（分析化学专业论文）raft活性自由基聚合方法制备整体柱及其色谱性能表征.pdf

p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h em o n o l i t h i c c o l u m ns y n t h e s i z e db yr a f t l i v i n g c o n t r o l l e dm e t h o d b y l i uh u i n a u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f e s s o rd o n g x i a n g c h a o c o l l e g eo fc h e m i s t r y n a n k a iu n i v e r s i t y m a y , 2 0 0 8 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：刮譬，砘矸 - u , o s 年岁月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 专确 学位论文作者签名： 刮荐哪 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 本人郑重声 所取得的成果。 任何他人创作的 及的研究工作做 位论文原创性声 摘要 摘要 整体柱材料作为一种新型的结构材料，在分离、催化、合成等领域显示出 广阔的应用前景，引起人们广泛的关注。其中分子印迹整体柱结合了分子印迹 聚合物的高立体选择性和整体材料制备过程简单、重复性好、柱压低以及传质 速度快等优点，是一种非常具有应用潜力的色谱固定相。 传统自由基聚合过程中链增长的速度是不可控的，其副反应如链转移和链 终止会导致聚合物粒径分布较宽。可逆- 力日成断裂链转移( a d d i t i o n - f r a g m e n t a t i o n t 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 , r a f t ) 是活性自由基的一种，对聚合反应调控 效果好，聚合条件相对温和，适用单体范围广并可使用多种聚合方法，已经成 为高分子合成领域的热点。本论文以整体柱的制备为研究方向，并把r a f t 活 性聚合技术跟整体柱技术相结合。 首先，合成并评价了基于活性自由基聚合的恩诺沙星分子印迹整体柱。改 变引发剂浓度和r a f t 链转移剂的浓度，研究了合成条件和整体柱结构的关系。 用扫描电镜、压汞法和氮气吸附法表征整体柱的微观形态，用液相色谱评价其 柱效。结果表明r a f t 试剂在调节聚合物聚合程度和结构均匀性方面效果显著， 进而影响整体柱的分离效果。调节r a f t 在聚合溶液中的浓度，m i p 整体柱柱 结构更加均匀，柱效有所提高。 第二，应用活性自由基聚合技术，在5 3 0p mi d 的毛细管中合成甲基丙烯 酸异辛酯毛细管整体柱。研究了聚合溶液中正丙醇含量、r a f t 试剂的浓度和单 体浓度与柱子色谱性能的关系。调节r a f t 试剂在聚合溶液中的浓度、致孔剂 的比例和单体浓度，制备不同孔结构的毛细管整体柱。结果表明活性自由基聚 合制备的毛细管整体柱的孔结构更加均匀，柱效得到提高，对苯及其同系物可 实现基线分离。 关键词：恩诺沙星；分子印迹整体柱：可逆功日成断裂链转移( i 认f t ) ；毛细管 整体柱 a b s t r a c t a san o v e ls t r u c t u r em a t e d a l ，m o n o l i t h sh a v ea t t r a c t e di n t e n s i v ea t t e n t i o nf o r s e v e r a ly e a r s i th a sb e e nw i d e l yu s e di ns e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n , c a t a l y s i s ， s y n t h e s i se t c n 艳m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm o n o l i t h i cc o l u m n s w h i c hc o m b i n et h e l l i g hs t e r e o s e l e c t i v i t yo 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 sw i mt h ea d v a n t a g e so fg o o d h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c , l o wf l o wr e s i