1、本科毕业设计（20_届）菊酯类农药分子印迹聚合物的研制及表征所在学院专业班级生物工程学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要分别以氯氰菊酯、溴氰菊酯为模板分子，甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸甲酯（EGDMA）为交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，以乙腈为致孔剂，通过本体聚合法获得了对5种拟除虫菊酯类农药具有特异识别性的分子印迹聚合物（MOLECULARLYIMPRINTEDPOLYMERS,MIPS），并进一步通过静态吸附实验对获得的聚合物的选择吸附性能进行评价；通过扫描电镜实验及孔容孔径分析对聚合物的印迹和识别机理进行研究。结果表明，获得分子印迹聚合物具有较好的分
2、子印迹效果。关键词菊酯类农药；分子印迹技术；MIPSABSTRACTASERIESOFPOLYMERSWEREPREPAREDBYBULKPOLYMERIZATIONINMETHANOLACETONITRILESOLUTIONCISCYPERMETHRINDELTAMETHRINANDETHYLENEGLYCOLDIMETHACRYLATEEGDMA,AZODIISOBUTYRONITRILEAIBNWEREUSEDASTEMPLATE,FUNCTIONALMONOMERANDCROSSLINKER,RESPECTIVELYTHESELECTIVITYANDADSORPTIONPROPERTI
3、ESOFTHEPLOLYMERSWEREEVALUATEDBYBINDINGEXPERIMENTSANDWITHTHETHEORETICALMODELOFMOLECULARIMPRINTINGTECHNIQUEBYSTATICADSORPTIONEXPERIMENTRESEARCH,THECHOICEOFPOLYMEREVALUATEABLILITYTHROUGHEXPERIMENTANDSCANNINGELECTRONMICROSCOPESEMANALYSISOFPOLYMERPROVIDESAPERTURETOSTUDYTHEMECHANISMOFMOLECULARLYIMPRINTEDA
4、NDRECOGNITIONKEYWORDSPYRETHROIDSPESTICIDESMOLECULARIMPRINTINGTECHNOLOGYMIPSII目录中英文摘要_TOC2918014091前言32实验321主要仪器与试剂3211仪器3212试剂422分子印迹聚合物的合成423聚合物的静态吸附实验4231MIP1的静态吸附实验5232MIP2的静态吸附实验5233NIP的静态吸附实验524扫描电镜5241原理5242过程625孔容、孔径测定63结果与分析631分子印迹聚合物的评价632聚合物的静态吸附评价6321氯氰菊酯分子印迹聚合物（MIP1）的静态吸附评价6322溴氰菊酯分子印迹聚合
5、物（MIP2）的静态吸附评价7323非印迹聚合物（NIP）的静态吸附评价833扫描电镜分析834孔容孔径分析104小结1041分子印迹聚合物1042分子印迹技术10致谢错误未定义书签。参考文献1131前言从除虫菊花中可以分离萃取出一种具有杀虫效果的活性成分，称为天然除虫菊素，天然除虫菊素见光慢慢分解成水和CO，因此用其配制的农药或卫生杀虫剂等使用后残留浓度较低，是国际公认的安全的无公害天然杀虫剂。菊酯类（拟除虫菊酯类）农药就是人类利用化学手段模拟天然除虫菊素的化学结构而仿生合成的一类广谱性杀虫剂1，其具有除虫菊素在杀虫和环保方面的特征和优势具有触杀、胃毒和驱避作用，能对周围神经系统、中枢神经系
