通过多重相互作用实现高效选择性磁分子印迹纳米粒子，用于从复杂基质中分离槲皮素并评估其抗氧化活性

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Highly efficient and selective magnetic molecularly imprinted nanoparticles through multi-interactions for quercetin separation from complex matrices and antioxidant activity evaluation

　　

Mengqi Cheng|Guirong Borijihan|Ruijun Tang|Xinru Wang|Yuchen Cui|Yanmei Xu|Ziyi Cheng|Jiajia Fu|Wanting Duan|Yunfei Du|Youxin Li

摘要

槲皮素是一种具有多种药理活性的黄酮类化合物，广泛存在于天然植物中。开发性能优于现有技术的分离方法至关重要。本研究提出了一种多重相互作用策略，用于合成高效槲皮素磁性分子印迹纳米粒子（Que-MMIPs）。研究选用3-丙烯酰胺苯基硼酸、4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸作为功能单体，乙二醇二(2-甲基丙烯酸)酯作为交联剂。通过多种分析技术对Que-MMIPs的形态、结构及其他相关性质进行了表征。吸附实验表明，该吸附剂具有快速的吸附动力学（90分钟）和较大的吸附量（373.04毫克/克），这一数值是已有类似吸附剂的1.65至15.31倍。槲皮素对木犀草素、山柰酚、阿魏酸和染料木素的选择性系数分别为1.18、1.62、2.63和4.35，显示出极高的选择性，这得益于共价键和氢键相互作用的协同效应。此外，该吸附剂还具有良好的重复使用性（超过6次循环），并能快速从日本槐和添加了丹参的样品中分离出槲皮素，具备实际应用价值。经Que-MMIPs分离出的槲皮素及其类似物的抗氧化活性，显著高于吸附处理前后的日本槐提取物。这项研究表明所提出的策略是可行的，Que-MMIPs是一种很有前景的吸附剂，可用来从复杂体系中高效分离槲皮素及其类似物。

引言

槲皮素是一种典型的黄酮类化合物，广泛存在于多种植物性食物和中药材中，被应用于化妆品、功能性食品以及食品保鲜领域[1]。现有研究表明，槲皮素具有多种生物活性，包括抗癌[2][3]、抗炎[4][5]、抗菌[4]、降糖[6]、降压[6]、神经保护[7]以及增强免疫功能[8]等。因此，开发一种绿色且高效的方法，从复杂体系中分离出槲皮素，具有重要意义。然而，由于复杂基质中存在类似化合物，这一任务颇具挑战性。目前，黄酮类化合物的分离方法主要包括纳滤膜分离[9]、沉淀法[10]、离子液体法[11]、色谱法[12]以及竞争共结晶法[13]。尽管这些方法能够得到不错的实验结果，但仍然存在选择性低、耗时长、预处理繁琐以及设备维护成本高等问题。

分子印迹技术是一种模拟天然抗原与抗体反应的技术，可用于制备能够特异性识别目标分子的分子印迹聚合物（MIPs）[14]。其基本原理是在模板分子存在的情况下，功能单体与模板分子发生相互作用形成复合物，然后在交联剂的作用下聚合形成聚合物网络。去除模板分子后，聚合物网络中留下的空腔与模板分子的空间结构相匹配，这些空腔能够特异性识别并结合目标分子。目前，MIPs已广泛应用于药物递送[15]、食品[16]、环境监测[17]以及传感器领域[18][19]。尤其值得一提的是，MIPs在处理复杂植物材料方面表现出显著优势，尤其适用于痕量生物活性成分的分离与富集。该技术不仅有效克服了传统方法的局限性，还具有制备简单、设计灵活、选择性高以及稳定性好等优点[20][21]。

作为分子印迹技术的一种，表面分子印迹技术（SMIT）由于其较大的表面积和多样的载体选择，可能是一种更好的选择。常见的载体包括硅胶[22]、磁性纳米粒子[23]、金属氧化物[24]、氧化石墨烯[25]、碳纳米管[26]、水凝胶[27]、壳聚糖或纤维素[28][29]、金属有机框架[30]、电极[31]、复合膜[32]等。在该技术中，首先将模板分子和功能单体在载体材料表面组装并聚合，形成具有特定识别功能的表面印迹层[21]。目标分子可以直接结合到载体表面的印迹位点上，从而使该技术具有快速的质量传递速率和高分离效率的优势。此外，不同的载体材料还能为分子印迹聚合物赋予其他特性，如pH/温度响应性[21]、磁性[33]、导电性[34]以及生物相容性[35]。近年来，由于在黄酮类化合物如槲皮素的分离与鉴定方面的优势，该技术取得了飞速发展。例如，Govindarajan等人[36]以丙烯酰胺为单体，合成了以磁性纳米粒子包覆的壳聚糖作为载体的MIPs，用于从玫瑰花瓣提取物中特异性分离槲皮素，其载量可达10.07毫克/克。Cheng等人[37]则以磁性氧化石墨烯（Fe?O?/GO）作为载体制备了MIPs，预测其饱和吸附量为19.27毫克/克，该材料已被成功用于红葡萄酒中槲皮素的选择性分离。