s t a n c ea sw e l la se a s yp r e p a r a t i o no f m o n o l i t h i cm a t e r i a l s ，h a v eb e c o m eap o t e n t i a lc h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r y i nt h ec o n v e n t i o n a lr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n , t h er a t eo ft h ec h a i np r o p a g a t i o n c a n n o tb ec o n t r o l l e da n dp o l y m e r sg e n e r a l l yh a v eb r o a ds i z ed i s t r i b u t i o nd u et ot h e s i d er e a c t i o n si n c l u d i n gc h a i nt r a n s f e ra n dt e r m i n a t i o n a d d i t i o n - f r a g m e n t a t i o n t r a n s f e rr a d i e a lp o l y m e r i z a t i o n ( r a f t ) m e d i a t e dl i v i n gf r e er a d i c a lp o l y m e d z a t i o n o w i n g t oi t sm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，i t se f f e c t i v e n e s si nc o n t r o l l i n gm o l e c u l a rw e i g h t a n d p o l y d i s p e r s i t y , i t ss u i t a b i l i t yt oaw i d er a n g eo f m o n o m e r sa sw e l la si t sc a p a b i l i t y o fs y n t h e s i z i n gm e t h o d s i nt h i sp a p e rw ep r e p a r e dt h em o n o l i t h i cc o l u m n sc o m b i n e d w i t hr 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 nt 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 ( r a f t ) t e c h n o l o g y e n r o f l o x a c i ni m p r i n t e dm o n o l i t h i cc o l t m mw a sf i r s t l yp r e p a r e da n de v a l u a t e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es y n t h e t i cc o n d i t i o na n dt h es t r u c t u r eo ft h em o n o l i t hw e r e s t u d i e db yc h a n g i n gt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ei n i t i a t o ra n dt h ec h a i nt r a n s f e rr e g e n t ( r a f t ) t h em o r p h o l o g yo ft h er e s u l t i n gm o n o l i t h sw a sc h a r a c t e r i z e db ym e r c u r y i n t r u s i o np o r o s i m e t r ya n dn i t r o g e na d s o r p t i o nt e c h n i q u e 耽ec o l u m ne f f i c i e n c yw a s e v a l u a t e db yl i q u i dc h r o m a t o g r a p h y 砀er e s u l t sd e m e n s t a t e dt h a tr a f tm e t h o d p r o v i d e dm o r ea d j u s t a