基于MIL-101的莽草酸分子印迹聚合物的制备及应用

Preparation and Application of Shikimic Acid-Molecularly Imprinted Polymer Based on MIL-101

摘要

采用溶胶-凝胶法，以莽草酸为模板分子在金属有机框架材料MIL-101表面包覆分子印迹聚合物层，制备了一种对莽草酸具有特异性识别能力的核壳型分子印迹聚合物（MIP）。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）等技术对聚合物进行表征，制备的MIL-101为八面体结构，表面均匀地包覆了分子印迹聚合物层。MIP的吸附性能测试结果显示，MIP在30 min达到吸附平衡，饱和吸附量为93.16 mg/g。MIP用作固相萃取吸附剂，表现出良好的选择性富集能力，能选择性分离和纯化八角中的莽草酸。

Abstract

A core-shell molecularly imprinted polymer (MIP) possessing specific recognition for shikimic acid was prepared through the sol-gel method with metal organic framework MIL-101 as a substrate and shikimic acid as the template molecule. The MIP was characterized by a series of methods, including X-ray diffraction analysis (XRD), Fourier infrared spectroscopy (FT-IR), and transmission electron microscopy analysis (TEM). The results showed that the prepared MIL-101 had octahedral structure and molecularly imprinted polymer shell was uniformly coated on it. The adsorption performance of MIP was evaluated through the adsorption experiment, and the MIP reached adsorption equilibrium within 30 min with a saturated adsorption capacity of 93.16 mg/g. The prepared polymer was used as a solid-phase extraction adsorbent, showing good selective enrichment ability, and could selectively isolate and purify the shikimic acid in the star anise.

Graphical abstract

关键词

莽草酸 / 金属有机框架 / MIL-101 / 溶胶-凝胶法 / 分子印迹聚合物

Key words

shikimic acid / metal organic frameworks / MIL-101 / sol-gel method / molecularly imprinted polymer (MIP)

0　 引 言

莽草酸（shikimic acid, SA）在自然界广泛存在，具有抗禽流感、抗菌、抗炎、抗肿瘤等药理作用，同时是一种重要的药物中间体。SA可从八角中提取，或者通过大肠杆菌的改良菌株发酵过程生产^[1，2]。无论采用何种方法获取，SA都需要经过纯化才能用于预期目的。SA的传统提取方法（水提取^[3]、醇提取^[4]、微波提取法^[5]和超声波提取法^[6]）或耗时长，或缺乏选择性，提取效率也不高。分子印迹技术（molecular imprinting technique）制备的聚合物^[7]不仅具有高吸附量，而且比传统方法具有更好的选择性。2015年，Yeoh小组^[8]以4-乙烯吡啶为功能单体，采用本体聚合法制备莽草酸分子印迹聚合物用于富集与分析莽草酸，印证了该方法的可行性。2018年，蓝尉瑜等^[9]采用本体聚合法制备莽草酸分子印迹聚合物膜，并将此印迹膜滴涂于电极表面，采用电势分析法，测定八角样品中莽草酸的含量。2021年，Zhu等^[10]在树突状纤维SiO₂颗粒上制备了一种基于表面分子印迹聚合物的硼酸酯亲和吸附剂，用于识别和选择性地分离莽草酸。

金属有机框架材料（metal-organic frameworks,MOF）作为一种新型的吸附材料，具有较大的比表面积、较高的孔隙率及优异的稳定性，兼具有机与无机聚合物的特性^[11]。MOF易与各种材料复合，可根据需要改变其表面化学成分以获得更好的性能。MIL-101为研究较成熟的MOF材料，将MIL-101作为基底制备分子印迹聚合物可以提高材料的吸附量，有效改善吸附与解吸速率^[12]。目前，将MOF材料与分子印迹技术结合用于选择性富集莽草酸的研究尚未见报道。

本文以莽草酸为模板分子，通过溶胶-凝胶法在MIL-101表面包覆分子印迹聚合物，制备了核壳型莽草酸分子印迹聚合物（MIP）。该聚合物作为固相萃取吸附剂，可进一步应用于八角中莽草酸的选择性分离与纯化。

