在水性介质中制备金属离子印迹聚合物微球的方法 技术领域：
本发明涉及一种在水性介质中制备金属离子印迹聚合物微球的方法。属金属离子印迹材料的制备技术。
背景技术
分子印迹聚合物(MIPs)对印迹分子具有预定、专一识别性能，因其具有制备简单、成本低廉、坚固耐用、适用范围广等优点，而被誉为“万能的分子识别材料”。分子印迹聚合物自身的这些优点，使它能够取代天然的或通过其它方法制备的分子识别材料，在分离学科、生物模拟学科、以及医疗诊断等许多领域具有极为广阔的应用前景。自从现代的分子印迹技术被提出，在三十多年里取得了非常大的进步，目前，世界上已有上百个研究机构在从事这方面的工作，且MIPs已在许多领域，如相似化合物的分离、抗体受体结合模拟、酶模拟、生物模拟传感器等很多方面得到了广泛而深入的研究，成为新世纪最具应用潜力和商业价值的新材料之一。其中，金属离子印迹聚合物的研究相对较少，但它在痕量金属离子的富集与分离上已显示出其它分离材料无法比拟的优势。由于金属离子印迹聚合物与印迹离子之间能够实现快速的再结合，因此被广泛地用作传感器的分子识别元件，用于监测离子浓度地变化，且能满足快速色谱分析的要求。这方面的研究有待进一步深入。
David等(David A.H.，George K.S.，Separation Sci.and Tech.，1991，26(3)：345-354.)以对乙烯基苯甲酸和Cu2+、Ni2+、Ag+等离子生成的配合物为印迹物，以苯乙烯和氯乙烯为聚合母体，DVB为交联剂，以甲苯、氯仿和二甲基甲酰胺为溶剂，采用溶液聚合的方法，制备了块状金属离子印迹聚合物。Zeng等(Zeng，X F.Murray G.M，Synthesis andcharacterization of site-selective ion-exchange resins templated for Lead(II)ion，SeparationScience and Technology，1996，31：2403-2418.)以乙烯基苯甲酸为功能单体，Pb2+为印迹离子，采用预组装法，通过本体聚合技术制备了块状Pb2+印迹聚合物，用于对环境中有毒Pb2+含量的分析与检测。
以上提到的是制备金属离子印迹聚合物的传统方法，由此制备的聚合物都为块状，使用前必须经过研磨、筛分成一定粒度的颗粒，才能使用。研磨过程中不可避免的产生不规则的粒子和大量超细粒子，而且还会破坏部分识别位点，导致聚合产物的识别性和选择性能下降。粒子的不规则性影响印迹聚合物的选择性和柱效，超细粒子的存在会使色谱柱柱压降明显升高甚至堵塞色谱柱，因此装柱前需经反复筛分，最终得到的聚合物一般低于制备总量的50％，使生产和使用成本大为提高。这些严重阻碍了溶液聚合技术在分子印迹技术中的发展与应用。
此外，以上提到的印迹聚合物是在有机溶剂中制备的，不利于在金属离子水溶液中的应用。所以从应用的角度来看，为进一步拓宽印迹技术的使用范围，满足实际使用环境的多样化需求，水性介质中的印迹问题也是当前分子印迹技术中最急需解决的问题之一。
Yoshifumi等(Yoshifumi K，Hirofumi S，Hidoto S，et al，Selective adsorption of metalions to surface-template resins prepared by emulsion polymerization using 10-(-p-vinylphenyl)decanoic acid，Bull Chem Soc Jpn，1996，69：125-130.)用表面活性剂型功能单体乙烯基癸酸，分别采用乳液聚合和悬浮聚合法制备Cu2+印迹聚合物。由乳液聚合制备聚合物产率很低，Cu2+印迹物产率仅为3％，Zn2+印迹物产率为37％。悬浮聚合法制备的聚合物的产率为31～66％，低于常规的70～80％。Kazuhiko科研小组(Kazuhiko T，Kai Y Y，MizuoM，et al，Metal ion-selective adsorbent prepared by surface-imprinting polymerization.Metalion-selective adsorbent prepared by surface-imprinting polymerization，Bull Chem Soc Jpn，1993，66：114-120.)利用种子乳液溶胀聚合法，制备了以MAA为功能单体的金属离子印迹聚合物微球。该法首先经过种球的制备，然后进行24小时溶胀，用60Co放射线辐射溶胀后的乳液，使其进一步交联聚合，制得稳定的聚合物微球。但这种制备过程比较繁琐，费时较长。Yoshida等采用W/O/W的多相乳液聚合法(Yoshida M，Uezu K，Goto M，Furusaki S.，Metal ion imprinted microspheres prepared by surface molecular imprintingtechnique using water-in-oil-in-water emulsions.J Appl Poly Sci，73(1999)1223-1230)，以自己合成的功能单体和乳化剂为材料，制备了Zn2+印迹聚合物微球，但合成成本较高。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种在水性介质中制备金属离子印迹聚合物微球的方法。该方法工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于实施，所制备的印迹微球在金属溶液中识别性能好，具有广泛应用性和使用寿命长的特点。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，包括以三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)为聚合物骨架单体、甲苯为稀释剂，用到乳化剂、分散剂和离子强度控制剂等原料，制备过程包括反相乳液的制备，外水相溶液的制备、聚合、产物后处理过程，制得Cu2+、Ni2+的印迹聚合物的方法。其特征在于包括以下具体步骤：