b l ec o n d i t i o n sf o rm a k i n gm a t e r i a lw i t hd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e s i nt e r m o fp o r es i z ea n dg l o b u l es i z ei nt h em o n o l i t h i cs y n t h e s i s t h es m a l l e r m a c r o - p o r es i z ew a so b t a i n e dw h e nt h er a t i oo fr a f ta g e n tw a si n e r e a s e di nt h i s s t u d y 1 1 圮c o l u m ne f f i c i e n c yw a si n c r e a s e d s e c o n d l y , l i v i n gr a d i c a lp o l y m e d z a t i o n m e t h o dw a se m p l o y e dt op r e p a r et h ee h m a e d m ac a p i l l a r ym o n o l i t h i cc o l u m n c h a n g et h er a f tr e a g e n tc o n c e n t r a t i o n , t h ep e r c e n to fp o r o g e n i cs o l v e n ta n dt h e m o n o m e r sc o n c e n t r a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p o r es t r u c t u r eo ft h e r a f t - m e d i a t e dc a p i l l a r ym o n o l i t h i cc o l u m nw a sm o r eu n i f o r ma n dc a na c h i e v e b a s e l i n es e p a r a t i o nf o rb e n z e n ea n di t sh o m o l o g s k e yw o r d ：e n r o f l o x a c i n ；m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm o n o l i t h i cc o l u m n ；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 n t r a n s f e rr a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n( r a f t ) ； c a p i l l a r y m o n l i t h i cc o l u m n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论o 1 1 分子印迹技术概况1 1 1 1 分子印迹技术的发展历史1 1 1 2 分子印迹技术的基本原理1 1 1 3 分子印迹材料的制备1 1 1 4 分子印迹有机聚合物的制备2 1 1 4 1 传统方法3 1 1 4 2 球形分子印迹聚合物的制备方法3 1 1 - 4 3 分子印迹聚合物膜的制备4 1 1 4 4 表面印迹法5 1 1 4 5 分子印迹溶胶一凝胶材料的制备5 1 1 5 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用6 1 1 5 1 色谱分析和分离6 1 1 5 2 仿生传感器7 1 1 5 3 抗体和受体模拟物7 1 1 5 4 模拟酶催化及辅助试剂j 8 1 1 6 分子印迹技术的现存问题和发展趋势8 1 2 整体柱材料9 1 2 1 引言1 0 1 2 2 整体柱材料的制备1 0 1 2 2 1 有机整体柱材料的制备l o 目录 1 2 2 2 硅胶整体柱的制备1 2 1 2 2 3 分子印迹聚合物整体柱1 2 1 2 3 整体柱的特征1 3 1 2 4 整体材料的应用1 4 1 2 4 1 高效液相色谱中的应用1 4 1 2 4 2 电色谱中的应用1 5 1 2 4 3 整体柱应用于n a n o - l c 1 5 1 2 4 4 整体柱在其它方面的应用1 6 1 3 可逆加成一断裂链转移自由基聚合1 6 1 3 1 活性自由基聚合概述1 7 1 3 2 可逆加成一断裂链转移自由基聚合( r a f t ) 1 8 1 3 2 1 可逆加成一断裂链转移自由基聚合的原理1 8 1 3 2 2 可逆加成一断裂链转移自由基聚合的的特点1 9 1 