杆菌/酵母菌表面分子印迹聚合物的制备及其选择性吸附/分离环丙沙星的研究

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以环丙沙星为代表的喹诺酮类(Fluoroquinolone)抗生素具有广谱抗菌活性,在临床上被广泛用于治疗肠道、呼吸道、皮肤软组织等感染。但常因不合理使用及滥用,导致大量的抗生素残留通过人类和动物的排泄进入到水体和土壤中,人体摄入后可能会产生腹泻、恶心、过敏、关节病变等不良反应。由于喹诺酮类抗生素残留以痕量形式存在于复杂基体中,一般的处理方法难以将其靶向分离及定量检测,因此亟需研究并建立一种高效快速的方法来分离富集环境中的诺酮类抗生素残留。  利用分子印迹技术(MIT)制备的分子印迹聚合物(MIPs)是一种对目标分子具有特异亲和性的高分子材料,因其选择性能好、吸附容量高,已被广泛用于传感器、固相萃取、分子识别、药物传输等领域。表面分子印迹技术(SMIT)将活性位点附着在基质材料的表面,克服了传统分子印迹技术中模板分子去除不完全、传质速率慢和吸附容量低等缺陷。菌类微生物材料具有传统基质材料无可比拟的优势,如:来源易得、价格低廉、与有机高分子兼容性好等,已成为理想的表面印迹基质材料。  本工作选取环丙沙星(CIP)为研究对象,酵母菌和杆菌为微生物类基质载体,结合沉淀聚合和原子转移自由基聚合(ATRP)技术,制备了基于酵母菌/杆菌表面分子印迹聚合物,研究了其对CIP的吸附和选择性分离行为。详细工作如下:  (1)在乙腈/水的混合溶液中,以丙烯酰胺(AM)为功能单体,与模板分子CIP发生作用形成预聚体系,加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA),在偶氮二异丁腈(AIBN)的引发下,利用沉淀聚合法制备了酵母菌表面分子印迹聚合物(MIPs)。通过调节酵母菌添加量和乙腈和水的体积比,对反应条件进行了优化。研究结果表明当酵母菌用量为0.15 g,乙腈∶水=4∶1(v/v)时,MIPs对CIP有特异性识别能力,吸附性能良好且能多次循环使用。  (2)培养并制备了芽孢杆菌(bacillus),利用杆菌表面丰富的活性基团的优点,制备了ATRP引发剂杆菌接溴材料(bacillus@Br),以CIP为模板分子、4-乙烯基吡啶(4-VP)为功能单体、EGDMA为交联剂、溴化亚铜(CuBr)为催化剂、N,N,N,N",N"-五甲基二乙烯三胺(PMDETA)为配位剂,在50℃下氮气保护中利用ATRP技术在甲醇/水混合溶液(9∶1,v/v)中制备杆菌表面分子印迹聚合物(BMIPs)。在298 K下,BMIPs和BNIPs对的最大平衡吸附容量分别为29.81 mg/g和18.90 mg/g。BMIPs吸附CIP的实验数据更适应于Langmuir模型及准二级动力学方程。此外,BMIPs用于实际样品检测和吸附-解析实验,表现出较好的回收率和良好的再生性。  (3)首先通过在酵母菌表面引入Br元素,制备ATRP引发剂酵母菌接溴材料(yeast@Br),然后分别以CIP为模板分子、甲基丙烯酸(MAA)为功能单体、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)为辅助功能单体、EGDMA为交联剂,CuBr为催化剂、PMDETA为配位剂,在常温25℃下氮气保护中采用原子转移自由基乳液聚合法(ATREP),在吐温-20和水的混合溶液(1∶50,v/v)中制备酵母菌表面分子印迹聚合物(YMIPs)。YMIPs对CIP的吸附可在60 min内达到吸附平衡,最大平衡吸附量为18.71 mg/g。YMIPs对CIP相对于恩诺沙星(ENR)、四环素(TC)、磺胺二甲嘧啶(SMZ)的选择性系数分别为1.212、2.002和10.65,显示出较高的特异性识别能力。经过4次循环吸附-解析实验后,YMIPs对CIP的吸附量的损失率约为8.52%。另外,利用YMIPs对加标虾样品中的CIP进行分离富集,对CIP的回收率为85.4%。
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