分子印迹思想来自于抗原抗体特异性结合[1]，通过分子印迹技术制备的印迹聚合物，内部形成与模板分子相匹配的空间构型与识别位点，可从其结构类似物的混合物中将模板分子富集、检测并分离，具有稳定性高、抗恶劣环境和操作简便等特点，适合作为传感器的敏感材料，在众多领域受到广泛关注[2~5]。分子印迹膜是将分子印迹技术与被称作是“绿色化学”典型的膜分离技术结合于一身的新型膜，这种膜具有对特定分子产生特异性识别的能力[6]。相比于块状或球状的印迹聚合物，分子印迹膜具有耗能少、反应时间短、便于连续操作、干净无污染的优点；相比于生物膜，它又具有特异识别性强、稳定性高、能量利用率高、易于处理和应用的优点。选用柔韧性好的成膜材料与印迹聚合物按一定比例进行共混制备的分子印迹共混识别膜，不仅分子识别特性良好，而且还保持着成膜材料本身良好的柔韧性和强度，同时也克服了聚合物易脱落的问题。因此，分子印迹共混制膜作为一种有效的膜材料改性方法，受到越来越多研究者的关注[7]。近年来，分子印迹膜在分离农药[8]、手性药物[9]等方面的研究取得了较大进展，但在食品领域方面的研究应用报道较少。
香草醛(3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，Vanillin)又名香兰素，是香子兰花荚中的典型香味物质，在食品、香料和医药等领域得到广泛的应用，如香草醛可作为食品调味剂，也可用于化妆品定香剂。目前，香草醛的工业化生产主要采用化学合成法，其中愈创木酚法(乙醛酸法)是最常用的方法，但我国只有少数厂家采用这种方法，原因是国内生产的乙醛酸价格较高，生产过程繁琐，且有一些关键技术如废水回用(1 t香草醛约产生20 t的废水)等问题尚未得到较好的解决[10] 。对于后期香草醛的分离和提纯，国内外现常采用超临界CO2 萃取法[11]、树脂吸附分离法[12] 、有机溶剂抽提[13]以及采用液 -液萃取或液-固萃取反应器分离[14]等方法。上述分离提纯法的效果均不是很好，若要得到高纯度的香草醛，还需多次结晶、蒸馏，无机盐使用过多，必然会产生大量难处理的无机废液。随着人们环保意识的提高，生产中排放的大量废液已成为阻碍香兰素生产的重要因素之一。因此，为了便于香草醛的提取和使用，结合膜技术的优点，有必要研制一种既环保又高效的且对香草醛具有专一性吸附的膜材料。
实验中首先运用沉淀聚合法合成了香草醛分子印迹聚合物微球并进行了表征，然后选用聚砜作为成膜材料，按照异相粒子填充膜的方法制备了香草醛印迹聚砜共混膜。通过扫描电镜考察了分子印迹共混膜的微观形貌，同时还研究了分子印迹共混膜对模板分子的结合性能及选择性透过能力。
2 实验部分 2.1 实验材料香草醛(VAN)，纯度99%，成都贝斯特试剂有限公司；α-甲基丙烯酸(MAA)，使用前需去除阻聚剂，天津市化学试剂研究所；乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，广州谛科复合材料技术有限公司；偶氮二异丁腈(AIBN)；二甲基亚砜(DMSO)、乙酸、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，天津市北方天医化学试剂厂；甲醇、丙三醇(甘油)，天津市风船化学试剂科技有限公司；聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)，天津膜天公司。
UV-1200型紫外可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司)；Tensor-37型傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司)；H-7650型透射电子显微镜(日本日立公司)；HY-8回旋式大容量振荡器(金坛市金南仪器制造有限公司)；TG16-WS(1650D)高速离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)；KH5200DB型数控超声波清洗器；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器；真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)。
2.2 紫外光谱研究以DMSO为溶剂，固定VAN的浓度为 0.5 mmol⋅L-1，逐渐增加MAA的量，配制VAN和MAA配比(mol⋅mol-1)为1:0、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7的混合溶液，将以上溶液在室温下振荡4 h，使其充分作用，取下静置一段时间后，在200~400 nm的波长范围内，以相应浓度的MAA溶液做参比，检测VAN紫外光谱变化。