1.反相乳液的制备：取span80溶于TRIM和甲苯的混合液中，三者的体积比为0.2～0.6/10/3～10，搅拌使其混合均匀。将与TRIM的体积比为0.1～0.2/10的MAA和0.01～0.05M的硫酸铜或硫酸镍溶液共混作为内水相；按内水相与油相的体积比为1/3～1/1混合搅匀，超声3～8min形成W/O反相乳液。
2.外水相的制备：以含有0.005～0.05M硫酸镁和0.015～0.025M SDBS的水溶液为外水相，或含有浓度为0.2wt％～0.8wt％的PVA水溶液为外水相，并酸调pH值维持在4.5～5.5，搅拌升温，通N2排氧，恒温在65～75℃。
3.聚合：在搅拌下将步骤1制备的W/O乳液加入到步骤2制备的外水相中，W/O与外水相的体积比为1/3～1/8，搅拌速度在200～400r/min，再分批加入0.1～0.30g AIBN，聚合反应在N2环境下恒温进行，反应结束得到Cu2+或Ni2+印迹聚合物微球。
4.产物后处理：产物经包括水洗、酸洗、过滤和干燥得到平均粒径为60～80μm的Cu2+或Ni2+印迹的聚合物微球产物。
本发明的优点在于：制备工艺简单、周期短、易于实施，且聚合过程在水性介质中进行，能够满足水溶性分子的印迹要求，产品分散性和球形均保持良好，使用最常见而廉价的试剂，生产成本低。本发明广泛应用于金属离子的吸附、分离，也可用作化学传感器的元器件，监测水溶液中金属离子浓度的变化。
【附图说明】
图1为本发明制备过程中采用分散剂SDBS制备的聚合物微球的扫描电镜照片。
图2为本发明制备过程中采用分散剂PVA制备的聚合物微球的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
实施例1.
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.3ml MAA和10ml、0.01M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例2.
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.3ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例3.
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.3ml MAA和10ml、0.05M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例4.
1)反相乳液的制备：0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.2ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取120ml去离子水，溶解0.36g PVA分散剂，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合反应：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，形成W/O/W多相乳液，再加入(0.20g+0.05g，间隔4小时补加)AIBN引发剂，使聚合反应在N2环境下、搅拌速度为350rpm、恒温70℃条件下进行，10个小时后结束反应。得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)Cu2+印迹聚合物微球的后处理：用沸水洗涤得到的聚合物粒子，反复冲洗，直到洗后的滤液澄清为止，这样可以除去吸附在微球表面的PVA分散剂。然后用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，放入真空干燥器中干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例5.
1)反相乳液的制备：0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.2ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取一定量的去离子水，溶解0.48g PVA分散剂，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合反应：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，形成W/O/W多相乳液，再加入(0.20g+0.05g，间隔4小时补加)AIBN引发剂，使聚合反应在N2环境下、搅拌速度为350rpm、恒温70℃条件下进行，10个小时后结束反应。得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)Cu2+印迹聚合物微球的后处理：用沸水洗涤得到的聚合物粒子，反复冲洗，直到洗后的滤液澄清为止，这样可以除去吸附在微球表面的PVA分散剂。然后用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，放入真空干燥器中干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例6.