3 2 3r a f t 试剂的合成1 9 1 3 3r a f t 聚合的应用2 0 1 4 本课题的提出及意义2 0 参考文献：2 1 第二章可逆加成一断裂链转移自由基聚合法制备恩诺沙星整体柱及 表征3 1 2 1 引言3 l 2 1 实验部分3 2 2 1 1 试剂3 2 2 1 2 二苄基三硫代碳酸酯( d b t t c ) 的制备3 3 2 1 3 分子印迹整体柱的制备3 3 2 1 4 色谱实验3 3 2 1 5 分子印迹整体柱材料结构的表征3 4 2 2 结果与讨论3 5 2 2 1 单体浓度对整体柱结构的影响3 5 目录 2 2 2 引发剂体系对整体柱材料孔结构的影响3 5 2 2 2 1 a i b n o d b t t c o 比例对整体柱材料的影响3 5 2 2 2 2 单体( a i b n - r a f f ) 的比例对整体柱结构的影响3 8 2 2 3 色谱分析3 9 2 3 结论4 2 参考文献：4 2 第三章基于活性自由基聚合的毛细管液相色谱整体柱的制备与评价 ；4 5 3 1 引言4 5 3 2 毛细管液相色谱整体柱的制备4 6 3 2 i 试剂及仪器4 6 3 2 2 毛细管预处理4 6 3 2 3 整体固定相的制备4 7 3 2 4 检测窗口的制备4 7 3 2 5 整体性色谱性能评价4 7 3 3 结果与讨论4 8 3 3 1 聚合体系中正丙醇含量对整体柱色谱性能的影响4 8 3 3 2 聚合体系中【a i b n 】o ， d b t t c o 比例对整体柱色谱性能的影响4 9 3 3 3 聚合体系中单体( a n 3 n d b t r c ) 比例对整体柱的影响5 0 3 3 4 反应温度对整体柱孔结构的响5 1 3 3 5 聚合体系中单体浓度对整体柱性能的影响5 l 3 3 6r a f t 试剂对整体柱性能的影响5 2 3 4 结论5 4 参考文献：5 5 个人简历5 7 致谢5 8 第一章绪论 1 1分子印迹技术概况 第一章绪论 1 1 1 分子印迹技术的发展历史 基于分子识别概念发展起来的分子印迹技术( m o l e c u l a r l yi m p d n t c d t e c h n o l o g y ) ，已成为当今化学研究领域的热点课题之一。分子印迹的出现源于 免疫学。早在2 0 世纪3 0 年代b r e i n l 、l a u r o w i t z 和m u d d 就相继提出当抗原侵 入时生物体产生抗体的理论，2 0 世纪4 0 年代由诺贝尔奖获得者p a u l i n g 根据这 种抗体与抗原相互作用时空穴匹配的“锁匙 ( 1 0 c k t o k e y ) 现象，提出了以抗 原为模板来合成抗体的理论。虽然这一学说被“克隆选择 理论所否定，但化 学家们却由此受到启示而发明了分子印迹技术。 1 9 7 2 年德国科学家w u l i 】等在高分子聚合物上成功地实现了印迹，随后这 项技术逐渐被人们所认识。1 9 9 3 年m o s b a c h 掣z 】在( n a t u r e ) ) 上发表茶碱分子印 迹聚合物的报导以后，有关分子印迹的论文数目急剧上升。m 已应用于i 临床、 环保及食品等多个领域的研究，目前在药物的研究方面也越来越显示出巨大的 潜能。 1 1 2 分子印迹技术的基本原理 分子印迹技术实现的过程就是制备对目标分子( 也称为印迹分子或模板分 子t e m p l a t em o l e c u l e ) 具有特定选择性的高分子化合物( 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 ，m i p ) 的过程。首先，印迹分子和功能单体( f u n c t i o n a lm o n o m e r ) 通过共 价键( c o v a l e n tb o n d ) 或非共价键( n o n - c o v a l e n tb o n d ) 形成化合物或复合物 ( c o m p l e x ) ；然后加入交联剂( c r o s s 1 i n k e r ) ，并在一定条件下发生聚合反应形成 具有三维网络结构的共聚物，将该化合物或复合物固定在这种网络结构中；最 后除去印迹分子，在网络结构中留下一个与印迹分子在空间结构上相匹配，并 含有与模板分子相结合的功能基的三维空穴。这个三维空穴可以特异性地重新 第一章绪论 与印迹分子再结合，即对印迹分子具有专一性识别作用。 1 1 3 分子印迹材料的制备 分子印迹聚合物的合成与通常的聚合物合成相比有其独特之处，其中最主要 的有两点：( 1 ) 所用单体必须带有与印迹分子发生作用的功能基；( 2 ) 这类聚合物 一般是高度交联的，以确保识别位点的稳定性，交联度通常都在8 0 以上。 1 1 4 分子印迹有机聚合物的制备 为了得到具有选择性结合印迹分子的识别位点，需要选择功能单体和交联 剂的种类，同时根据目标聚合物的形态，选择聚合溶剂和引发剂的种类、引发 方式等【3 1 。 