（分析化学专业论文）分子印迹聚合物的合成、识别机理及分析应用研究.pdf

电 极上， 以正丁醇为模板分子， 在气相条件下实现了对正丁醇的识别和测定， 结果满意。在此基础上可进一步延伸，完成液相条件下手性化合物的识别测定。 9 将印迹聚合物合成在玻璃碳电极的表面，利用循环伏安法识别测定电活性的药物多巴胺和肾上腺素，目 前国内外还未见相关的报道， 可望将此传感器用于测定实际生物样品中的多巴胺和肾上腺素，并完成手性多巴胺和手性肾上腺素s 一 和r - 型的同时分离识别。 i /关键词:分子印迹技术，分子印迹聚合物，识别机理， 底物结合选择性，膜分 离，传感器敏感材料气 英文摘要p h . d. th e s i s :s t u d y o n t h e s y n t h e s i s , me c h a n i s m o f r e c o g n i t i o n a n da n a l y t i c a l a p p l i c a t i o n o f mo l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l y m e ra u t h o r : g u o h o n g - s h e n gs p e c i a l i t y : a n a l y t i c a l c h e m i s t r ys u p e r v i s o r : p r o f e s s o r h e x i - we n ab s t r a c t t h e d i s s e r t a t i o n i s d i v i d e d i n t o f i v e c h a p t e r s . t h e m e c h a n i s m o f r e c o g n i t i o n , t h eb i n d i n g a n d t r a n s p o r t i n g s e l e c t i v i t y o f t h e b u l k i m p r i n t e d p o l y m e r a n d i m p r i n t e dp o l y m e r i c m e m b r a n e w e r e s t u d i e d a n d d i s c u s s e d , t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p o l y m e r i cf i l m a s s e n s i t i v e m a t e r i a l s w a s a l s o i n v e s t i g a t e d . i i n t r o d u c t i o n : t h e p r o g r e s s o f b a s i c t h e o ry , s y n t h e s i s a n d a p p l i c a t i o n o fm o le c u l a r ly im p r i n t e d p o l y m e r a r e r e v i e w e d . 2 u s i n g d r u g s a s t a r g e t t e m p l a t e m o l e c u le s , s o m e n e w i m p r in t e d p o ly m e r s w e r es y n t h e s i z e d . t h e i r m e c h a n i s m s o f r e c o g n i t i o n a n d b i n d i n g s e l e c t i v i ty w e r e e x p l o r e db y h n m r , c n m r , u l t r a v i o l e t s p e c t r o m e t ry , s c a t c h a r d a n a ly s i s a n d o t h e r m e t h o d s .t h i s c a n g i v e a n im p e t u s t o d e e p ly in v e s t ig a t e t h e a p p l ic a t i o n o f i m p r in t e d p o l y m e rf u r t h e r . 3 t h e f u n c t i o n a l m o n o m e r 2 - ( t r i fl u o r o m e t h y l ) a c r y l i c a c i d w i t h s t r o n g e r a c i d i t yt h a n m e t h y l a c r y l i c a c i d w a s u s e d t o s y n t h e s i z e i m p r i n t e d p o l y m e r h o l d i n g t h e a b i l i t yt o r e c o g n i z e t h e t a r g e t m o l e c u l e i n a q u e o u s m e d i a , w h i c h e n a b l e s t h e r e c o g n i t i o n o fb i o - m o l e c u l e s s u c h a s p r o t e i n u s i n g i m p r i n t e d t e c h n i q u e t o b e p o s s i b l e . 