6、统及其他器官组织同时起作用；对害虫击倒力强，杀虫谱广，使用浓度低，对人、畜低毒，对植物及环境安全。但是，随着农药的大量投入及不合理使用，农药残留问题日益突出，农药残留污染土壤、水体和食品，破坏生态环境。虽然菊酯类农药对人、畜低毒，但过度的使用仍会给人类的带来一定的伤害，对皮肤和粘膜有轻度刺激作用，比如引起皮炎，甚至特殊的过敏，因此农药残留尤其是食品中农药残留的检测引起了人们广泛的关注。目前，农药残留检测分析过程一般包括取样、样品前处理（提取、净化、衍生化）和检测，其中样品前处理直接关系检测结果的精确与否，因此在农药残留检测的众多方法中，样品前处理方法是衡量检测方法的主要因素。其中在检测技术方面
7、，国内外已较多采用多残留检测技术和快速筛选检测技术，而在样品前处理方面，固相萃取（SPE）、微波提取技术、凝胶层析（GPC）、加速溶剂提取（ASE）、基体分散固相萃取（MSPD）、超临界萃取（SFE）、固相微萃取技术2受到了高度重视。我国目前主要采用传统的溶剂萃取、液液分配、柱层析净化。这些前处理方法存在自动化程度低、提取净化的效率不高、方法复杂、操作繁杂、选择性差、试剂消耗量大等弊病。因此开发快速、有效、简单、高选择性和有机溶剂消耗少的分析样品前处理技术迫在眉睫。分子印迹技术是获得在空间结构和结合位点上与某一分子或某一类结构相似分子匹配的聚合物的实验制备技术3，它是近年来集高分子合成、分子设
8、计、分子识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门边缘学科分支，它在分析化学、生物工程临床医学、环境监测、食品工业等领域展现了广泛的应用前景4，目前已用于天然抗体模拟、化学仿生传感器、固相萃取、色谱分离、酶催化模拟等方面5。将分子印迹技术用于环境中农药残留检测样品前处理或残留检测6，能够实现目的组分的分离与检测，选择性高，适用范围广，易于工业化生产。分子印迹聚合物用于农药残留检测具有较高的选择性，化学环境耐受能力好，是一种良好的分离富集材料8。目前分子印迹技术在农药残留检测方面的应用主要体现在两个方面一是分子印迹聚合物作为色谱固定相或毛细管填充物7，二是制备固相萃取柱以分离和富集痕量组分。
9、本论文采用分子印迹技术，分别以氯氰菊酯、溴氰菊酯为模板分子，甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸甲酯（EGDMA）为交联剂，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，在乙腈溶液中采用本体聚合法9分别制备了氯氰菊酯及溴氰菊酯的分子印迹聚合物，并对制得的印迹聚合物的吸附性能、表面形态以及孔容孔径进行了表征。2实验21主要仪器与试剂211仪器4超声波清洗仪（SK5200H），高效液相色谱系统（SHIMADZU，日本）；氮气吹干仪（HGC12A，上海）；HHS型水浴锅购自巩义市予华仪器有限责任公司；索氏萃取仪；SHZ型循环水真空泵（上海亚荣生化仪器厂）；BELSORPMEASURINGINSTR
10、UMENTS（BELSORPMINIII，JAPAN，INC）；场发射扫描电子显微镜（FEISIRION200，美国FEI公司）。212试剂交联剂乙二醇二甲基丙烯酸甲酯（EGDMA）购自FLUKA公司；引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）为分析纯，购自国药集团药业股份有限公司；功能单体甲基丙烯酸（MAA）购自SIGMAALDRICH公司产品；模板分子氯氰菊酯、溴氰菊酯；乙腈，甲醇为色谱纯，购自FISHERSCIENTIFIC公司。22分子印迹聚合物的合成分子印迹聚合物的制备在洁净的圆底烧瓶中，加入15ML乙腈，充分溶解后，再加入甲基丙烯酸，磁力搅拌3H，然后加入1MMOL模板分子氯氰菊酯，120MG
