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两种分子印迹聚合物制备方法的研究 有机化学 金韬 导师：邓芹英教授 摘要 本论文对两种分子印迹聚合物( 硅胶接枝法印迹麻黄碱和相转化法印迹双酚 a ) 的制各方法及吸附性能进行了较认真的研究。全文共分三章： 第一章对分子印迹技术的发展、分子印迹聚合物( m 口) 制备方法及应用研 究进行了较全面的文献综述。 第二章研究了硅胶接枝法制各麻黄碱分子印迹聚合物的方法。选用薄层色谱 用硅胶作为支持体，经酸水解活化后，与硅烷化试剂y 一( 甲基丙烯酰氧) 丙基 三甲氧基硅烷反应，使硅胶表面接上可聚合的碳碳双键基团，再与功能单体甲基 丙烯酸、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 交联聚合，得到烙印麻黄碱的 m 口。通过元素分析、紫外光谱和红外光谱等手段对衍生化硅胶和印迹聚合物进 行了结构和性能表征；用紫外分光光度法测定了m i p 对模版分子的表观吸附量 为4 6 2 9 m o l g ，并研究了不同原料配比制各的m i p 对模板分子的吸附性能的影响； 比较了印迹麻黄碱的m 口对模板分子及其相似物的吸附性能的差别，表明了该 m 口对麻黄碱具有良好的吸附选择性。论文还与本体聚合制备的分子印迹聚合物 的吸附性能进行了比较。 第三章对用相转化法印迹双酚a ( b i s p h e n o ta ，b p a ) 的方法进行了文献综 述和初步的实验研究。摸索了相转化法制备分子印迹聚合物分离膜的实验条件， 选用聚苯乙烯( p s ) 、乙烯一醋酸乙烯酯共聚物( e v a ) 两种聚合物为原料，采取直 接溶解的方法印迹双酚a ，讨论了聚合物和模板分子在体系中浓度对产物吸附性 能的影响。结果显示，e v a 对b p a 没有特异性吸附效果，而p s 原料中的添加 剂可能影响了聚合物膜对b p a 的印迹及吸附性能。同时结合文献结果，对该方 法进行了评价，认为选用交联度不高的具有潜在印迹能力基团和一定刚性的纯的 链状聚合物，才能对模板产生特异性吸附。 关键词：分子印迹技术，分子印迹聚合物，表面接枝聚合，相转化法 i i s t u d i e so np r e p a r a t i o nm e t h o d so ft w ok i n d so f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r s m a j o r ：o r g a n i cc h e m i s t r y a u t h o r ：j i nt a o s u p e r v i s o r ：p r o f d e n gq i n y i n g a b s t r a c t t h ep r e p a r a t i o n sa n dp r o p e r t i e so ft w ok i n d so fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r sw i t hg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o no n s i l i c a g e lt oi m p r i n te p h e d r i n ea n d a l t e r n a t i v em o l e c u l a r l yi m p r i n t i n gt oi m p r i n tb i s p h e n o lah a v eb e e ns t u d i e di n t h i s p 印e r , i nt h ef i r s t c h a p t e r , t h ep r e p a r a t i o nm e t h o d s ，r e c o g n i t i o np r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o no f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r sa r er e v i e w e d i nt h es e c o n d c h a p t e r , t h eg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o no ns i l i c ag e l t oi m p r i n t e p h e d r i n ew a ss t u d i e d s i l i c ag e lh u s e df o rt h i nl a y e rc h r o m a t o g r a p h yw a sa p p l i e da s c a r r i e r , a c t i v a t e db yn i t r i ca c i d ，t h e nr e a c t e dw i t h3 - m e t h a c r y l o x y p r o p y l t r i m e t h o x y - s i l a n e ( m