基于分子印迹技术的丹参总酚酸吸附材料研究

天津理工大学硕士学位论文基于分子印迹技术的丹参总酚酸吸附材料研究姓名：那骥宇申请学位级别：硕士专业：应用化学指导教师：陈慧201202 在现代医学和药理学的要求下，有效部位的分离手段仍显缺乏。换部分作为共同硅源，在拥有酚酸类代表结构的咖啡酸印迹分子存在的条件下进脱效果，得到最佳洗脱条件为刚妫琭。将制备的材料用于丹参水提醇沉液中进行系统吸附实验。在对比实验中，分子印迹吸附热力学实验中，用籨吸附等温式对数据进行拟合得到了最好的匹配性，且 咖琽降，萨現琾贔缸誶珊， 叩仃遥甌哦叩 鰉癿鰕鷌鷇 廿 印印嬲鷓踟鬷弱，叩印，阰， 簅 現，琓狣疉，琓 猠騦印， 第一章文献综述第一章文献综述基于分子印迹的学术思想制备具有优异识别性能的材料是当前超分子主客体化学研本章将对分子印迹技术，植物化学物，硅质材料制备做一全面介绍。分子印迹技术理论使此项技术受到科研工作者的广泛关注。年，杂志发表了大学的，的研究成剽制， 第一章文献综述·室囊量子图分子印迹聚合物的制备籰 第一章文献综述 第一章文献综述体与手性选择基团的匹配性相差越大。的分子印迹聚合物的化学平衡过程，基于一定假设推导出了公式：公式分子印迹聚合物的制备和应用 第一章文献综述在交联剂和引发剂存在的条件下发生交联聚合，得到的聚合物再进行干燥、研磨和筛分， 第一章文献综述表表面印迹技术的方法沉积法通过反应将模板同定在活化基质上，然后在其表面聚合。抗机械挤压、高温、高压耐酸碱、有机溶剂、金属离子聚合物对印迹分子的吸附容量至少在痝水平法可进行比表面积测定、孔容孔道分析、孔径大小及分布判断等；而对于分子印迹聚合 有水解反应、氧化还原反应、脱反应、异构化反应等多种有机反应！触够检测和转换结合过程的高灵敏度转换器；开发能够与被分析物作用且亲和力与选择需进一步从分子水平理解印迹和识别过程； 第一章文献综述义；植物化学物理论 第一章文献综述天然来源产品。的环节。当前植物化学物的分离提纯领域，大多采用有机溶剂萃取、大孔树脂吸附等传统方法，效率低下且原材料浪费严重，同时还存在溶剂残留和废液排放等问题。开发出系统、高效、高选择性且对环境和人类友好的新型提取材料显得尤为必要。图黄酮类化合物骨架 第一章文献综述血功能，维持白细胞和血小板的水平，减少放化疗对人体的危害。丹参药材中的有效成分极其丰富，可概括为脂溶性成分和水溶性成分。前者包括丹含量相对较高的丹参酮 第一章文献综述丹参素，一幢图丹参有效成分结构式】聚硅氧烷类材料简介子上的聚合物，通式为畁】琑为有机基团，9柙由系挠谢攀浚琺 第一章文献综述低交联度的液态聚合物：刚时，则从粘稠的液态胶状逐渐变成柔软的固状物，实现对产品全方位物化性质的调控；聚硅氧烷系列物质大多具有良好的耐热、耐候、耐氧化等特性，在各种环境中都能保持较好的稳定性，使其具有极广的潜在应用领域；在 第一章文献综述肿一毁籪一伽一。一一毁邺一挥丁如。一唬第一步是水解生成单硅酸和相应的醇的过程；第二步是上部产物硅酸之间或形成的低聚合物进一步聚合形成长链并向空间扩展形成具有三维结构的网状化合物的过程。上述步骤中，前两步是同时发生的，此时体系中出现微小、分散的胶体粒子，符合丁达尔现象，故将其成为溶胶；而当聚合反应大量发生时胶体粒子通过范德华力、氢键、化学键等作用实现粒子链接过程形成空间网络结构，宏观表现为粘度增加失去流动性，此时将其称为凝胶。