（海洋化学专业论文）分子印迹聚合物的制备及固相萃取性能研究.pdf

摘要 摘要 本文共分为四章，包括分子印迹聚合物、海洋微生物活性物质研究进展、氧 化铝模型法合成分子印迹聚合物纳米材料、分子印迹聚合物纳米膜杂化硅胶的制 备方法研究、分子印迹聚合物用于海洋微生物生物碱活性成分的发现等内容。 第一章为前言，分为四部分，主要介绍了分子印迹聚合物的发展历程、合成 方法、应用范围、研究热点：氧化铝模型法合成分子印迹聚合物纳米材料的原理 和应用；可逆加成一断裂链转移自由基聚合和海洋微生物活性物质研究进展。另 外，介绍了本论文研究的设想和创新性。 第二章介绍了用多孔氧化铝模型法合成磁性分子印迹聚合物纳米线。利用多 孔氧化铝膜，合成了对茶碱有特异性吸附的表面分子印迹纳米线。超顺磁性纳米 晶体可以成功的包埋在聚合物纳米线中。这种磁性分子印迹聚合物纳米线在药物 运输和药物控制释放，以及快速富集痕量分析物方面有较好的应用前景。 第三章主要研究分子印迹聚合物纳米膜杂化硅胶的制备方法。通过可逆加成 一断裂链转移自由基聚合( 凡盯t ) 在球形硅胶表面合成了分子印迹聚合物纳米 膜。由于可逆加成断裂链转移自由基聚合具有的可控的特点，使得通过调整实 验条件，可以控制分子印迹纳米膜在硅胶表面的生长，以得到适当厚度的分子印 迹聚合物纳米膜。通过该方法，可以得到较厚的分子印迹聚合物纳米膜以获得较 好的吸附容量，也可以得到较薄的分子印迹聚合物纳米膜以获得较好的吸附效 率。此方法扩展了分子印迹聚合物的合成思路，对分子印迹聚合物固相萃取材料 和分子印迹色谱填料的制备具有重要指导意义。 第四章初步探讨了r a f t 聚合分子印迹技术用于海洋微生物活性物质的分 离提取。利用r a f t 聚合技术，以抗肿瘤活性成分n o r h a r m a n 的结构类似物h a r m a n 作为模板分子，合成了分子印迹聚合物杂化硅胶材料作为色谱填料，用于海洋细 菌p s e u d o a l t e r o m o n a ss p ：n j 6 3 1 次级代谢产物中活性物质的分离提取，验证利 一一 用分子印迹聚合物用于海洋微生物活性成分分离提取的可能性。实验结果表明分 子印迹聚合物固相萃取技术有望成为从海洋微生物中发现活性化学成分的新的 有效方法。 关键词：分子印迹聚合物、氧化铝模型、海洋微生物：固相萃取；活性成分 摘要 a b s t r a c t x i a o f e iy i n t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r s ，a n dt h e ya r e ：( 1 ) a no v e r v i e w so f t h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c hi nm 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 s ；( 2 ) a no v e r v i e w so f r e s e a r c ho ft h ea c t i v ec o m p o n e n tf r o mm a r i n em i c r o o r g a n i s m ；( 3 ) s y n t h e s i so fm i p n a n o s t r u c t u r e sb yu s i n ga l u m i n am e m b r a n e ； ( 4 ) t h es y n t h e s i so fm o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e r s ( m i p s ) n a n o - f i l mh y b r i ds i l i c ag e la n dc h a r a c t e r ss t u d yo ni t ；a n d ( 5 ) d i s c o v e r yo fa c t i v ec o m p o n e n to fa l k a l o i df r o mm a r i n em i c r o o r g a n i s mb ym i p s t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n ，a n di ti sc o m p o s e d o ff o u rp a r t s t h ef i r s tp a r ti sa no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t ，s y n t h e s i z er o u t e ， a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hh o t s p o t so fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r i z a t i o n t h e s e c o n dp a r ti sa l lo v e r v i e wo ft h ep r i