（分析化学专业论文）分子印迹膜修饰电极对34二羟基苯甲酸的测定.pdf

上海师范大学硕士学位论文 分子印迹膜修饰电极对3 ， 三泾基苯甲酸的测定 摘要 分子印迹聚合物以其具有模拟天然受体的分子识别麓力，越来越成为一类重要 的人工合成材料。印迹聚合物是可以提供高选择性和稳定性的人工合成受体，而电 化学传感器具有设计制造篱单、灵敏度高、价格低廉、容易微型化等优点，尽管分 子印迹技术的主要应用目前仍然是在分离领域，但将分子印迹聚合物用作识别元件 构建新一代的电化学传感器蠢经有了初步的研究，并具有可观的应用前景。 传统印迹方法所使用的功能单体、交联剂和聚合方法都有较大的局限性。聚合 物易溶胀破坏窜迹孑l 穴，模叛分子的洗脱困难，膜厚难控捌，高的交联度使褥传蕨 和电子传递速度慢，造成信号响应慢，检测下限高，非特异性吸附强，再生和可逆 性差等超题，都对分子印迹技术在电纯学传感器中的应用带来一定的困难。因此， 寻找新的印迹基质和印迹方法以满足电化学传感器对敏感元件的要求具有重要的 研究意义。 此外，目前基于分子印迹膜传感器的作用机制等仍然不够清楚，如何从分子水 平上更好地理解分子印迹过程和识别过程仍需要进行深入的研究。辱则，天然分子 识别系统都是在水相中进行的，而此前的分子印迹和识别过程大多只能在有机相中 进行，如何剩用特殊的分子阀作用在水溶液或极性溶剂中进行印迹和识别，仍是一 大难题。 3 , 4 - 二羟基苯甲酸( 3 ，4 。d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d ，简称3 , 4 d h b a ) 与匿常生活有 着重要的联系。目前的主要检测方法有化学发光分析、荧光检测、气质联用、毛细 管区带电泳法等几种。其中，高效液相色谱法、紫外可见光谱检测法，荧光检测法， 气质联用，化学发光分析法，灵敏度和线性范围不太理想；荧光检测，气质联用需 用昂贵的设备。电化学具有筠便、快速、可实时监测等优点，毽迄今为止，应用电 化学方法检测3 , 4 - d h b a 的研究报道甚少。 据此，本论文在参考相关文献报道的基础上，确定了利用两类基质翻备分子印 迹膜修饰电极，并应用于3 ，4 一d h b a 的检测。 上海师范大学硕士学位论文 首先，利用分子印迹技术，以3 ，4 d h b a 作模板分子，通过循环伏安法在玻碳 电极上电聚合吡咯膜( p p y ) ，随后定电位下对聚吡咯膜进行过氧化处理，经洗脱模 板分子后制得3 , 4 d h b a o p p y 分子印迹膜修饰的玻碳电极。该电极能有效地抑制 电化学氧化过程中3 ，4 d h b a 的聚合和及其同分异构体2 ，4 二羟基苯甲酸 ( 2 ，4 d i h y d r o x y b c n z o i ca c i d ，简称2 ，4 d h b a ) 对其测定的干扰。该修饰电极对 3 ，4 d h b a 测定的线性范围为1 0 x 1 0 - s - - 1 6 x 1 0 - 3 m o l l ，检测限为5 o 1 旷m o l l 。 其分子识别的驱动力为氢键和空腔匹配作用。 同样以3 ，4 一d h b a 为模板分子，以四甲氧基硅烷( 喇o s ) 和苯基三甲氧基硅 烷( p ，i m o s ) 为硅源，恒电位下直接在玻碳电极表面电沉积制得硅溶胶一凝胶分子 印迹膜修饰电极( 3 ，4 d h b a t m o s p t m o s m t m o s g c 电极) 。该方法较之传统 的旋涂法和滴涂法简便、易于控制膜的厚度和均匀度，有效地解决了常规制备方法 中溶胶一凝胶膜容易开裂的问题。经循环伏安和微分脉冲法测试的结果表明，该修 饰电极在酸性条件下对3 ，4 d h b a 呈现出较高的选择性，能有效地抑制2 ，4 d h b a 对其测定的干扰。对3 , 4 d h b a 检测的线性范围为1 0 x 1 0 - s - - 8 0 x 1 0 4 m o l l ，检测限 为5 0 x 1 0 击m o l l 。识别过程驱动力为疏水作用、氢键和空腔匹配作用。 关键词：分子印迹技术；聚吡咯；溶胶凝胶；电沉积；3 ，4 一二羟基苯甲酸，2 ，4 一 二羟基苯甲酸 上海师范大学硕士学位论文 d e t e c t i o no f3 ，4 - d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d sw i t hm o l e c u l a r l y i m p r i n t e de l e c t r o d e a b s t r a c t 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 r eb e c o m i n ga l li m p o r t a n t c l a s so f s y n t h e t i cm a t e r i a l sm i m i c k i n gm o l e c u l a rr e c o g n i t i o nb yn a t u r a lr e c e p t o r s m i p sp r o v i d e s y n t h e t i cr e c e p t o r sw i t hh i g hs e l e c t i v i t ya n ds t a b i l i t y , w h i l ee l e c t r o c h e m i c a l s e n s o r s c o u l do f f e rg o o ds e n s i t i v i t y , a tl o wc o s t ，w i t hp o s s i b i l i t yo fe a s yd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n d m i n i a t u r i z a t i o n t h o u g ht h em a i na p p l i c a t i o n sc o