o p t s ) ，t oc o n n e c tc a r b o n - c a r b o nd o u b l eb o n dw h i c hc a r lb eu s e df o r p o l y m e r i z a t i o nt oi t ss u r f a c e ，f o r m e dd e r i v e ds i l i c ag e l t h em i pp o l y m e r i z e dw i t h s i l i c o ng r a f tw a sp r e p a r e db yt h e r m a lp o l y m e r i z a t i o nu s i n ge p h e d r i n ea st e m p l a t e ， c h l o r o f o r ma sp o r o g e n ，m e t h y la c r y l i ca c i d ( m a a ) a sf u n c t i o n a lm o n o m e r 2 , 2 一a z o b i s i s o - b u t y r o n i t r i l e ( a i b n ) a sf r e er a d i c a li n i t i a t o ra n dg l y c o ld i m e t h y l a c r y l a t e ( e d m a ) a sc r o s s i n gl i n k e r t h ep r o d u c t so f t h e d e r i v e ds i l i c ag e la n dm 口 w e r ec h a r a c t e r i z e db ye l e m e n ta n a l y s i s ( e a ) 、u l t r a v i o l e ts p e c t r o m e t r y ( u v ) a n d i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( i r ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a xa b s o r p t i o no fm i pt o w a r d s i i i t e m p l a t ei su pt o4 6 2um o l g ，a n dd i f f e r e n tp r o p o r t i o no fc o m p o n e n t s h a si n f l u e n c e o nt h ea d s o r b i n gc a p a c i t yo fm i p t h em i pu s e de p h e d r i n ea st e m p l a t eh a se x c e l l e n t b o n d i n gp r o p e r t i e sa n dr e c o g n i t i o na b i l i t i e st o w a r dt e m p l a t er a t h e rt h a no t h e rs a m p l e s w i t hs i m i l a rs t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ea d s o r ba b i l i t yo f m i pp o l y m e r i z e di nt h i sw a y w a sc o m p a r e dw i t hb u l kp o l y m e r i z a t i o n i nt h et h i r dc h a p t e r , a l t e m a t i v em o l e c u l a r l yi m p r i n t i n gi sa p p l i e dt oi m p r i n t b i s p h e n o la ( b p a ) ar e v i e wa n ds o m er e s e a r c hw e r eb a s e do n i t i tw a st r i e dt of i n d o u tt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nt os y n t h e s i z em o l e c u l a r l yi m p r i n t i n gp o l y m e r i cf i l m p o l ys t y r e n e ( p s ) a n de t h y l e n e v i n y la c e t a t e ( e v a ) i su s e da s r a wm a t e r i a l ，a n d d i s s o l v e di nt h fd i r e c t l yt oi m p r i n tb p a t h ep r o p o r t i o no ft e m p l a t eo rp o l y