功能单体的选择：主要由印迹分子的结构决定。首先功能单体必须能够与 印迹分子发生作用形成共价型或非共价型复合物。常用的共价印迹单体主要有 含乙烯基的硼酸或二醇以及含硼酸酯的硅烷混合物等；常用的非共价印迹单体 主要有羧酸类( 丙烯酸、甲基丙烯酸，三氟甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸、亚甲基 丁二酸等) 、磺酸类( 2 一丙烯酰胺一2 一甲基一l 一丙磺酸) 、杂环弱碱( 乙烯基吡 啶、乙烯基咪唑) ，其它的还有甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺 及n 一( 4 一乙烯苄基) 亚氨基二乙酸铜等。此外，利用计算机辅助设计的方法可以 根据具体的印迹分子来设计适合它的单体，这也是发展方向之一。 交联剂的选择：交联剂在聚合物中不但起着固定m p 空间骨架的作用，而 且要有一定的刚性和交联度以维持印迹空穴的形状和结构。目前常用的交联剂 有乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 、三甲醇基丙烷三甲基丙烯酸酯( t r m ) 、 季戊四醇三丙烯酸酯( p e t r a ) 、二乙烯基苯( d v b ) 等，其中应用最为广泛的 是e d m a 。分子印迹聚合物的形态多种多样，对于不同的形态所选择的溶剂、 引发方式和制备步骤也不相同。 引发方式：分子印迹聚合物大多都是通过自由基引发制备，一般以偶氮二 异丁腈( a i b n ) 或偶氮二异庚腈为引发剂，引发方式主要是高温热引发和低温光 引发两种，此外还有y 一射线辐射引发等【4 】。 印迹分子的去除：通常采用乙腈、水、甲醇一乙酸( 或三氟乙酸) 、乙腈一 乙酸等高极性溶剂反复洗涤分子印迹聚合物以彻底除去印迹分子。对颗粒状的 2 第一章绪论 m 一般采用索氏提取器反复回流和萃取。此外还有热处理、超l 临界萃取、微 波辅助溶剂萃取等方法【5 1 。 聚合方式：主要有本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合、原位聚合、表面印迹 等。 1 1 4 1 传统方法 传统的分子印迹聚合物合成方法是本体聚合法，是将模板分子、功能单体、 交联剂和引发剂按一定比例溶解在惰性溶剂( 通常是氯仿或甲苯) 中，除氧密封 后聚合。采用这种方法得到的是块状聚合物，它必须经过粉碎、研磨、筛选等 步骤得到大小合适的颗粒，最后洗脱除去模板分子。该法制备的m i p 具有满意 的“记忆功能 ，对模板分子有良好的选择性和识别特性。而且合成操作条件易 于控制，试验装置简单，便于普及，迄今仍为分子印迹聚合物制备的主要方法。 但是其通常存在以下缺点：( 1 ) 后处理过程繁杂，研磨过程中会不可避免地产生 一些不规则粒子和相当大量的过细粒子，这些过细粒子需经过沉降除去，因而 费时、费力，使产量大大降低( 通常小于5 0 ) ；( 2 ) 粒子的不规则性严重影响了 其选择性和柱效；( 3 ) 大规模生产有困难；( 4 ) 由于交联度很高，模板分子的除 去较为困难。这对于以贵重药品为印迹分子的体系来说价格过高；( 5 ) 印迹位点 在合成过程中被包埋在聚合物内部。所以随着制备技术的提高，这种方法将逐 渐被其他方法所取代。 1 1 4 2 球形分子印迹聚合物的制备方法 由于不同的应用领域对所用的m i p 要求不同，在实际操作中要综合分析研 究的对象和目的，选择最佳的合成方案。迄今为止，分子印迹聚合物主要有以 下几种制备方法： 1 1 4 2 1 悬浮聚合法 悬浮聚合法是制备聚合物微球最简便最常用的方法之一。由于通常使用的 单体是疏水性的，所以分散相常用水或高极性的有机溶剂。但对于分子印迹聚 合物的合成来说，这些溶剂是不适宜的，因为高极性溶剂会极大地降低功能单 体与印迹分子间相互作用的数量与强度，从而影响聚合物对印迹分子的识别能 力。另一方面酸性单体在水中的溶解度过高会使单体与交联剂间的共聚很难进 3 第一章绪论 行，并且水溶性印迹分子会在水相中损失，所以很难用常规的水包油悬浮聚合 法制备分子印迹聚合物。为了克服水或高极性有机溶剂的干扰问题人们提出以 全氟烃为分散相的悬浮聚合法【6 7 】，即在液态全氟烃中形成非共价印迹混合物乳 液，采用氟化的表面活性剂及其它含氟的表面活性聚合物作为稳定剂，得到稳 定的含单体、交联剂、印迹分子、致孔剂的乳液液滴。这种方法可以直接制得 聚合物微球，解决了聚合物需要研磨的问题。但由于最后产物仍为高交联度的 凝胶，其结合位点的可接触性及印迹分子的回收率仍不能令人满意。另外这种 方法虽然可以控制微孔的大小和粒径分布，但很难控制聚合物的结构和交联密 度，不利于印迹分子的重新结合。因此虽然此法是一种有益的尝试，但与无定 形材料相比它对聚合物的性能没有明显改进。此外全氟烃虽无毒，易处理，但 是易燃，价格昂贵，因此不适于工业应用。 1 1 4 2 2 乳液聚合法 乳液聚合法是另一种球形聚合物的制备方法。