故此种制备材料的方法也称为溶胶凝胶法。基于上述反应步骤和对反应速率的实际要求，以及共水解缩合过程对单体水解速率以识别性能，从而实现材料的高选择性。研究内容及意义本研究基于分子印迹的理论将此项技术拓展到植物化学物的提取领域，将两个热点 第一章文献综述中能够呈现较高程度的分散，加之作用位点的功能基设计使其与目标分子的相互作用较为多元化，包括离子键、氢键及各种协同作用，使识别过程能够排除水分子氢键的干扰，从而一定程度上解决水相识别这个分子印迹领域的普遍难题；期笔者选取了此类物质共有的且对其他物质区分度最高的官能团作为印迹识别位点，借助印迹理论和溶胶凝胶过程得到的微结构对此类化合物具有良好的识别性能，即此类新型材料证实了“部分识别实现整体识别”的学术思想，在实际应用体系的应用中也得到了良好效果，此思路对于解决一类物质的提取富集和大分子识别纯化具有重要的借鉴意义。 实验设备、仪器和主要试剂表实验仪器及测试设备一览表设备名称及型号型奥豪斯电子天平奥豪斯仪器虾有限公司天津市欧诺仪器仪表有限公司昆山市超卢仪器有限公司天津市鑫洲科技有限公司天津市华兴科学仪器厂型真空恒温干燥箱疨湎哐苌湟美国康塔公司美国铂金埃尔默瓻公司饥统渫干涞缇 第二章材料制备实验天津市光复精细化研究所天津市福晨化学试剂厂天泮市光复精细化工研究所上海品纯实业有限公司咖啡酸活性炭大孔树脂大孔树脂大孔树脂天津南开合成科技有限公司天津南开合成科技有限公司山东鲁抗立科药物化学有限公司山东鲁抗立科药物化学有限公司天津市顺时德人药房 故将对不同条件下的水解缩合行为进行系统研究，力求制备出适宜的基体。，正交试验的因素和水平选择见正交表头设计表绫；选择正交表安排试根据正交设计的要求分别进行不同条件下水解制备硅质基体的实验，步骤如下：水解正交试验的因素水平及各试验安排如表、表所示： 第二章材料制各实验畲呋牟僮髯阆蚍碕衄体系中加入氨水附注：岽呋牟僮魇怯醚嗡峤葱奶逑祊鞯鉴于本试验的目的是制备出适宜作为分子印迹材料的聚硅氧烷类基体，制备原理 表正交试验现象记录籱根据不同因素水平结合试验现象对的水解缩合过程进行分析： 根据表中数据进行极差分析，可得出各列因素对试验指标影响的极差排队结果为从方差分析角度来看，各因素对试验指标的影响从大到小排序与极差分析的结果一 第二章材料制各实验表正交表的数据处理勉麓侈：会孵鳄盯强加加铉势餹衫不珊鸰薹：蚴啪珞珞陋他曼甜鳃弭偏差平方和习粅萎麟宦恒钆颌垡虎 凡鼢，性通过实验过程和以产量为指标的正交数据分析，考虑到满足本研究下一步所要求的 第二章材料制备实验溶胶一凝胶过程温和、可调变的需要，综合原材料成本，能耗及产物获取等方面的要求，选定分子印迹基体的制备条件为：水解温度：；水硅比：能化设计的要求。为使材料能够实现功能化和构型设计，本实验将引入一定量的丫一氨丙反应，制备步骤如下：待溶胶凝胶过程完成后将产物粉碎、洗涤；置于恒温干燥箱中进行减压干燥；称量产物，装袋备用。 