（海洋化学专业论文）raft分子印迹技术初步研究.pdf

摘要 摘要 本文共分五章，包括分子印迹和可逆加成一断裂链转移自由基聚合研究进 展，分子印迹纳米膜杂化硅胶的制备方法研究，二氧化硅表面印迹核壳结构纳米 颗粒制备及其应用，活性可控分子印迹技术用于海洋微生物活性物质的分离提取 初探，以及论文的研究特色、创新性与以后研究工作的展望等内容。 第一章为绪论，包含两部分，分别简单介绍了分子印迹和可逆加成一断裂链 转移自由基聚合，包括机理，合成方法，性能研究和应用，并在此基础上提出本 论文的研究设想。 第二章主要研究分子印迹纳米膜杂化硅胶的制备方法。通过可逆加成一断裂 链转移自由基聚合在球形硅胶表面合成了分子印迹纳米膜。由于可逆加成一断裂 链转移自由基聚合具有的活性可控的特点，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纳米膜。通过该 方法，可以得到较厚的分子印迹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。 第三章主要研究二氧化硅表面印迹核壳结构纳米颗粒制备及其应用。通过 r a f t 自由基聚合在二氧化硅纳米颗粒表面合成分子印迹纳米膜。成功获得了表 面印迹核壳结构纳米颗粒。并探讨了表面印迹核壳结构纳米颗粒在竞争型荧光吸 附分析中的应用。本章建立的方法可以扩展到纳米磁流体、纳米金等表面印迹核 壳结构纳米颗粒，以进一步拓宽分子印迹聚合物在分析化学中的应用。 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 聚合分子印迹技术，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 i n e 作为模板分子。合成了分子印迹聚合物硅胶杂化材料作为分子印迹 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用r a f t 聚合分子印迹技术用于海洋微生物活性成分分离 提取的可能性。 第五章总结了本论文的研究特色和创新性，并对该研究工作的进一步发展提 出了设想。 摘要 关键词：分子印迹技术、分子印迹聚合物、活性可控自由基聚合、可逆加成 一断裂链转移自由基聚合、r 盎阿聚合分子印迹技术 2 a b s t r a c t z h o uw e n h u l t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ，a n dh e r ei n c l u d e ：( 1 ) a l lo v e r v i e wo f 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 ) a n dr 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 rp o l y m e r i z a t i o n ( r a f t ) ；( 2 ) t h es y n t h e s i 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 s ( m i p s ) l l 丑r l 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 ；( 3 ) t h e s y n t h e s i so fs u r f a c ei m p r i n t e dc o r e s h e l ln a n o p a r t i c l ea n di t sa p p l i c a t i o ns t u d y ；( 4 ) t h e p r i m a r yd i s c u s s i o no ns 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 yr a f t - 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 ；a n d ( 5 ) c o n c l u s i o na n d p r o s p e c to f t h er e s e a r c h c h a p t e r o n ec o n s i s t so f t w op a r t s i nt h ef w s tp a r t ，ab r i e f i n t r o d u c t i o no f m i ti s g i v e n , t o p i c sd i s c u s s e di n c l u d et h em e c h a n i s m s ，s y n t h e s i sm e t h o d s ，c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fm i p s i nt h es e c o n dp a r t , ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h e c u r r e n t d e v e l o p m e n to fr a f ti s s u m m a r i z e d t h er e s e a r c ho b j e c t i v ea n d e x p e r i m e n t a lp l a no f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s op r e s e n t e d i nc h a p t e rt