n c i p l eo fm i p sn a n o s t r u c t u r e ss y n t h e s i su s i n g a l u m i n am e m b r a n et e m p l a t e t h et h i r dp a r ti sa no v e r v i e wo ft h ep r i n c i p l e ，i n f l u e n c e f a c t o r so fa t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o na n da ni n t r o d u c t i o no fs u r f a c e i n i t i a t e d a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n t h ef o u r t hp a r ti sa no v e r v i e wo fr e v e r s i b l e a d d i t i o n - f r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e rp o l y m e r i z a t i o n ( r a f t ) t h e f i f t h p a r t d e s c r i b e st h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n ta n di n n o v a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r2 ，am e t h o df o rt h es y n t h e s i so fm a g n e t i cm 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 n a n o w i r e su s i n gan a n o p o r o u sa l u m i n at e m p l a t ei sp r e s e n t e d t h em a g n e t i c p o l y m e rn a n o w i r e sc o n t a i n i n gt h e o p h y l l i n eb i n d i n gs i t e su n i q u e l yr e s i d i n ga tt h e s u r f a c ew e r e p r e p a r e du s i n g a l u m i n am e m b r a n ea st h e t e m p l a t e t h e s u p e r p a r a m a g n e t i cn a n o c r y s t a l l i t e sc a nb ew e l le n t r a p p e di nt h en a n o w i r e s t h e m a g n e t i c ，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o w i r e sd e v e l o p e di nt h i ss t u d yc o u l d h a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nd r u gd e l i v e r y , d r u gr e l e a s e ，a n df o rt r a c ee n r i c h m e n to f s p e c i f i ct a r g e tm o l e c u l e si nb i o c h e m i c a la p p l i c a t i o n c h a p t e r3d e s c r i b e sr e s u l to nt h es y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i s a t i o ns t u d yo fm i p s n a n o - f i l mh y b r i ds i l i c ag e li sd e s c r i b e d t h em i p sn a n o - f i l mh y b r i ds i l i c ag e lw a s p r e p a r e dv i ar e v e r s i b l ea d d i t i o n f r a g m e n t a t i o n c h a i nt r a n s f e r p o l y m e r i z a t i o n ( r a f t ) t h ec o n t r o l l a b l en a t u r eo fr a f ta l l o w sf o rt h eg r o w t ho fm i pn a n o f i l m w i t ha