n t i n u et ob ei nt h es e p a r a t i o nf i e l d ，o n t h eb a s i so ft h es t u d i e su n d e r t a k e n ，i ti sn od o u b tt h a tan e wg e n e r a t i o no fm i p s - b a s e d e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sw i l lb ee s t a b l i s h e di nt h ef u t u r e l i m i t a t i o n se x i s ti nf u n c t i o n a lm o n o m e r s ，c r o s s l i n k e r sa n dp o l y m e r i z a t i o nm e t h o d s u s e di nt r a d i t i o n a li m p r i n t i n gt e c h n i q u e t h em i p sa r eu s u a l l yt h j c ka n dh i g h l y g l o s s - l i n k e d ，w h i c hi n t r o d u c ed i f f i c u l t i e sf o re l e c t r o c h e m i c a ls e n s i n ga p p l i c a t i o n ，s u c ha s i n c o m p l e t et e m p l a t er e m o v a l ，b r o a dg u e s ta f f i n i t i e sa n ds e l e c t i v i t i e s ，s l o wm a s sa n d c h a r g et r a n s f e r , h i g hd e t e c t i o nl i m i t ，b a dr e v e r s i b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t y , e ta 1 s t u d i e s a r ee n c o u r a g e dt of i n dn e wi m p r i n t i n gm a t r i c e sa n dm e t h o d st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fe l e c t r o c h e m i c a ls e n s i n ge l e m e n t s b yt h ew a y , a tp r e s e n t ，s t i l ll i t t l ei sk n o w na b o u tt h e r e l a t i v eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo fb i n d i n gs i t e s ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h em i p sa n dt h em a s s t r a n s f e rm e c h a n i s m ，f u r t h e ri n v e s t i g a t i o n sa r en e e d e d ，a sh o wt ou n d e r s t a n dt h e i m p r i n t i n ga n dr e c o g n i t i o np r o c e s sf r o mm o l e c u l a rl e v e l i na d d i t i o n ，n a t u r a lm o l e c u l a r r e c o g n i t i o np r o c e s si sa l w a y sc a r r i e do u ti na q u e o u ss o l u t i o n ，h o w e v e r , t h ei m p r i n t i n g a n dr e c o g n i t i o np r o c e s si nt h ep r e c e d i n gs t u d i e sa r ed o n em o s t l yi nn o n - p o l a ro r g a n i c s o l u t i o n i ti sd i f f i c u l th o wt ou s es p e c i a li n t e r a c t i o n sb e t w e e nm o l e c u l e sa n di m p r i n t r e c o g n i z ei na q u e o u s 3 ，4 - d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d0 ，4 一d h b a ) h a sg r e a ti m p o r t a n c et oe v e r y d a yl i f e u pt u d a t e ，m a n ym e t h o d s s u c ha sh o w i n j e c t i o na n a l y s i s ，h i g h - p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o h i 上海烬范大学硕士学位论文 g r a p h y , g a sc h r o m a t o g r a p h y | m a s ss p e c t r o m e t r y , f l u o r e s c e n c ec