2.3 分子印迹聚合物微球的合成准确称取0.1522 g(1 mmol)模板分子VAN，溶于80 mL DMSO中，加入0.34 mL(4 mmol)功能单体MAA，于室温下振荡1h，使功能单体和模板分子充分作用，再加入1.51 mL交联剂EGDMA和50 mg引发剂AIBN，通入氮气30 min后密封，在氮气保护下置于集热式恒温加热磁力搅拌器中，于50℃恒温恒速搅拌，热引发聚合24 h，离心得到白色MIPMs。将得到的聚合物微球放在索氏提取器中用甲醇/乙酸(V/V=9:1)的溶液抽提，洗脱模板分子，直至回流溶液中用紫外光谱检测不到VAN为止，然后再用甲醇重复洗涤数次，以除去残留的乙酸，最后放入真空干燥箱中干燥待用。空白分子印迹聚合物微球(NIPMs)的制备除不加模板分子VAN外，其余步骤同上。
2.4 印迹聚合物红外光谱研究将洗脱前后的MIPMs、NIPMs及VAN用KBr压片法制样，在Tensor-37型傅里叶变换红外光谱仪上扫描各聚合物的红外谱图。
2.5 印迹聚合物透射电镜分析将聚合物加入到无水乙醇中配成一定浓度的悬浮液，于超声振荡器中超声分散30 min后，用点样法迅速将样品悬浮液滴到透射样品专用铜网上，放置24 h，待乙醇完全挥发后利用透射电镜进行观察。
2.6 分子印迹共混膜的制备采用相转化法制备分子印迹共混膜。分别称取一定量预先干燥好的成膜材料(PAN、PSF、PVDF)加入到盛有DMF的锥形瓶中，65℃恒温加热搅拌使之完全溶解，然后加入一定比例的MIPMs(2.3制备)，在恒温加热磁力搅拌器中恒温、恒速搅拌均匀得到铸膜液，在此铸膜液中印迹聚合物粉末与被溶解的成膜材料一直处于异相共混状态。将此铸膜液放入真空干燥箱中抽真空使其完全脱泡，静置一段时间让溶液达到均一状态。在室温下用两端绑好铜丝的玻璃棒将铸膜液匀速刮涂在干燥洁净的玻璃板上，将玻璃板置于凝固浴中成膜，浸泡一段时间待膜结构完全固定后，得到分子印迹共混膜，将膜保存在50%(V/V)甘油中待用。空白非印迹聚合物膜的制备，除不加MIPMs外，其余步骤同上。
2.7 分子印迹共混膜扫描电镜表征将分子印迹聚合物共混膜从甘油中取出、风干，经液氮冷冻后脆断，镀金制样，利用扫描电镜表征膜的表面和断面。
2.8 分子印迹共混膜吸附行为研究 2.8.1 分子印迹共混膜等温吸附实验将10 mL不同浓度的VAN溶液(溶剂为DMSO)置于25 mL具塞锥形瓶中，然后再将100 mg印迹聚合物膜放于其中，于振荡器中振荡10 h，然后将此液高速离心10 min，用紫外分光光度计测量游离的VAN浓度，根据结合前后溶液中VAN浓度的变化，按照公式(1)计算出该膜对VAN的结合量。
| $Q=({{c}_{0}}-{{c}_{t}})\times V/m$ | (1) |
式中：Q——分子印迹共混膜对香草醛的结合量，μmol⋅g-1；c0 ——香草醛溶液的初始浓度，mmol⋅L-1；ct ——吸附一定时间后溶液中香草醛的平衡浓度，mmol⋅L-1；V ——溶液的体积，mL；m——分子印迹共混膜的质量，g
2.8.2 分子印迹共混膜渗透试验将分子印迹共混膜固定于两个玻璃池之间，保证左右两玻璃池无渗漏，这样就形成了一个底部连通的H型密封装置。左池中加入含有200 mL底物溶液(底物分别为香草醛、邻香草醛、阿魏酸，溶剂为DMSO)，另一池中加入200 mL纯溶剂，加盖防止挥发，搅拌条件下，10 h后用紫外分光光度计测定透过膜的底物量。
3 结果与讨论 3.1 紫外光谱分析固定VAN的浓度，渐增MAA的浓度，得到一系列紫外光谱，如图 1所示。可以看到，加入MAA的比例越大，吸光度越低，说明模板分子与功能单体间存在作用力，且作用力越强，剩余的VAN含量就越少。通过在图 1中比较最大吸收波长处的吸光度时发现，当模板分子与功能单体的摩尔比大于1:4时，功能单体继续增加，吸收峰强度变化不明显。这说明在一定范围内，增大功能单体比例，可有效促进模板分子与功能单体间自组装过程的进行，但比例不是越大越好。因为一方面，功能单体浓度过大容易产生非组装的功能单体的残基，会造成印迹聚合物中出现增多的非选择性结合位点，而选择性识别位点反而降低的现象；另一方面，功能单体过量易发生自身缔合，导致无法准确固定并形成印迹位点，增大印迹聚合物内部吸附传质阻力。因此，为得到足够识别效率和稳定的印迹聚合物，实验中选用模板分子与功能单体的摩尔比为1:4。
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图 1 VAN与MAA不同摩尔比的紫外光谱图 Fig.1 UV-Vis spectra of vanillin and MAA mixed with different ratios in DMSO |
