:3-4；

所述通氮气时间为30min，所述自组装时间为1.5h；

所述2'-脱氧腺苷、janus纳米片和二甲基丙烯酸乙二醇酯的用量为1g:2-3g：10-12ml；

所述n,n,n,n,n-五甲基二乙烯三胺、氯化铜、抗坏血酸的用量为1.0ml:0.2-0.3g:0.08-0.1g。

（4）磁性雅努斯型双功能分子印迹吸附剂(janus-mmips)的制备：

将fe3o4nps溶于甲醇中超声分散，再在混合溶液中加入(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)(edc)、n-羟基琥珀亚酰胺(nhs)，混合均匀，再加入janus-mips后超声反应20min，离心收集，然后在45℃下真空干燥12h。

所述janus-mips和fe3o4nps的质量比为1:0.1-0.15；

所述fe3o4nps、n-羟基琥珀亚酰胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的质量比为1:1.5-3:1.5-3。

与现有技术相比较，本发明的有益效果体现如下：

本发明以与da形成氢键具有较好匹配性acru的作为功能单体，提高了印迹层的特异识别性，同时采用溶胶-凝胶法制备了janus纳米材料，并且利用janus纳米片的两面性对磁分离功能区域和da分子识别功能区域进行了单独设计，有效避免了两种功能的互相影响。从而构建了具有磁性的分子印迹吸附材料，具有选择性好，对目标物da的吸附量大且快速分离的优势。

附图说明

图1为实施例1中制备的janus纳米片(a)、janus-mips纳米片(b)和(c)、以及janus-mmips纳米片(d)的扫描电镜图。

图2为实施例1中制备的janus纳米片(a)、janus-mips纳米片(b)、janus-mmips(c)和fe3o4(d)的红外谱图。

图3为实施例1中制备的janus纳米片、janus-mips纳米片、janus-mmips的x射线衍射(xrd)的能谱图。

图4为实施例1中制备的janus纳米片、janus-mips纳米片、janus-mmips的热重分析（tga）曲线。

图5为实施例1中制备的fe3o4nps和janus-mmips的磁滞回线。

图6为制备的janus-mmips和janus-mnips在298k时吸附da的动力学数据和模型拟合曲线。

图7为制备的janus-mmips和janus-mnips在298k时吸附da的平衡数据和模型拟合曲线。

图8为制备的janus-mmips和janus-mnips的对da、dg、amp、dc的单组分吸附结果。

具体实施方式

为更好的使本领域技术人员理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进一步的说明。

本发明具体实施方式中识别性能评价按照下述方法进行：

利用静态吸附实验完成：将5ml一定浓度的da溶液加入到离心管中，加入一定量的janus-mmips吸附剂，放在25℃恒温水域中静置若干小时，吸附后da含量用紫外可见分光光度计测定，并根据结果计算出吸附容量；将5ml初始浓度为300μmol/l的da溶液加入到离心管中，加入一定量的janus-mmips吸附剂，分别在一定时间梯度下取出，并根据结果计算出吸附容量，用于参与研究janus-mmips吸附剂的动力学性能。选择几种结构和性质类似的核苷类化合物，例如2-脱氧鸟苷（dg）、2-脱氧胞苷（dc）和5′-单磷酸-腺苷（amp）等作为选择性吸附物，参与研究吸附剂的识别性能。

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）羧基改性的fe3o4颗粒的制备

将0.2mol/l油酸钠水溶液100ml与100ml的0.2mol/l氯化铁水溶液混合。过滤得棕色油酸铁络合物，用正己烷使其分散，再用蒸馏水洗涤三次，在干燥器中干燥。在室温下将该复合物加入到含有10%油酸的20.0ml乙醇中。将混合物转移到高压釜中并加热至180℃保持5小时。在反应完后，用乙醇洗涤黑色油酸封端的fe3o4纳米颗粒(fe3o4nps)并用磁铁分离。将产物以10mg/ml的浓度再分散在甲苯中。