d j u s t a b l et h i c k n e s so nt h es i l i c ag e ls u r f a c e t h u s ，i ti sp o s s i b l et ot a i l o rt h e 2 摘要 s y n t h e s i so fe i t h e rt h i c k e rm i p sn a n o f i l m sf o rc a p a c i t yi m p r o v e m e n t ，o rt h i n n e r m i p sn a n o - f i l m sf o re f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t t h er e s u l t se x t e n dt h es y n t h e t i c m e t h o do fm i p sa n dt h er e s u l t sa r es i g n i f i c a n tf o rt h ep r e p a r a t i o no fm o l e c u l a r i m p r i n t i n gs o l i dp h a s ee x t r a c t i o nm a t e r i a l sa n dc h r o m a t o g r a p h i cm e d i a i nc h a p t e r4 ，t h e s e p a r a t i o na n de x t r a c t i o no fa c t i v es u b s t a n c ef r o mm a r i n e m i c r o b i a lb ym i p si sd i s c u s s e d m i p si ss y n t h e s i z e di nt h ep r e s e n c eo fh a r m i n e ，a s t r u c t u r a la n a l o g u e so fn o r h a r m a n ，b yr a f tt e c h n o l o g y t h er e s u l t i n gm i p sw a s u s e da sac h r o m a t o 莎a p l l i cm e d i af o r t h e s e p a r a t i o n a n de x t r a c t i o no fa c t i v e s u b s t a n c e sf r o ms e c o n d a r ym e t a b o l i t e so fp s e u d o a l t e r o m o n a ss p n j 6 3 1 t h er e s u l t v e r i f i e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h es e p a r a t i o na n de x t r a c t i o no fa c t i v es u b s t a n c ef r o m m a r i n em i c r o b i a lb ym 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 ) t h er e s u l t so fo u r e x p e r i m e n tp r o v et h em i t i san e we f f e c t i v em e t h o dt od i s c o v e rt h ea c t i v ec o m p o n e n t f r o mm a r i n em i c r o o r g a n i s ms e l e c t i v e l y 。 k e y w o r d s ：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 i p s ) ，a l u m i n at e m p l a t e ， m a r i n em i c r o o r g a n i s m ，s o l i d p h a s ee x t r a c t i o n ( s p e ) ， a c t i v ec o m p o n e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：孕舭避 日期：幽脚口6 月，6 ) 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、 使用学位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 研究所同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 铷虢晰 论文作者签名：7 烈 日期：c 尹子珲 矽6 月，易日 第一章前言 第一章前言 1 分子印迹聚合物简介 1 1 分子印迹聚合物的来源以及发展历程 分子印迹聚合物( 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 i p s ) 是一种人工合成的 具有分子识别能力的新型高分子材料，其最大特点是对目标分子具有预定的选择 性。