水解的溶胶凝胶过程，制备印迹分子与功能基体形成良好作用的主客体聚合物，步骤如下：按水解反应需要架设反应装置，并将恒温水浴温度调到；在烧杯中将与质子化功能硅源混合物；有论述，在此不再重复； 第二二章材料制备实验将已知浓度的咖啡酸样品在叫姗范围内进行紫外波长扫描，确定其特征吸收波长；表咖啡酸标准系列的吸光度图咖啡酸检测标准曲线髓 【 第二章材料制备实验按照表的要求分别向不同编号的锥形瓶中加入不同乙醇浓度的印迹分子洗脱液；用癿尼龙滤膜对完成洗脱的组别进行固液分离； 表正交表的数据处理。蝉蕀劲呦偏差平方和两附注：表中各参数计算公式及盎蒯数值见参考文献 第二章材料制备实验在各因素对试验指标的影响方面，方差分析取得了与极差分析相一致的结果，进一综上所述，将主客体聚合物中的印迹分子脱除，生成活性空穴的适当条件为：洗脱温度：；洗脱剂：乙醇；洗脱时间：。在完成印迹分子的反复洗脱后，会生成活性空穴并且功能基团得以以合适的空间构型暴露出来，最后经过减压干燥、粉碎过筛等过程即得到针对目标物质的分子印迹材料。而且本文的溶胶凝胶制备方法相对于传统的悬浮聚合制备而言，水在反应中除了作为分散剂以外更是主要的反应原料，在溶胶凝胶过程中逐渐消耗，从而大大降低了极性干扰造成的影响以及水溶性印迹分子的损失。 第二章丹参提取液吸附实验第三章丹参提取液吸附实验枞敢海鹤既烦迫原儿茶醛对照品于容量瓶中，蒸馏水枞褂靡海喝储备液于容量瓶中，蒸馏水定容，得到浓度为的原儿茶醛使用液，随用随配；溶液：将溶液；的溶液； 表原儿茶醛标准系列的吸光度图原儿茶醛检测标准曲线 脆 第三章丹参提取液吸附实验故本文采用水提醇沉法来制备丹参提取液，即将一定量的丹参药材在合适的提取方式下用蒸馏水提取一定时间及适当的次数，将固体药材和液体进行固液分离，往滤液中加入一定量的乙醇并静置一定时间，此时体系中含有的糖类、蛋白质等大分子物质会因不溶于醇而析出或形成沉淀，此时再进行固液分离除去不溶物后即得到主要成分为水溶性酚酸的丹参提取液。的因素为水用量、提取时间及次数、提取方式等因素。本文选择正交设计的方法来安排于实验过程及最终的提取量影响极大，故选择较多的水平，以固体药材的倍数计量不同的用水量；超声和微波近年来有很多应用尝试，但就目前的文献来看，不同学者得到每次提取时间为，确保充分提取，同时辅助次数的考量捌谔剿魇笛橐阎鞯次 分别准确称量崛河诒壬ü苤校凑所述的氧化显色定容步骤得到工作曲线进行浓度换算。 表止交试验现象记录试验号醇沉过程析出人量絮状物，分布于底部和液面附近，上部较多，同液分离后得到的提醇沉完成后底部有极少量粉状沉淀，固液分离后得到的提取液较混浊。醇沉完成后底部有极少量粉状沉淀，同液分离后得剑的提取液较混浊。醇沉后底部出现一定量的深色粉状沉淀，固液分离后得到澄清度较高的提取液。试验的样品分析液在处的吸光度及提取出的总酚酸质量见表所示：表提取液的总酚酸含量 第二章丹参提取液吸附实验表止交表的数据处理矽尸偏差平方和两民局局显著性由上表的正交数据分析结果可以看出，在极差分析方面，各列因素对试验指标影响 水用量；煎煮回流提取方式；每次一小时提取两次；醇沉剂采用的乙醇水溶液。目前大孔树脂在丹参总酚酸的分离纯化研究中扮演着重要角色，研究者们使用不同 庭。因此本实验将选用大部分文献中出现的用于丹参总酚酸吸附的大孔树脂和前述针对化其性能；与提取液充分接触；分别准确称量崛河诒壬ü苤校凑所述的氧化显色定容步骤得到总酚酸的浓度豢笪J褂醚返奶寤慌笪J褂玫奈郊林柿。