1)反相乳液的制备：0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.2ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取一定量的去离子水，溶解0.72g PVA分散剂，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合反应：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，形成W/O/W多相乳液，再加入(0.20g+0.05g，间隔4小时补加)AIBN引发剂，使聚合反应在N2环境下、搅拌速度为350rpm、恒温70℃条件下进行，10个小时后结束反应。得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)Cu2+印迹聚合物微球的后处理：用沸水洗涤得到的聚合物粒子，反复冲洗，直到洗后的滤液澄清为止，这样可以除去吸附在微球表面的PVA分散剂。然后用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，放入真空干燥器中干燥待用。聚合物的平均粒径和识别性能见表1。
实施例7
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.3ml MAA和10ml、0.02M的硫酸镍溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。
实施例8.
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和5ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.18ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN粉末，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。
实施例9.
1)反相乳液的制备：量取0.3ml span80溶于10ml TRIM和3ml甲苯的混合液中，搅拌使其混合均匀。将0.3ml MAA和10ml、0.02M的硫酸铜溶液共混作为内水相，搅匀后加入到油相混合物中，超声5min形成W/O反相乳液。
2)外水相的制备：取125ml 0.01M的硫酸镁溶液，其中含有0.02M的分散剂SDBS，溶液的pH值为5.0(用盐酸和乙酸乙酸钠的缓冲溶液调解)，放在连有冷凝管和温度计的三口瓶中，作为外水相，在搅拌的情况下升温，通N2排氧，恒温在70℃。
3)聚合：边搅拌边将W/O乳液加入到三口瓶中，W/O乳液液滴分散在外水相中，再加入0.15g引发剂AIBN，使聚合反应在N2环境下恒温70℃进行，4小时后补加0.05gAIBN，12小时后结束反应，得到分散的Cu2+印迹聚合物微球。
4)聚合产物的后处理：首先用去离子水反复冲洗聚合产物，再用1M的盐酸浸泡聚合物微球，一段时间后进行过滤，该操作反复进行，直到洗脱液中的Cu2+可以忽略为止，再用去离子水浸泡冲洗，除去过量的酸，当聚合物浸泡液的pH值达到5以上时，过滤后即可放入真空干燥器中于50℃下干燥待用。
表1不同实施例所得产物的分子识别性能
印迹离子 竞争离子 分离因子1 相对分离因2 平均粒径(μm)
实施例1 Cu2+ Ni2+ 1.21 60.5
实施例2 Cu2+ Ni2+ 1.54 1.47 66.8
实施例3 Cu2+ Ni2+ 1.25 68.0
实施例4 Cu2+ Ni2+ 1.26 300
实施例4 Cu2+ Zn2+ 1.35
实施例5 Cu2+ Ni2+ 1.27 1.24 217
实施例5 Cu2+ Zn2+ 1.34 1.29
实施例6 Cu2+ Ni2+ 1.26 205
实施例6 Cu2+ Zn2+ 1.35
1.分离因子定义为印迹分子和竞争底物在MIPs上以及溶液中的分配系数的比值。分离因子大于1表明MIPs具有一定的选择性能，且分离因子越大表明MIPs的选择专一性越好。2相对分离因子定义为MIPs和其相应空白聚合物的分离因子的比值。
表2 反相悬浮聚合工艺参数及配方 产品 MAA (ml) TRIM/span8 0/Tol(ml)aCu2+(mol/l) SDBS(mol/l) PVA (g) AIBN (g) T (℃) Stir (rpm ) 1 0.3 10/0.3/5 0.01 0.02 0.2 70 280 2 0.3 10/0.3/5 0.02 0.02 0.2 70 280 3 0.3 10/0.3/5 0.05 0.02 0.2 70 280 4 0.2 10/0.3/5 0.02 PVA 0.36 0.25 70 350 5 0.2 10/0.3/5 0.02 PVA 0.48 0.25 70 350 6 0.2 10/0.3/5 0.02 PVA 0.72 0.25 70 350注：a处含Cu2+溶液的体积为10ml.
稀释剂与TRIM的体积比为1∶2
反相乳液中内水相与油相的体积比为2∶3
本发明可广泛应用于金属离子的吸附、分离，也可用于印迹聚合物传感器元器件，监测水溶液中金属离子浓度的变化。