（2）janus纳米片的制备

将一定量10wt%hsma和水于烧杯中作为连续相，用2mol/l的hcl溶液调节ph至3-4。取一定量的固体石蜡，加入一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)和一定量的3-氯丙基三乙氧基硅烷(cptes)和一定量的正硅酸四乙酯(teos)作为分散相，70℃水浴加热后在12000rpm的高速搅拌将分散相逐滴加入连续相中，搅拌5min，混合物于70℃下反应12h。随后，离心收集，用乙醇、正己烷洗涤三次，超声破碎，得到janus纳米片，然后在45℃下真空干燥12h。

（3）janus分子印迹聚合物(janus-mips)的制备

首先，将0.1g的2'-脱氧腺苷(da)和0.45g的5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷（acru）溶于5ml的二甲亚砜和15ml的乙腈混合液中，常温通氮气30min，避光自组装1.5h；再加入1.12ml的二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)和0.2g的janus纳米片，30℃搅拌0.5h后，加入0.1ml的n,n,n,n,n-五甲基二乙烯三胺(pmdeia)、0.03g的氯化铜(cucl2)和0.01g的抗坏血酸(vc)，混合溶液持续搅拌并在70℃下水浴加热反应12h之后，离心收集产物，接着以甲醇/盐酸的混合溶液作为洗脱剂(7:3，v:v)对janus-mips洗涤纯化，以去除未反应的模板分子和有机溶剂，最后，在45℃下使纯化的janus-mips干燥24h。

（4）磁性雅努斯型双功能分子印迹吸附剂(janus-mmips)的制备

将0.0025g的fe3o4nps溶于20ml甲醇中超声分散，再在混合溶液中加入0.0041g的n-羟基琥珀亚酰胺(nhs)和0.0041g的(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)(edc)，混合均匀，再加入0.02g的janus-mips后超声反应20min，离心收集，然后在45℃下真空干燥12h。

图1为该实施例中制备的janus纳米片(a)、janus-mips纳米片(b)和(c)、以及janus-mmips纳米片(d)的扫描电镜图。从图中表明分子印迹聚合物成功制备，同时可以看出在纳米片的另一侧明显接上磁性粒子，表明磁性分子印迹聚合物成功制备。

图2为该实施例中制备的janus纳米片(a)、janus-mips纳米片(b)、janus-mmips(c)和fe3o4(d)的红外谱图。在a,b,c中3200-3500cm^-1和2918cm^-1出现了宽吸收带，认为是材料的n-h和o-h键的伸缩振动，在1715cm^-1处的峰认为是酰胺键的特征峰，而在701cm-1处均有出峰，认为是c-cl键的特征峰，在c和d中509cm^-1处出峰，这对应的是fe3o4的特征峰，以上表明磁性分子印迹聚合物成功制备。

图3为该实施例中制备的janus纳米片、janus-mips纳米片、janus-mmips的x射线衍射(xrd)的能谱图，图中janus-mmips存在fe3o4的结构，与fe3o4具有相同的峰位于30.2°，35.6°，43.4°，50.1°，54.1°，57.3°和62.6°，与其指数相对应(111)，(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)和(511)。表明成功制备了带磁性的聚合物。

图4为该实施例中制备的janus纳米片、janus-mips纳米片、janus-mmips的热重分析（tga）曲线，janus-mmips最终的热损失比janus-mips低大约16%，这主要归因于janus-mips表面修饰上的磁性粒子，即janus-mips表面修饰的fe3o4的量约为16%。而janus-mips最终的热损失比janus纳米片低大约12%，此阶段的热损失证明janus-mips的表面存在着一层da的印迹层。

图5为该实施例中制备的fe3o4nps和janus-mmips的磁滞回线，两条曲线没有滞后现象，fe3o4nps和janus-mmips是超顺磁性的，fe3o4nps和janus-mmips在室温下获得的饱和磁化强度（ms）值分别为49.71emu/g和12.23emu/g，表明janus-mmips具有足够的磁力来满足磁分离的需要。