11、引发剂偶氮二异丁腈（AIBN），5ML交联剂乙二醇二甲基丙烯酸甲酯（EGDMA），模板分子、功能单体、交联剂的物质的量之比为1420，转移到10ML玻璃管中，密封，放入恒温浴锅中，于60C下恒温聚合24H10。反应完成后，将获得的聚合物MIP1研磨，过60M筛，放入小烧杯中，加入甲醇/甲酸（90/10，V/V）中，超声洗脱5MIN后转入离心机中分离，弃去离心液，反复多次，直到用气相色谱电子捕获检测器（GCEDD）检测不到模板分子11，进一步用甲醇洗至中性，放入真空干燥箱中60C恒温干燥至恒重。分子印迹聚合物制备过程见图1。FIG1THEPROCESSUREOFMIPPREPARATION图1分
12、子印迹聚合物制备过程12用上述同样的方法以溴氰菊酯为模板分子制得分子印迹聚合物MIP2。再以同样的方法不加模板分子制备非印迹分子聚合物NIP。23聚合物的静态吸附实验5231MIP1的静态吸附实验准确称取400MGMIP1分别加入到20ML浓度从00MG/L到1000MG/L不同浓度的氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯（几种常用的拟除虫菊酯杀虫剂，结构见图2）溶液中，在25C下进行吸附结合实验反应24H。用离心机分离所得的悬浮物，然后取部分上清液稀释后，测定，并计算吸附量（Q），绘制聚合物MIP1的等温吸附曲线13。FIG2THESTRUCTUREOFTHEPYRETHROID
13、PESTICIDERESIDUES图2拟除虫菊酯类农药的结构232MIP2的静态吸附实验同231实验步骤准确称取400MGMIP2分别加入到20ML浓度从00MG/L到1000MG/L不等的氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯溶液中，在25C下进行吸附结合实验反应24H。用离心机分离所得的悬浮物，然后取部分上清液稀释后，测定，并计算吸附量（Q），绘制聚合物MIP2的等温吸附曲线。233NIP的静态吸附实验同231实验步骤准确称取400MGNIP分别加入到20ML浓度从00MG/L到1000MG/L不等的氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯溶液中，在25C下进行吸附结
14、合实验反应24H。用离心机分离所得的悬浮物，然后取部分上清液稀释后，测定，并计算吸附量Q，绘制聚合物NIP的吸附曲线。24扫描电镜241原理扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体14。能够直接观察直径100MM，高50MM，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不6同的衬度（背反射电子象）。242过程利用SEM15直接观察聚合物表面表观形态。25孔容、孔径测定用微粒学ASAP2020分析器16对聚合物的孔容孔径进行测量并用BET法进行分
15、析。首先将要分析的样品在150C的氮流下干燥24H，然后称取5000MG干燥后的聚合物进行分析。在77K下记录吸附及解吸等温线，然后用BJH法获得聚合物孔径大小。3结果与分析31分子印迹聚合物的评价分子印迹聚合物（MOLECULARLYIMPRINTEDPOLYMERS,MIPS）是依据分子印迹技术，将模板分子、功能单体、交联剂和引发剂等在特定的溶液体系中进行聚合反应而制得的具有高交联刚性的聚合物；然后通过物理或化学的方法除去其中的模板分子，得到具有与模板分子相同空间结构和功能基团在空间结构内精确互补的聚合物。因此，分子印迹聚合物具有从复杂样品中选择性提取目标分子或与其结构相似的某一化合物的能
