本發(fā)明涉及化學與材料和分子分離技術領域，尤其是涉及一種用于高效選擇性分離純化分支環(huán)糊精的光響應表面分子印跡材料的制備新方法。

背景技術：

環(huán)糊精(Cyclodextrin，簡稱CD)是由芽孢桿菌屬的某些種產(chǎn)生的葡萄糖基轉移酶(CGTase)作用于淀粉而生成的一類環(huán)狀低聚糖。根據(jù)葡萄糖單元數(shù)目的不同，常見的環(huán)糊精分別包含6、7和8個葡萄糖單元(α-CD、β-CD、γ-CD)。環(huán)糊精因其特殊的外側親水而內(nèi)腔疏水這一獨特的兩親性空腔結構，可作為“主體”分子包結絡合不同的“客體”化合物，形成主客體包結絡合物。但環(huán)糊精水溶性較差，有溶血性和腎毒性，通常采用化學或生物酶法來修飾環(huán)糊精，將某些特定的取代基接枝到環(huán)糊精上，當取代基團為糖基時，通常將其稱之為分支環(huán)糊精，如葡萄糖基環(huán)糊精、麥芽糖基環(huán)糊精、半乳糖環(huán)糊精和甘露糖環(huán)糊精等。多數(shù)分支環(huán)糊精水溶性好、毒性低，具有更加廣闊的應用前景。分支環(huán)糊精的常用分離方法是高效液相色譜，常用的色譜柱有氨基柱和十八烷基硅柱等。色譜柱等進行分離純化，其工業(yè)化產(chǎn)量不高，且價格昂貴。傳統(tǒng)的分離純化工藝限制了分支環(huán)糊精的工業(yè)化生產(chǎn)及其進一步應用。

表面分子印跡聚合物(Surface Molecular Imprinting Polymers，SMIPs)指的是在固相基質表面上發(fā)生聚合反應，使分子印跡識別位點盡可能地分布在分子印跡聚合物的表面或者分布在固相基質的外層以及表面，從而有利于模板分子的脫除和再結合的印跡技術。刺激響應性表面分子印跡材料是一類對環(huán)境可進行感知并響應的新材料。在外界環(huán)境，如：溫度、pH值、離子強度、溶液組成、光照強度、溶劑、電場、壓力和磁場等進行突發(fā)性改變時，刺激響應性材料自身的某些物理化學性質也會隨之發(fā)生相應的改變。由于光源清潔環(huán)保、安全性能高、便于控制和使用，光照射是刺激-響應性材料研究體系中最常采用的外部刺激方式。光致偶氮苯的順反異構是研究得最為廣泛的。偶氮苯分子存在順式和反式兩種異構體，在特定波長的紫外光(365nm)照射下，反式構型的偶氮苯會轉變成順式構型；在可見光或者熱作用下，順式構型可回復到反式構型。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，一種用于高效選擇性分離純化分支環(huán)糊精的光響應表面分子印跡材料的制備方法。本發(fā)明制備工藝簡單，制備的表面分子印跡材料化學穩(wěn)定性好、吸附容量大、重復利用率高，能夠在復雜環(huán)境中分離純化分支環(huán)糊精，克服了色譜柱分離純化價格昂貴且工業(yè)化產(chǎn)量不高等缺點。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種光響應表面分子印跡材料的制備方法，包括制備偶氮苯衍生物的步驟和光響應性表面分子印跡聚合物的步驟，具體制備方法如下：

(1)制備偶氮苯衍生物：4-羥基偶氮苯溶解于無水N,N’-二甲基甲酰胺即DMF后，向其中加入NaH，此混合物在室溫下攪拌至無氣泡放出；然后將多余的NaH濾出，濾液轉移到三頸燒瓶中；將γ-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷即GOTMS緩慢滴加到濾液中后，此反應混合物在氮氣保護下50～100℃反應2～8h即得到偶氮苯衍生物；通過這步反應，4-羥基偶氮苯共價鍵合到GOTMS的環(huán)氧基團上；

(2)制備硅膠粒子：四乙氧基硅烷加入乙醇溶液中，然后迅速加入質量分數(shù)為12％～20％的氨水溶液，室溫下攪拌12～48h后，離心，過濾，用水洗多次后真空干燥；