w o ，r 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 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 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 s y n t h e s i so fe i t h e rt h i c k e rm i pn 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 rm i p l l 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 1 1 豫r e s u l t se x t e n dt h es y n t h e t i cm e t h o do f m 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 ri m p r i n t i n gs o l i d p 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 rt h r e e ，t h es y n t h e s i sa n d a p p l i c a t i o no f t h es u r f a c ei m p r i n t e dc o r e - s h e l l n a n o p a r t i c l e i sd i s c u s s e d t h es u r f a c e i m p r i n t e dc o r e s h e l ln a n o p a r t i c l ew a s s y n t h e s i z e dt h r o u g hr a f ta n di t sp o t e n t i a l 峨a st h er e c o g n i t i o ne l e m e n ti n c o m p e t i t i v ef l u o r e s c e n tb i n d i n ga s s a yw a sd e m o n s t r a t e d t h em e t h o dc a na l s ob e e x t e n d e dt oo t h e rc o r en a n o p a r t i c l e s 谢t hd i f f e r e n tg e o m e t r i e sa n dc h e m i s t r i e s e g l l a n o 。m a g n e t i cf l u i da n dl l a n o - a u ，t of u r t h e re x p a n ds c o p eo f t h ea p p l i c a t i o no f m i p s i na n a l y t i c a lc h e m i s t r y i nc h a p t e rf o u r , t 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 mm a r i n e m i c r o b i a lb yr a f t - m o l e c u l a ri m p r i n t i n g t e c h n o l o g y i sd i s c u s s e d m i p si s s 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 ，as 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 y r a f t - m o l e c u l a r i m p r i n t i n gt e c h n o l o g y t h er e s u l t i n g m i pw a su s e da sa c h r o m a t o g r a p h i cm e d i af o rt 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 e sf r o m s 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 tv e r i f i e dt h e p o s s i b i l i t yo f t h es e p a r a t i o na n de x t r a c t i o no f a c t i v es u b s t a n c ef r o mm a r i n em i c r o b i a l b yr a f t - m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt h n o m g y i nt h ef i n a lp a r to ft h ed i s s e r t a t i o n ，c h a p t e rf i v e ，t h es i g n i f i c a n ti n n o v a t i o na n d f i n d i n g si n t h i sd i s s e r t a t i o na r ec o n c l u d e d ，a n dt h ef u t u r ep r o s p e c to ft h i sr e s e a r c h f i e l di sd