m e ri n t h es y s t e mw a sc h a n g e dt os e eh o wg r e a ti t a f f e c t so nt h ea b s o r p t i o no fm i p a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，e v ad on o ta d s o r bb p as e l e c t i v e l y , w h i l et h ea b s o r p t i o no f m i pm a d eb yp ss h o w e da b n o r m a la b i l i t ym a y b ed u et ot h ea d d i t i v e si nt h er a w m a t e r i a l a n dt h e n ，t h et h e s i se s t i m a t e st h i st y p eo fm e t h o di nc o m b i n a t i o nw i t h l i t e r a t u r e st h ec o n c l u s i o ni st h a ti no r d e rt oo b t a i nam 口a d s o r bt e m p l a t es e l e c t i v e l y , t h er a wm a t e r i a lm u s tb eac a t e n a r i a np o l y m e ro fp u r e ，s o m e w h a tr i g i d ，l o wm o l e w e i g h ta n dg r o u p sg o o df o ri m p r i n t i n g k e y w o r d s ：m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y ，m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r , g r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n ，a l t e r n a t i v ei m p r i n t i n g ，e p h e d r i n e 中山大学硕士学位论文 第1 章前言 分子印迹技术也叫分子烙印技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y , m i t ) ，是- 7 十 新型的分子识别技术。分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r , m i p ) 是以待研究 的化合物为模板分子，通过一定的方法设计合成具有固定空穴大小和形状及有确定排列 功能团的交联高聚物。这种高聚物的结构在空间上与模板分子完全匹配，因此对模板分 子具有特定选择性。 分子印迹的基本思想源于对抗体与抗原或酶与底物专一性识别的认识，即一种抗体 只能针对一种抗原，一种酶只能选择性地催化- - 7 5 或固定几种底物。二十世纪四十年代， 诺贝尔奖获得者p a u l i n g 在研究抗体和抗原的互相作用时就提出了以抗原为模板来合 成抗体的设想，可以说是对分子印迹最早的描述。1 9 4 9 年，d i c k e y 【1 】首先提出了“分子 印迹”这一概念，但在很长一段时间内没有引起人们的重视。直到1 9 7 2 年由w u l l t 研 究小组首次报道了人工合成的有机分子印迹聚合物之后，这项技术才逐渐为人们所认 识，由于该方法对分子识别的卓越性能，现正越来越受到重视。近几年来，分子印迹技 术有了迅速的发展，已在分析化学、药物化学以及催化合成等领域显示出良好的应用前 景。 1 1 分子印迹技术分类 分子印迹技术按照模板分子与功能单体的作用方式不同可分为：自组装和预聚合两 种方式，由于自组装方式以非共价键形式作用，所以又称非共价方式，而预聚合方式以 可逆的共价键键合，可称其为共价方式。 德国的w u l f f t 2 1 、瑞典的m o s b a c h 3 】等人在共价键和非共价键型的分子印迹技术方 面作了开拓性的工作，促进了这一领域的发展。一般说来，共价型m 口先是印迹分子 与单体作用，形成共价键，再交联固化，形成性能较稳定的m i p 聚合物合物( 见图l 1 ) ， 但适合采用这种方法印迹的化合物不多，且印迹分子不易除去。而非共价型m i p ，在 预组装溶液中功能单体与模板分予以疏水作用、氢键作用、n n 作用以及范德华力1 4 j 等较弱作用力发生相互作用( 见图1 2 ) 。非共价法制备m 是目前最常用的方法。非 中山大学硕士学位论文 共价法的分子印迹系统多种多样，印迹分子可以用较简单的方法除去，但产物m i p 对 模板分子识别的专一性不如共价法制得的m i p 强，可以说这两种方法各有所长，相得 益彰。 