1　 实验部分

1.1　仪器与试剂

仪器：D/Max-ⅢC型X射线衍射仪（XRD，Rigaku公司）；NICOLET380型傅里叶红外光谱仪（FT-IR，Thermo Nicolet公司）；TU-1901型紫外-可见分光光度计（UV-Vis，北京普析通用仪器有限公司）；H-7650型透射电子显微镜（TEM，Hitachi公司）；Ultimate 3000型高效液相色谱仪（HPLC，Dionex公司）；Cleanert PCX固相萃取柱（SPE，Agela公司）。

试剂：莽草酸（SA）、对苯二甲酸（H₂BDC）、九水硝酸铬（Cr(NO₃)₃·9H₂O）购自上海阿拉丁生化科技公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷（ATPES）、冰乙酸（CH₃COOH）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）购自天津市科密欧化学试剂中心；正硅酸乙酯（TEOS）购自天津市光复精细化工研究所；马尿酸（C₆H₅CONHCH₂COOH）、硝酸（HNO₃）、水杨酸（C₇H₆O₃）、磷酸（H₃PO₄）、甲醇（CH₃OH）、乙腈（CH₃CN）、乙醇（CH₃CH₂OH）购自天津市凯通化学试剂有限公司；其中甲醇为色谱纯，其他试剂均为分析纯。

1.2　MIP的制备

参照文献方法^[13]稍加改进制备MIL-101并纯化。将1.66 g（10 mmol） H₂BDC、4.00 g（10 mmol）Cr(NO₃)₃·9H₂O加至48 mL超纯水中，搅拌30 min，加入0.63 mL（10 mmol）HNO₃，混匀，移至反应釜，在220 ℃的条件下反应8 h。待产物冷却后，离心分离，用去离子水洗涤3次，控制温度80 ℃，在DMF中搅拌10 h，以乙醇为洗脱液索氏提取纯化，于80 ℃真空干燥。

取150 mg制备的MIL-101，将其分散于30 mL乙醇中，加入0.18 g（1 mmol）模板分子莽草酸、一定量的功能单体ATPES，搅拌1 h，然后加入5.4 mL交联剂TEOS、1 mL引发剂冰乙酸，在60 ℃条件下保持高速搅拌，回流20 h。反应结束后离心分离，用乙醇洗涤产物3次，在80 ℃下真空干燥24 h。将得到的产物在索氏提取器中洗脱，在圆底烧瓶中加入洗脱液（甲醇/乙酸，体积比9∶1），加热至75 ℃反应50 h，真空干燥，制得MIP。作为对照，在不加模板分子莽草酸的情况下，用同样的方法制得非印迹聚合物（NIP）。

1.3　MIP的吸附性能测试

1.3.1　静态吸附

配制一系列初始浓度（c₀）范围在0.003~0.050 g/L的莽草酸溶液，分别取10 mL上述溶液于吸附瓶中，向其中加入5 mg MIP或NIP，超声混匀，静置12 h，经0.45 μm膜过滤，取上层清液1 mL，利用分光光度法测定并计算吸附平衡时各溶液的浓度c_e。根据吸附前后莽草酸浓度的变化，按照(1)式^[14]计算洗脱后MIP或NIP的吸附量q（mg/g）：

q=(c₀-c_e)×V/m(1)

式中：V（mL）为加入的莽草酸溶液的体积，m（g）为加入MIP或NIP的质量。

1.3.2　动态吸附

分别称取MIP和NIP各5 mg加入到浓度为0.050 g/L的莽草酸溶液中。每隔3 min取经0.45 μm膜过滤后的上层清液1 mL，重复1.3.1步骤，计算吸附量q。

1.4　吸附选择性实验

取0.03 g/L 莽草酸、马尿酸、水杨酸溶液20 mL各两份，分别加入5 mg MIP或NIP，静置一段时间后，重复1.3.1步骤，计算得出聚合物的饱和吸附量q_e。