e s e r i b e d 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 i t ) ，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 ) ，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 ( c r p ) ，r 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 ) ，r a f t m o l e c u l a r i m p r i n t i n gt e c h n o l o g y 附录一英文缩写对照 原理： m i t ：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 ，分子印迹技术 m i p 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 ，分子印迹聚合物 c r p ：c o n t r o l l e d l i v i n gr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，活性可控自由基聚合 a t r i a ：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 ，原予转移自由基聚合 a t r a ：a t o mt r a n s f e rr a d i c a la d d i t i o n ，原子转移自由基加成 r a f t ：r e v e r s i b l ea d d i t i o nf r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r ，可逆加成一断裂链转移 聚合 n m p ：n i t r o x i d em e d i a t e dp o l y m e r i z a t i o n ，氮氧调节自由基聚合 s f r p ：s t a b l ef r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，稳定自由基 仪器： h p l c ： u v v i s ：u l t r av i o l e t v i s i b l e 紫外一可见 t e m ：t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ，透射电子显微镜 s e m ：s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y 扫描电子显微镜 a f m ：a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，原子力显微镜 试剂： t e o s ：t e t r a e t h y lo r t h o s i l i c a t e 正硅酸乙酯，四乙氡基硅烷 t m o s ：t e t r a m e t h y lo r t h o s i l i c a t e 正硅酸甲酯，四甲氧基硅烷 a p t m o s ：3 - a m i n o p m p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ，3 一氨基丙基三甲氧基硅烷 e g d m a ：e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e ，乙二醇二甲基丙烯酸酯 m a a ：m e t h a c r y l i ca c i d ，甲基丙烯酸 d v b ：d i v i n y l b e n z e n e ，二乙烯基苯 p m b ：p h e n y l m a g n e s i u nb r o m i d e ，苯基溴化镁 a i b n ：2 , 2 - a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l e ，偶氮二异丁腈 d m f ：n ，n - d i m e t h y t l f o r m a m i d e ，n ，n - 二甲基甲酰胺 d m s o ：d i m e t h y ls u l f o x i d e ，二甲基亚砜 n f ：t e t r a h y d r o f u r a n ，四氢呋喃 a m ：a c r y l a m i d e ，丙烯酰胺 t f m a a ：t r i f l u o r o m e t h a c r y l i ca c i d ，三氟甲基丙烯酸 4 - v p ：4 - v i n y l p y r i d i n e ，4 乙烯基吡啶 c a m p ：c y c l i ca d e n o s i n em o n o p h o s p h a t e ，单磷酸环腺苷 t l u m ：t r i m e t h y l o l p r o p a n et r i m e t h a e r y l a t e ，三甲基丙基三甲基丙烯酸酯 2 4 d ：2 , 4 d i c h l o r o p h e n o x y a c e t i ca c i d ，2 , 4 二氯苯氧乙酸 p t f e ：p o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ，聚四氟乙烯 4 c p t c s ：4 ( c h l o r o m e t h y l ) p