实施例2：

（1）羧基改性的fe3o4颗粒的制备

将0.2mol/l油酸钠水溶液100ml与150ml的0.2mol/l氯化铁水溶液混合。过滤得棕色油酸铁络合物，用正己烷使其分散，再用蒸馏水洗涤三次，在干燥器中干燥。在室温下将该复合物加入到含有12.5%油酸的20.0ml乙醇中。将混合物转移到高压釜中并加热至180℃保持5小时。在反应完后，用乙醇洗涤黑色油酸封端的fe3o4纳米颗粒(fe3o4nps)并用磁铁分离。将产物以10mg/ml的浓度再分散在甲苯中。

（2）janus纳米片的制备

将一定量10wt%hsma和水于烧杯中作为连续相，用2mol/l的hcl溶液调节ph至3-4。取一定量的固体石蜡，加入一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)和一定量的3-氯丙基三乙氧基硅烷(cptes)和一定量的正硅酸四乙酯(teos)作为分散相，70℃水浴加热后在12000rpm的高速搅拌将分散相逐滴加入连续相中，搅拌5min，混合物于70℃下反应12h。随后，离心收集，用乙醇、正己烷洗涤三次，超声破碎，得到janus纳米片，然后在45℃下真空干燥12h。

（3）janus分子印迹聚合物(janus-mips)的制备

首先，将0.1g的2'-脱氧腺苷(da)和0.40g的5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷（acru）溶于5ml的二甲亚砜和17.5ml的乙腈混合液中，常温通氮气30min，避光自组装1.5h；再加入1ml的二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)和0.2g的janus纳米片，30℃搅拌0.5h后，加入0.10ml的n,n,n,n,n-五甲基二乙烯三胺(pmdeia)、0.02g的氯化铜(cucl2)和0.008g的抗坏血酸(vc)，混合溶液持续搅拌并在70℃下水浴加热反应12h之后，离心收集产物，接着以甲醇/盐酸的混合溶液作为洗脱剂(7:3，v:v)对janus-mips洗涤纯化，以去除未反应的模板分子和有机溶剂，最后，在45℃下使纯化的janus-mips干燥24h。

（4）磁性雅努斯型双功能分子印迹吸附剂(janus-mmips)的制备：

将0.002g的fe3o4nps溶于20ml甲醇中超声分散，再在混合溶液中加入0.003g的n-羟基琥珀亚酰胺(nhs)和0.003g的(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)(edc)，混合均匀，再加入0.02g的janus-mips后超声反应20min，离心收集，然后在45℃下真空干燥12h。

实施例3：

（1）羧基改性的fe3o4颗粒的制备

将0.2mol/l油酸钠水溶液100ml与200ml的0.2mol/l氯化铁水溶液混合。过滤得棕色油酸铁络合物，用正己烷使其分散，再用蒸馏水洗涤三次，在干燥器中干燥。在室温下将该复合物加入到含有15%油酸的20.0ml乙醇中。将混合物转移到高压釜中并加热至180℃保持5小时。在反应完后，用乙醇洗涤黑色油酸封端的fe3o4纳米颗粒(fe3o4nps)并用磁铁分离。将产物以10mg/ml的浓度再分散在甲苯中。

（2）janus纳米片的制备

将一定量10wt%hsma和水于烧杯中作为连续相，用2mol/l的hcl溶液调节ph至3-4。取一定量的固体石蜡，加入一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)和一定量的3-氯丙基三乙氧基硅烷(cptes)和一定量的正硅酸四乙酯(teos)作为分散相，70℃水浴加热后在12000rpm的高速搅拌将分散相逐滴加入连续相中，搅拌5min，混合物于70℃下反应12h。随后，离心收集，用乙醇、正己烷洗涤三次，超声破碎，得到janus纳米片，然后在45℃下真空干燥12h。