分子印迹的出现直接源于免疫学的发展，早在2 0 世纪4 0 年代，著名的诺贝 尔奖获得者p a u l i n g 就提出了以抗原为模板来合成抗体的理论【l 】：( 1 ) 生物体所 释放的物质与外来物质有相应的结合位点；( 2 ) 该结合位点与外来物质在空间结 构上相互匹配。该理论为分子印迹的发展奠定了理论基础，同时也激发了人们以 抗原为模板进行分子自组装合成抗体模拟物的设想。虽然该理论后被“克隆选择 理论推翻，但其理论中所提出的结合位点和空间匹配的观点却成为分子印迹的 基本思想。 2 0 世纪7 0 年代，w u l f f 等【2 , 3 1 首次成功制备出对糖类化合物有较高选择的共 价型分子印迹聚合物。1 9 9 3 年m o s b a c h 等在n a t u r e 上发表非共价型分子印迹聚 合物合成及其仿生免疫分析应用的文章后【4 】，分子印迹聚合物的研究引起了许多 学者的关注。1 9 9 7 年，在瑞典的l u n d 大学成立了分子印迹学会，该学术组织 成立的宗旨是“致力于分子印迹科学与技术的全面发展”。目前该学会在全世界 的会员已有数百名。根据分子印迹学会的不完全统计，目前全世界至少有3 0 0 个 以上的学术机构和企事业团体在从事分子印迹技术的研究与开发工作，主要集中 在瑞典、德国、美国、英国、中国、日本、韩国等十多个国家。 1 2 分子印迹的基本原理 在生物体系中，分子复合物通常通过非共价键相互作用( 如氢键作用、范德 华力、静电作用、疏水作用、亲水作用、兀兀作用) 而形成。虽然单个非共价键 比单个共价键键能低，但多重非共价键和多个作用位点的协同则会形成很强的相 互作用。p a u l i n g 抗体形成理论出发，分子印迹是通过以下方法实现的：( 1 ) 在 适当介质中，具有适当功能基团的功能单体通过与模板分子间的相互作用聚集在 模板分子周围，形成稳定的复合物；( 2 ) 复合物与过量的交联剂形成聚合物材料， 从而使功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固定下来；( 3 ) 通过一定的化 学方法将模板分子脱除，在聚合物材料中就形成了在三维空间大小、形状以及功 分子印迹聚合物的制备及固相萃取性能研究 能配基都与模板分子互补的分子印迹微腔。该分子印迹微腔使分子印迹聚合物具 有天然抗体最重要的特征一分子识别。 o 8 i ；。 铸 函二一蠡。 图1 典型的分子印迪舞台物制备技术 乜助能单体，0 谤嘈硎，( 龌板分子 1 功能单俸与模板分子形瞳夏合物，2 功能革傩与交联齐i 发生共聚， 3 在聚台反应进行中，一个不涪性的高度交联的高分子网络围绕着模板分子形 成 除去模板分子的同时得到一个时f 翼板分子特异性识别能力的结台位点 由于分子印迹聚合物是根据特定印迹分子“量身定做”的，所以建立在分子 印迹聚合物基础上的仿生识别可以和单克隆抗体相媲美，故m o s b a c h 教授将分子 印迹聚合物诙谐的称为“塑料抗体”( p l a s t i ca n t i b o d y ) 。由于使用不同的印迹分 子制各的分子印迹聚合物具有不同的结构和性质，所以一种印迹聚合物只能与一 种分子结合，类似于“锁”和“钥匙”，对印迹分子有相当高的专一选择性。因 此，分子印迹通常又被人们形象的描述为制造识别“分子钥匙”的人工“锁”技 术。 1 3 分子印迹聚合物的特点 w u l 一纠认为一种理想的分子印迹聚合物应具有以下的性质：( 1 ) 聚合物的结 构应具有一定的刚性以保证印迹孔穴的空间构型和互补官能团的定位；( 2 ) 聚合 物空间结构应具有一定的柔韧性以确保动力学平衡尽快达到；( 3 ) 具有亲和位点 的可接近性，以提高分子识别过程的效率：( 4 ) 具有机械稳定性，以使分子印迹 聚合物可以在高压下应用：( 5 ) 具有热稳定性，以便在高温环境下使用。 分子印迹聚合物之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点【6 】：( 1 ) 构 效预定性( p r e d e t e r m m a t i o f i 3 。即模板分子和功能单体形成的这种自组装结构是 在聚合之前预定形成的，所以人们可以按照自己的目的制各不同的分子印迹聚合 物，以满足各种不同的需要。( 2 ) 特异识别性( s p e c i f i cm e o g n i f i o n ) 。即分子印 迹聚合物是按照印迹分子定做的，它具有能识别该印迹分子的特定的识别空腔和 识别位点，可专一的识别印迹分子。( 3 ) 广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。即它可以 与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗体与抗原、受体与激素相比拟，但由 第一章前言 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长的使用寿命：同时分子印迹聚合物可 以识别免疫抑制性分子和剧毒化合物。