h e n y l t r i c h l o m s i l a n e ，4 ( 氯甲基) 苯基三氯硅烷 4 - c p t m s ：4 - ( c h l o r o m e t h y l ) p h e n y l t r i m e t h o x y s i l a n e ，4 一( 氯甲基) 苯基三甲氧基 硅烷 2 4 d o m e ：2 , 4 d i c h l o r o p h e n o x y a c e f i ca c i dm e t h y le s t e r ，2 , 4 二氯苯氧乙酸甲酯简 c p o a c ：4 c i l l o r o p h e n o x y a c e t i ca c i d ，4 一氯苯氧乙酸 p o a c ：p h e n o x y a e e f i ca c i d ，苯氧乙酸 c m m c ：7 - c a r b o x y - 4 - m e t h y l c o u m a r i n ，7 - 羧基_ 4 甲基香豆素 d n a ：d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ，脱氧核糖核酸 原创性声明 本人郑重声明：所交的学位论文，足本人在导师的指导下独立进行研究 1 ：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耍贡献的个人和集体， 均己在文巾以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名 日期：r _ _ 7 年 月；口曰 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、使用学侥论文的 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 5 l 存学梅论文的印刷本科电子舨，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； 在不以扇【利为目的的前提下研究所可以公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 导师玉 日期：妒7 年 日 第一章绪论 第一章绪论 1 分子印迹技术研究进展 分子印迹技术( 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 ，简称m i t ) 来源于免疫学 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。虽然p a u l i n g 的理论被后来的“克隆选择理论”所推 翻，但还是为分子印迹的发展奠定了一定的理论基础。1 9 4 9 年，d i c k e y 在制备 硅胶吸附剂时提出了可以视为。分子印迹”萌芽的“专一性吸附”的概念，但这 一学术思想在此后很长的一段时间内并没有引起人们足够的重视。直到1 9 7 2 年 由德国的w u l f f 研究小组首次报道了人工合成分子印迹聚合物( m 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 ，简称m i p s ) 之后，分子印迹才越来越得到学术界和工业界 的关注。1 9 9 3 年瑞典l u n d 大学m o s b a c h 等在( n a t u r e ) ) 上发表有关茶碱分子印 迹聚合物的研究报道后，分子印迹技术便成为国内外的研究热点。 1 9 9 7 年在瑞典l u r i d 大学成立了分子印迹学会，该国际性学术组织成立的宗 旨时“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 术机李句和企事业团体在从事分子印迹技术朗研究与开发工作，主要集中在瑞典、 德国、美国、英国、日本、中国等十多个国家。 1 1 分子印迹技术的基本原理和方法 分子印迹是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程，该化含物叫做印 迹分子或者模板分子。分子印迹技术是指为获得在空间和结合位点上与某一分子 ( 印迹分子、模板分子) 完全匹配的聚合物的制备技术。实现分子印迹通常包括 三个过程：( 1 ) 功能单体与目标分子的功能基团在适当的条件下可逆结合，形成 复合物；( 2 ) 加入交联剂，使其与功能单体聚合，形成的聚合物将目标分子包埋 在内：( 3 ) 用一定的物理和化学方法，将模板分子( 即目标分子) 从聚合物中洗 脱，以获得具有识别功能并与之相匹配的三维空穴。这样，分子印迹聚合物可以 丙次选择性地与模板分子结含，从而具有专一识别模板分子的功制“。分子印迹 过程如图l 所示。 第一章绪论 图1 分子印迹技术过程示意图 按照单体与模板分子结合方式的不同，分子印迹技术可分为预组装法和自组 装法两种基本方法，如图2 所示。 图2 预组装法和自组装法示意图 1 1 1 预组装法 预组装法( p r e o r g a n i z a t i o n ) 又称共价法，是由德国的w u l l 吸其同事在2 0 世纪7 0 年代初创立的。在此方法中，模板分子( 印迹分子) 首先通过可逆共价键 与单体结合形成单体一模板分子复合物，然后交联聚合，聚合后再通过化学途径 将共价键断裂而除去印迹分子。共价键作用的优点是聚合中能获得在空间精确固 定排列的结合基团。由于共价键作用一般较强，在印迹分子自组装或识别过程中 第一章绪论 结合和解离速度慢，难以达到热力学平衡，不适于快速识别，而且识别能力和生 物识别差别甚远，因此这种方法发展缓慢。 