(3)活化硅膠：硅膠粒子加入濃度為40～60％體積比的酸溶液，常溫攪拌6～24h，過濾，用二次蒸餾水多次洗滌硅膠后真空干燥；

(4)合成功能化硅膠：活化硅膠和無水DMF加到偶氮苯衍生物中，在氮氣保護下110～120℃反應12～48h；將得到的功能化硅膠依次用無水DMF、甲醇、二次蒸餾水和丙酮分別洗滌數(shù)次；最后功能化硅膠真空干燥至衡重；

(5)合成表面分子印跡聚合物：將步驟(4)中得到的功能化硅膠和模板分子混合均勻后加入致孔劑，黑暗室溫條件下攪拌2～4h；向其中加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，冰水浴冷卻條件下向澄清溶液中通氮氣除氧后密封反應體系，在50～85℃下反應20～48h，得到表面分子印跡聚合物；

移除分子印跡聚合物中的模板分子，然后進行真空干燥，即得所述光響應表面分子印跡材料。

優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述酸溶液為鹽酸、硝酸或硫酸；

所述步驟(5)中，所述模板分子為葡萄糖基環(huán)糊精、麥芽糖基環(huán)糊精、半乳糖環(huán)糊精或甘露糖環(huán)糊精；所述交聯(lián)劑為二甲基丙烯酸乙二醇酯即EGDMA；所述引發(fā)劑為偶氮二異丁腈即AIBN；所述致孔劑為乙腈、甲醇、氯仿中的任意一種。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中，所述4-羥基偶氮苯、GOTMS、無水DMF、NaH的用量比為2～10mmol:1～5ml:50～250ml:0.2～1.0g；

所述步驟(2)中，所述乙醇、四乙氧基硅烷、氨水的用量比為11.35ml:0.5～6ml:2.0～30.0ml；

所述步驟(3)中，所述硅膠粒子與所述酸溶液的用量比為2.0～20.0g:20.0～200.0ml；

所述步驟(4)中，所述活化硅膠與無水DMF的用量比為2.0～8.0g:25.0～200.0ml；

所述步驟(5)中，所述模板分子、功能單體、EGDMA、AIBN、引發(fā)劑的用量比為1mol:1～8mol:5～20mol:0.0060g～0.0100g:70～80ml。

本申請人還提供了一種所述的光響應表面分子印跡材料的應用，用于高效選擇性分離純化分支環(huán)糊精。

其中，偶氮苯衍生物結構式如下：

本發(fā)明有益的技術效果在于：

本發(fā)明基于表面分子印跡技術，通過引入光敏單體偶氮苯衍生物，合成一種新型高效分離純化分支環(huán)糊精的材料。利用偶氮苯衍生物順反異構實現(xiàn)表面分子印跡聚合物對分支環(huán)糊精的吸附與解離。該材料抗惡劣環(huán)境能力強、穩(wěn)定性高、使用壽命長、易實現(xiàn)工業(yè)化，其應用前景廣闊。

本發(fā)明制備的光響應表面分子印跡材料具有優(yōu)異的光響應特性，對分支環(huán)糊精具有分離效果顯著，較好的識別性能，可重復使用等優(yōu)點。這為選擇性分離純化分支環(huán)糊精提供了一種新方法。具體優(yōu)勢在于：

(1)表面分子印跡材料對模板分子具有專一識別性的特點，能夠在復雜環(huán)境中選擇性吸附分離模板分子；

(2)引入光敏性功能單體，利用可見光(440nm)和紫外光(365nm)交替照射分子印跡材料，使得該材料具有對目標分子進行選擇性的吸附與釋放，有效解決模板分子洗脫難的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的分子印跡聚合物的合成路線示意圖；

圖2為紅外光譜圖，a：活化硅膠，b：功能化硅膠，c：麥芽糖基-β-環(huán)糊精d：去模板前表面分子印跡聚合物，e：去模板后表面分子印跡聚合物；

圖3為功能化硅膠與SMIPs的掃描電鏡圖(SEM)，a：功能化硅膠SEM，b：SMIPs的SEM；

圖4為SMIPs吸附動力學試驗；

圖5為SMIPs平衡吸附試驗；

圖6為SMIPs對分支環(huán)糊精復雜體系的光控釋放和吸收。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖1，對本發(fā)明進行具體描述。