分子印迹聚合物制各成本低是分子印迹技 术的另一优点。与蛋白质分子识别系统和合成手性识别系统相比，制各分子印迹 聚合物的成本是相当低的，而且印迹分子可以回收、重复使用。所有这些优点表 明，分子印迹聚合物具有非常诱人的发展前景。 1 4 分子印迹聚合物的合成方法 按照单体与模板分子结合方式不同，分子印迹主要可以分为预组织法和自组 装法两种基本方法( 图2 ) ： 分子预组织是通过单体和模板分子之间形成可逆性共价键来合成单体一模 板分子复合物的，德国的w u l f f 和美国的s h e a 为主的研究小组主要从事这方面 研究。 分子自组装则是指单体和模板分子之间是通过弱的相互作用力( 如静电力、 疏水作用力、氢键及金属配位健等) 形成单体一模板分子复合物，而且是在溶液 中自发形成的。分子自组装研究工作的代表是瑞典的m o s b a e h 。 三洳骂融竺艮期 攀匆三麓 图2 预组装法和自组装法示意图 1 4 1 预组织法合成分子印迹聚合物 预组织法( p r e o r g a n i z a t i o n ) 又称共价法，主要由w u l f f 及其同事创立。在 此方法中，印迹分子先通过共价键与功能单体相结合，形成单体一模板分子复合 物，然后加入交联剂交联聚合，聚合后再通过化学方法使共价键断裂而去除印迹 分子。 筌 ，趣鬻 坚 分子印迹聚合物的制各及固相萃取性能研究 比如用d 一果糖为印迹分子，制备印迹聚合物，将2m o l 的4 乙烯苯基硼酸 和1m o l 的d 果糖反应并共沸，除去结合水而形成印迹分子衍生物，1 9 5 8m 0 1 的该衍生物和乙二醇二甲基丙烯酸酯，在1m l 四氢呋喃在存在下生成多孔的印 迹聚合物吼这就是使用预组织法制备的分子印迹聚合物。 这类聚合物曾用于多种化合物的特异性识别，如糖类及其衍生物，氨基酸及 其衍生物，芳基酮类，转铁蛋白，双醛类化合物和双辅酶等。使用的共价结合作 用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等。 一般来说，共价键作用较强，在分子识别过程中结合和解离速度慢，难以达 到热力学平衡，不适于快速识别，且识别能力与生物识别相差太远，制备条件苛 刻且价格昂贵，近年来这种制备方法发展缓慢。 共价键作用的优点是在聚合反应中能获得在空间上精确固定排列的结合基 团。若能将绝大多数的印迹分子除去，则是一类很好的功能材料。对用于催化剂 的聚合物来说，其内部结合基团的方向和空穴中起催化作用的活性基团极为重 要，此情况下共价键结合作用较为有利。 1 4 2自组装法合成分子印迹聚合物 在制备分子印迹聚合物的过程中，印迹分子与功能单体首先通过一种或几种 非共价键作用自组装成具有多点相互作用和确定关系的复合物，再加入交联剂和 引发剂，聚合后这种相互作用被固定下来，然后通过淋洗除去印迹分子，如此就 可以得到分子印迹聚合物。 该方法灵活方便，制备过程简单，仅仅将各成分混合后就可直接聚合，适用 范围广泛，因为非共价键相互作用力较弱，在温和条件下就可以除去印迹分子， 底物的结合和解离平衡也可以较快达到，相对于共价法的印迹聚合物来说，更适 合做高效液相系统中的固定相或者传感器。聚合反应后可除去绝大部分未反应的 化合物，分子印迹聚合物对印迹分子就具有较高的结合选择性。 但这种印迹过程也存在缺点，比如印迹分子与功能单体的化学计量数比难以 确定。由于非共价的分子间作用力较弱，在聚合反应时常常需要加入过量的功能 单体，这会在萃取时造成较严重的非特异性吸附，从而降低萃取选择性【8 】。常见 的非共价键作用有：氢键、静电力、疏水作用等。使用较多的是氢键，如果只有 单一氢键作用，其识别效果不佳，但是在印迹过程中多重氢键或氢键和其他的非 4 第一章前言 共价键共同作用时，分子印迹聚合物就会具有很好的识别性【9 1 。 s e l l e r g r e n t l 0 】研究了静电作用对选择性的影响，当只有一种静电作用时，制 得的分子印迹聚合物选择性较低，而将静电作用与共价作用结合使用时，其选择 性好得多。f u j i i t 1 等首次用金属配位作用制得金属配位分子印迹聚合物，可很好 地拆分外消旋体。d a u w e 等【1 2 】研究三嗪类分子印迹聚合物时，发现在含水较少的 流动相中，分子印迹聚合物的选择性随印迹分子碱性的增加而增加，与印迹分子 的疏水性无关：但在含水较多的流动相中，其选择性同印迹分子的疏水性有关。 这种方式简单易行，易于除去印迹分子，其识别过程类似于天然的分子识别，所 以得到人们的极大关注。 1 4 3 其它合成方法 除了以上两类基本类型外，另外还有一种技术综合了二者，即聚合时单体与 印迹分子间作用力是共价键，而在对印迹分子的识别过程中，二者的作用是非共 价的。w h i t e c o m b 等人【1 3 】综合了共价和非共价分子印迹技术和优点创建了一种新 的分子印迹技术。模板分子同聚合物单体以共价键作用，洗脱时发生水解反应， 失去一个c 0 2 分子，则得到分子印迹聚合物。这种聚合物在以后的分离应用过程 中则是以非共价键的方式同模板分子再结合。因而，既具有共价分子印迹聚合物 亲和专一性强的优点又具有非共价分子印迹聚合物操作条件温和的优点。 