16、力，可用于固相萃取填料、固相微萃取涂层及分子印迹薄膜来分离富集复杂样品中的痕量分析物，克服传统固相萃取选择性差的缺点。同时，分子印迹聚合物制备成本低，且印迹分子可以回收重复使用，目前在色谱分离、膜分离、固相萃取、药物控制释放、化学传感、环境检测等方面都有广泛应用。有报道表明，MIPS能识别不同的分子，空间结构的选择性起了重要的作用，尤其当被分析物大于模板分子时由于空间斥力会降低印迹作用效果。因此，选择合适的模板分子合成MIPS，从而能够有效的识别被分析物。拟除虫类菊酯农药具有一个共同的化学结构环丙烷羧酸和不同在于侧链基团的形状及大小。因此，本论文分别用氯氰菊酯和溴氰菊酯为模板分子，通过本体聚合
17、法获得了相关的MIPS，进一步通过静态吸附实验研究获得的MIPS对氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯的吸附效果。32聚合物的静态吸附评价采用静态吸附实验，测定MIP1（氯氰菊酯为模板分子获得的MIPS）对氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯五种物质的吸附能力，在底物浓度为01000MG/L范围内，测定了MIP1对5种菊酯类农药的吸附等温线，如图3所示。为了对比吸附性质，同时也测定了MIP2和NIP对5种菊酯类农药的吸附等温线，结果如图4、图5。321氯氰菊酯分子印迹聚合物（MIP1）的静态吸附评价7图3以氯氰菊酯为模板分子获得的印迹聚合物对五种菊酯类农药的吸附曲线
18、由图3可以看出，MIP1（氯氰菊酯印迹聚合物）对5种菊酯类农药（氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯）都有一定的吸附作用。随着底物浓度的增加，吸附量也随之增加，5种菊酯类农药在同一浓度（250MG/L）下达到吸附饱和状态，但是达到吸附饱和状态时的吸附量却各不相同。达到吸附饱和状态（即最大吸附量）后，吸附量随着底物浓度的增加而没有明显增加。由图3可知，在该条件下MIP1对溴氰菊酯和联苯菊酯的吸附量相近且是几种聚酯类农药中吸附量最小的，最大吸附量为135140MOL；随之是氰戊菊酯，MIP1对其的最大吸附量为170MOL；对氟氯氰菊酯的最大吸附量为190MOL；聚合物MIP1对氯氰菊
19、酯的最大吸附量达到了235MOL。其原因可能是MIP1（氯氰菊酯印迹聚合物）对氯氰菊酯具有特异性吸附，在合成过程中由于模板分子氯氰菊酯的加入而形成了MIP1（氯氰菊酯印迹聚合物），当洗涤除去模板分子后在聚合物内部形成了形状与官能团位置均与氯氰菊酯相配合的孔穴，正是由于这些孔穴的存在，使印迹聚合物对模板物质具有良好的选择性结合能力。虽然5种菊酯类农药结构相似，但由于官能团的差异及位置的不同，其他几种菊酯类农药并不能完全与作用位点匹配，因此，MIP1对其他4种菊酯类农药的吸附量相对较小，从而表明MIP1对氯氰菊酯具有特异的吸附性。322溴氰菊酯分子印迹聚合物（MIP2）的静态吸附评价图4以溴氰菊酯
20、为模板分子获得的印迹聚合物对五种菊酯类农药的吸附曲线8同样，由图4可以看出MIP2（溴氰菊酯印迹聚合物）对几种菊酯类农药（氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯）都有一定的吸附作用。在聚合物MIP2加入量一定（40MG）时，随着底物浓度的增加，吸附量也随之增加，几种菊酯类农药几乎在同一浓度（250MG/L）下达到吸附饱和状态，但是达到吸附饱和状态时的吸附量却各不相同。达到吸附饱和状态（即最大吸附量）后，吸附量不再随着底物浓度的增加而增加。依据对图3以氯氰菊酯为模板分子获得的印迹聚合物对五种菊酯类农药的吸附曲线的分析，理论上MIP2对几种菊酯类农药的最大吸附量应是溴氰菊酯最大，但从图
21、4MIP2的吸附曲线可以看出，MIP2对几种菊酯类农药的最大吸附量仍然是氯氰菊酯。不过，对比图3和图4可以明显看出MIP1的吸附量总是大于MIP2的吸附量。此外，图3中MIP1对溴氰菊酯和联苯菊酯的吸附量相近，而在图4中MIP2对对溴氰菊酯的吸附量约高于对联苯菊酯的吸附量，因此也可以说明MIP2对模板分子仍具有较强的特异性吸附能力。对于MIP2对氯氰菊酯、氟氯氰菊酯、氰戊菊酯的吸附量高于对溴氰菊酯的吸附量，表明印迹聚合物的吸附量不仅与底物的结构有关还与模板分子的种类有关。323非印迹聚合物（NIP）的静态吸附评价图5非印迹聚合物对五种菊酯类农药的吸附曲线由图5可以看出，NIP对几种菊酯类农药也