1 1 2 自组装法 自组装法( s e l f - a s s e m b l i n g ) 又称非共价法，由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期创立。在此方法中，模板分子( 印迹分子) 与功能单体之间自组 装排列，以非共价键自发形成具有多重作用位点的功能单体一模板分子复合物， 经过交联聚合后这种作用保存下来。常用的非共价键作用有：氢键、静电作用力、 金属螯合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等，其中以氢键应用最多。总 之，非共价键作用的种类较多，在制备分子印迹聚合物及其后续过程中，使用一 种作用制得的分子印迹聚合物的选择性较低，而使用多种作用相互协同制得的分 子印迹聚合物则具有较高的选择性和分离能力。 除了上述两种基本类型外，另外还有一种技术综合了两者的特点，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 是菲共价的。 1 2 分子印迹聚合物的设计与制备 分子印迹聚合物的设计和制各通常包括以下步骤：( 1 ) 印迹分子的设计和确 定：印迹分子既能参加聚合反应，又必须在聚合反应后容易去除。可用作分子印 迹的分子有多种类型，糖类、氨基酸及其衍生物、酶和蛋白质、核苷酸及衍生物、 生物碱、有机酸、胆固醇、维生素等均己成功地用于分子印迹聚合物的制备。( 2 ) 印迹分子与单体之间的相互作用：根据功能单体与印迹分子作用力的类型和大小 预测，可以合理地设计、合成带有能与印迹分子发生作用的功能基的功能单体1 2 1 。 ( 3 ) 聚合反应：在印迹分子和交联剂存在的条件下，对功能单体进行聚合。聚合 方式有本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合、沉淀聚合、表面印迹等方式。分子印迹 过程主要通过自由基引发，其引发方式主要有高温热引发和低温光引发，具体的 聚合条件选择则视具体情况丽定。( 4 ) 印迹分子的去除：采用萃取、酸水解等手 段将占据在识别位点上的绝大部分印迹分子洗脱下来。( 5 ) 后处理：在适宜温度 下对印迹分子聚合物进行成型加工和真空干燥等后处理。 1 2 i 功能蕈体的选择 第一章绪论 功能单体的选择主要由印迹分子决定，它首先必须能与印迹分子成键，且在 反应中它与交联剂分子处于合适的位置才能馒印迹分子恰好“镶嵌”于其中。自 组装分子印迹聚合物中，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。目前在分子印迹聚 合物制备中应用最广泛的功能单体是羧酸类如丙烯酸( 1 ) 、甲基丙烯酸( 2 ) 、三 氟甲基丙烯酸( 3 ) 、甲基丙烯酸甲酯( 4 ) 、乙烯基苯甲酸( 6 ) 等；丙烯酰胺类，如( 7 ) 和( 8 ) 等；磺酸类，如( 9 ) 等：以及杂环弱碱类，如2 乙烯基吡啶0 0 ) 或4 一乙烯基吡 啶( 1 1 ) 、乙烯基咪唑( 1 2 ) 等。其中最常用的是丙烯酸类和丙烯酰胺等。常用的功 能单体分子结构见图3 。 k “，“k 。y 洲 k 心 红9 呛吼 图3 分子印迹技术中常用功能单体的分子结构 在以上这些单体中，甲基丙烯酸( m e t h a c r y l i ea c i d ，简称m a a ) 是目前在 m i p s 制备中最通用的功能单体，它可以与酰基、羧基、氨基甲酸酯等形成氢键， 第一章绪论 又能与胺，吡咯，吡啶，咪唑等形成静电作用，从而识别许多模板分子，其模板 聚合物有高选择性和结合能力，可以和抗体相媲美口】。通常情况下。制备的大多 数m 1 p s 的识别只能在非极性或弱极性的有机溶剂中进行。其原因是模板分子与 功能单体一般是依靠氢键作用进行自组装的，即m i p s 与模板分子之间一般是通 过氢键作用进行识别的。而强极性有机溶剂或水由于会影响m i p s 中功能基团与 模扳分子之间的氢键作用，对识别过程产生干扰，这样在制备不易溶于非极性或 弱极性有机溶剂中化合物的m l p s 时，m a a 的应用就受到了限制。因此，对于不 易溶于非极性或弱极性有机溶剂中的化合物，需要寻找适合的功能单体，使模板 分子与功能单体间比模板分子- 极性溶剂之问的氢键作用更强或者使模板分子与 功能单体问以离子作用相结合，这样才以利于在强极性有机溶剂或水中进行识 别。为此郭洪声等 4 1 研究比较了m a a 和丙烯酰胺( a c r y l a m i d e ，简称a m ，2 ) 两种 单体对m i p s 性能的影响，发现在极性溶剂乙腈中制备的丙烯酰胺基体m 口明显 比甲基丙烯酸基体m i p 有更高的选择结合特性，在相同条件下结合容量要高出1 6 倍以上。这是因为酰胺基团的介电常数和偶极距大于羧酸基团，在极性溶剂中酰 胺能比羧酸形成更强的氢键。 三氟甲基丙烯酸( t r i f l u o r o m e t h a c r y l i ca c i d ，简称t f m a a ，3 ) 由于碳上的三 氟甲基具有强烈的吸电子效应，单体的酸性明显增强，能够与共轭碱类模板分子， 如烟碱【卯、金鸡纳生物碱旧及尼古丁们等碱性化合物形成较强的离子作用，非 常适合于碱性化合物的分子印迹。郭洪声等【3 j 在研究头孢氨苄m i p 时遇到头孢氨 苄不溶于有机溶剂的问题，最后他们采用酸性的t f m a a 和碱性的4 乙烯基毗啶 ( 4 - v i n y l p y d d i n e ，4 - v p t l1 ) 与头孢氨苄分子结构中的寸q h 2 和c o o h 形成离 子作用，使其共溶于溶剂甲醇中。4 乙烯基吡啶( 1 1 ) 和2 乙烯基吡啶o o ) 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而受到人们的重视 吼1 0 l 。