将模板分子、功能单体、交 联剂溶于有机溶剂中，然后将此溶液转入水中( 通常再加入一定量的表面活性剂) 搅拌，使其乳化。然后加入引发剂引发交联聚合就可得到粒径较为均一的球形 聚合物。但是用这种方法得到的聚合物的粒径通常都在纳米级( 5 0 - 5 0 0r i m ) ，所 以限制了其在色谱中的应用。然而其比表面积较大，吸附能力较强，所以常用 于金属离子的印迹聚合物制备中【8 】。 1 1 4 2 3 多步溶胀聚合法 1 9 9 4 年，h o s o y a 掣9 】人首先应用二步溶胀法制备了分子印迹聚合物。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 0n m ， 以此作为第二步溶胀的种子粒子；第二步将种子粒子分散体系加入到由功能单 体、交联剂、致孔剂和稳定剂组成的混合溶液中，在恒定搅拌速度下完成第二 步溶胀。然后加入模板分子在氢气保护和恒速搅拌下引发自由基聚合反应，生 成球形印迹聚合物母体，最后将模板分子和致孔剂萃取出来得到分子印迹聚合 物。将此材料用于分离两种胺基萘时分离效果与在无水条件下合成的块状聚合 物的结果相似，而柱容量却要比后者大许多。用此法可得到粒径均一的多孔粒 子，大大提高了色谱柱效率。 1 i 4 3 分子印迹聚合物膜的制备 4 第一章绪论 分子印迹聚合物膜可以用作分离材料或化学传感器的基本材料，因而在实 际应用中有很广阔的前景。k o b a y a s h i 等【1 0 】以茶碱为印迹分子，用相转变法合成 了聚丙烯氰一丙烯酸超滤膜。实验表明印迹膜对茶碱有很强的结合能力。 1 1 4 4 表面印迹法 通过对粒子表面进行修饰制备分子印迹聚合物材料是一个较好的方法，这 种方法最大的优点是可以利用粒子的机械稳定性，并且可以通过对粒子的改性 来适应实际应用的需要。通常的方法是在硅球表面进行印迹聚合或者涂层。 m o r i h a r a 等【l l 】使用另一种不同的方法在硅胶和氧化铝的表面进行印迹。他们先 将凝胶用a l ”处理，使其表面带l e w i s 酸，然后与带l e w i s 碱的印迹分子配合， l e w i s 酸的位点发生重排，优化取向，以利于与印迹分子配基的结合。处理后将 印迹分子除去，重排的l e w i s 酸位点被保留下来，得到印迹分子的“足印n oj o s h i 等【1 2 】将与印迹分子键合反应后的单体溶于苯中，再溶胀至甲基丙烯酸缩水甘油 酯大孔微球内，将苯缓慢蒸发除去后聚合、水解除去印迹分子。得到的聚合物 材料可对结构相似，但体积大小或形状不同的物质进行分离。由于载体具有较 高的孔隙度和表面积，因而选择表面印迹方法可以使底物较易接近活性点，这 是表面印迹技术优于溶液聚合的一个方面。除此之外，这种方法还可以单独改 变载体树脂的交联度或对孔结构进行调整，可以容易地得到小粒径及窄分布的 载体。这类材料应用于色谱柱中具有低压、高流速的特点。此外，这种方法可 用于生物大分子的印迹中。 1 1 4 5 分子印迹溶胶一凝胶材料的制备 溶胶一凝胶技术( s 0 1 g e l ) 是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而 固化，再经过热处理而制得氧化物或其它化合物固体的方法。自从d i s l i s h 1 3 】首 次通过溶胶一凝胶技术制得多元氧化物固体材料以来，溶胶一凝胶技术发展迅 速，现已成为材料科学和工艺研究的重要领域之一，近些年来广泛应用于电子 陶瓷、光学、热学、化学、生物材料和复合材料等材料科学的各个领域中。分 子印迹溶胶一凝胶技术是利用溶胶一凝胶过程，把模板分子引入到无机网络结构 中，形成一种无机或无机一有机杂化的刚性材料【1 4 1 。它兼顾了溶胶一凝胶和分子 印迹二者的优点，与有机聚合方法相比，具有很大的优势：( 1 ) 溶胶一凝胶过程 的操作条件温和，容易制备高交联度、有较好热稳定性和化学稳定性的多孔主 5 第一章绪论 体；( 2 ) 容易制备具有不同形状的材料( 薄膜、纤维、块状和粉末) ；( 3 ) 有机官 能团和无机前驱体( 多为烷氧基硅烷) 结合，把特定的化学官能团引入到了网络 结构之中，可提高选择性和专一性，并增强材料的稳定性；( 4 ) 控制溶胶一凝胶 过程的操作条件，可得到具有确定孔径和比表面积的材料【1 5 】。 1 1 5 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用 与常规的分离或分析介质相比，基于分子识别的分子印迹聚合物的突出特 点是对被分离物或分析物具有高度的选择性。同时它还具有良好的物理化学稳 定性，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，容易保存，制备简单，易于 实现工业化生产。因而在多个领域得到了相当广泛的应用。 1 1 5 1色谱分析和分离 分子印迹聚合物用于色谱分析主要有以下两方面的工作：固相萃取和手性 物质的分离。 