22、具有一定的吸附作用，这是因为聚合物表面具有空隙，但是对比图3、图4可以明显看出MIP的吸附量总是大于NIP的吸附量，进一步说明在印迹过程中，模板分子在印迹聚合物中留下的印迹孔穴及孔穴上的活性结合位点决定了印迹聚合物对模板分子及其结构相关分子具有较强的特异性吸附能力。33扫描电镜分析将MIP1（氯氰菊酯印迹聚合物）、MIP2（溴氰菊酯印迹聚合物）和NIP（非印迹聚合物）进行扫描电镜观察，结果如图6、图7和图8所示。9图6MIP1（氯氰菊酯印迹聚合物）扫描电镜图图7MIP2（溴氰菊酯印迹聚合物）扫描电镜图图8NIP（非印迹聚合物）电镜扫描图从图6和图7可以看出，印迹聚合物表面多孔、质地疏松；而非印
23、迹聚合物（见图8）的表面虽然孔较少，空隙也较小，质地相对紧密。此表面结构的差异决定了在底物种类、浓度相同的情况下非印迹聚合物的吸附量总是远小于印迹聚合物的吸附量。比较图6和图7可以看出，MIP1结构紧凑、表面积较小、平均孔径规模较小、空隙体积也较小，但由于聚合物的特性，它比MIP2具有更高的刚性约束能力与更高的骨干和选择性，从而引起二者在底物种类、浓度及其他条件相同的情况下吸附量的差异。1034孔容孔径分析聚合物的比表面积和孔径大小对MIPS的吸附性能及其应用具有很大影响，因此对以EGDMA为交联剂合成的聚合物MIP1、MIP2及NIP的比表面积、孔体积和平均孔径进行了比较（表1）。表1MIP
24、1、MIP2及NIP的比表面积、孔体积和平均孔径比较POLYMERSSURFACEAREAM2/GTOTALPOREVOLUMECM3/GAVERAGEPOREDIAMETERNMCMIPS3280058728XMIPS3200055710NIPS31158052655由表1可以看出，以氯氰菊酯为模板分子获得的印迹聚合物的比表面积、孔容、孔径都比以溴氰菊酯为模板分子合成的印迹聚合物大，由此进一步说明了底物浓度及其他条件一定的情况下，氯氰菊酯分子印迹聚合物的吸附量总是大于溴氰菊酯。同理，对比分子印迹聚合物和非印迹聚合物的比表面积、孔容、孔径，也充分说明了在底物浓度及其他条件一定的情况下，分子印迹
25、聚合物的吸附量总是大于非印迹聚合物的吸附量。4小结41分子印迹聚合物分子印迹技术MOLECULARLYIMPRINTEDTECHNOLOGY,MIT是近年来迅速发展起来的一门实验制备技术，该技术的核心是制备分子印迹聚合物（MOLECULARLYIMPRINTEDPOLYMER,MIPS。近年来，分子印迹技术受到了人们越来越多的关注，分子印迹聚合物的制备研究获得了很大的发展。仅分子印迹聚合物的制备方法达六种本体聚合、原位聚合、悬浮聚合、乳液聚合、溶胀聚合，表面聚合。本实验采用本体聚合法，分别以氯氰菊酯及溴氰菊酯为模板分子，甲基丙烯酸（MAA）为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸甲酯（EGDMA）为交联
26、剂，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，在乙腈溶液中分别制备了氯氰菊酯及溴氰菊酯分子印迹聚合物。并采用静态吸附的方法，分别测定了印迹聚合物及非印迹聚合物对氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯及联苯菊酯五种物质的吸附能力，结果标明获得的MIPS可以识别模板分子及其具有类似结构的化合物物，并对模板分子呈现了较高的选择性。扫描电镜、孔容孔径分析标明获得分子印迹聚合物与对照聚合物相比具有更大的比表面积和孔径。42分子印迹技术分子印迹聚技术经过近年来的迅猛发展，相关研究已有不少，根据分子印迹聚合物的高选择性和专一识别能力，使其在农药残留、痕量元素检测前处理等物质的分离和纯化方面得到了非常广泛的应用，但