f o l 聚台 图1 - 1 共价法制各m i p 的示意图 图1 - 2 非共价法制备m i p 的示意图 更有w h i t c o m b e 将两种作用结合起来运用【5 1 ，在制备m i p 时，先使模板分子与功 能单体通过共价键的形势形成单体一模板分子结合物，这一过程相当于预聚合，使单体 一模板分子固定在聚合物网络中，最后通过化学方法除去模板分子，与模板分子结合的 功能单体留在孔穴中，当模板分子再次进入m i p 时，模板分子与功能基的结合不是以 共价键结合，而是以非共价键结合( 见图1 3 ) 。 图1 - 3 共价法和非共价法相结合制备m i p 的示意图 础 岫 中山大学硕士学位论文 分子印迹技术制得的m i p 有三大特点：( 1 ) 预定性( p r e d e t e 砌i n a t i o n ) ，即它可以根 据不同的目标制备不同的m i p ，以满足各种不同需要：( 2 ) 识别性( r e c o g n i t i o n ) ，即m i p 是按照模板分子定做的，可专一地识别印迹分子；( 3 ) 实用性( p r a c t i c i b 订i t y ) ，即它 可以与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比拟，但由于 它是由化学合成的方法制备的，因此又有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能 力，从而表现出高度的稳定性和较长的使用寿命。 1 2 分子印迹技术体系组成 1 2 1 模板分子 摸板分子一般是待研究的目标化合物或其结构类似物，制备非共价型印迹聚合物， 含有强极性基团的模板分子易于与功能单体中的极性基团形成氢键，而由于氢键具有方 向性和饱和性，作用力较强，所以制备出的m p 往往具备良好的选择性。目前能印迹 的分子多种多样，包括糖类( 甘露糖、半乳糖、果糖等) ，氨基酸及其衍生物，嘌呤、嘧 啶等生物碱，酶、抗原，神经递质如乙酰胆碱，羧酸、二醛，杀虫剂、除草剂、染料等。 虽然也有报道以更大分子为模板，如细胞【6 】，但制备仍有一定困难。 1 2 2 功能单体 功能单体的选择主要由模板分子决定，功能单体首先必须能与模板分子成键或形成 氢键、离子作用或n n 作用等，且在反应中它与交联剂分子处于合适的位置，使模板 分子恰好镶嵌在其中。 制备共价键型印迹聚合物，通常使用的功能单体是含有乙烯基的硼酸、醛、胺、酚 和二醇以及含有硼酸酯的硅烷化合物，如4 一乙烯基苯硼酸、4 一乙烯基苯甲醛、4 一乙烯基 苯胺及4 一乙烯基苯酚等。由于硼酸和邻二醇基团形成的酯键可逆性好，易于形成和断 裂，故4 一乙烯基苯硼酸单体在糖类衍生物异构体分析中占有重要的地位。 中山大学硕士学位论文 非共价型印迹，分子间作用力成为分子识别的关键性因素。功能单体与模板分子之 间主要是靠氢键、离子作用、金属配基结合作用、疏水作用以及静电作用等作用力相 结合。而氢键是各类分子之间最普遍、最常见的非共价作用力。 制备非共价型印迹聚合物使用的单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、三氟 甲基丙烯酸、亚甲基丁二酸、丙烯酰胺、4 一乙烯基苯甲酸、4 一乙烯基苯乙酸、2 一丙烯酰 胺基一2 一甲基1 丙磺酸、1 一乙烯基眯唑、4 一乙烯基吡啶、2 一乙烯基毗啶、2 ，6 一二丙烯酰 胺吡啶、n 一丙烯酰胺基丙氨酸、n ( 4 乙烯苄基) 亚氨基二乙酸铜( i d 、d 一环糊精衍生物和 含乙烯基l 一缬氨酸的衍生物等。其中最常用的是丙烯酸类( 图1 4 ) 和丙烯酰胺( 图 1 5 ) 等。 丙烯酸 h h h 甲基丙烯酸三氟甲基丙烯酸甲基丙烯酸甲酯 图1 - 4 丙烯酸类功能单体 h 2 o n h 0 n 肜 h 图1 - 5 丙烯酰胺类功能单体 甲基丙烯酸( m a a ) 分子内除具有一个碳碳双键外，还具有一个羧基，在非极性 或弱极性有机相中，可以通过离子键与胺发生作用，也可以通过氢键与酰胺、氨基甲酸 酯和羧基化合物发生作用，从而与许多模板分子相结合，具有非常大的应用前景。但强 极性有机溶剂或水必然会影响m i p 中功能基团与模板分子之间的氢键作用，对识别过 程产生干扰。因此，在印迹不易溶于非极性或弱极性有机溶剂的模板分子时，m a a 的 应用就受到了限制。 以强极性有机溶剂或水为良溶剂的模板分子，与功能单体必须克服模板分子一极性 溶剂问的氢键作用，而产生更强的氢键作用，或者离子作用，以利于在强极性有机溶剂 或水中进行分子识别。 郭洪声等7 1 发现在极性溶剂乙腈中制备m i p 时，丙烯酰胺为功能单体制备的m i p 明显比甲基丙烯酸为功能单体制备的m p 有更高的选择结合特性，这是因为酰胺基团 4 中山大学硕士学位论文 的介电常数和偶极距明显大于羧酸基团，在极性溶剂中酰胺能比羧酸形成更强的氢键。 通常带碱性基团的模板分子，选用带酸性基团的功能单体；而带酸性基团的模板分 子选用带碱性基团的功能单体。这样一些具有较强酸性或碱性的功能单体就能与模板分 子形成的强的离子作用，在极性有机相或水相的分子识别过程中起到不可或缺的作用。 2 一三氟甲基丙烯酸由于c 一2 上的三氟甲基有强烈的吸电子效应，所以酸性较强，能与碱 性化合物形成较强的离子作用，非常适合于印迹碱性模板分子如尼古丁【8 l 、金鸡纳生物 碱吲、三嗪类除草剂等。郭洪声等用酸性的三氟甲基丙烯酸和碱性的4 一乙烯基吡 啶与头孢氨苄分子结构中的- n h 2 和一c o o h 形成离子作用，使其共溶于溶剂甲醇中，解 决了制备m i p 时，模板头孢氨苄不溶于有机溶剂的问题。