1 1 5 1 1固相萃取 通过m 口材料对分析物特异性的富集作用，对单个化合物和一类化合物有 着较高的选择性，能够解决传统固相萃取中面临的非特异性吸附的问题【1 6 1 。m p 作为固相萃取吸附剂成为分子印迹技术应用的一个重要部分，也被称为分子印 迹固相萃取( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds o l i d p h a s ee x t r a c t i o n , m i s p e ) 。m i s p e 已应用 于复杂体系样品的预处理，如环境中污染物的测定，植物( 包括中草药) 有效 成分的提取及分析，生物样品( 包括血液、体液、动物组织) 中药物或其它成 分的分析等。与传统的固相萃取剂相比，m i p 不仅具有较高的选择性，而且可 以用于有机溶液和水溶液样品，所以近年来发展较为迅速，已有商品化的产品 出售，是最有发展前景的分子印迹应用领域之一【1 7 1 9 1 。但是在用于痕量分析时， 印迹分子的泄漏有时会污染样品从而干扰测定的精确度。a n d e r s s o n 等【2 0 】巧妙地 在制备过程中用印迹分子的类似物代替印迹分子来合成分子印迹聚合物，避免 了泄漏引起的污染问题。 1 1 5 1 2手性化合物分离 1 9 9 2 年美国食品和药物管理局( f d a ) 要求今后凡是新的光学活性药物都必 6 第一章绪论 须把光学异构体分离出来，分别测定其药物动力学和毒理学的各项指标。这就 给分离对映异构体的技术提出了新的要求。目前尽管己有直接的手性合成、酶 拆分和其它一些分离技术，但由于m i p 与酶相比具有不受各种恶劣环境因素的 影响而又具有与酶相似的专一性和选择性，因此，分子印迹技术在分离对映异 构体方面有其独到之处。近来，分子印迹手性拆分工作进展迅速【2 心4 1 ，而且其拆 分方法不仅仅局限于h p l c ，其范围已扩大到薄层色谱( t l c ) 、超临界流体色 谱( s f c ) 和c e c 等领域 2 4 - 2 0 。其中研究最多的是氨基酸或短肽及氨基酸衍生 物的手性拆分，手性药物分离也取得显著进展【2 引。 相对于常规的手性固定相，m i p 具有一些独特的优点，其中最显著的优点 是可以预测选择性，即出峰顺序可以预测。而且m i p 手性固定相容易制备，价 格相对低廉，物理机械性能好，使用寿命长，能多次重复使用而不损失其分子 记忆效应。但是m i p s 位点的不均匀性导致其低的柱效，结合容量不高等。此外 其在制备前首先需要纯的对映体，这就给一些用一般方法难以拆分的消旋物的 拆分工作带来了困难。 1 1 5 2仿生传感器 分子印迹聚合物用作传感器的敏感材料是分子印迹技术的一个重要研究方 向。我们把这种以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器简称为分子印迹聚合 物传感器。分子印迹聚合物敏感材料与近年来研究较多的生物敏感材料相比， 具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂，不易被生物降解破坏，可多次重复使 用，易于保存等优点。而且与生物材料相比较其材料易得，可以用标准的化学 方法合成出来。因此，分子印迹聚合物有希望成为取代生物材料的理想替代品。 自1 9 8 7 年t a b u s h i 2 9 】首次用分子印迹聚合物作为敏感材料，对维生素k l 和k 2 进行了测定以来，分子印迹聚合物传感器引起了人们极大的兴趣，在国外已成 为传感器研究领域的一个新热点【3 2 1 。 化学或生物传感器由分子识别元件和信号转换器两部分组成。通常为了获 得最大的响应和最小的干扰，或便于重复使用，一般将分子印迹传感器的识别 元件以膜或粉末形式通过适当的方式固定在转换器表面。常用的转换器主要有 基于电化学的、光化学的以及质量型的三类。 1 1 5 3 抗体和受体模拟物 7 第一章绪论 配体结合分析( i i g a m d o b i n d i n g ) 常被用于临床测量血液中的痕量物质。这种 方法需要一个能选择性结合待分析物的受体，通常人们用抗体作受体，但使用 抗体在操作上很不方便而且费用较高。分子印迹聚合物作为人工抗体和受体有 以下几点好处：( 1 ) 制备容易；( 2 ) 稳定性好，适于苛刻环境如高温、高压、强 酸、强碱及有机溶剂；( 3 ) 对于从自然界难以得到或不能得到的抗体和受体，人 工制备的模拟物则成为生物抗体和受体的有用补充；( 4 ) 造价低廉；( 5 ) 不需要 动物培养；( 6 ) 不易受到生物降解的破坏。迄今为止，m m 已经用在扑热息痛、 肾上腺素类药物、抗麻醉药物、雌烯酮类等药物的免疫分析检澳l jd p 3 3 - 3 5 。 1 1 5 4 模拟酶催化及辅助试剂 催化剂在化工生产中起着至关重要的作用。自然界中的酶以其高效、反应 条件温和的特点成为一类重要的催化剂。但天然酶提取困难、难以回收和重复 使用的缺点严重制约了它在生产中的应用。人们一直在寻找能够人工合成的像 天然酶那样高效专一的模拟酶，但进展甚微。