27、分子印迹技术仍然存在一些亟待解决的问题17。首先，从理论上，分子印迹聚合物结合位点的作用机理、传质机理还很模糊，要弄清楚印迹分子专一识别过程仍需要展开大量的实验研究工作；其次，在制备上，目前功能单体和交联剂等的选择范围还有一定的局限性，尤其是功能单体的种类太少不能满足某些印迹分子的需求，制11备技术有待于进一步研究开发；再次，由于目前分子印迹聚合物大多只能在非极性介质中制备和应用，且吸附容量较低，而且目前能用于分子印迹的大多是小分子，而有关大分子的报道的成功实例较少。另外在有机溶液中制备分子印迹聚合物，其识别位点与印迹分子间的分子间作用力多以氢键为主。而很多样品是在水相体系下，当用于此类样品的
28、前处理时，其识别过程会受到水等强极性溶剂干扰，因此在水溶液中进行分子印迹和识别仍然是一个难题。但是，随着化学、生命科学、材料科学、分析技术以及人工合成手段、现代分析检测手段、电子技术等迅猛发展，分子印迹聚合物的制备、表征和理论体系将日益完善，固相萃取、仿生传感器将更广的步人商业化阶段。分子印迹技术所取得的成果将在不久发挥其重要作用，并且应用范围也将会更加的广泛18。参考文献1华纯拟除虫菊酯类农药的进展和剂型J世界农药,2009,81052管健,盛静农药残留检测技术及研究进展J中国卫生检验杂志,2008,1218243924423马淑娟,郭满栋分子印迹技术研究的新进展J自然科学,2006,620
29、61624华纯分子印迹技术在食品农药残留检测中的应用进展J自然科学,2009,1424585陈长宝,司汴京,周杰新一代分子印迹技术J化学进展,2009,1021181418166严守雷,高志贤,程义勇等用于农药残留检测的分子印迹技术研究进展J卫生研究,2005,93427307白杨分子印迹聚合物简介及研究进展J化工时刊,2007,11225288张慧婷,叶贵标,李文明等分子印迹传感技术在农药检测中的应用J农药学学报,2006,987109张莹,苏立强壳聚糖表面胰蛋白酶分子印迹聚合物的制备及性能的研究J化工时刊,2010,62491210LNNEZ,ETURIEL,AMARTINESTEBANT
30、ADEOMOLECULARLYIMPRINTEDPOLYMERFORTHEEXTRACTIONOFPARABENSFROMENVIRONMENTALSOLIDSAMPLESPRIORTOTHEIRDETERMINATIONBYHIGHPERFORMANCELIQUIDCHROMATOGRAPHYULTRAVIOLETDETECTIONJTALANTA,2010,34801782178811PLUCCI,DDERRIEN,FALIXMOLECULARLYIMPRINTEDPOLYMERSOLIDPHASEEXTRACTIONFORDETECTIONOFZEARALENONEINCEREALSAM
31、PLEEXTRACTSJANALYTICACHIMICAACTA,2010,17672151912白杨分子印迹聚合物简介及研究进展J自然科学,2007,824613娄大伟,杨英杰,黄光等苯甲酸分子印迹聚合物及其吸附性能J分析科学,2010,113840140414刘发强,迟大民,苏立强等乙胺嘧啶分子印迹聚合物的制备及其性能研究J化学工程师,2010,141727915尹艳凤,王安群,沈华等高容量分子印迹聚合物的制备及表征J分析科学,2009,142541441616彭宁,阎凤超,陈磊等呋喃分子印迹聚合物的制备及其吸附特性J分析科学,2010,13855956317汪竹青,沈玉永,吴根华分子印迹聚合物的制备技术及展望J科技资讯,2008,871418王荣艳,王培龙,王静等分子印迹技术的研究的新进展及应用M现代科学仪器,2008,111112