實施例1

(1)制備偶氮苯衍生物：4-羥基偶氮苯(0.3964g)溶解于50.0ml無水，N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)后，向其中加入0.20g NaH，此混合物在室溫下攪拌至無氣泡放出。然后將多余的NaH濾出，濾液轉移到三頸燒瓶中。將1.0mlγ-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷(GOTMS)緩慢滴加到濾液中后，此反應混合物在氮氣保護下50℃反應8h。通過這步反應，4-羥基偶氮苯共價鍵合到GOTMS的環(huán)氧基團上。

(2)制備硅膠粒子：0.5mL的四乙氧基硅烷加入11.35mL乙醇溶液，然后迅速加入2mL氨水溶液(質量分數(shù)為12％)，室溫下攪拌48h后，離心，過濾，用水洗多次后下真空干燥。

(3)活化硅膠：取2.0g硅膠粒子，加入20.0mL鹽酸溶液(體積比為40％)，常溫攪拌24h，過濾，用二次蒸餾水多次洗滌硅膠后真空干燥。

(4)合成功能化硅膠：將2.00g活化硅膠和25.0ml的無水DMF加到偶氮苯衍生物中，在氮氣保護下110℃反應48h。將得到的功能化硅膠依次用無水DMF、甲醇、二次蒸餾水和丙酮分別洗滌數(shù)次。最后功能化硅膠真空干燥至衡重。

(5)合成表面分子印跡聚合物：0.32g功能化硅膠，0.5966g葡萄糖基-β-環(huán)糊精(G1-β-CD)混合均勻后加入70mL乙腈，黑暗室溫條件下攪拌4h；向其中加入0.0060g AIBN和0.40g EGDMA，冰水浴冷卻條件下向澄清溶液中通氮氣除氧后密封反應體系，在50℃下反應48h，得到表面分子印跡聚合物；

移除分子印跡聚合物中的模板分子，然后進行真空干燥，即得所述光響應表面分子印跡材料。

實施例2

(1)制備偶氮苯衍生物：4-羥基偶氮苯(0.9911g)溶解于100.0ml無水，N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)后，向其中加入0.50g NaH，此混合物在室溫下攪拌至無氣泡放出。然后將多余的NaH濾出，濾液轉移到三頸燒瓶中。將2.0mlγ-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷(GOTMS)緩慢滴加到濾液中后，此反應混合物在氮氣保護下80℃反應5h。通過這步反應，4-羥基偶氮苯共價鍵合到GOTMS的環(huán)氧基團上。

(2)制備硅膠粒子：3mL的四乙氧基硅烷加入11.35mL乙醇溶液，然后迅速加入15mL氨水溶液(質量分數(shù)為16.7％)，室溫下攪拌24h后，離心，過濾，用水洗多次后下真空干燥。

(3)活化硅膠：取10.0g硅膠粒子，加入100.0mL硝酸溶液(體積比為50％)，常溫攪拌12h，過濾，用二次蒸餾水多次洗滌硅膠后真空干燥。

(4)合成功能化硅膠：將4.00g活化硅膠和100.0ml的無水DMF加到偶氮苯衍生物中，在氮氣保護下115℃反應24h。將得到的功能化硅膠依次用無水DMF、甲醇、二次蒸餾水和丙酮分別洗滌數(shù)次。最后功能化硅膠真空干燥至衡重。

(5)合成表面分子印跡聚合物：0.48g功能化硅膠，0.6712g麥芽糖基-β-環(huán)糊精(G2-β-CD)混合均勻后加入75mL甲醇，黑暗室溫條件下攪拌3h；向其中加入0.0080g AIBN和0.40g EGDMA，冰水浴冷卻條件下向澄清溶液中通氮氣除氧后密封反應體系，在70℃下反應36h，得到表面分子印跡聚合物；

移除分子印跡聚合物中的模板分子，然后進行真空干燥，即得所述光響應表面分子印跡材料。

實施例3

(1)制備偶氮苯衍生物：4-羥基偶氮苯(1.9822g)溶解于250.0ml無水，N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)后，向其中加入1.0g NaH，此混合物在室溫下攪拌至無氣泡放出。然后將多余的NaH濾出，濾液轉移到三頸燒瓶中。將5.0mlγ-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷(GOTMS)緩慢滴加到濾液中后，此反應混合物在氮氣保護下100℃反應2h。通過這步反應，4-羥基偶氮苯共價鍵合到GOTMS的環(huán)氧基團上。

(2)制備硅膠粒子：6mL的四乙氧基硅烷加入11.35mL乙醇溶液，然后迅速加入30mL氨水溶液(質量分數(shù)為20％)，室溫下攪拌12h后，離心，過濾，用水洗多次后下真空干燥。