各吸附剂对丹参提取液中总酚酸的静置吸附情况如表和图所示： 第三章丹参提取液吸附实验表吸附对比实验数据圆闺圈固图各吸附材料对丹参总酚酸的吸附量鲫叫豫眔臿静置吸附处理后，浓度即降至以下，而实验中其它所选择现有吸附材料处理的提取液经相同的吸附处理后浓度均在咖以上，简单的对比显示了分子印迹材料材料对丹参总酚酸的优越吸附能力，也证明了将分子印迹技术针对性引入植物化学物提取这一思路的正确性，此方法展现了分子印迹材料在单一或一类成分的植物化学物及中药有效部位提取的良好应用前景。晚， 第三章丹参提取液吸附实验和相对于，对丹参总酚酸的吸附能力有所降低；而强极性的磺酸型离子控制等操作，因而在丹参提取液的吸附中展现了良好的性能。目前认为吸附质分子在与多孔性吸附剂组成的固液体系中的吸附过程分为三个必要步骤：吸附质分子透过液膜被吸附于吸附剂颗粒的外表面，即膜扩散；吸附质分子通过微孔向吸附剂内部扩散到达吸附位点，即粒内扩散；吸附质分子与吸附位点发生各种作用而被吸附。因而可以从扩散理论和表面吸附动力学方程等不同角度来描述吸附质分子在吸附剂上的动力学行为。 公式式中，N郊猎趂时刻的即时吸附量与平衡吸附量的比值，表示吸附剂的使用程度，是液膜扩散速率常数。：皂一历公式公式。一曰。·后公式七；公式式中，岛、如、砭分别为准一级反应速率常数。、准二级反应速率常数甴。、二公式 第二章丹参提取液吸附实验式中，7从俾食簧任7从袒罨以>晕露；彳为指前全部取样完成后，分别准确称取艘河诒壬ü苤校凑所述的氧化显其吸光度；表吸附动力学实验数据痑叩 第三章丹参提取液吸附实验撕：穹诣 一度在这一阶段缓慢下降，最终达到吸附平衡。从不同温度下的吸附动力学数据来看，随着吸附温度的升高，分子印迹材料对丹参总酚酸的吸附能力逐渐增强，在每一个时间点上，吸附剂在较高温度下进行的吸附实验均比在较低温度下进行的实验吸附了更多的丹参总酚酸，但吸附温度的升高并未改变吸附达到平衡过程的时间。在和进行的吸附动力学实验过程中扩散与识别主导作用的变换表现较为明显；当吸附温度升至时，在整个吸附过程中溶液中的丹参总酚酸呈现出较为均匀的下降趋势，最终达到吸附平衡，说明温度的提升有可能突破了识 第三章丹参提取液吸附实验旬×。唧××××曲一一呼苫一一 第三章丹参提取液吸附实验图不同温度下粒内扩散控制拟合砷· 肋通过分析不同温度下的模型参数可知，液膜扩散速率常数土诶俾食鼴均随着吸附温度的升高而增大，说明提高吸附温度可以通过强化扩散过程从而提高吸附效率和吸附能力，吸附量数据对此亦有体现。而随着吸附温度的升高，两个扩散模型的回归相关系数方值均在下降，说明实际吸附过程与扩散模型所假设的情况契合度逐渐降低，可以推断，随着温度的升高，扩散对吸附过程的影响逐渐变小，主导地位渐渐被其 第二章丹参提取液吸附实验图不同温度下准一级动力学方程拟合图不同温度下准二级动力学方程拟合 第三章丹参提取液吸附实验篓一力垒乏望功一学出一瓣一·上：··土螅篺七；局七杈唧尸萨七：嘶尸鼽恕后：一至基：生：兰塑：“ 第三章丹参提取液吸附实验从不同温度下实验数据的准二级动力学方程拟合结果可以看出，随着温度的升高，线性相关系数方值有所增大。