这些具有较强酸性或碱性的功能单体依靠与模板分子之间形成的强的离 子作用将在极性有机相中分子识别、水相中药物识别、生物大分子识别( 生物大 分予识别一般都在水溶液中进行) 等研究领域发挥巨大的作用。 目前分子印迹技术的应用对象已经不限于小分子化合物而扩展到生物大分 子，许多生物大分子如蛋白质等都带有许多带电或非极性的基团，这些基团可以 和介质形成离子作用和疏水作用，由于蛋白质和其它大分子都具有许多可结合位 第一章绪论 点，使得m i p s 中印迹位点与蛋白质的作用力得以加强。因此蛋白质等大分子的 印迹聚合物的单体应比小分子印迹聚合物的单体更为惰性，否则容易造成非特异 性吸附，对于生物大分子印迹常用的功能单体是丙烯酰胺和丙烯酰胺的衍生物， 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，至今为止选择性较好 的蛋白质m i p s 就是由丙烯酰胺作为功能单体合成的】。 功能单体今后的发展的一个重要方向是其不仅仅为m i p s 提供结合位点，同 时也作为荧光探针，为印迹分子的洗脱和结合提供信号。如p e t r a 等用荧光染料反 4 ( 对( n ，n 二甲基氨基) 苯乙烯基) n 乙烯基苯基嘧啶氯盐( 1 4 ) 作为功能单体合 成印迹单磷酸环腺苷( c y c l i ca d e n o s i n em o n o p h o s p h a t e ，简称c a m p ) 的m i p s 。在 这里( 1 4 ) t l p 作为功能单体，又作为荧光探针，m i p s 在识别c a m p 时会发生荧光淬 灭效应，从而可以作为一种化学传感器用于c a m p 的检测【l2 j 。 1 2 2 交联剂的选择 交联剂是成功制备m i p s 的一个重要因素，交联剂的类型及用量直接影响单 位质量m i p s 中可交联的功能单体的数日和交联度，丽单位质量m i p s q a 可交联的 功能单体的数目和交联度又宜接影响m i p s 的选择性和结合容量。一般m i p s 要求 的交联度很高，为7 0 一9 0 ( 摩尔比) 。常用的交联剂结构如图4 中所示。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剂( 1 6 - 2 1 ) 、三元交 联剂( 2 2 2 4 ) 和四元交联剂( 2 5 ) 。而在分予印迹技术中使用最广泛的交联剂是带 有两个乙烯基的l - - 醇二甲基丙烯酸酯( e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e ，简称 e d g m a ，1 6 ) 。 三元交联剂带有3 个乙烯基，与二元交联剂相比，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 i p s 中识别位点数目，提高结合容量。同时研究 表明三元交联剂能够比二元和四元交联剂更容易形成稳定的交联聚合物，分子识 别位点也更加规则、有序 1 3 l ，从而使所合成的m i p s 选择性、结合容量及回收率 有显著的提高。 第一章绪论 图4 分子印迹技术常用交联剂的分子结构 在对生物大分子如蛋白质进行印迹时，如果使用丙烯酰胺作为功能单体，一 般相对应地使用n n 亚甲基二丙烯酰胺( 1 7 ) 为交联剂。而在多肽类的分子印迹中 季戊四醇类三元或四元交联剂如季戊四醇三丙烯酸酯( 2 4 ) 和季戊四醇四丙烯酸 酯( 2 5 ) 则是较常用的交联剂。 1 2 3 模板分子- 功能单体交联剂比例的选择 在制备m i p s 时，模板分子、功能单体和交联剂三者之间的比例也能够影响 m i p s 的性能。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。因为一方面大大过量的功能单体可能导致由非组装的功能单 第一章绪论 体残基产生的非选择性的结合位点增加：另方面功能单体浓度的过大可能引起 自身的缔合，致使选择性结合位点数反而减少。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i ：4 。功能单体与交联剂的比例一般由交联剂分子中 乙烯基的数目决定，对于目前广泛采用的二元交联剂，如e d g m a ，为了保证有 足够高的交联度以维持m i p s 的刚性结构，同时又保证一定的结合容量，功能单 体与交联剂的比例一般为1 ：5 ：而对于最近几年发展较快的三元交联剂，如 ( t r i m e t h 3 ，l o l p r o p a n et r i m e 眦r y l a t c ，简称t r i m ) ，有研究表明功能单体与交联 剂的最佳比例为1 ：2 【1 4 】。 1 2 4 溶剂( 致孔剂) 的选择 溶剂在m i p s 制备中发挥着重要作用，它不仅仅是作为模板分子、功能单体 和交联剂的溶剂，在聚合时控制非共价键结合的程度，同时还是分子印迹过程中 的致孔剂，影响着最终形成的聚合物的形态和结构【。5 】。一般说来，分子印迹过 程中使用的溶剂极性越大，相应m i p s 产生的识别效果就越弱。因此分子印迹过 程中晟好选择低介电常数的溶剂，比如甲苯、二氯乙烷、氯仿等。应用极性强的 溶剂会不可避免地减弱模板分子和功能单体间的相互作用，从而影响多重作用位 点的功能单体模板分子复合物的形成。进一步导致弱的识别。e s t h e r 等【i6 l 在研究 三嗪类除草剂时，分别采用甲苯和乙腈作为溶剂制备m i p s ，并将2 种m i p s 用于固 相萃取，对其性能进行了比较。结果表明使用介电常数小的甲苯作为溶剂制得的 m i p 对印迹分子的回收率为9 0 ，而使用介电常数大的乙腈作为溶剂制得的m i p 对印迹分子的回收率仅为3 7 1 5 。