4 t h e b in d i n g c a p a c i ty o f t h e i m p r i n t e d p o l y m e r p r e p a r e d u s i n g m e t h y la c r y l i ca c i d a n d a c ryl a m i d e w a s c o m p a r e d . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t a c ry l a m i d e i s m u c hb e tt e r t h a n m e t h y l a c r i l i c a c i d w h e n t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n f u n c t i o n a l m o n o m e r a n dt e m p l a t e m o l e c u l e i s h y d r o g e n b o n d i n g i n t e r a c t i o n , t h u s a c ry l a m i d e c a n b e u s e d a s an e w f u n c t i o n a l m o n o m e r t o c o v e r t h e s h o r t a g e o f m e t h y l a c r y l i c a c i d . 5 me c h a n i s m o f t h e 4 - a m i n o p y r i d i n e i m p r i n t e d p o l y m e r f o r s e l e c t i v e l y b i n d i n gp o s i t i o n a l is o m e r o f a m in o p y r i d in e w a s s t u d ie d a n d e x p la i n e d i n v i e w o f t h emo l e c u l a r s t r u c t u r e . 6 t h e p r e p a r a t i o n o f m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d m i c r o s p h e r e s w a s p r e p a r e d u s i n gc尸-p r e c ip it a t i o n m e t h o d , t h e e ff e c t o f t h e s o lv e n t o n t h e f o r m o f m ic r o s p h e r e s w a si n v e s t i g a t e d . t h e r e c o g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e s t u d i e d u s i n g b a t c h m e t h o d . 7 t h e i m p r i n t e d p o l y m e r i c m e m b r a n e s c a n s e l e c t i v e l y b i n d a n d t r a n s p o r tp o s i t i o n a l i s o m e r s o r c h i r a l i s o m e r s w e r e p r e p a r e d , w h i c h c a n b e u s e d t o s e p a r a t ee n v i r o n m e n t a l m o l e c u l e s , b i o - m o l e c u l e s a n d d r u g s . 8 t h e i m p r i n te d p o ly m e r ic c o a t in g w h ic h c a n s e le c t i v e l y r e c o g n iz e d o d o r a n t sw a s p r e p a r e d o n t h e s u r f a c e o f q u a r tz c ry s t a l. t h e c o a t i n g s h o w e d h ig h s e l e c t i v it yt o w a r d s t h e te m p la t e n - b u t a n o l . t h e m e t h o d c a n b e u s e d f u rt h e r t o p r e p a r e t h es e l e c t i v e c o a t i n g s t o d e t e r m i n e c h i r a l c o m p o u n d s i n l i q u i d p h a s e . 