4 一乙烯基吡啶和2 一乙烯基吡 啶都具有较强的碱性，可以与模板分子中的羧基产生强烈的离子作用。 丙烯酰胺及其衍生物是生物大分子印迹常用的功能单体。丙烯酰胺是色谱和电泳中 常用的惰性凝胶单体，来源方便，适合于生物物质的分离纯化，它具有的酰胺基团即使 在极性溶剂中也可形成强的作用力，以蛋白质为模板时，蛋白质中的肽键和酰胺基团可 形成较强的作用力，由丙烯酰胺单体合成的蛋白质m p 选择性较好【l 。而t o s h i f u m i 在研究金鸡纳啶的m i p 时采用z n 2 + _ 卟啉金属配位化合物为功能单体与金鸡纳啶进行印 迹【1 3 。由于生物分子或药物分子和金属离子的结合具有高度专一性及温和的结合和断 裂条件，避免了强极性有机溶剂或水溶液对m i p 的分子识别过程产生干扰，这些金属 配位功能单体将在生物识别体系中发挥重要作用。 对于模板分子和功能单体的比例，一般来说，增大功能单体的比例可以使模板分子 与功能单体之间的预组装进行得更加充分，但并不是功能单体的比例越大越好，因为功 能单体的大大过量可能导致非特异性吸附的增加，或者因自身缔合致使选择性结合位点 数减少，所以模板分子和功能单体之间的比例在大部分的文献中都是1 ：4 。 1 2 3 交联剂 交联剂通常是分子中具有2 个或2 个以上活性反应基团的化合物，在聚合过程中形 成三维的聚合物网络，并使m i p 在进行分子识别时保持刚性结构，使m i p 中的“记忆” 空穴不受到破坏。起初人们用二乙烯基苯作为交联剂，但后来发现丙烯酸类交联剂能制 备出更高特异性的聚合物，按照交联剂中所含乙烯基的数目，可以将它们分成二元交联 中山大学预士学位论文 剂、三元交联剂和四元交联剂。常用的交联剂有乙二醇二甲基丙烯酸酯但d m a ) 、n ， n 亚甲基二丙烯酸胺、n ，n - 1 ，4 一亚苯基二丙烯酰胺、3 ，5 一二丙烯酰胺基苯甲酸、二 乙烯基苯、l 一2 二丙烯酰胺基苯丙醇丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯( p e t r a ) 、三甲氧 基丙烷三甲基丙烯酸酯( t r j m ) 等。 目前，制备m i p s 最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) ，主要是因为 其价格便宜，容易纯化，而且制备的分子印迹聚合物性能稳定。对于目前被广泛采用的 如e d m a 等二元交联剂，功能单体与交联剂的比例值一般为1 ：4 ，但同时所制备的分 子印迹聚合物的手性识别位点一般都较少，结合容量较低。而对于三元交联剂，较二元 交联剂多一个乙烯基，在聚合时能够达到更高的交联度，所以在保证相同交联度的情况 下，三元交联剂的用量可以比二元交联剂大大减少，从而提高单位质量m p 中可结合 的位点数目，使选择性、结合容量及回收率有显著的提甜”1 6 】。研究表明三元交联剂 比二元和四元交联荆更易形成稳定的体形聚合物，分子识别位点更加规则、有序，最佳 的功能单体与交联剂的比例值为1 ：1 1 ”。 在对生物大分子如蛋白质进行印迹时，用丙烯酰胺为单体制备m i p 一般对应使用 n ，n 一亚甲基二丙烯酰胺为交联剂进行交联聚合，在肽类分子印迹中季戊四醇类三元或 四元交联剂如季戊四醇三丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯已用于聚合体系中。 1 2 4 溶剂 溶剂在m 制各中不仅仅是作为各种反应物溶剂，还是致c l n ，对聚合物起制空 作用，。它在聚合时控制非共价键结合程度的同时，也影响着聚合物的形态和结构 2 7 1 。 溶剂对印迹分子不但应具有较高的溶解度，最好还能够促进模板分子与功能单体问 的相互作用，至少不干扰这种效应。所以必须根据印迹分子与功能单体间可能的作用力 类型选择适宜的溶剂。一般说来，极性强的溶剂会降低印迹分子与功能单体间的结合， 特别是干扰氢键的形成，而分子自组装就是通过这些弱的相互作用实现的，底物分子一 旦与溶剂形成氢键或其他类型的键，就很难再与聚合物功能基发生作用，m 口产生的 识别效果就差，因此最好应选择弱极性甚至非极性的溶剂，比如甲苯、二氯乙烷、氯仿 等。e s t h e r l l8 在研究三嗪类除草剂时，对分别采用甲苯和乙腈作溶剂制备的m i p 作为固 相萃取固定相的性能作了比较，结果表明介电常数小的甲苯溶剂制得的m 口的回收率 中山大学硕士学位论文 为9 0 ，而乙腈为溶剂时回收率仅为3 7 5 。同样的结论也在m a r k 19 】的研究中出现， 随着氯仿、乙腈、n ，n ，二甲基甲酰胺三种有机溶剂极性的增大，其m i p 的结合率迅 速递减。 但是，也有作者采用乙腈、n ，n 一二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、乙酸乙酯甚 至甲醇、乙醇及醇和水的混合液做溶剂合成m i p s ，此时印迹分子与功能单体主要依靠 疏水作用结合。尽管还不能在水相中制备分子印迹聚合物，但最近关于用水作为溶剂的 分子印迹技术已有了突破性的进展 2 0 - 2 3 。在这些研究表明印迹聚合物已能在水相中识别 底物，印迹反应是可以在水相中发生的。 