1 5 分子印迹聚合物的应用 1 5 1 分子印迹聚合物在固相萃取中应用 固相萃取( s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o n ，简称s p e ) 是从溶液中萃取和分离分析 物的一种技术，始于2 0 世纪7 0 年代，是作为补充或取代液液萃取而发展起来 的【1 4 】。固相萃取由于具有回收率和富集倍数高、有机溶剂用量少、对环境友好、 无相分离操作、易于收集组分、能处理小体积试样、操作简单和易于实现自动化 等优点，目前已成为最常用的样品前处理方法之一，己有许多固相萃取方法被颁 布为标准方法【l 引。 分子印迹聚合物是人工合成的聚合物，其对特定分子具有特异的选择性。不 难推断，以分子印迹聚合物作为固相萃取吸附剂必可提高萃取选择性。因此分子 印迹固相萃取已成为固相萃取研究的热点之一。1 9 9 4 年，s e l l e r g r e n 首次报道【1 6 】 了将分子印迹聚合物应用于固相萃取，他使用印迹聚合物成功地提取了生物液体 分子印迹聚合物的制备及固相萃取性能研究 试样尿中的戊脒。近年来该方面的报道逐渐多了起来，b j a m a s o n 等【1 7 】利用由分子 印迹聚合物和c 1 8 s i 组成的组合柱从腐殖质中提取三嗪，其富集因子高达1 0 0 ，回 收率达7 4 7 7 。k o s t e r 和m a r t i n e s t e b a n 等也尝试了将分子印迹聚合物纤维用 于固相微萃取( s o l i d p h a s em i c r o e x t r a e t i o n ，简称s p m e ) 1 8 , 1 9 1 。 到目前为止，分子印迹聚合物s p e 主要还是用于小分子的分离分析，对于这 些化合物，与采用抗体为基础的亲和色谱分离效果相似。作为固相萃取固定相的 分子印迹聚合物，除了高度的选择性和制备简单的优点外，在有机溶剂中良好的 相容性使得分子印迹聚合物s p e 在对疏水性物质的分离中具有独特的优点。 分子印迹聚合物虽然极大提高了固相萃取的选择性，但是仍然存在不足之 处，比如：识别能力受溶剂的影响大、传质效率低、萃取的种类有限等等，有待 今后的进一步研究。 1 5 2 分子印迹聚合物在传感器方面的应用 传感器在医药、化工、生物技术、环境污染监控等领域都有广泛的应用。近 年来，生物传感器以其高灵敏度和高选择性引起了广泛的关注，但由于其采用的 是生物识别元件( 抗体、酶等) ，具有难于存储和不稳定的缺点，限制了生物传 感器的大规模的应用。分子印迹聚合物作为一种有效的人工识别元件，已被尝试 用于传感器分析。 通常用分子印迹聚合物作为传感器的识别元件固定在传感器与被分析物的 界面。被分析物在识别元件上的吸附经过传感器变为电讯号再放大。此信号与被 分析物的浓度有关系。根据转换器的测量原理不同，传感器可以分为电化学式( 包 括电位型、电导型、电流型) 、光学式、质量式和热学式。目前，分子印迹聚合 物主要应用于前三类传感器中。分子印迹聚合物传感器研究的综述论文可参考 m o s a b c h 【2 0 】。 由于分子印迹聚合物的识别性能不受酸、碱、热以及有机试剂等各种环境因 素的影响，因此，分子印迹聚合物传感器兼具有生物传感器和化学传感器的优点， 可能是未来传感器的重要发展方向之一。 1 5 3 分子印迹聚合物用作色谱固定相 近年来，药物和药物中间体分子对映体纯度和组分的分析检测受到了广泛的 关注，原因在于对手性药物而言，往往是一种异构体有药效，而其对映体药效很 6 第一章前言 低或没有药效，有的甚至能引起严重的毒副作用。因此开发一种可靠、灵敏而又 快速的手性化合物对映体的分析定性方法具有良好的应用价值和实际意义。采用 分子印迹技术合成仿生高分子材料，即分子印迹聚合物( m 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 s ，m i p s ) ，并将其应用于手性分子识别的研究正逐渐受到人们的重视 2 1 - 2 3 1 o m i p s 最广泛的研究领域之一是利用它的特异识别性去分离混合物。其使用 的印迹分子范围广阔，无论是小分子( 氨基酸、药品和碳氢化合物) ，还是大分 子( 如蛋白质) ，都已经被用于各种印迹技术中，并用于 玎p l c 、t l c 和c e 分 离中，其突出优点是可预测洗脱顺序 2 4 1 。自从w u l f f 等【2 5 1 首先把分子印迹聚合物 作为h p l c 的固定相拆分模板分子0 【d 。甘露毗喃糖苯苷的外消旋体以来，分子印 迹聚合物作为色谱固定相已广泛应用于各种外消旋体的拆分。此外在非手性分子 的识别分离方面也有了新的进展。其它以睾丸酮【2 6 1 、胆固醇【2 7 1 、唾液酸渊等作 为模板分子，制备分子印迹聚合物作为色谱固定相的报道也已经出现。 1 5 4 分子印迹聚合物在在药物手性分离方面的应用 随着药物研究的不断深入，人们逐渐认识到药物的有效成分往往具有不同的 手性性质，尽管分子式相同，但其药效不同，甚至相反。因此有必要采取适当方 法对其对映体或异构体进行拆分。分子印迹技术已经广泛地应用于药品的手性拆 分中，这是相当重要的一面。