9 t h e i m p r i n t e d p o l y m e r i c f i l m w a s p r e p a r e d o n t h e s u r f a c e o f g l a s s c a r b o ne l e c t r o d e t o d e t e r m i n e t h e e l e c t r o - a c t i v e d o p a m i n e u s i n g c y c l i c v o l t a m m e t ry , t h ee ff e c t o f a s c o r b i c a c i d c a n b e e l i m i n a t e d b y t h e i m p r i n t e d f i l m . k e y w o r d s : mo le c u l a r im p r in t i n g t e c h n iq u e , m o l e c u la r l y im p r in t e d p o ly m e r ,r e c o g n it io n m e c h a n is m , s u s t r a t e - b i n d i n g s e le c t iv i t y , m e m b r a n e s e p a r a t io n , s e n s it i v ema t e r i a l s o f s e n s o r s通d郭 洪 声 博 士 论 文 第一章 绪论 第一节 概述 在漫长的生物进化过程中， 分子识别发挥着特殊重要的作用。 生物体系中的酶、 抗体和受体对底物、 抗原和激素展现了特效的分子识别功能， 从而决定着生物体能否正常的生长。 所谓分子识别就是指在复杂的混合体系中， 依靠具有形状、大小和化学功能基与客体分子互补的主体分子对客体分子的区别和结合， 选择性是分子识别的重要特征， 它是从分子水平研究酶反应、 信息传递以及在不同介质间的能量传递等生物现象的重要化学概念， 已 成为人们研究的前沿课题的热点之一。 尽管酶、 抗体和受体具有主体分子的特殊性能， 但在实际应用中， 这些生物分子具有制取复杂、 稳定性差、 存储和操作不便、 于高温或其它恶劣环境下易失去活性结合位点等缺点， 从而极大地限制了它们在实际中的广泛应用。 生物大分子的特殊结构及性能促使化学工作者以极大的兴趣合成具有某些类似生命分子功能 的 化 学 主 体 模型， 于 是出 现了 冠醚 d 1 、 穴 醚 2 1 、 环 糊 精 3 1和 杯芳 烃 4 1 等 低分 子量的大环化合物5 -6 1 ， 形成了一个化学与生命科学交叉的独立边缘学科一超分子化学 7 1 。 这些环状化合物主体分子对一些物种， 尤其是金属离子表现了 较高的 选择性， 克服了生物分子的一些缺点， 在识别富集和识别分析中展现了一定应用前景， 但这些化合物设计复杂， 需要严格的合成技术， 合成周期相对较长 ， 而合成后的化合物识别的性能通常不如生物分子， 其选择性也没有预定性， 即无法预先确定其对哪个或哪一类化合物具有选择性， 而必须通过大量实验来试验， 这一过程费时、费力，成本高。因此，研究制备简单，稳定性好，成本低，既具有预定选择性又具有与酶、 受体和抗体相类似的结合特性的主体分子仿生模型己成为今日 化学的焦点。 分子印迹技术 ( m o l e c u l a r i m p r i n t i n g t e c h n i q u e , m i t ) ，也叫分子模板技术 ( m o l e c u l a r t e m p l a t e t e c h n i q u e , m t t ) 是制备对特定目 标分子( 模板分子也称印迹分子)具有特异预定选择性的高分子化合物一 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 , m i p ) 的 技术。 该技术一 般包含以 下 三个步 骤: ( 1 ) 在一定溶剂 ( 也称致孔剂， 一般为非极性或弱极性的有机溶剂)中， 模板分子与功能单体依靠官能团之间的共价或超分子作用形成主客体配合物:( 2 ) 在大量交联剂存在的情况下通过光或热引发聚合， 使主客体配合物与交联剂通过自由基共聚合在模第 一 章绪 论板分子周围形成高交联的刚性聚合物; ( 3 ) 洗去模板分子， 这样在聚合物中便留下了与模板分子的大小和形状相匹配的立体孔穴， 同时孔穴中含有精确排列的与模板分子的官能团相互补的由 功能单体提供的功能基团。 分子印迹技术自 从2 0 世纪3 0 年代提出至今，己 有6 0 多年的历史。但前4 0年 发 展比 较缓 慢， 到了2 0 世纪7 0 年 代， 随 着w u lff g 18 等 人 在 共价 键型 分 子印迹技术 和m o s b a c h k 1 1 a 1 等人在非 共价键型 分子印 迹技术 上的 开 拓性工作的开 展，分子印 迹技术领域才得到了 蓬勃的 发 展。 