另外，聚合物的形态也受到溶剂的影响，溶剂使聚合物溶胀，从而导致结合部位三 维结构的变化，引起弱的结合。为了避免任何溶胀问题的产生，识别用溶剂应尽量与聚 合用溶剂相一致。h n m a 【2 4 1 对甲苯和二氯甲烷为溶剂的m i p 的识别性能进行了研究，发 现识别时使用的溶剂和聚合用溶剂一致时，识别性能最好。而s e l l e r g r e n 2 5 1 对甲苯和二 氯甲烷两种溶剂对m i p 结构和形态的影响进行了研究，结果表明以二氯甲烷为溶剂时 聚合物没有多孑l 性结构且溶胀能力较大，而使用甲苯为溶剂时聚合物溶胀性小。 聚合物的溶胀对于以分子自组装方法制备的聚合物的影响大于分子预组织。对于以 分子预组装方法制备的聚合物来说，除去模板分子的聚合物在溶剂中会发生溶胀，但当 聚合物重新与模板分子结合后，聚合物的体积由于功能基与模板分子的反应而减小，甚 至减小到原来的体积2 ”。而对于分子自组装方法制备的印迹聚合物来说，则不存在这 种体积减小的现象。这说明：预组装分子印迹聚合物功能基与模板分子之间的作用力强 于溶剂与聚合物链的作用力。 1 2 5 引发剂 分子印迹聚合物是通过自由基聚合制备的，一般以偶氮二异丁腈( a m n ) 或偶氮二 异庚腈为引发剂，两者之中以a i b n 的应用最为广泛。引发剂引发聚合有两种方式：高 温( 一般为6 0 。c ) 热引发聚合和低温( 一般为oo c ) 光引发聚合。0 s h a n n e s s y 2 7 等人在制备 m 口的研究中发现在低温下用紫外光照射引发制备的m 口的性能要高于用高温热引发 制备的m 。与高温热引发相比较，低温光引发具有下述优点：可稳定模板分子和功能 单体所形成的复合物；可印迹热不稳定化合物；还可以改变聚合物的物理性能以获得更 中山大学硕士学位论文 好的选择性。低温光引发聚合的光源一般都采用紫外灯，m i l o j k o v i c 2 8 1 等人尝试用v 射线 来引发聚合反应，但聚合物的热稳定性及识别性能都较差。 1 3 印迹原理 用非共价键作用形式制备分子印迹聚合物必须具备以下条件：( 1 ) 选择的功能单体 能和模板分子通过氢键、离子键或n n 电荷转移等作用力结合形成复合物。( 2 ) 选择 适当的交联剂将功能单体交联起来形成共聚物，从而使功能单体上的功能基在空间排列 和空间定向上固定下来。( 3 ) 通过一定的方法能除去模板分子，这样就在高分子共聚物 中留下一个与模板分子在空间上完全匹配，并含有与模板分子专一结合功能基的三维孔 穴，这个三维孔穴可以选择性地重新与模板分子结合，即对模板分子具有专一的识别作 用。 被选择底物是否能正确进入聚合物空穴是分子识别能否实现的关键。对于一个有两 个结合位点的空穴来说，模板分子进入空穴并首先与功能基通过单位点结合( 图1 6 ) ， 有以下两种可能：最为理想的情况是( c ) 通过模板分子的移动使两个位点都发生作用( a ) 。 但也可能通过模板分子的移动无法形成正确的两位点结合( b 、d ) ，这个模板分子就必须 断裂己结合的键来形成正确的两位点结合。事实上，两位点结合的结合常数大于单位点 结合的结合常数，所以说大多数底物分子都能以正确的方式进入空穴并与功能基结合 1 2 ”0 1 。利用最多的非共价作用是氢键，但如果在印迹和后续的分离过程中只有氢键一种 作用时，其拆分外消旋体的效果不佳；而如果在印迹过程中既有氢键，又有其他的结合 位点时，其拆分外消旋体的分离系数c c 就值很高口”。 图1 - 6 两位点结合示意图 8 中山大学硕二仁学位论文 1 4 分子印迹聚合物的制各方法 1 4 1 本体聚合法 本体聚合是目前应用最广泛的m i p 制备的方法，它把模板分子与功能单体、交联剂、 少量致孔剂混合在一起，在引发剂存在下，通过一定形式进行的聚合反应，得到m i p 聚合物。这种m i p 目前已用于h p l m 3 2 1 、毛细管电泳( c e ) 3 3 - 3 4 】、手性分离 3 5 - 3 6 1 等方 面的研究中。 该方法原料相对简单，受外界干扰少，有利于模板分子与功能单体充分作用，但制 得的m i p 呈块状，经反复研磨筛分，除去细小粉末才能使用，得到的产物是形状不规则 的无定形微粒，而且分子孔穴结构容易被破坏，造成印记不均一，用作高效液相色谱固 定相时，常容易产生色谱峰拖尾现象。 1 4 2 表面印迹法 尽管本体聚合法印迹技术比较简单，但存在着不少弊端，如印迹分子利用率低，印 迹分子不易洗脱，介质内部扩散阻力大，介质形态不规则，以及有效尺寸的聚合物收率 低等【”1 。而表面印迹法 3 8 4 0 1 制得的载体具有较高的孔度和表面积，且印迹识别位点处 在颗粒的表面( 或表层) ，可以使底物较易接近活性点，则能很好地克服这些弊端。 此外，聚合过程中，硅胶表面的修饰基团通过价键距离控制，只有对应底物才有强 烈识别作用，可极大降低非特异吸附对选择性的影响。表面印迹法还可以单独改变载体 树脂的交联度或对孔结构进行调整，通过合成可以容易地得到小粒径及窄分布的载体， 伴随良好的机械稳定性，这类材料应用于色谱柱中具有低压高流速的特点。 