这是因为在较低的温度吸附时，扩散作用还占据着重要地位，此时综合考虑吸附各因素的准二级动力学方程的优势尚未完全体现，随着温度的升高，扩散作用逐渐失去主导作用，空间限制及基团识别等其它作用力的影响逐渐显现出来，因而与准二级动力学方程的契合度逐渐提高，这与扩散理论得到的结论是相呼应的。同时，也不能否认准二级动力学方程在描述此类复杂的吸附行为时也有其局限性，例如，高温下拟合得到的吸附速率常数偏小、计算平衡横吸附量对实验值偏差增大等，这说明试图用一个理想模型完全准确描述一类实际的吸附行为是不现实的，只能结合实验不断总结完善。酚酸结构中含有大量的羟基和羧基，当二者在弱酸性的水提醇沉液中接触时，羟基之间以及其与羧基之间的协同作用会使酚羟基和羧基成为具有较强供氢原子能力的结构，分子印迹材料上具有特定排列的得受氢结构会将其牵引到特定位置实现富集；同时，在空问构型上严格符合印迹分子的介孔结构对其的识别功能，也使吸附活化能高于普通氢键。因此，分子印迹材料含有的功能基团与目标分子的氢键协同作用，以及介孔结构在空间构型上的特异性识别，是分子印迹材料对丹参总酚酸实现良好吸附且活化能较高的主因。 第三章丹参提取液吸附实验热力学对吸附质的吸附过程常用眜和降任履徒醒芯俊引，以下分别介绍：呈：公式吸附等温模型与降任履妥畲蟮牟煌谟贔等温公式 算。吸附热力学数据进行拟合分析后，进行热力学数据的计算，以下简单介绍使用的主理吸附还是化学吸附，它可以根据吸附等温数据计算得出，计算公式为锄匠獭炕颌痶等公式故吸附自由能氡臀搅縌姒无关。吸附熵变可按照緃方程计算： 分别准确称取艘河诒壬ü苤校凑所述的氧化显色定容步骤得到分子印迹材料对丹参总酚酸在不同温度下的吸附热力学数据和吸附等温线如表 鎪锄图不同温度下丹参总酚酸的吸附等温线珏辴·百韵，体现了基于分子印迹技术制备的材料性能的提升。，图捅。 第二章丹参提取液吸附实验子印图巫芊铀岬腇吸附等温线鴇静拍踮 一恒鱼刭图丹参总酚酸的吸附等温线 舢 的计算结果见表印 第三章丹参提取液吸附实验化学键数，说明分子印迹材料对丹参总酚酸的吸附是自发进行的，即丹参总酚酸较容易被分子化此吸附过程，这与前面的结论是符合的。本吸附实验的熵变芪狫下值，说明吸附完成后体系总体的混乱程度有所增加，这是因为分子印迹材料对丹参提取液中总酚酸的吸附过程始终伴随着溶剂水分子从吸附剂上的脱附。总酚酸被吸附后运动变规则，是一个熵减的过程；而水分子自材料上脱附后变为无束缚的自由运动，是一个熵增过程。水分子的尺寸远小于丹参总酚酸，数量也较大，对体系混乱程度的贡献强于丹参总酚酸，故吸附前后体系表现为熵增过程。 第四章材料表征实验表征方法湎哐苌浞治道镆侗浠缓焱夤馄簧湎吖獾缱幽芷追钊纫蝗戎胤治热分析是指在程序控温下，测量物质的物理性质与温度变化关系的一类分析方法。 缺砻婊饬干涞缱酉晕透射电子显微镜是采用电子作为光源，将电子束照射到足够薄的样品表面，入射电子将被反射或深入到样品内部，部分甚至能够穿透样设备条件鹠表征采用荷兰鏲公司生产的疨所制备的材料进行衍射分析。测试条件：靶，射线，工作电压，工作电流采用美国旧腘智能型傅立叶变换红外光谱仪，将待分析样况。测试条件：扫描范围璨匠。 气氛围测量，温度范围妫滤俾妫痬。