1.5　实际样品分析

参考文献方法^[15]，称取2.14 g市售八角，研磨成粉末状，加入10 mL无水乙醇，超声分散，浸泡24 h，制成待测液，备用。

SPE空柱管中装入100 mg MIP，用筛板固定，制备莽草酸分子印迹固相萃取柱（MISPE），依次用3 mL去离子水和3 mL甲醇活化。

移取3 mL八角待测液，以0.4 mL/min的流速通过MISPE，用2 mL去离子水淋洗，用4 mL甲醇/乙酸溶液（体积比9∶1）洗脱，收集并浓缩洗脱液。将待测液、洗脱液和莽草酸标准品，进行HPLC测定，得到色谱图进行数据分析。

色谱条件: 色谱柱为Venusil C₁₈（4.6 mm×250 mm，Hypersil ODS2 5 μm），流动相为H₃PO₄（pH 2.0）/甲醇（体积比4∶6），流速为1.0 mL/min，进样量为20 μL，检测波长为215 nm。

2　 结果与讨论

2.1　聚合物的制备机理

核壳型MIP的制备机理如图1所示。以MIL-101作为基底，通过交联剂及功能单体使其表面富含Si—O—Si键；Si—O—Si再与模板分子莽草酸中的羧基通过氢键作用键合，形成稳定的聚合物壳层包裹在MIL-101表面；洗掉模板莽草酸后，得到与模板具有匹配“孔穴”的核壳型MIP。将此聚合物作为固相萃取填料用于选择性富集莽草酸，收集富集后的溶液进行HPLC分析。

2.2　聚合物的表征

2.2.1　TEM分析

通过TEM表征MIL-101和MIP的形貌及微观结构。图2(a)显示MIL-101为表面规则的八面体结构。与之相比，图2(b)可以明显看出在MIL-101表面包覆了一层分子印迹聚合物。

2.2.2　XRD分析

用X射线衍射仪对合成的MIL-101和MIP复合材料进行了晶体学分析。如图3所示，谱图中3.28°、5.11°、8.43°、9.02°处出现衍射峰分别对应于MIL-101的(511)、(531)、(882)、(911)晶面^[16]。而在MIP的谱图中，也可以观察到MIL-101的(511)、(531)、(882)、(911)晶面，表明功能化后的MIL-101晶体结构未发生变化，但由于分子印迹聚合物包裹在表面，导致特征峰强度略有降低。

2.2.3　FT-IR分析

对MIL-101和MIP的FT-IR光谱（图4）进行分析。MIL-101的谱图中，位于3 430 cm^-1处的吸收峰归属为羟基，1 619 cm^-1处的吸收峰归属为MIL-101骨架结构的羧基，748 cm^-1为中心离子Cr—O的伸缩振动吸收峰，可证明铬离子金属簇与配体H₂BDC的羧基已接枝^[17]。MIP的谱图中新增了1 095 cm^-1处较强的吸收峰，这是由单体和交联剂水解缩合而产生的Si—O—Si键反对称伸缩振动所导致，表明已成功在MIL-101表面包覆了一层分子印迹聚合物。

2.3　聚合物的吸附性能

通过静态吸附和动态吸附实验考察了MIP和NIP对莽草酸的吸附性能。如图5(a)所示，静态吸附随着浓度从0.003 g/L到0.050 g/L，MIP的吸附量不断增大至饱和，饱和吸附量达93.16 mg/g。如图5(b)所示，动态吸附在3~18 min阶段，MIP的吸附较快，之后吸附速率趋于平缓，至30 min达到动态吸附平衡。NIP也有类似MIP的增加趋势，但增加幅度均较小，其饱和吸附量为29.33 mg/g。MIP的吸附性能明显优于NIP，这是由于MIP制备过程中，莽草酸的加入使得MIP的印迹层中形成印迹位点，此位点可以与莽草酸特异性匹配，故吸附量更高。