特别是 1 9 9 3年 m o s b a c h 0 等人在( n a t u r e 上发表有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，使分子印迹聚合物除了原有的分离和催化的功能外， 又找到了与生物技术息息相关的多种生物传感技术及合成人工抗体等领域的新应用， 因此引起人们的广泛兴趣， 进而取得迅速的发展。据1 9 9 7 年 成立的 分子印 迹学 会 12 1 ( s o c i e t y o f m o le c u l a r i m p r in t in g ) 的 统 计 表明 ，到目前为止， 全世界至少有 1 0 0 个以上的学术机构和企事业团体在从事分子印迹聚合物的研究及开发工作。目前从事分子印迹聚合物研究工作的国家主要有瑞典、日 本、 德国、 美国、 乌克兰、 中国、 爱尔兰、印度、 韩国、 澳大利亚、巴西、意 大 利、 法国 、 新 西 兰 等国 家。 据m o s b a c h k i2 o 1 的 报 道， 截 止1 9 9 8 年 底， 公 开发表有关mi p的论文超过5 0 0 篇，如果加上1 9 9 9 年估计的1 5 0 篇，y- 11 1 9 9 9 年底估计总共超过6 5 0 篇。 而且申 请专利的 数目 也与日 剧增。 欧洲委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n )于 1 9 9 8 年启动了一项计划，旨在资助欧洲 8 个研究小组从事mi p的制备、 结构表征以及将其用于临床分析及生物分析等方面的研究。 分子印迹技术的发展十分迅猛， 特别是近三年来发表的论文数超过 1 9 9 7 年以前发表论文的总数。mi p之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点:即预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、 识别性( r e c o g n i t i o n ) 和实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) . 预定 性决定了 人们可以根据不同的目的制备不同的mi p ，以满足各种不同的需要; 识别性是因为m i p 是按照模板分 子( t e m p l a t e m o l e c u l e ) 定做的， 它具有 特殊的 分子结 构和官能团， 能选择性地识别印迹分子; 其实用性表现在它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， 具有抗恶劣环境的能力， 表现出高度的稳定性和长的使用寿命，且制备过程简单。由于 mi p具有如上这些优点，它在许多领域， 如色谱中对映体和位置异构体的分离、 固相萃取、 化学仿生传感器、模拟酶催化、 临床药物分析、 膜分离技术等领域展现了良 好的应用前 景1 13 -2 4 近h is 洪 声 阵卜 论 义年来，己 有一些综述介绍了 这方面的 理论 和最新 研究 成果2 5 -3 9 1 第二节分子印迹的基本理论及识别机理2 . 1 分子印迹过程 如前所 述， m i p 的 制备一 般包括如 下三个过程 t a t : ( 1 ) 使印 迹分子与 功能单 体( f u n c t i o n a l m o n o m e r ) 之间通过共价( c o v a l e n t ) 和非共价( n o n - c o v a l e n t ) 作用结合， 形成主客体配合物( h o s t - g u e s t c o m p l e x ) ; ( 2 ) 加入交联剂( c r o s s - l i n k e r ) ，在引发剂热或光引发下， 在印迹分子一单体配合物周围产生聚合反应， 在此过程中， 聚合物链通过自由基聚合将模板分子和单体的配合物 “ 捕获”到聚合物的立体结构中:( 3 ) 将聚合物( p o l y m e r ) 中的印 迹分子洗脱( e x t r a c t i o n ) 或解离( d i s s o c i a t i o n ) 出来，在聚合物中形成具有识别印迹分子的结合位点。 显然， 分子印迹技术不需要复杂的合成设计和精细的制备技术， 制备过程简单， 实验装置成本低。 该技术不同于模板合成和模板聚合。在模板合成中模板分子是固定反应物小分子按一定取向排列， 以便有利于特定结构的小分子化合物的合成。 在模板聚合中线性聚合物做模板结合单体， 通过聚合反应制备出与模板结构相同的线性高分子。 根据印迹分子j e l-i m p r i n t e dp o l y m e r、 一 ， ddissoc，一 ，on l ! 一 ，ationpreorganized approachself- assem blyiapproachu d 0monomer target molecule 口 一 图1 - 1 分子印迹过程示意图与功能单体之间形成配合物时作用力的性质， 分子印迹聚合物的制备过程分为共价键作用和非共价键作用两种。