h r o m a t o g r a p h y , c a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ，e t c , h a v eb e e nu e s df o rt h ed e t e c t i o no ft h e3 , 4 - d h b a b u t s o m eh a v el o ws e n s i t i v i t y , a n da l s oe x p e n s i v ei n s t r u m e n t sa r en e e d e d i ti sr e p o r t e dt h a t e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o di sf e w e rt h a no t h e r s h e r e b yi nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ea p p l i c a t i o n so ft w ok i n d so fn e wm a t r i c e si nm o l e c u l a r i m p r i n t i n ga r es t u d i e d ，s o m eo ft h ed i f f i c u l t i e sa s s o c i a t e dw i t ht r a d i t i o n a lm a t r i c e sa n d d e t e c t i o na r el h u so v e r c o m e d ，a n ds o m en e we l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sa r ec o n s t r u c t e d s u c c e s f u l yb yc o u p l i n gt h e s ei m p r i n t e dm a t r i c e sw i t h e l e c t r i ct r a n s d u c e r sf o r t h e d e t e c t i o no f3 ，4 - d h b a t h em a i nc o n t e n ti sl i s t e da sf o l l o w s ： m o l e c u l a ri m p r i n t e do v e r - o x i d i z e dp o l y p y r r o l e ( o p p y ) m o d i f i e dg l a s s yc a r b o n e l e c t r o d e0 ，4 一d h b a - o p p y g c ) w a sp r e p a r e db ye l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o no f p y r r o l e 、订t hc y c l i cv o l t a m m e t r yi nt h ep r e s e n c eo ft e m p l a t em o l e c u l e3 , 4 - d h b a , a n d w a sf o l l o w e db yo v e r - o x i d i z e da t1 3 vi np h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n ( p h = 9 。0 5 ) 。t h e m o d i f i e de l e c t r o d ec o u l ds u c c e s s f u l l ya v o i dp o l y m e r i z a t i o no fo x i d i z e d3 , 4 - d h b aa n d t h ei n t e r f e r e n c eo f2 , 4 一d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d 伫，4 一o a a a ) 。al i n e a rr e s p o n s eo l i v ew a s o b t a i nf r o m1 o 1 0 - 5 t o1 6 x1 0 3 m o l l , w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f5 0 x1 0 6 m o l lt h e m a i nd r i v i n gf o r c ef o rr e c o g n i t i o na r eh y d r o g e nb o n d sa n dc o m n l e m e n t a r vc a v i t ye f f e c t 。 t h i nf i l m so fam o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds o l - g e lp o l y m e rw e r es t u d i e d s o l - g e ld e r i v e d s i l i c a t em o l e c u l a r l yi m p r i n t e df i l m sw e r ee l e c t r o c h e m i c a l l yd e p o s i t e do nt h es u r f a c e s o f g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ef r o mas o lc o n s i s t i n g o ft e t r a m e t h o x y s i l a n ea n dp