以硅胶为基底制备分子印迹聚合物^[18~20]及莽草酸分子印迹聚合物^{[21, 22]}的研究表明，MIP的饱和吸附量在4.50~45.89 mg/g之间，达到平衡的时间在60~300 min之间。而本实验以MIL-101为基底制备的印迹聚合物，具有更高的吸附量（93.16 mg/g），且能快速（30 min）达到吸附平衡。推测是由于MOF材料具有较大的表面积和孔隙率等特点所致。MIL-101独特的大比表面积使识别位点增加，其表面多孔性以及其与莽草酸之间的静电作用，均有利于聚合物的吸附，同时其较高的孔隙率^[23]减少了传质阻力，便于模板分子的自由通过，使其吸附量更高，平衡时间更短。

2.4　聚合物的吸附选择性

选用与莽草酸结构类似的马尿酸和水杨酸对印迹聚合物的吸附选择性能进行考察。从图6中可以看出，MIP对莽草酸的饱和吸附量为93.16 mg/g，远大于对马尿酸和水杨酸的饱和吸附量（分别为34.42、32.15 mg/g）,表现出对莽草酸良好的吸附选择性。这主要是因为印迹聚合物内部的印迹孔穴与莽草酸相匹配，可以对其进行特异性吸附。马尿酸和水杨酸虽然与莽草酸分子结构类似，但与MIP内部的识别位点不完全匹配。而NIP没有与3种目标物相匹配的印迹孔穴，故吸附量均较小，且差异不明显。

2.5　聚合物的稳定性

为考察MIP的稳定性，使用MIP对目标物吸附后，再用甲醇/乙酸解析，重复吸附实验，对使用6次后的饱和吸附量的变化进行分析。如图7所示，MIP的饱和吸附量随着吸附次数的增加略有下降，表明MIP具有良好的重复使用性。其中，对莽草酸使用6次后，饱和吸附量为86.40 mg/g，仅下降7.26%。这是由于MIL-101具有稳定的刚性结构，有利于其稳定性。

2.6　固相萃取条件优化

将MIP作为固相萃取填料，用于实际样品中莽草酸的分离和纯化。洗脱是固相萃取环节中的重要一步，选择合适的洗脱液，能够保证待测物被完全洗脱。分别采用甲醇/乙酸（体积比9∶1）、乙腈/乙酸（体积比9∶1）、水/乙酸（体积比9∶1）溶液进行洗脱，以莽草酸的回收率为指标考察洗脱液种类及用量对洗脱效果的影响，结果如图8所示。当洗脱液为甲醇/乙酸（体积比9∶1）、体积为4 mL时，洗脱效果最好，回收率最大，为95.62%。

2.7　实际样品分析

将MISPE与HPLC结合，建立了测定莽草酸的分析方法。配制一系列（0.03~0.33 g/L）莽草酸标准溶液，进行色谱分析，以色谱峰面积-莽草酸浓度为坐标绘制标准曲线，如图9所示。结果表明，色谱峰面积与莽草酸浓度有良好的线性关系（R²=0.998 4），加标回收率在92.30%~99.66%之间，相对标准偏差RSD≤5.9%。

采用上述方法对八角样品中的SA进行分析，得到莽草酸样品固相萃取前后的色谱图（图10）。可知，处理前八角样品杂质含量大，经过MISPE分离富集后，莽草酸的色谱峰显著增高，杂质色谱峰明显降低，且富集后的SA与SA标准品色谱峰保留时间一致，说明所制备的聚合物对莽草酸具有良好的选择富集能力。

3　 结 语

本文以MIL-101为基底、以莽草酸为模板分子，通过溶胶-凝胶法制备了核壳型莽草酸分子印迹聚合物（MIP）。与文献报道的以莽草酸为模板分子制备的MIP相比，该材料对莽草酸有较高的饱和吸附量（93.16 mg/g）及快速吸附平衡（30 min）的特点。制备的MIP作为固相萃取填料，结合HPLC，可用于八角样品中的莽草酸富集与检测。本研究为天然植物中莽草酸的分离纯化提供了一种可借鉴的方法。

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基金资助

黑龙江省自然科学基金(QC2018073)

黑龙江省教育厅资助项目(135509108)