mo s b a c h k 将它们相应地分为预组装方式( p r e - o r g a n i z e d a p p r o a c h ) 和自 组装方式( s e l f - a s s e m b l y a p p r o a c h ) ( 见图1- 1 ) 。前者是先将印迹分子和单体之间以可逆的共价键结合在一起， 再进行聚合反应。 而自组装方式是在制备mi p 过程中用非共价键作用如氢键作用、 静电作用、 : 一 二 作用、第 一 章绪 论疏水作用、金属一 配体结合作用、电荷转移等超分子作用，功能 i 休和印迹分子形成主客体配合物， 然后再进行聚合反应。 也有人将共价作用与非共价作用相结合4 0 1 ， 应用于制备m i p o2 . 1 . 1 分子预组装过程 共价键结合作用 模板预组装方法是w u l ff g首先提出的 用于制备分子印迹聚合物的方法 $ 1聚合前模板分子与可聚合的功能单体以可逆共价键结合， 在与交联剂共聚得到高交联高分子后， 利用水解等条件使模板分子与功能单体间共价键断裂， 释放出模板分子产生共价型印迹聚合物， 其结构中具有与模板分子互补可通过共价键结合的反应基团， 可选择性地结合模板分子。 迄今为止， 人们使用的共价结合作用包括硼酸酷、亚氨、西佛碱、缩醛酮、酉 旨 和鳌合键合作用。其中最具代表性的是硼酸 醋。 其 优点 是能 够生 成 相 对稳 定的 三 角 形的 硼酸 g a 4 i 反 应 式1 , 而 在 碱 性水溶液中或 在含氮( 如n h 3 . vrui t ) 存在下则生 成四 角 形的 硼酸g 4 2 1 l 反 应式2 0这种四角形的硼酸m a 与二醇能极快地达到平衡， 其平衡速度与: 三 共价键作用相当 4 3 ,4 4 1 h o - 7_厂 飞_ /。 门 i二二=二匕匕r- 一 一 - r一 一 一n, i十1/ 口) 日 0-、 二 二 二 ，i-比吩叩叩只 一 丫 、i /、 厂 。_+1 i二 二 二 二 二 二 二 11 - -夕 一 尸 1日一- / zznh 。- 硼酸基团还有一个优点是 b -c键可以断裂，可以将其他基团引进聚合物4 5 ,4 6 1 。 许多二醇类化合物用作印 迹分子， 与4 一 乙 烯苯硼酸通过酷化后聚合生成印迹聚合物。 以 甘油酸酷4 7 - 5 0 1 或丙二 醇5 1 为 模板分子制备的 含有一 个结合基团的印迹聚合物， 对外消旋体呈明显的分离能力。 s a r h a n a制备的苯乙醇酸印迹聚合物也 有良 好的 拆分外消旋体的能力 5 2 . 5 5 1 。 而 在空 穴中 若 含有两个 硼酸 基团 的印 迹聚合物， 用于拆分印 迹分子的 外消旋体时 呈现出 很高的 选择性4 6 ,5 6 ,5 7 1糖类衍生 物印 迹聚合物的 研究是这 类聚合 物的 典型实 例9 1 。 如图1 - 2 所示，以 a - d 一 甘露毗喃糖苯昔为模板分子， 4 一 乙烯基苯硼酸为功能单体， 利用糖的两个轻基基团和硼酸基团通过醋化合成可聚合的模板功能单体配合物，加入交联剂聚合郭 洪 声 博 士 论 文h oho / 0态。跳了尹、生ob4t 0/ ioob o缨洗 去+ h 板分 了结合棋板分子 图1 - 2分子预组装典型实例后， 在碱性条件下用水或甲醇处理可除去9 5 %的模板分子， 获得具有与模板分子匹配的手性结合位点的印迹聚合物。 该聚合物用于从甘露毗喃糖苯昔外消旋体中富 集模板分子a - d 一 甘露毗喃糖苯昔， 可得光学纯度达6 0 - 7 0 % e e o w u l f f g等对这个体系进行了 全面的 优化和系统的理论研究5 6 ,5 8 -6 6 1 ， 为分子印 迹技术的发展奠定了理论和实验基础。 通过对印迹聚合物的结构优化，在为糖而制备的聚合物方面，现在己不需要把 糖衍生化就能 将糖的 外消 旋体拆 分了 4 6 ,5 7 1 。 对于 硼酸 酩共价 作用的 体系并不是结 合位点( b i n d i n g s i t e s ) 越多， 其选择性越高。 多 数人可能 会认为三 个共价作用对分子印 迹和后来的分子识别会更有利。 但是， 研究结果表明， 三个硼酸基团 8 .5 1三种不同的共价结合作用6 2 或三种以 上的非共价键结合作用16 7 -6 9 1 均导致较低的分离能力， 其主要原因是这类印迹聚合物的结合位点与模板分子之间的结合速度很慢之故。硼酸基团的柔性对其印迹聚合物的分离特性的影响己进行了研究5 0 ,5 6 ,6 5 1结果表明， 孔穴中 硼酸基团的 增加，其对光学异构体的 选择性降低6 5 1第 一 章绪 论 采用希夫碱的共价作用也进行了 广泛的研究 7 0 -7 2 1 。 原则上， 希夫碱适用于印迹分子和后续的底物结合，因为对平衡位置有利，但对于要求快速的色谱来说，平衡 速度太慢了 7 1 1 。 使用适当 的 分子内 的 邻近 基团 活 化可 使平衡速度有相当 大的增加7 0 1氨基酸能以 氨基酸替苯 胺的 形式进行外消 旋体拆分 ( 见1 ) 0? - c 一 : 一 :一 “- - c / n c日厂飞万声 二而通过希夫碱的结合基团能成功的 将希夫碱固定7 3 ,7 4 1 ， 或一个希夫碱和另一种作用相结合进行固定6 2 ,7 1 ,7 5 1 。 结合单醇时， 硼酸的分子内 单酷和某些环状半 缩醛都可用来制备印 迹聚合物。 这两种情况都可较快地达到结合平衡 7 0 ,7 6 1 。 