h e n y l t r i m e t h o x y s i l a n ef o rt h ef i r s tt i m e c o m p a r e dt ot h ed i p c o a t i n ga n ds p i n - c o a t i n g , s h o r t p r e p a r i n gt i m ea n dt h i nf i l m sa r et h ea d v a n t a g e so f t h i sm e t h o d t h ep r o b l e mo fc r a c ki n p r e p a r a t i o nc a nb ec o n t r o l l e de f f e c t i v l y t h ee l e c t r o c h e m i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h i n f i l m ss h o wh i g hs e l e c t i v i t ya n da f f i n i t yt o w a r dt h et e m p l a t em o l e c u l e t h ei n f l u e n c eo f 2 , 4 - d h b aa n dp o l y m e r i z a t i o no fo x i d i z e d3 , 4 - d h b ac a l lb ea v o i d e de f f e c t i v e l y a l i n e a rr e s p o n s ec u r v ew a so b t a i nf r o m1 0 x 1 0 5t o8 0 x 1 0 4m o l l , w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i t o f5 0x1 0 6 m o l q _ , t h em a i nd r i v i n gf o r c ef o rr e c o g n i t i o na r eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n , h y d r o g e nb o n d sa n dc o m p l e m e n t a r yc a v i t ye f f e c t r v 上海师范大学硕士学位论文 k e yw 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 i q u e ；p o l y p y r r o l e ；s o l - g e l ；e l e c t r o d e p o s i t i o n ； 3 ，4 - d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d ；2 ，4 d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所徽的贡献均已在论文中傲了骧确的声明并表 示了谢意。 作者签名：参柳期： 2 疹。8 ，占，越 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名私乔导师签名：妄躲日期：蝴一、v 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 分子识别在自然界扮演着不可缺少的角色，它是大部分生物过程，如配体受体 结合、底物一酶相互作用等得以进行的基础。分子印迹技术正是通过模拟自然界所 存在的这种分子识别作用，在聚合物材料中引入分子识别位点，制备在空间和结合 位点上与目标分子完美匹配的聚合物，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 ) ，以实现对目标分子的特异性选择【埘，也被形象地描述成“分子 钥匙 的“人工锁”的技术。 早在2 0 世纪4 0 年代，p a u l i n g 提出了抗体形成学说，奠定了分子印迹的理论 基础【3 l 。从p a u l i n g 理论出发，科学家对分子印迹技术进行了大量实验。1 9 4 9 年， d i c k e y 首先提出了“专一性吸附 的概念，可视为“分子印迹 的萌芽，但在很长 一段时间内没有引起人们足够的重视。直到1 9 7 2 年德国的w u l f f 研究小组首次报 道了用于色谱手性拆分的分子印迹聚合物之后，分子印迹才逐渐被人们认识【4 j 。1 9 9 3 年，瑞典的m o s b a c h 掣5 】人在n a t u r e 上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后， 分子印迹技术得到了蓬勃的发展，成为国内外研究的热点，之后每年公开发表的论 文数几乎直线上升。1 9 9 7 年成立的分子印迹协会( s o c i e t yo fm o l e c u l a ri m p r i n t i n g ， s m i ) 的统计表明，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m i p s 的研究及开发工作。目前主要从事分子印迹技术( m i t ) 研究工作的国家有瑞典、 日本、德国、美国、英国、中国等十多个国家。 分子印迹技术之所以发展如此迅速，主要是因为它具有构效预定性 ( p r e d e t e r m i n a t i o n ) ，特异识别性( s p e c i f i cr e c o g n i t i o n ) 和广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 三 大特点。迄今，分子印迹技术的应用研究涉及色谱分离、临床药物分析、膜分离和 固液萃取等众多领域，在仿生传感应用中也取得了很大的进展【5 , 6 1 。 