目前约有5 0 0 多种旋光性药物出现在市场上，其中 9 0 作为外消旋混合物管理。而手性混合物中，其中一种旋光性药物往往具有 毒副作用。基于这一事实，一些国家对新的手性药物提出了要求，要求必需进行 分离和分别管理，进行各自的毒理和药理实验。大量研究表明，分子印迹技术能 够满足这一技术要求，将手性混合物拆分，并已实现商业化和规模化。k e m p e 等人【2 9 】以( s ) n a p r o x e n ( 萘普生) 为模板分子制备m - i p s 对其消旋混合物拆分， 得到较好的效果，分离度为0 8 3 。另外，这种聚合物还可将( s ) n a p r o x e n 与其 结构类似物i b u p r o f e n ( 布洛芬) 和k e t o p r o f e n ( 酮洛芬) 进行分离。 1 6 分子印迹聚合物领域目前的研究热点 1 6 1 表面分子印迹聚合物 最早期分子印迹聚合物的制备方法是本体聚合。它是将功能单体、交联剂、 模板分子加入溶液中，进行聚合反应。反应完毕后，干燥聚合物，将其研磨、破 分子印迹聚合物的制各及固相萃取性能研究 碎、筛分得到一定粒径的分子印迹聚合物，最后洗脱除去模板分子。此法简便、 直接，但得到的聚合物颗粒较大，不够均匀，且存在着模板分子包埋过深或过紧 而无法洗脱下来的问题，导致模板分子“包埋”和模板分子泄漏的现象。为了克 服上述缺点，表面分子印迹聚合物的合成在近年受到越来越多的重视。表面分子 印迹聚合的合成方法是将模板分子固定在载体表面，然后在这载体表面引入功能 单体和交联剂进行聚合反应，反应完毕后通过化学方法将载体溶解，并洗去模板 分子，这样就得到印迹位点仅仅分布于表面或非常接近表面的表面分子印迹聚合 物。表面分子印迹聚合物具有印迹位点高度可接近性、与目标分子结合传质速度 快、降低“包埋”现象等优点。 m o s b a c h 和他的同事们介绍了一种合成表面印迹聚合物的方法 3 0 1 ，这种方法 先将所印迹的分子固定在多孔二氧化硅小球的表面，然后在孔中填入功能单体和 交联剂的混合物，使功能单体和固定的印迹分子发生作用，并引发聚合反应。在 聚合反应完成后，用化学的方法去除二氧化硅和印迹分子，从而只剩下表面带有 识别位点的多孔表面分子印迹聚合物。r a t h e r 提出了将蛋白质吸附在亲水的云母 表面，然后将一个二糖类分子薄层覆盖在吸附的蛋白质上，一经干燥，该糖层便 通过大量的氢键与蛋白质络合。随后将一个平坦的含氟聚合物薄膜通过发光放电 等离子体与糖分子交联而沉积。接着去除云母并溶解蛋白质，最终形成一种多糖 覆盖的、具有蛋白质形状的纳米凹坑【3 1 1 。 1 6 2 分子印迹聚合物材料纳米结构的合成 分子印迹聚合物纳米结构的合成越来越成为当今热点。虽然在纳米结构的分 子印迹聚合物中，模板分子仍然是包埋在分子印迹聚合物的交联网状结构中，但 是如果这种分子印迹聚合物纳米结构具有超细、超薄尺寸( 小于2 0 纳米) ，那么 模板分子在洗脱过程中所需的扩散距离就很小，同时印迹位点也具有很高的可接 近性。因此这种纳米结构可显著改善分子印迹聚合物的动力学性质。目前形成分 子印迹聚合物纳米结构的主要方法包括，旋涂法【3 2 】、电聚合法【3 3 1 、化学覆盖法【3 4 1 、 接枝共聚法【3 5 1 、乳液聚合法【3 6 1 、多步溶胀聚合法【3 刀等。 1 6 3 氧化铝模型法合成一维纳米材料 氧化铝模型法合成纳米结构单元，包括一维纳米线和纳米管，是9 0 年代发展 起来的前沿技术，在纳米结构制备科学上占有极其重要的地位。氧化铝模型是含 第一章前言 有高密度纳米柱形孔洞、厚度为几十至几百微米厚的阳极氧化铝膜( 图3 ) 。氧化 铝模型法是f l j m a r d n 等建立的口“。目前使用氧化铝模型法已经合成了各种不同 性质的纳米材料，比如金属【4 1 删、半导体h 5 4 刀、陶瓷h 9 1 和有机聚合物 5 0 - 5 ”。使 用氧化铝模型法进行纳米材料合成只有一个要求，就是这种材料必须可以通过气 相镀膜、液相注入或者在溶液中进行化学或电化学沉积这三种方法中的一种进入 模板的孔洞。除了气相镀膜和在溶液中进行化学或电化学沉积，对于一些熔点低 的金属，可以直接在其液体状态下将其注入氧化铝模板的孔洞中，然后迅速的固 化，形成高度结晶的纳米线 5 3 - “】。 图3 氧化铝膜的扫描电镜( 左；正面：右：侧面) 通过氧化铝模型法既可以合成中空的纳米管【5 5 】，也可以合成实心的纳米线 5 6 1 合成的纳米管或纳米线的长度是由氧化铝膜的厚度决定的，直径是由氧化铝 膜孔洞的大小决定的：而合成的纳米管的内径是由反应时间所决定的。 通过氧化铝模型法合成的纳米线、纳米管和纳米管膜已经在分析化学领域得 到了广泛的应用。如通过氧化铝模型法合成的金属纳米线可以用于生物标记瞪刀： 合成的二氧化硅纳米管可以用于生物酶的固定化【5 s 】。更为突出的工作是2 0 0 2 年 m a r t i n 等在s c i e n c e 上报道的一种全新的使用纳米管膜分离手性药物对映体的方 法。