根据红外光谱图中各吸收峰的位置、强度、形状可确定被测物质的官能团及化学键的类型。图 2 是洗脱前MIPMs(a)、VAN(b)、洗脱后MIPMs(c)、NIPMs(d)的红外光谱图。在VAN的红外光谱中(图 2(b))，3200 cm-1左右是－OH伸缩振动吸收峰，1670 cm-1左右是醛基伸缩振动吸收峰，1260 cm-1左右是酚羟基弯曲振动吸收峰。在洗脱VAN前的MIPMs的红外光谱 (图 2(a)) 中可以看出，原VAN在1670 cm-1处的C=O结构伸缩振动吸收峰谱带向高波数段移动至1730 cm-1左右，表明VAN分子中C=O键可能与MAA中的COOH上的氢原子形成了氢键的一个结合位点；原VAN上3200 cm-1处－OH伸缩振动吸收峰蓝移到3400 cm-1左右，这说明VAN与MAA分子间产生了较强的分子间作用力，结果表明VAN结构中的－OH和MAA结构中的C=O可能发生了较强的氢键作用，这些结果与上述 紫外光谱分析结果一致。另外，由图 2(c)和图 2(d)可知，洗脱后的MIPMs和NIPMs的红外光谱特征基本一样，说明MIPMs中的VAN被洗脱，留下了与其官能团相匹配的空穴结构。
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图 2 不同聚合物的红外光谱图 Fig.2 Infrared spectra of polymers (a) MIPMs before elution; (b) template molecule; (c) MIPMs after adsorption; (d) NIPMs |
由紫外光谱、红外光谱及这几种物质的结构可推出该MIPMs的印迹机理及合成路线，如图 3所示：
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图 3 香草醛分子印迹聚合物印迹机理图 Fig.3 Schematic diagram of the vanillin molecular imprinting process |
MIPMs合成过程中，溶剂和交联剂发挥着极其重要的作用，在一定程度上影响着聚合物的微观结构。图 4 为采用沉淀聚合法合成的MIPMs的电镜照片。可以看到，与传统的本体聚合法(包埋法)[15]相比，沉淀聚合法生成的MIPMs不溶而彼此分散，且不需要向反应体系中添加分散剂，组分简单，制得的MIPMs粒径均匀呈球状结构，是制备香草醛印迹聚合物较好的方法。实验过程表明，沉淀聚合成球的过程主要途径三个阶段：首先引发剂引发聚合，生成可溶于连续相的线型和带支链的低聚物；然后随着低聚物分子链的增长，其在连续相中的溶解度降低，当达到临界链长时，发生相分离从连续相中沉淀出来，形成聚合物核；最后聚合物核之间通过相互碰撞、聚集，并不断吸收单体、自由基和低聚物而长大，最终在溶液中形成MIPMs [16]。
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图 4 分子印迹聚合物微球透射电镜照片 Fig.4 TEM micrographs of the microspheres prepared |
制备满足特定性能的膜，选择合适的成膜材料是很重要的。对于复合体系，不同高聚物之间的相容性及它们之间的结合能力决定着产品最终的使用性能。课题组通过大量实验，比较了PAN、PVDF、PSF三种膜基材。在相同制膜工艺下，PAN基材成膜不易控制，填充MIPMs粒子时，较难混匀，不适合作为共混膜基材；PVDF虽成膜效果较好，但粒子填充后对膜的机械性能影响较大，膜易破裂；相比之下，PSF无论是基体膜，还是共混膜都容易控制，最终选用PSF作为成膜材料。
在相转化法制膜途中，影响膜结构形态和性能的另一个原料因素是溶剂/非溶剂体系的选择。用相转化法制备聚合物膜时，溶剂首先必须能与铸膜液中其它组分有着很好的互溶性与稳定性，这样才能形成均匀稳定的铸膜液。其次溶剂又必须能与非溶剂完全互溶，对于高互溶性溶剂/非溶剂体系，通常可获得多孔膜，而对于低互溶性溶剂/非溶剂体系，通常可获得非多孔膜或具有致密表层和多孔底层的非对称膜。能够溶解聚砜的溶剂有很多，多数为质子性极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等，非溶剂为水、醇类和酸类试剂。根据选取原则，最终选用吸湿性小，毒性低且价格相对便宜的N,N-二甲基甲酰胺作为制膜溶剂。