1 1 分子印迹技术的基本原理 分子印迹的基本过程是在模板分子存在下，将带有特殊官能团的单体与大量的 基质单体进行聚合反应。由于聚合过程中，单体分子本身所带的官能团会根据与模 上海师范大学硕士学位论文 板分子相互作用的需要，调整并形成特定的空间构象，从而，获得高度交联的聚合 物。聚合结束后，通过洗脱除去聚合物中结合的模板分子，聚合物主体上就形成了 与印迹分子空间匹配的、并具有多重作用位点的空穴，其大孔结构使印迹分子可以 在聚合物中进行扩散。这种印迹聚合物对模板分子及其它与模板分子结构相似的客 体分子，具有类似于酶与其底物相互作用的较高的特异结合力，依赖于印迹聚合物 和客体分子大小及形状的匹配【7 j 。 根据印迹分子即模板分子与聚合基质在聚合过程中相互作用的机理不同，通常 分子印迹过程可分为共价型和非共价型两种，m o s b a c h 称其为预组装和自组装。所 谓的预组装，主要由w u l f f 及其同事创立的【8 , 9 l ，要求印迹分子可与聚合单体相互作 用形成可聚合的衍生物，即印迹分子和单体之间以牢固、可逆的共价作用结合在一 起，再进行聚合反应。人们常使用的物质有硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物 等。其中，最具代表性的是硼酸酯。其优点是能够生成相当稳定的三角形的硼酸酯， 而在碱性水溶液中或在有氮( n h 3 、哌啶) 存在下则生成四角形的硼酸酯。这种四角形 的硼酸酯与二醇能极快地达到平衡，其平衡速度与非共价键作用相当。在空穴中若 含有两个硼酸基团的m i p s ，用于拆分印迹分子的外消旋体时呈现出很高的选择 性。但是，并不是结合位点( b i n d i n gs i t e s ) 越多，其选择性越高。研究结果表明，3 个硼酸基团、3 种不同的共价键结合作用或3 种以上的非共价键结合作用均导致 较低的分离能力，其主要原因是这类m i p s 的结合位点与印迹分子之间的结合速度 很慢【8 一。采用席夫碱的共价键作用也有广泛的研究。s h e a 等【1 0 】利用缩酮引入结合 基团，羰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m i p s ，对其原来的印迹分子有很高的选择性。 由于共价键的作用力较强，所以共价键法制备的m i p s 中印迹分子自组装或识 别过程中结合、解离速度均较慢，难以达到热力学平衡，不适用于快速识别，其识 别水平较之生物识别相差甚远。此外，有限的可逆化学反应，限制了此法的普遍适 用性，加之印迹过程复杂，因此，共价法发展较慢。 自组装方式，主要由m o s b a c h 等人创立【1 1 1 2 1 。由该法制备的m i p s 其识别作用 主要是非共价作用，其作用力主要是氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、 疏水作用以及范德华力等，而利用最多的非共价作用是氢键。以外消旋体拆分为例， 2 上海师范大学硕士学位论文 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q 值很高。s e l l e r g r e n 等1 1 3 】就静电作用对选择性的影响作了详细的研究，当 只有一种静电作用时，获得的m i p s 的选择性较低【1 4 】。静电作用与共价作用相结合， 选择性就会大大提高。强度小且无方向性的范德华力形成的复合物，其分子识别过 程接近天然的分子识别系统。f u j i i1 1 5 】等首次使用金属配位作用制得金属配位的 m i p s ，拆分外消旋体的a 很高。a m o l d 【1 6 1 等详细研究了含咪唑的化合物与c u 2 + 的 结合作用。k e m p e 等在研究手性分离是利用非共价或非离子作用的m i p s 时，考察 了水对分子识别的影响，并研究了氢键和疏水性的作用【1 7 1 。d a u w e 等在研究三嗪类 农药的m i p s 时，发现在水含量较少的流动相中，m i p s 的选择性随印迹分子的碱 性增大而增强，与印迹分子的疏水作用无关；而在水含量较多的流动相中，其选择 性同印迹分子的疏水性能相关关【1 8 】。总之，非共价作用的种类较多，在制备m i p s 及 其后续过程中，使用单一的一种作用制得的m i p s 的选择性较低，而使用多种作用 相互结合才能使m i p s 具有较高的选择性和分离能力。 非共价法简便易行，印迹分子易于除去，是目前分子印迹技术中采用较多的方 法。非共价法的分子识别过程更接近于那些天然的分子识别系统。在印迹过程中还 可以同时采用多种单体，以提供给印迹分子更多的相互作用，产生更好的印迹效果， 所以，非共价法发展较快。非共价法所用功能单体量大大过量于印迹分子，因而有 相当多的结合基团、呈无规则分布，但对分离过程影响不大，所以色谱固定相、膜 分离介质的制备等可优先考虑非共价法。共价作用和非共价作用同时应用于分子印 迹技术也已见文献报道【1 9 , 2 0 。 近年来，m i p s 的制备方法有了很大发展，可制得无定型粉末、柱状、球形和膜 等多种形态的m i p s ，聚合方法主要包括本体聚合、分散聚合、悬浮聚合、表面印迹 聚合等。 1 2 分子印迹技术的理论研究 1 2 1 分子印迹理论研究现状 3 上海师范大学硕士学位论文 目前，对于分子印迹技术的研究基本上属于定性的水平，缺乏定量和系统的研 究。尽管也有一些研究者做了一些有益的尝试，但是有关分子印迹过程的机理，定 量的理论研究方面的文献报道还不多。w h i t c o m b e 等1 1 9 l 对分子自组装方法制各的具 有两个结合位点的m i p s 进行了热力学研究，并且在一定假设的基础上给出了有关 分子印迹热力学研究的的一些基本公式。圊时，国内钋学者也研究了特定过稷中 m i p s 的某些动力学参数【2 l 】。 总之，在分予印迹技术的热力学和动力学基础理论方面的研究还是初步的，得 出的结论也缺乏普遍性【2 2 1 ，尚有待于进一步的研究使其逐渐完善。 