分子印迹技术的出现以及其在模 拟抗体方面取得的突破性进展启发人们利用分子印迹技术将识别位点和催化基 团引入聚合物内部用以制备酶，或称塑料酶。与天然酶相比，理想的模拟酶除 具备与之相匹敌的高催化活性和选择性外，还具有以下优点：( 1 ) 结构的可调性， 即可针对不同底物和反应需要设计不同结构的印迹空穴；( 2 ) 结构和性能稳定、 耐温、耐酸碱、耐有机溶剂能力更强，适用范围更广、寿命更长；( 3 ) 原料易 得、价格便宜、便于存储和规模化生产。另外，通过改变活性位点中的官能团， 可以帮助人们对催化反应历程有更深入的了解。目前，研究较多的模拟酶催化 反应主要有水解反应、合成反应、氧化一还原反应、转移反应、脱h f 反应、异 构化反应等。印迹所用的模板分子主要有底物类似物( s u b s t r a t ea n a l o g u e ) 、过渡 态类似物( t r a n s i t i o ns t a t ea n a l o g u e ) 和产物类似物( p r o d u c ta n a l o g u e ) 3 6 - 3 8 】。其中过 渡态类似物印迹目前应用最普遍。 m p 除了作为催化剂外，还可作为辅助试剂来引导反应的发生或掩蔽某反 应，避免反应向不希望的方向进行：或利用其特异性吸附作用，使热力学的化学 反应平衡向期望的方向移动。 1 1 6 分子印迹技术的现存问题和发展趋势 由于发展时间较短，分子印迹技术仍然存在一些亟待解决的问题：( 1 ) 分子 8 第一章绪论 印迹技术的机理研究相对肤浅，如何从分子水平上理解分子印迹过程和识别机 理，仍需努力。( 2 ) 分子印迹技术的应用领域有待拓宽。目前大多数的研究工作 集中在小分子物质上，而对蛋白质、多肽、酶等生物大分子甚至整个细胞的印 迹研究还很少，而且效果也不理想。( 3 ) 分子印迹聚合物的制备和识别大多局限 在非极性环境中进行。目前分子印迹聚合物大多只能在有机相中进行制备和应 用，而天然的分子识系统大多是在水溶液中进行的，如何能够利用特殊的分子 间作用力在水溶液极性溶剂中进行分子印迹和识别仍是一大难题。( 4 ) 目前使用 的功能单体、交联剂和聚合方法都有较大的局限性。尤其是功能单体的种类太 少以至于不能满足某些分子识别的要求，这就使得分子印迹技术远远不能满足 实际应用的需要。( 5 ) 作为印迹分子的物质很多价格昂贵，有时还难以获得，使 得分子印迹聚物的制各成本较高。 展望未来，分子印迹技术的发展趋势可能有如下几个方面。( 1 ) 分子印迹识 别过程的机理将从目前的定性和半定量描述向完全定量描述发展，从分子水平 上真正弄清楚印迹过程和识别机理。( 2 ) 合成更多更有用的功能单体和交联剂， 以大大拓宽分子印迹技术的应用范围。并且将计算机辅助设计与印迹技术相结 合，使单体的选择和设计更加合理化【3 9 ，删。( 3 ) 分子印迹过程将从有机相转向水 相，以便接近或达到天然分子识别系统的水平。( 4 ) 分离和固相萃取氨基酸、手 性药物将步入商业化阶段【4 。( 5 ) 印迹技术将从氨基酸、药物等小分子、超分子 过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子，甚至生物活体细胞【4 2 1 。( 6 ) 分子印 迹聚合物的类型从有机高分子向无机分子拓展。( 7 ) 模板分子的高效去除方法会 越来越受到重视，以满足医药工业应用的要求。( 8 ) 由于分子印迹聚合物具有特 殊的预定性，将分子印迹聚合物应用于催化合成将是一个备受关注的领域。( 9 ) 由于分子印迹聚合物仿生传感器具有抗各种恶劣环境的能力，又具有与生物酶 类似的高选择性。利用这两个性质可以将分子印迹聚合物传感器做成纳米级的 分子探针，直接插入生物组胞内进行探测和分析。( 1 0 ) 将组合化学原理移植到 分子印迹聚合物中进行亲合性和选择性的筛选。这种高产量组合分子印迹技术 大大简化了优化条件的工作，提高了分子印迹聚合物的制备效率，将成为分子 印迹聚合物制备方法中的重要角色。 1 2整体柱材料 9 第一章绪论 1 2 1 引言 整体柱材料( m o n o l i t h ) 是8 0 年代后期发展起来的一种新型结构材料，通常是 通过原位聚合得到的棒状整体，具有制备方法简单、内部结构均匀、重现性好 等优点。整体柱材料的制备及应用由来已久，其早期发展可以追溯到6 0 年代后 期，k u b i n 等【4 3 j 使用聚( 2 一羟乙基甲基丙烯酸酯) 基质代替多糖凝胶，在低压下， 以体积排阻模式分离蛋白质。但是这种连续的聚合物溶胀性很大，渗透性很差， 难以实际应用。直到n j m 6 n 及其同引4 4 4 5 】于2 0 世纪8 0 年代末发展出了被称为“连 续床 的耐压缩软凝胶基质，是整体柱在色谱分离上的一个里程碑。通过在空 柱管中加入单体、引发剂及致孔剂的混合溶液“原位( i n - s i t u ) 聚合后制得聚丙 烯酰胺凝胶，再将其高压压入一空色谱柱制得软基质“连续床 色谱柱，成功 地用于蛋白质及多肽的分离。但是