结果与分析 第四章材料表征实验图制各材料的图鎍由图中可以看出，从扫描起始角度开始至掠角为保植牧系腦射线衍硅质基体、功能性硅凝胶和咖啡酸分子印迹材料的谱图分别对应图中的 第四章材料表征实验由图可见，材料在各红外特征吸收区域的出峰位置和峰型较为相似，说明量存在的各种表面羟基和结晶水羟基的伸缩振动造成的，且羟基之间缔合作用强烈，三对于谏焖跽穸蚍逍捅淇怼慷燃忧浚馐且蛭R肓擞谢方进行共水解功能化后，材料中引入了大量瓾和堑奶卣魑詹直鹞三个材料在锄，院均出现了明显的强吸收，分别对应的是的反对称伸缩振动，对称伸缩振动和弯曲振动，说明三种材料的骨架均是由黃表征将硅质基体苄怨枘篘，咖啡酸分子印迹材料直鸾孝黃 第四章材料表征实验测试，各材料的表面元素相对含量和表面原子结合能如下所示。面元素增加了蚦馐且蛭T诠芑头肿佑墓讨幸肓擞谢稟的峰分裂现象，说明各材料中的元素价态较为单一且稳定性较好，在此基础上于基质上构一致。结果如图、图所示。 第四章材料表征实验，狣图是三种材料的差热一热重曲线瓺覰的曲线可以看出，硅质在叫范围内还出现了较宽的放热峰，此为空气氛围下的氧化反应所致，表明 图鞑牧系腄曲线为平稳，支持了功能化和印迹操作改善了热性质的结论。痑 毛图柚驶錘材料的孔径分布曲线图各材料的氮气吸附等温线·蚈，这保证了此类材料对吸附质具有较大的作用面积和容纳 第四章材料表征实验验。图所示的氮气在各材料上的吸附等温线可证实这一推论，由图可见，氮气在图柚驶錘的透射电镜图 第四章材料表征实验麟曩是咖啡酸分子印迹材料的图像，由制备过程可知，其是在印迹分子的存在下进行共水解反应，故在结构单元构筑成结构的过程中，印迹分子将起到引导和限制作用，在构筑完成后除去印迹分子，将暴露出由功能基团和空间构型协同构成的活性空穴，在图中可以观察到大量大小不一、分布不规则且具有一定构型的空穴，说明本文的印迹方法是成功的。 第五章结论 譴膁】瓵瓹甋，【縋【縒【緼鷇甅【緼猼酣篈蕋轪【浚甈，鶫，背鷇”【浚瓵【】觚曲鉭，浚甁锄 【】张立永，程国祥分子印迹聚合物微球的制备与应用【浚呒际跬叮：眅：簍鷇鷄浚甅锄，： 琈“【浚甁响耄锄琈鬳琒甀緋彬衐鰕猼【浚甁，：綣】【】琕鏽甌，：【】汲鷇】甋：【】畂鑗”，朗齞：【】姜忠义分子印迹聚合物的制备与应用【浚澜纾：孤【浚甁跫纋蛳【浚甁辧鷄綣】衏，郴，【】琀血浚瓵锄， 【】琑锄琈【】逤，遚琒碆， 印鏲礽血莕齛綣】啪【】瓻啕糯鑕，綣】甊琹谢鰕 琈甿舔籱。【浚甅：、，【】窦建芝，陈煜有机硅聚氨酯共聚物的制各研究与应用【浚滦筒牧希：甆浚甁：【】畂觚鹏辪【】衄瑂舡够維：【】猭琒蠫甋耫鶧：恚緊阤【浚甁砌朗，病皍，·，【浚甁，： 辩锄【】珹琹【】琓【境荄眒【浚瓹甅盯，： 【】吕运开，严秀平分子印迹溶胶翰牧系闹票讣坝谩綣】分析化学，【】冯弧云，冯朝伍，张金利化：基础实验】北京：化学阂党霭嫔纾玪 【】吴立军，吴继洲天然药物化学】北京：人民卫生出版社，【】高霞，王著明，温守俭不同水提醇沉法纯化丹参总酚酸阂盏谋冉稀綣】吉林医学，：【】鶫 磇瑚胨籩撕【浚甃舯【】觚觭遗【浚甋印【】王晓春，张希艳材料现代分析与测试技术【浚本汗拦党霭嫔纾【】进藤犬辅，及川哲夫材料评价的分析电子显微方法】刘安生，译北京：冶金工业出版社，【】介万奇晶体生长原理与技术】北京：科学出版社， 发表论文和科研情况说明发表论文和科研情况说明 在实验室工作及撰写论文期间，我的师兄王鑫，师姐张存存，同学王爽、张西雷，感谢，感谢他们陪我渡过了快乐的研究生生活。