而酷基和酚胺基非常不适于用来把基团引进到印迹聚合物上， 因为这些酚和0&只有2 0 %能够被解离下来。 w h it c o m b e m j 等7 7 】把制 备印 迹 聚 合 物的 共 价 作 用 稳定的 优点 和平 衡时 非 共价作用快速的长处结合在一起， 他们使用4 一 乙烯苯基碳酸酷制备印迹孔穴， 然后将碳酸酷用水解的方法有效的完全解离释放出二氧化碳， 由 此生成的结合位点中的苯酚基能够和醇通过氢键作用。 s h e a k j 等17 8 - 8 0 1 人 利用缩 酮引 入结 合基团， 拨基基团 之间 不同 距离的二酮 用可聚合的二醇处理，然后除去印迹分子所得的 mi p当用二酮重新处理时对其原来的印迹分子有很高的选择性.这种 mi p重新结合时键的生成速度很慢，因此这一过程可能是动力学控制的. 由于共价作用一般较强， 在模板预组装或识别过程中，结合和解离速度慢，难于达到热力学平衡， 不适用于快速的识别， 而且识别机理与生物识别相差甚远，因此这一方法发展缓慢。2 .1 .2 分子自 组装过程 非共价键结合作用郭 洪 声 博 士 论 文 使用分子印迹技术制备具有选择性的印迹聚合物的最简单的方法就是利用非共价键结合作用， 把能发生非共价作用的功能单体和模板分子与交联剂混合在一起， 印迹分子与可聚合的功能单体通过一种或几种非共价键作用形成有确定关系的主客体配合物， 这种配合物能够和溶液中的单体迅速地达到平衡。 常见的非共价键作用有:氢键、静电引力 ( 离子交换) 、金属鳌合、电荷转移、疏水作用以 及范 德华力 等。 m o s b a c h k 8 1 1 经过一系列的 优化工作， 结 果表明 为 确保溶液中主客体配合物的浓度尽可能高， 单体与印迹分子的摩尔比至少应该为4 : 1 。 图1 - 3为 模板自 组装方法合成 l 一 苯丙 氨基酞替苯胺分子印 迹聚合物的 典型实 例8 1 。 首先 l 一 苯丙氨基酞替苯胺模板分子与功能单体甲基丙烯酸在惰性溶剂中自组装成主客体配合物， 然后以乙二醇二甲基丙烯酸醋为交联剂， 通过自由基聚合合成刚性聚合物，反复洗涤除去模板分子后聚合物中留下对 l 一 苯丙氨基酞替苯胺有高度专一性的结合位点，这些结合位点通过静电 和氢键作用优先再结合模板分子，可用于此氨基酸衍生物的光学异构体的识别。m o s b a c h k和 s h e a l的研究组对这个识别过程进行了 全面的色谱优化研究， 获得了分离系数达1 7 . 8 ， 具有高选择性的光学异构体的分离效果6 7 ,6 9 ,8 1 - 8 9 1p 7 ) 减 一冠 。图1 - 3 分子自 组装方法的应用实例第 一 章绪 论 需要说明的是，该图只是 l 一 苯丙氨基酞替苯胺与甲基丙烯酸作用的示意图，并非真实的作用情况。 k a t z a等9 0 经过l 一 苯丙氨基酞替苯胺与甲 基丙烯酸配合物的单晶x 一 射线衍射、 红外光谱和1 h n m r分析研究表明 模板分子与甲 基丙烯酸之间形成的是 1 : 1的配合物，而且印迹分子不是以单个分子而是以三聚体与交联剂发生聚合的。 分子自组装方法使用超分子作用制备仿生模型， 其分子识别特性主要决定于客体分子与印迹聚合物内功能基团的离子作用、 氢键及选择性疏水作用等， 识别机理类似于天然生物分子，因此是分子印迹技术的研究热点，发展较快。 分子自 组装方法中非共价键作用最重要的类型是离子作用。 例如，以甲基丙烯酸作为功能单体，以 l 一 苯丙氨基酞替苯胺作为模板分子进行分子印迹时，离子作用对选择性的影响已 作了 详细的 研究8 1 ,8 5 ,8 8 1 ， 发现这种作用的强 度与甲 基丙烯酸( 功能 单体) 和苯丙 氨基酞替 苯胺 ( 模板分子) 的p k a , 溶液的p h值有关，甲 基丙 烯酸与苯丙 氨基酞替苯胺的p k a , 溶液的p h值接近时， 色谱 分离 模板分子的 理论 板高达到 最大。 分离因 子。 在低p h 值时 较高， 当p h 值超过p k a 时， 。随p h 值增高而降低。该系统中溶质的 保留是由 一个简单的离子作用控制的。 在该印迹体系中，模板分子和功能单体之间的作用是在极性很低的溶液中进行的，而在后续的色谱研究过程中则是在不同缓冲溶液和或在含有乙酸的溶液中进行，因此后续的色谱分离过程的作用要复杂得多。 在只有一种离子作用的情况下会导致低选择性的印迹聚合物9 1 ， 因 此需要有另一种作用存在或是提高功能单体的酸度，以使其与碱性的模板分子有更强的离子作用。 或者是有更强碱性的功能单体与酸性的 模板分子作用。 t o s h i f u m i t 等 9 2 ,9 3 首 先选用了 具有更强酸性的 功能 单体三氟甲基丙烯酸，与模板分子尼古丁作用， 实验结果表明， 得到的印迹聚合物比以甲基丙烯酸为功能单体得到的印迹聚合物具有更高的选择性和色谱保留能力。在从结构形似的化合物中分离除草剂2 . 4 一 二氯苯氧基乙酸时，以4 一 乙烯基毗咙为功能单体比以甲基丙烯酸为功能单体所得的印迹聚合物具有更强的分离能力和选择性， 表明4 一 乙烯基毗uq与模板分子之间的离子作用在分离中比甲基丙烯酸与模板分子之间的氢键作用更具优势9 4 。 利用功能单体与模板分子之间 相对强的离子作用， p i l e t s k y s a等以2 一 丙烯酞胺基一 2 一 甲 基丙烷磺酸为功能单体，在水中识 别了 除 草剂2 一 异丙 氨 基 一 4 一 甲 氨 基 一 6 一 甲 疏 基 一 1 . 