m a r g a r e t h eb i a l k 等在硅胶薄膜表面接枝聚合m i p ，即将3 一甲基丙烯酰基丙基三 甲氧基硅烷( m p s ) 键合在硅胶薄膜上，再与功能单体与交联剂接枝聚合形成的聚合物 的平均厚度为1 5 r i m ，经研究发现在功能单体和引发剂的转化比较低时，随着聚合时间 的推移，聚合物的厚度变化趋于平稳，引发剂的量对薄膜的影响不大【4 ”。这种方法不 中山大学硕士学位论文 仅使硅胶的分离效能更加突出，还使m i p 的机械性能大为增强。 i 4 3 相转化法 膜分离技术是一种高效、廉价的分离技术，得到了广泛的应用，分子印迹聚合物出 现之后，人们制成了分子印迹聚合物膜，用于分离结构十分相近的化合物，如茶碱和咖 啡因【4 2 】，苯和环己烷【4 3 ，肽1 类等。 被溶解的聚合物一般有两类：一类是直接溶解商用高分子【4 5 1 ，另一类是通过商用 高分子的改性，使得设定的聚合物对模板的选择性更强 4 6 - 4 8 】。 1 4 4 种子溶胀聚合法 h o s a y a 等f 4 9 。”】应用两步溶胀法定量得到印迹聚合物珠体。第一步先在水中进行乳 液聚合制备聚苯乙烯单分散纳米粒子，粒径为5 0 5 0 0 r i m 。第二步以第一步得到的粒子 为种子在含印迹分子( 胺基萘) 、单体甲基丙烯酸、交联剂及致孔剂的混合物中溶胀， 然后引发自由基聚合，产物是包含印迹分子、单体及交联剂的连续相聚合物。将此材料 用于分离两种胺基萘时，分离效果与无水条件下合成的块状和棒状聚合物的结果相似， 而柱容量要比后者大许多f 5 ”。在以上的研究体系中使用的印迹分子是疏水性的，印迹 分子与单体问有强的离子作用，而对亲水性较强的印迹分子或依靠氢键作用识别印迹分 子的材料来说，在溶胀过程中水相仍会对分子识别产生较大影响。u e z u 等【”增次报道 了水油水乳液体系制备微球的方法，它可以印迹水溶性的分子。 1 4 5 原位聚合法 原位聚合 5 3 城是在色谱柱内或毛细管内直接制得m i p 的一种方法，由于其直接， 快速的特点，因而有一定的实用性。原位聚合虽然不用研磨，但若在h p l c 的钢制色谱 柱中直接台，常常制各得到的整体柱聚合物孔径过小，造成柱压过高，而且难以清洗， 1 0 中山大学硕士学位论文 每做一次就浪费一根柱，成本过高，不常采用。若直接在毛细管中合成，聚合物的交联 度不能太高，否则毛细管的通透度不够，无法进行色谱分析；而m i p 的交联度不够，聚 合物中的孔穴强度就受到限制，重复使用后会造成识别位点的损失。 1 4 6 其它方法 随着化学家对分子印迹技术研究的深入，新的m i p 制备方法不断涌现。采用电聚合 方法制备m i p s 5 4 】，提供了一种m i p s 与传感器界面接触简单有效的方法，而且有利于传 感器的集成微型化。将制成具有生物活性的纳米颗粒【”】，能缓和细胞生长，将其用于 生物系统，显示了其在药理学、生物技术和制药等方面的应用前景。计算机模拟技术被 应用于分子印迹体系 5 “，用分子模拟计算方法对虚拟分子印迹体系进行筛选比用实验 方法对真实的分子印迹体系进行选择要容易得多，因此，计算法被认为是优化印迹条件 最理想的方法，具有广阔的发展前景。 1 5 分子印迹技术的应用 目前分子印迹聚合物以其优良的性能已经在医学、生物、化学和环境等领域得到广 泛的应用。 i 5 i 药物控制释放 印迹高聚物可以吸收大量与印迹分子结构相似的物质，可以被用来作为一种反应性 控制释放载体。有人通过实验，初步提出了药物控制释放机理 5 ”，以某种印迹分子为 模板制得的可体内降解的印迹高聚物载着一定量的与该种印迹分子结构相似的药物分 子，这种聚合物在该印迹分子存在的溶液中可以加速药物分子的释放。可以想象，这种 吸附有药物分子的高聚物进入人体后，如果人体内存有该种印迹分子，则其会同药物分 子对高聚物产生竞争性吸附，从而导致药物分子的逐步释放。 中山大学硕士学位论文 1 5 2 分离技术 目前，临床使用的5 0 0 多种旋光性药物中，大多数以外消旋体形式给药，其对映体 彼此未分离，对药效有较大影响，有的甚至有害。如镇痛药盐酸美沙酮临床上常用其外 消旋体，但其左旋体镇痛作用是右旋体的2 0 倍。又如肾上腺素的左旋体的活性比右旋 体强1 2 倍，消旋体的活性只有左旋体的一半。基于这种事实，1 9 9 2 年美国食品和药物 管理局规定：今后对发展新的旋光性药品都必须给出手性拆分的结果，并分别测定其药 物动力学和毒理学的各项指标。由于分子印迹技术具有较高的立体专一性及识别性，可 将作为手性结构以及非手性结构药物的分离的方法之一。 m p 作为色谱固定相应用于手性药物分离更是引人注目，因为拆分合成药物一直 是制药工业中的一大难题，目前手性药物分离的主要方法是色谱法，而色谱中使用的手 性固定相一般为带有固载化的手性基团。早在1 9 7 7 年，w u l f f 等【5 8 】就报道了以c 【d 甘 露吡喃糖苷为模板制备的m 作为h p l c 固定相拆分其外消旋体，虽然最初的分离结 果并不理想，但后来通过改变色谱操作条件，达到了外消旋体的完全拆分。随后m 口 作为色谱固定相的研究越来越受到重视。 普通手性固定相虽然能将一对异构体完全分开，但难以预测其洗脱顺序。与普通手 性固定相相比，m 口具有高度预定的选择性。以某一对映体作模板分子制备的m 口， 对此异构体的保留时间最长，最后被洗脱。此外，由于分子印迹固定相不仅对模板分子 具有很好的手性分离能力，而且对模板分子结构相似的对映体也有交叉拆分的能力 【5 9 ”】。