m a r t i n 等利用硅烷试剂在氧化铝膜孔洞的内表面修饰一层二氧化硅膜，通过 该二氧化硅膜将抗体固定在氧化铝膜孔洞的内表面这种抗体只对药物 4 - 【3 - ( 4 f l u o r o p h c n y l ) 一2 一h y d r o x y - 1 - 【1 ，2 ，4 t r i a z o l 一1 - y l - p r o p y l 一b e n z o n i t r i l e ( 简称 f t b ，一种芳香化酶的抑制剂) 的r s 型对映体有亲和力。因此，这种抗体修饰的 氧化铝膜可以选择性的分离r s 型的f t b ，而对于s r 型的f t b 不起作用。并且在实 验中发现氧化铝膜的孔径越小，得到的抗体固定纳米管膜分离对映体的选择性系 分子印迹聚合物的制备及固相萃取性能研究 数越高【5 9 】。这一开创性的工作为纳米管膜用于分离分析奠定了基础。 2 可逆加成一断裂链转移自由基聚合研究进展 1 9 5 6 年，美国科学家s z w a r c 报道了一个具有划时代意义的发现，在无水、无 氧、无杂质、低温、四氢呋喃作溶剂的条件下，萘钠引发的苯乙烯阴离子聚合不 存在任何终止和转移反应，这一发现成为了可控自由基聚合的理论基础。 活性自由基聚合反应的研究起始于2 0 世纪8 0 年代，到了9 0 年代取得了突破性 进展。实现活性聚合的共同点是将高活性的增长链自由基经可逆钝化为共价键结 构的休眠种，从而降低了自由基的浓度，避免了通常增长链自由基的双分子终止 的发生。由于休眠种能可逆分解重新活化形成链自由基，这样又可以进行聚合， 从而实现活性可控自由基聚合。因为活性可控自由基聚合( c o n t r o l l e d l i v i n g r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，简称c r y ) 具有能得到结构明确、端基功能化的聚合物， 能控制聚合产物分子量且分子量分布窄，能合成各种结构的共聚物等特点，因此 很快成为高分子合成研究的热点。 目前实现“活性 ，活性可控自由基聚合可分为5 种途径：( 1 ) 活性增长链 自由基与链转移剂的可逆转移反应( r e v e r s i b l ed e g e n e m f i v et r a n s f e r ) ；( 2 ) 活性 增长链自由基被稳定自由基可逆钝化，生成共价休眠种( d o r m a n tc o v a l e n t s p e c i e s ) , ( 3 ) 活性增长链自由基与二硫代酯( d i t h i o e s t e r ) 的可逆加成断裂链转 移( r e v e r s i b l ea d d i t i o n f r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r ，简称r a f t ) 自由基聚合，形 成非活性自由基；( 4 ) 活性增长链自由基与过渡金属卤化物复合物的可逆原子转 移反应，生成共价休眠活性种卤化物，如原子转移自由基聚合( a t o mt r a n s f e r r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，简称a t r p ) ；( 5 ) 引发转移终止剂( i n i f e r t e r ) 活性可 控自由基聚合。这些途径有一个共同点，即聚合体系中活性链自由基控制在低浓 度，这样链增长反应仍可进行，而双分子偶合或歧化终止等副反应减少，从而达 到控制聚合的目的。目前，该研究领域主要集中在原子转移自由基聚合( a t i 心) 、 可逆加成一断裂链转移聚合( r a f t ) 、氮氧自由基调介聚合( n i t r o x i d e m e d i a t e d p o l y m e r i z a t i o n ，简称n m p ) 三个方面。与其它活性可控自由基聚合相比，r a f t 由于具有适用的单体范围较宽；聚合所要求的聚合条件温和且反应过程无需保护 和解保护：聚合可采用多种聚合方法实施等优点，虽然其起步较晚，但已经成为 c r p 研究中的热点。 l o 第一章前言 2 1可逆加成一断裂链转移聚合基本原理 1 9 9 8 年，r i z z a r d o 在第3 7 届国际高分子大会上作了“t a i l o r e dp o l y m e r sb yf r e e r a d i c a lp r o c e s s e s ”的报告【6 0 】，首次提出了可逆加成一断裂链转移自由基聚合 ( r a f t ) 的概念。 r i z z a r d o 提出的可逆加成一断裂链转移活性自由基聚合的机理如下： 1 2 + m _ p n p n + r a ；言 p n a r = ；= p n a +r p m + p n a p m a p n 芸p m a + p n 图4 可逆加成一断裂链转移活性自由基聚合机理 其中p n 和p m 十分别是链长为n 和m 的活性链自由基链；r + 是由链转移剂产生 的新的活性自由基，它可以继续引发聚合；r - a 、p n - a 和p m a 被认为是具有相 同活性的链转移剂。其中聚合物链段p n * 9 戈p m * 即可以结合到链转移剂上形成休眠 种，又可以从链转移剂分子上断裂形成活性自由基链并继续引发聚合反应，故称 该活性聚合反应为“可逆加成一断裂链转移活性自由