3.5 膜表面形态的表征图 5中，a、b为纯PSF膜，c、d、e为MIPMs填充后的PSF共混膜。其中，a、c为空气侧表面，b、e为玻璃板侧表面，d为共混膜断面。可以看出，填充了MIPMs的共混膜保持了纯PSF膜原有的非对称式结构，空气侧表面为致密层，玻璃板侧表面为疏松层。MIPMs在共混膜基体中分布较为均匀，由于高聚物基体的承载，填充在膜基质中的MIPMs在操作中难以泄漏脱落。与纯PSF膜相比，MIPMs填充PSF共混膜的形态结构具有以下特征：(1) 空气侧表面更加粗糙，起伏不平，这是包裹在膜基体中的MIPMs所造成的，且有MIPMs颗粒裸露在外。(2) 玻璃板侧表面孔的尺寸增大。(3) MIPMs的填充对聚合物相分离过程产生了影响，膜断面结构表现得紧密。因为在共混膜的形成中，当相分离的前沿遇到尺寸较大的MIPMs时，由于聚合物粘度较高，MIPMs限制 了相分离进程中大空腔的空间扩展，因此随着MIPMs的不断进入，共混膜的指状孔结构逐渐变小。(4) 膜基体内部树脂颗粒的表面结构清晰，形态完好，且在膜基体内分布较均匀。
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图 5 基膜和分子印迹共混膜的扫描电镜图 Fig.5 SEM micrographs of different membranes (scale bar: 50 μm) |
实验中采用平衡结合实验考察了分子印迹共混膜(M(MIPMs-PSF))与聚砜膜(M(PSF)未添加印迹聚合物)对VAN的结合能力。图 6为M(MIPMs-PSF)和M(PSF)在VAN不同初始浓度下的吸附量。
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图 6 M(MIPMs-PSF)、M(PSF)随香草醛不同初始浓度下的吸附量 Fig.6 Binding capacities of M(MIPMs-PSF) and M(PSF) with different initial vanillin concentrations |
可以看到，在所研究的浓度范围内，M(MIPMs-PSF)对VAN的结合等温线符合Langmuir单分子层吸附模型[17]，即随着模板分子浓度逐渐增大，M(MIPMs-PSF)对底物的结合量也逐渐增大，但在高浓度范围内，吸附趋于饱和，且M(MIPMs-PSF)对VAN的吸附量始终高于M(PSF)对VAN的吸附量，反映了印迹共混膜对底物模板分子的吸附能力[18]。这是因为M(MIPMs-PSF)内部有很多贯通的空腔，这些空腔不仅体积与模板分子吻合，而且含有与模板分子相匹配的功能基团，模板分子经过空腔与内部的识别位点相结合，之后在膜特有的性质下，从膜的一侧源源不断地移动到另外一侧，达到动态平衡。这同时也说明了印迹共混膜既没有破坏聚砜膜原有的结构，也没有破坏MIPMs的特定空腔与识别位点，故能表现出对模板分子较高的结合能 力。
3.6.2 分子印迹共混膜的渗透选择性实验为进一步研究该膜对模板分子的选择性透过能力，实验选用与香草醛结构类似的邻香草醛(o-VAN)、阿魏酸(Fer)为对照，分别考察该膜对底物的透过能力(表 1)。可以看出，在渗透时间相同的条件下，该膜对VAN的透过量明显大于对o-VAN和Fer的透过量。根据共混膜的制备过程及o-VAN和Fer的结构(图 7)可知，由于模板分子在构型上与MIPMs层孔穴中的识别位点相匹配，而作为竞争物的o-VAN和Fer不具备这样的识别位点和孔穴结构。因此，在渗透实验中VAN优先富集在膜上，而后在浓度梯度推动作用下，通过选择性透过通道，VAN从膜的一侧连续不断地转移到另一侧，达到动态平衡。
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表 1 分子印迹共混膜对不同底物的透过量 Table 1 Permeation of different substrates within M(MIPMs-PSF) |
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图 7 香草醛及其结构类似物的结构式 Fig.7 Chemical structures of vanillin and its structural analogues |
实验以香草醛为模板分子首先运用沉淀聚合法合成了香草醛分子印迹聚合物微球，并进行了表征。然后以聚砜为成膜材料，N,N-二甲基甲酰胺为制膜溶剂，采用异相粒子填充的方法成功制备了香草醛分子印迹聚砜共混膜。合成的印迹聚合物共混膜保持了聚砜膜原有的特点，同时又对模板分子香草醛表现出优异的识别性与透过性，从而可实现对香草醛的有效分离和富集。
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