利用该性质，通过将对彼此具有交叉拆分能力的不同对映体的分子印迹固定相以 一定比例混合装柱的方法，实现了一次进样部分分离多对对映异构体 6 h 。采用将具有 交叉拆分能力的不同对映体的分子印迹固定相色谱柱串联的方法得到串联柱，成功地通 过一次进样手性分离了两对对映异构体 6 2 - 6 3 。 1 5 3 传感器 生物传感器虽然具有极高的灵敏度和特异性，但由于用作分子识别元件的生物活性 组分极易变性失活，传感器制作成本高，可供使用的生物活性组分的种类有限，从而限 中山大学硕士学位论文 制了其大规模的应用。如果能将m i p 用作分子识别元件就会使传感器在保持较高的选 择性和灵敏度的同时，耐受性提高，寿命延长。分子印迹聚合物制成的传感器已经用于 除草剂、糖类、核酸和氨基酸及其衍生物、医药、毒素、溶剂和蒸气等的检测。 1 5 4 催化 m o r i h a r a 小组【6 4 4 6 1 将硅胶经a 1 3 + 处理，在硅化物基质上发生同晶取代，产生路易斯 酸表面，此表面与具路易斯碱特性的模板配位，此后经加热韧化以使路易斯酸位点重排， 形成容纳模板( 配位体) 的最佳方位。除去模板后，留下按最佳方位排列的路易斯酸结合 位点，形成模板的“脚印”。而他们对“脚印”机理进行了改进【6 7 】时，作者发现，若在 “脚印”形成期间将温度提高到7 5 1 0 0 。c 会使催化专一性提高5 0 倍。 1 5 5 环境领域 m i p s 可以除去饮用水或废水中的杀虫剂、对人体有毒的化学物质等。普通的处理 方法通过过滤或反渗透膜，但在将有害离子去除的同时，一些有益的离子也被去除，没 有选择性，而m i p s 可以高度选择性的去除和分离重金属以及放射性同位素。 1 6 分子印迹技术的挑战及展望 在制备m 口过程中需消耗大量的印迹分子，每克干聚物通常需5 0 5 0 0 l a m o l 的印 迹分子，而印迹分子往往是很昂贵且不易得到。而实际上，总有一部分印迹分子( 一般 5 ) 无法回收得到。过去被认为它还留在聚合物中，实际这是印迹分子m i p 中缓慢“渗漏” 造成的，虽然可以通过类似物为模板制得m 毋避免其渗漏。但不一定总能找到高效的相 似物为摸板，故整治渗漏仍任重道远。 随着计算机技术的发展，组合化学必将把分子印迹技术推上一个新台阶。 目前分子印迹技术，主要应用在非极性溶剂中的小分子印迹，而大分子在水等极性 中山大学硕士学位论文 溶剂中的印迹，必将成为今后亟待攻克的一个方向。这也将伴随着新型功能单体和交联 剂面世。 良好的应用前景，必将吸引越来越多的研究者从事这方面的工作。 1 7 本实验研究内容 本实验对两种分子印迹的方法进行了细致的研究：硅胶接枝法印迹麻黄碱和相转化 法印迹双酚a 。 硅胶接枝法印迹麻黄碱，通过元素分析、红外光谱、紫外光谱的性能表征，麻黄碱 的分子印迹聚合物具有良好的吸附性能和令人满意的选择性。还与本体聚合制备的分子 印迹聚合物性能进行了比较，讨论了体系配比的影响。 相转化法印迹双酚a ，从原料选择开始，对这种方法进行了探索。分别选用了聚苯 乙烯和乙烯一醋酸乙烯酯共聚物，采取直接溶解的方法印迹双酚a ，讨论了改变聚合物 和模板在体系中的浓度，对吸附性能的影响。实验表明，聚合物原料的选择和印迹方法 均是相转化法制备分子印迹聚合物的关键环节。 4 中山大学硕士学位论文 参考文献 1 d i c k e y e h t h e p r e p a r a t i o n o f s p e c i f i c a d s o r b e n t s ，p r o c n a t a c a d s c i ，u s a ，1 9 4 9 ，3 5 ：2 2 7 2 2 9 2 w u l f f g ，s a r h a na ，z a b r o c l dk e i l z 3 n n e a n a l o g u eb u i l tp o l y m e r sa n d t h e i ru s ef o rt h er e s o l u t i o n o f r a c e m a t e s t e t r a h e d r o n l e t t , 1 9 7 3 ，4 4 ：4 3 2 9 - 4 3 3 2 3 n o r r l o w o ，g l a d m ，m o s b a c h k a c r y l i cp o l y m e rp r e p a r a t i o n sc o n t a i n i n gr e c o g n i t i o ns i t e so b t a i n e d b yi m p r i n t i n gw i t hs u b s t r a t e s j jc h r o m a t o g r ，1 9 8 4 2 9 9 ( 1 ) ：2 9 - - 4 1 4 】a r s h a d yr ，m o s b a c hk s y n t h e s i so fs u b s t m t e s e l e c t i v ep o l y m e r sb yh o s t - g u e s tp o l y m e r i z a t i o n m a k r o m 0 1 c h e m 1 9 8 1 ，1 8 2 ：6 8 7