尽管有了SMIT技术，现有的MIPs仍存在一些缺陷，比如由于MIPs与模板分子之间的相互作用较弱，导致吸附容量较低。采用多重相互作用策略可能是解决上述问题的有效途径。因此，本研究提出了以Fe?O?@SiO?为载体、具有多重相互作用的槲皮素磁性分子印迹纳米粒子（Que-MMIPs），并对其进行了设计与合成。槲皮素含有苯环、羟基、羰基以及儿茶酚结构，其中儿茶酚结构能够在中性或弱碱性条件下与苯基硼酸基团形成特定的共价相互作用，生成五元或六元环状酯。因此，第一种功能单体选为3-丙烯酰胺苯基硼酸。4-乙烯基吡啶也被广泛用作制备MIPs的功能单体，可用于从植物基质中选择性识别和分离黄酮类化合物。例如，有多项研究成功利用基于4-VP的MIPs从红花中提取杨梅素[38]，从日本槐和荨麻提取物中提取槲皮素[39][40]。弱酸性的槲皮素可能会破坏环状酯的稳定性，因此在此情况下加入碱性单体非常重要。4-VP作为一种强碱性的含氮杂环化合物，可作为另一种单体，与槲皮素分子形成氢键相互作用，协助形成硼酸环状酯。此外，甲基丙烯酸也被用作共聚单体，它能够与槲皮素形成或增强氢键作用。另外，乙二醇二(2-甲基丙烯酸)酯因其能够形成稳定的三维聚合物网络而被用作交联剂，这对于保持印迹空腔的结构完整性和识别稳定性至关重要。预计通过这些单体的协同作用，可实现槲皮素的快速高效分离。随后，通过对合成的Que-MMIPs进行傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、能谱仪、透射电子显微镜、热重分析、X射线衍射、X射线光电子能谱以及振动样品磁强计等分析，对其进行了结构表征。同时，还全面研究了该吸附剂对槲皮素的吸附与解吸条件，以及其选择性和重复使用性能。此外，该吸附剂还被用于从日本槐和添加了丹参的样品中快速分离槲皮素及其类似物。同时还评估了经过Que-MMIPs处理前后日本槐提取物的抗氧化活性变化。

章节节选

材料

硅胶包覆的氧化铁磁性纳米粒子（Fe?O?@SiO?）购自中国安徽的安徽博瑞生物制药研究院。无水乙醇、磷酸（H?PO?，85%）以及抗坏血酸（≥99.7%）购自中国天津的江天化学技术公司。甲醇（≥99.9%）和乙腈（≥99.9%）购自中国上海的阿拉丁化学技术公司。盐酸（HCl，36%-38%）购自中国天津的瑞隆医药化工公司。2,2-偶氮二异丁腈

Que-MMIPs制备条件的优化

印迹材料的外观和吸附性能取决于交联剂的用量。适量的交联剂有助于保持分子印迹材料对模板分子的选择性。因此，通过优化交联剂用量，得到了性能良好的分子印迹材料。当交联剂用量从2.00毫米摩尔减少到1.50毫米摩尔时，吸附量并未出现显著变化（见表S1）。

结论

本研究在表面印迹纳米粒子的设计中采用了多重相互作用策略（共价键和氢键）。成功合成了槲皮素磁性分子印迹纳米粒子（Que-MMIPs），多项表征结果表明该吸附剂已成功制备。所开发的Que-MMIPs具有分离便捷、吸附量大、吸附平衡速度快、选择性高以及可重复使用等优点。其吸附过程符合伪二级动力学模型。

致谢

感谢天津大学药学科学与技术学院仪器分析中心的帮助，使得本研究得以顺利进行。

资助

本研究得到了天津市科学技术委员会重大科技专项及工程计划项目的资助（项目编号：25ZXWCSY00070）。

CRediT作者贡献声明

Ziyi Cheng：可视化分析、实验研究。Yanmei Xu：实验研究。Wanting Duan：可视化分析。Jiajia Fu：可视化分析、实验研究。Youxin Li：论文撰写与修改、研究指导、资源协调、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。Yunfei Du：论文撰写与修改。Guirong Borijihan：实验研究。Mengqi Cheng：论文撰写与修改、初稿撰写、可视化分析、结果验证、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。