（3）janus分子印迹聚合物(janus-mips)的制备

首先，将0.1g的2'-脱氧腺苷(da)和0.5g的5-（2-甲氧基乙烯基）-2'-脱氧尿苷（acru）溶于5ml的二甲亚砜和20ml的乙腈混合液中，常温通氮气30min，避光自组装1.5h；再加入1.2ml的二甲基丙烯酸乙二醇酯(egdma)和0.2g的janus纳米片，30℃搅拌0.5h后，加入0.10ml的n,n,n,n,n-五甲基二乙烯三胺(pmdeia)、0.025g的氯化铜(cucl2)和0.008g的抗坏血酸(vc)，混合溶液持续搅拌并在70℃下水浴加热反应12h之后，离心收集产物，接着以甲醇/盐酸的混合溶液作为洗脱剂(7:3，v:v)对janus-mips洗涤纯化，以去除未反应的模板分子和有机溶剂，最后，在45℃下使纯化的janus-mips干燥24h。

（4）磁性雅努斯型双功能分子印迹吸附剂(janus-mmips)的制备

将0.003g的fe3o4nps溶于20ml甲醇中超声分散，再在混合溶液中加入0.009g的n-羟基琥珀亚酰胺(nhs)和0.009g的(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)(edc)，混合均匀，再加入0.02g的janus-mips后超声反应20min，离心收集，然后在45℃下真空干燥12h。

试验例1：

取5ml初始浓度为300μmol/l的da溶液分别加入到离心管中，分别加入5mg实施例1中制备的janus-mmips吸附剂，分别在10、20、30、60、120、240、360、480min的时候取出；通过磁体将印迹吸附剂和溶液分离开。滤液中的da浓度由紫外分光光度计在259nm的波长下计算测定，根据结果得到了图6，图6为实施例1中制备的janus-mmips和janus-mnips在298k时吸附da的动力学数据和模型拟合曲线，同时计算达到吸附平衡的时间；结果表明，在最初的60min，janus-mmips和janus-mnips的吸附容量快速增加，说明模板分子能很容易地扩散进入吸附剂。而且janus-mmips的吸附效率明显要比janus-mnips更快，对da的吸附容量也比janus-mnips要大，说明在janus-mmips表面有大量空的印迹位点。在快速吸附后，由于da浓度的下降以及结合位点数量的减少，吸附速率急剧下降并且在2.0h时达到平衡。

试验例2：

取5ml初始浓度分别为50、100、150、200、300、500、700、900、1000μmol/l的da溶液加入到离心管中，分别加入5mg实施例1中制备的janus-mmips吸附剂，把测试液放在25℃的水浴中静置10h后，通过磁体将印迹吸附剂和溶液分离开，未吸附的da分子浓度分别用紫外可见分光光度计在259nm的波长下测定，根据结果得到图7，图7为实施例1中janus-mmips和janus-mnips在298k时吸附da的平衡数据和模型拟合曲线，符合langmuir以及freundlich吸附模型，同时计算出吸附容量。结果表明，在25℃条件下，达到吸附平衡时janus-mmips对da的最大吸附容量是61.22μmol/g，达到吸附平衡时janus-mnips对da的最大吸附容量分别是42.36μmol/g，在相同温度下janus-mmips比janus-mnips的最大吸附量要高，证明了janus-mmips是一种有效识别da的吸附剂。

试验例3：

选择2-脱氧鸟苷（dg）、2-脱氧胞苷（dc）和5′-单磷酸-腺苷（amp）作为选择性吸附物对照，分别配制以上三种化合物的溶液，浓度为700μmol/l，分别取5ml加入到离心管中，再分别加入5mg实施例1中制备的印迹吸附剂和非印迹吸附剂，将测试液放在25℃的水浴振荡器中10h后，通过磁体将印迹吸附剂和溶液分离开，未吸附的da分子浓度分别用紫外可见分光光度计在259nm的波长下测定，并根据结果得出图8。结果表明janus-mmips对四种化合物的吸附量遵循da﹥dg﹥amp﹥dc的顺序，因此可以推断janus-mmips的表面存在与da形状尺寸一致的印迹位点使得janus-mmips对da具有很好的吸附专一性。