3 , 5 一 特拉 津 9 5 8 w h it e c o m e j 等 % a ) ty 经t色一一一一一一9 6 以 酸性和碱性两种功能单体与抗生素氨节青霉素中的 氨基和狡基官能团通过离子作用实现了对抗生素在水中的识别。 第二种常用的非共价作用是生成氢键的作用。 如甲基丙烯酸可与酞胺发生协同氢键作用， 在这种情况下可得到选择性很高的结合位点， 其拆分外消旋体的分离系数a 值可达到 3 - 8 。但是若在分子印迹过程中或后续的分离中只存在一种氢键作用， 其拆分外消旋体的 a 值只有 1 . 1 - 2 . 5 。如分别以2 18 9 1 , 3 19 1 1 . 4 84 1 , 5 6 7 1结构的分子为模板， 在甲基丙烯酸或丙烯酸存在下以相似的条件进行聚合， 除去模板分子后聚合物中的结合位点对其模板分子外消旋体的拆分选择性的影响就很明显 ( 图 1 - 4 ) 0飞 护飞 护a =1 . 3a= 4 - 8 点jhoin飞 护、 护a =1 . 3 6n h s a = 8 . 4 图1 - 4拆分2 , 3 , 4 , 5 的外消旋体的分离系数 利用非共价键作用进行分子印迹时，在低温下以紫外光引发聚合比较有利6 8 ,8 3 ,8 6 ,8 9 1 ，因为在这种条件下， 有利于功能单体与 模板分子之间的结合。 若将氢键作用和离子作用结合起来使用， 所得的分子印迹聚合物的选择性比用 单 个 共 价 键 作 用 的m i p 高 得 多 。 p i le t s k y s a 等 9 7 同 时 用 氢 键 和 离 子 作 用 分 离核昔酸和核营， 所得到的2 一 脱氧核昔和三磷酸腺昔的分子印迹聚合物对各自 的模板分子具有高的选择性。 s h e a k j 等9 8 1 使用9 一 乙 基腺嗦吟为模板， 甲 基丙烯酸为第 一 章绪 论功能单体， 获得了 很高 选择性的印 迹聚合物， 其结合常数为k = 7 6 0 0 l / m o l 。 合成这种分子印迹聚合物的意义在于可通过分子印迹技术制备对生物分子具有高选择性的聚合物，其选择性类似于经过复杂合成手续制得的低分子量受体的选择性。 对于非共价作用也有必要开发合成新的功能单体， 较为理想的情况是聚合时功能单体与模板分子以 化学计量比相作用， 这样从理论上考虑在洗去模板分子后的印迹聚合物中就没有了因功能单体过量而产生的非专一性的结合基团， 从而能够得到类似于具有单克隆抗体功能的聚合物， 这对于制备分子印迹聚合物催化剂及传感器尤其重要， 聚合物的分离能力也会有大大的提高。 也有人使用强度小且无方向性的范德华力来形成配合物，其分子识别过程接近天然的分子识别体系 9 9 3 非共价作用也可与共价作用结合起来使用。如离子作用48 , 7 3 1 、电 荷转移4 9 1氢键作用4 9 , 18 8 3 均可与共价键结合起来使用， 所得的印 迹聚合物的 选择性比 单个共价作 用的 选择性好得多。 w h i t c o m b e m 3 7 7 巧 妙地将共价作用和非共价作 用结 合起来， 用4 一 乙烯基苯基碳酸醋作单体， 通过共价作用同印迹分子形成复合物， 用碱水解时随着 c o : 的失去打开了单体和印迹分子间的共价键，此时mi p上便产生了一个非共价型的分子识别位点，识别位上的酚轻基可以 通过氢键识别分子。 k e m p e m等 10 1用非 共价 且 无离 子 作 用的 分 子印 迹 聚合 物 研究 手性 分离， 考察了水对分子识别的影响， 并研究了氢键和疏水性在手性分离中所起的作用。 而d a u w e c 等 10 2 1在 研究 三 嗦 类 ( t r ia z in e ) 农 药的m i p 时 ，以 五 个 结 构 相 似 但 碱 性、疏水性有差别的化合物作为印迹分子， 发现在水含量较少的流动相中， m i p的选择性随印迹分子的碱性增加而增加， 与印迹分子的疏水性无关。 而在水含量较多的 流 动 相中， m i p 的 选 择性同印 迹分 子的 疏 水 性 有 关。 不 仅 如 此，h o s o y a 等 10 3 1则首次采用了外消旋体印迹分子，而采用手性单体，合成所得的 mi p的手性选择性较用纯的对映体作印迹分子时还要高。他们还从热力学的角度对此作了解释。 m o s b a c h k等1 0 4 1 同时 利用两种功能单体甲 基丙烯酸和2 一 乙 烯基毗陡与结构中既含有梭基和又含有氨基的模板分子作用， 所得的印迹聚合物比仅用一种单体的有更好的识别结合和分离能力。 总之，非共价作用的种类较多，在制备 mi p及其后续过程中，一般来讲使郭 洪 声 博 士 论 文用单一的一种作用制得的 mi p的选择性较低，因此大多使用多种作用相互结合才使制得的mi p具有较高的选择性和分离能力。2 . 1 . 3 金属一 配体结合作用 通过金属与功能单体之间形成配位键在聚合反应及所得到的印迹聚合物中可获得具有较高实用价值的结合类型。 这种键与配体交换色谱中所使用的键相似 1 0 5 1 。 它的 优点是键的强度可通过实验条件来控制。发生聚合反应时功能单体和模板分子有固定的化学计量比， 不需要过量的结合基团。 在大多数情况下， 底物与 聚 合 物的 再结 合常 常能 满 足 快速 色 谱 分析的 要求。 