(3)活化硅膠：取20.0g硅膠粒子，加入200.0mL硫酸溶液(體積比為60％)，常溫攪拌6h，過濾，用二次蒸餾水多次洗滌硅膠后真空干燥。

(4)合成功能化硅膠：將8.00g活化硅膠和200.0ml的無水DMF加到偶氮苯衍生物中，在氮氣保護120℃反應12h。將得到的功能化硅膠依次用無水DMF、甲醇、二次蒸餾水和丙酮分別洗滌數(shù)次。最后功能化硅膠真空干燥至衡重。

(5)合成表面分子印跡聚合物：0.60g功能化硅膠，0.5778g半乳糖基-β-環(huán)糊精(Gal-β-CD)混合均勻后加入80mL氯仿，黑暗室溫條件下攪拌2h；向其中加入0.010g AIBN和0.40g EGDMA，冰水浴冷卻條件下向澄清溶液中通氮氣除氧后密封反應體系，在85℃下反應20h，得到表面分子印跡聚合物；

圖2為上述實施例2活化硅膠、功能化硅膠功能單體、模板分子以及合成的分子印跡聚合物去模板前后的紅外光譜圖。從圖中可以看出，分子印跡聚合物去模板前后的紅外光譜特征峰幾乎是重合的。1635cm^-1是模板分子G2-β-CD的特征吸收峰，去模板之前的分子印跡聚合物的紅外圖譜中出現(xiàn)這一特征峰，去模板之后的分子印跡聚合物的紅外圖譜中這一特征峰消失，說明模板分子β-CD已被去除。

圖3為上述實施例1功能化硅膠與SMIPs的掃描電鏡圖(SEM)。從SEM圖可知，功能化硅膠與SMIPs的粒子大小均一，粒徑?jīng)]有明顯的差別。功能化硅膠的表面平整光滑，見圖3a，硅膠交聯(lián)上印跡分子后其表面變得比較粗糙，見圖3b，說明印跡分子已經(jīng)成功接枝到硅膠表面。

圖4上述實施例2合成的SMIPs的動力吸附曲線。與β-CD和麥芽糖對比，所制備的SMIPs對G2-β-CD具備快速的吸附動力學，在2h左右即可達到吸附平衡，吸附容量較大，達到了18.19mg/g。分子印跡效應明顯、選擇性高，對G2-β-CD的特異性吸附量大約為對結構類似物β-CD的吸附量的2倍。

圖5為上述實施例2合成的一定量的SMIPs對G2-β-CD、β-CD和麥芽糖的吸附曲線。濃度在0～3mg/mL范圍時，SMIPs對G2-β-CD和β-CD的吸附量增長較快；當濃度大于3mg/mL時，吸附量增長變慢并達到了吸附平衡，濃度繼續(xù)增大，吸附量不再增加。SMIPs對G2-β-CD的最大吸附容量為20.3mg/g，而對β-CD和麥芽糖的最大吸附容量僅為10.9和1.6mg/g。

圖6為探究了SMIPs對G1-β-CD、β-CD和葡萄糖復雜體系的光吸附和釋放性能。從圖中可知，440nm照射后，SMIPs對G1-β-CD，β-CD和葡萄糖的吸附率分別為70.1％，39.29％和1.22％。隨后的365nm光照射導致G1-β-CD和β-CD(分別為43.64％和13.55％)從SMIPs釋放到溶液中。然后隨后在440nm可見光照射引起SMIPs從新吸附G1-β-CD和β-CD。當重復照射四個循環(huán)時，溶液中G1-β-CD的濃度接近0％，同時，80.27％G1-β-CD從SMIPs釋放到溶液中。

現(xiàn)有技術中，光響應性表面分子印跡聚合物合成時選擇的功能單體和模板分子使其不具有分離純化分支環(huán)糊精的效果，該聚合物對分支環(huán)糊精的識別特性幾乎為0。

本發(fā)明材料對G1-β-CD的吸附脫附效果是優(yōu)于β-CD，分子印跡聚合物的選擇性吸附取決于他們模板分子，去除模板分子后的材料會形成一個與模板分子形狀相似的空腔來吸附模板分子及其類似物，但是其類似物與模板分子結構上還是有區(qū)別，所以吸附效果模板分子>類似物。