而s e i l e 咽彻等【1 7 l 对甲苯和二氯甲烷两种溶剂 对m i p s 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 有多孔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。 1 2 5 引发剂的选择 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 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 ) 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，它的引发有高温( 一般为6 0 。c ) 热引发和低温( 一般为0 。c ) 光引发两种形式。0 ，s h a n n e s s y _ 【1 8 l 等人在制备m i p s 的研究中发现在低温下用紫外 光照射引发制备的m i p s 的识别性能要优于用高温热引发制备的m i p s 。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 第一章绪论 合物；可印迹热不稳定的化合物；可以改变聚合物的物理性能以获得更好的选择 性。 1 2 6 分子印迹聚合物的表征 m i p s 性质的表征到目前还没有一个统一的理论描述，主要原因是m i p s 的应 用范围很广泛。在不同的应用领域，可以有不同的表链方法。例如在色谱固定相， 手性分离和固相萃取应用中，一般用分离因子c t 1 9 - 2 1 1 、分离度r s l 2 2 2 3 1 保留时间垃 1 2 4 1 、结合常数硒【2 5 1 、离解常数k a 2 6 1 、富集系数【2 7 l 等来表征m i p s i 拘选择性；而在 化学传感器的应用中，则需要借用各种电化学参数如电流、电容、电导、电压以 及各种光学参数和质量参数如光强度和质量等来表征。在催化应用领域则以催化 效率、反应速度、结合量等参数来描述m i p s 的催化活性。 1 3 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用 目前分子印迹聚合物以其优良的性能已经在生物、化学、医学等领域得到广 泛的应用。 1 3 1 用于化学仿生传感器 化学或生物传感器是由分子识别元件和信号转换器( 如电极、光极、场效应 晶体管、压电晶体、热敏电阻等) 所组成。近几十年来，生物传感器以其突出的 灵敏度和特异性引起了广泛的关注，使传感器技术的研究不断升温。与生物识别 元件相比，分子印迹聚合物具有专一性强，稳定性好，不需使用动物。可大规模 生产等优点。因此，分子印迹聚合物传感器兼备生物传感器和化学传感器的优点， 是未来传感器发展的方向。通常为了获得最大的响应和最小的干扰，或便于重复 使用，一般将m l p s 作为传感器的识别元件。以膜或粉末形式通过适当的方式固 定在换能器表面，然后通过各种电、热、光、质等手段转换成可测信号，可定量 分析各种小分子有机化合物。目前已用m i p s 传感器的分析物及换能器见表1 。 表1 应用于m i p s 传感器的分析物和转换器 分析物换能器参考文献 6 氨基1 丙基尿嘧啶 电导法 2 8 】 吗啡 电流法 【2 9 】 3 。5 ：环腺苷磷酸荧光法 【3 0 】 第一章绪论 丹酰一l 一苯基丙氨酸 荧光光纤 3 1 1 神经性毒剂水解产物镧系发光光纤 【3 2 - 3 3 】 吲哚3 乙酸石英晶体微量天平 【3 4 】 萘心安石英晶体微量天平 3 5 】 咖啡因体声波 【3 6 】 苯基丙氨酸酰替苯氨 场效应晶体管 【3 7 】 茶碱、咖啡因、黄嘌呤 光二极管阵列 【3 8 】 维生素k l椭圆光度法 【3 9 1 3 2 天然抗体受体模拟 众所周知，m i p s 模拟天然抗体具有很大的优越性。不需实验动物和免疫技 术，可耐酸、碱、高温、高压环境及有机溶剂，同时可以识别免疫抑制性分子和 剧毒化合物，并且可回收多次利用。m o s b a e h 等t 4 0 l 等首次用m i p s 代替抗体在放 射性免疫分析中检测药物中的吗啡、茶碱等，取得了与单抗相似的交叉反应。近 年来利用m i p s 作为抗体模拟物用于有机农药的竞争型荧光分析t 、酶联分析1 4 2 也有多篇文献报道。 1 3 3 模拟酶催化 因为分子印迹聚合物内的记忆空穴类似于生物酶活性中心因此具有模拟 酶催化能力。通过选用适当的模板和功能单体在孔穴内可以定制出与底物结合和 起催化作用的记忆空穴。m i p s 作催化剂时，许多情况下与生物酶作催化剂相似， 符合米氏方程动力学。 表2m i p s 用于模拟酶催化及参考文献表 参考文 催化反应 献 苯甲酸酯的乙酰基转移 【4 3 】 催化d i e l s - - a l d e r 反应 【4 4 】 苯乙酮和苯甲醛的缩合反应 4 5 】 氨基酸的缩合反应 【4 6 】 控制枯草溶菌素的活性和选择性能 【4 7 】 第一章绪论 4 一氟4 - ( 对硝基苯基) 丁酮脱h f 【4 8 】 氨基酸衍生物水解 【4 9 1 改进固定化钉催化剂的活性和选择性 【5 0 】 纳米级催化材料的制备 【5 l ，5 2 醛醇缩合选择性反应 【5 3 】 1 3 4 固相萃取剂 m i p s 具有特效的选择性和亲和性，用作固相萃取剂，可克服生物或环境样 品体系复杂、预处理手续繁杂等不利因素，为样品的采集、富集和分析提供了极 大的方便，可用于医药、食品和环境分析样品的制备，对于痕量分析有重要作用。 印迹聚合物既可以在有机溶剂中使用，优化条件下又可在水溶液中使用，与其它 萃取过程相