f u j ii ll 0 6 ,1 07 1等 人首次 使 用金属一 配体结合作用制得金属配位 m i p 。他们使用 ( 1 r , 2 r ) - 1 , 2 一 二氨基环己烷和4 - ( 4 一 乙烯节氧基) 水杨醛形成希夫碱配基， 通过c o l 离子把氨基酸结合到配基上，在光学拆分n - 节基一 d , l - 撷氨酸获得了非常高的选择性。 其m i p 拆分外消旋体的。 高达 6 8 2 。 更详细的研究表明，其分离能力主要来自 孔穴效应 10 71 ，所得到的选择性比 许多酶的选择性还高。 但由于c o 的配合物在色谱分离中的传质速度非常慢，故很难将其用于色谱分离。r = -c h ， 一 、 /x万洲hzx=/ c /c h gr = - a rn o l d f h等 10 8 , 109 1 人详细研究了 含咪哇的 化合物与c 了的结合作用 式3 ,他们把咪哇基之间不同距离的双咪哇化合物作模板把可聚合的亚氨基二乙酸基团放置在聚合物的印迹孔穴中的固定位置上。由此制得的 mi p优先结合它的模板化合物分子。 这些实验是为了开发出一种新方法使之能通过聚合物上一些结合基团的准确空间排列而有效地识别蛋白质。第 一 章绪 论、 气、 浪气护限护 / 一c 。 。 -n 又( .111 + -coo-/产 一、 、c l 2 +- - n -. . n h2 .2分子印迹聚合物及其孔穴的性质 分子印迹聚合物是具有与模板分子大小及形状相匹配的孔穴的聚合物， 印迹聚合物中的孔穴是在聚合反应过程中交联剂在模板分子和功能单体形成的配合物周围与功能单体共聚合形成的。 因此分子印迹聚合物母体的性能是影响分子印迹聚合物选择性好坏的关键。 为了获得良 好的印迹孔穴， 要求聚合物母体具有如下的性能: ( 1 )印迹聚合物母体的刚性应足够保持洗去模板分子后孔穴的大小和形状，以 使孔穴维持对模板分子的再结合能力; ( 2 )印迹聚合物母体应有一定的柔性，这与第一点的要求是相矛盾的，但它是 结合动力学所必需的，以使孔穴与模板分子的结合迅速达到平衡; ( 3 )聚合物应有良 好的机械稳定性，这在h p l c和高压条件下和催化反应中的 搅拌条件下尤为重要; ( 4 )聚合物母体应有优良的热稳定性，这可以使印迹聚合物在对动力学非有利 的情况下使用。 w u l ff g等9 1 人对分子印 迹聚合 物的 合成经过长期的 探索和研究， 发现为获得较为理想的印迹聚合物， 在制备印迹聚合物时， 致孔剂和单体 ( 功能单体和交联剂) 的比 应接近 1 : 1 ( m l : g ) 。 一 般情况下，由 于 模板分子的 溶解性问 题，对不同的模板分子可能需要不同的溶剂， 而致孔剂的类型对聚合物的形态有较大的 影响6 5 ,8 9 1 。 一般情况下制得的分子印迹聚合物是一种具有中 孔或大孔结构的 聚合物， 大孔或中孔聚合物是在不同溶剂 ( 致孔剂) 存在下， 通过单体与相对高含量的交联剂共聚制备的。 在聚合过程中发生相分离， 除去致孔剂干燥后在聚合物网络结构中留下永久性的微孔结构， 在后续的溶胀过程中这种孔的大小可根据溶郭 洪 声 博 士 论 文剂不同而改变1 1 0 1 。这种改变对于分子识别是不利的，因为在不同 溶剂中，聚合物中孔的结构可能不同，同时在不同溶剂中， 模板分子的稳定构象可能不同， 可能使其与孔穴的匹配方式发生偏差。 中孔或大孔印迹聚合物具有较大的表面积 ( 5 0 - 6 0 0 m 2 / g ) 和较大的 空隙， 从而 使分 子印 迹过 程形成的 专一性孔穴( 直 径0 . 5 - 1 . 5 n m) 具有相当好的可近性， 允许较小的目 标分子在中孔或大孔中自由扩散，使 传 质 过 程 较为 容易。 s e l le r g r e n b 等 1 1 11 详细 研 究了 不同 溶剂 及 合 成 条 件对 聚 合物的形态及手性选择性的影响。 结果表明， 不同的溶剂中制备的印迹聚合物具有不同的形态， 在色谱分离实验中， 聚合物的中孔、 大孔并非达到最佳手性分离所必需的， 即使无孔的凝胶状聚合物也有良 好的分离性能。 为了达到最佳的识别效果， 后续的结合或色谱实验最好在聚合时所用的溶剂中进行。 印迹聚合物拆分手性化合物的 选择性与交联剂的 种类和用量有密切的 关系6 1 1 。 如 用印 迹聚合物拆分d , l 一 甘露毗喃糖苯昔时， 采用最常用的乙 二醇二甲 基丙 烯酸醋作为交联剂，当交联剂的浓度低于1 0 %时， 聚合物表现不出专一选择性， 这是因为低的交联度不能固定与模板分子相匹配的孔穴。当交联剂从1 0 % 增加到5 0 % 时， a 值从1 .0 增加到约1 . 5 。 交联剂用量从5 0 % 增加到7 0 %会使a 值增加到3 .0 。当交联剂进一步增加到 9 5 %时，a 值达到 3 . 7 。如果采用二乙烯基苯为交联剂，高交联量的聚合物选择性增加相当小。 这种交联剂也许使聚合物的硬度增加太多， 从而使孔穴的可近性大为降低， 这也可从除去模板分子的低百分数显示出来， 不同 位置异构体的 二乙 烯苯的 作 用相似6 5 1 。 二甲 基丙 烯酸四 亚甲 基醋作交联剂由 于其链柔性 太强而不能使孔穴有足够的稳定性。 因 此， 对交联剂的选择既要考虑其应具有适当的柔性以使孔穴具有良 好的可近性， 又要考虑其应具有一定的刚性以维持孔穴的形状，而且能很快达到结合平衡。 尽 管己 经 研究了 许多 其它的 交 联剂 6