1 2 2 分子印迹聚合物性能的表征 m i p s 的用途广泛，不同的应用领域，可以有不网的表征方法。由予m i p s 难溶 于常用的溶剂、不易加工，对其表征相当困难，只能在一定程度上对它们进行化学、 形态、识别方式等方面的表征。例如在色谱固定楣、手性分离和固相萃取应用中， 般用分离因子a 、分离度r s 、保留时间t 冀、结合常数岛、离解常数k 、富集 系数等来表征m i p s 的选择性的好坏；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 量等表征。其转换器有化学修饰场效应管( c h e m i c a l l ym o d i f i e df m de f f e c tt r a n s i s t o r , c m f e t s ) 、光学积分仪( o p t i c a li n t e g r a t e r ) 、质量敏感器件( m a s s - s e n s i t i v ed e v i c e s ) ， 如石英晶体微量天平( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c 2 s ，q c m s ) 和表露声波传感器 ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ，s a w s ) ，在催化应用领域则以催化效率、反应速度、结合量 等参数来接述m i p s 的催化活性。 1 3 分子印迹技术的应用 分子印迹技术已被广泛应用于分离领域，主要涉及色谱分离、膜分离、固相萃 取等；应雳子医药领域主要是进行药物的手性拆分、控释药物以及农药残留物检测； 还被应用于抗体受体模拟、模拟酶催化以及传感器等其他领域【训。 分子印迹聚合物在传感器领域的应用是分子帮迹技术的一个重要方面，与常规 和传统的传感器介质相比，基于分子识别的m i p s 的突出特点是对被分离物或分析 4 上海师范大学硕士学位论文 物具有高度的选择性和专一性，这正是制作高灵敏、高选择性传感器所追求的。自 1 9 8 7 年t a b u s h i 首次用分子印迹聚合物作为敏感材料检测维生素以来【3 ，m i p s 传感 器引起了人们广泛的兴趣。m i p s 敏感材料与近年研究较热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 保存，易制备等多种优点。 m i p s 传感器兼备了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。如果能将m i p s 用作分子识别元件，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。一般将m i p s 传感器的识别元件以膜或粉末的形式， 通过适当的方式固定在转换器表面。目前，基于分子印迹技术的传感器主要分为电 化学传感器、光化学传感器、质量敏感型传感器、表面声波传感器等 3 2 , 3 3 , 3 4 。 1 3 1m i p s 光化学传感器 m i p s 光化学传感器主要是m i p s 荧光化学传感器和m i p s 化学发光传感器。 m i p s 荧光膜当与待测物键合时，m i p s 膜的荧光信号会发生改变，运用这一原理来 设计传感器，是十分吸引人的。t u r k e w w i s c h 3 5 】报道了荧光功能单体反【4 对，n - e 二甲氨基) 苯乙烯基】- n - 7 , 烯苄基吡啶盐酸盐( t r a n s - 4 - p - ( n , n - d i m e t h y l a m i n o ) s t y r y l n - v i n y l b e n z y l p y r i d i n i u mc h l o r i d e ) 用于制备印迹膜，来测定环状单磷酸腺苷的研究， 当与印迹位点键合时，待测物与膜上的荧光官能团发生反应，并使膜的荧光淬灭， 从而定量检测环状单磷酸腺肝。d i c k e r t 掣蚓将m i p s 用于荧光化学传感器检测水中 多环芳烃的含量。k r i z 掣3 7 】也将m i p s 用于荧光传感器检测丹酰标记的l 型氨基酸。 m i p s 荧光传感器的主要缺点是背景干扰大，因为被印迹的荧光分子不能完全从膜中 洗脱山来，从而降低了灵敏度。 化学发光法( c l ) 利用反应物在氧化还原或发光反应过程中发射出一定波长的 光，通过测定发射光的特性，对被测物质进行检。c l 灵敏度高，设备简单，在很 多领域得到应用，但因为选择性的原因，一般用在色谱柱后检测中。将m i p s 与c l 结合，提高c l 的选择性，可望开发出能用于直接检测的m i p s 与c l 传感器。 1 3 2l m i v s 质量敏感型传感器 质量的增加使石英晶体微天平q c m 的谐振频率降低，通过监测频率的变化测 5 上海师范大学硕士学位论文 定q c m 表面吸附质量。q c m 作为转换器广泛应用于传感器技术中，将m i p s 与 q c m 结合，可构成能够检测特定分子的m i p s 质量敏感型传感器。f e n g 等以二氧 化钛( t i 0 2 ) 为印迹基质，研制m i p s 修饰压电传感器，用于谷氨酸( g l u t a m i ca c i d ) 的测定，检测范围为1 0 - - 2 0 0 i t m o l l 1 3 剐。 1 3 3m i p s 表面声波传感器 表面声波传感器是一门新兴的研究领域，它适用对象宽，可用于液体、气体以 及液、固界而等检测，灵敏度高，可检测低至级质量或级浓度，除具有质量效应外， 还具有许多的如粘度、电导率、流变特性等非质量效应。表面声波传感器与m i p s 结合的传感器将对各个研究领域产生的影响是难以估量的。 1 3 4 分子印迹电化学传感器 1 3 4 1 分子印迹电化学传感器分类 分子印迹电化学传感器主要有m i p s 电容型传感器、电导型传感器、电位型传 感器和电流型传感器。 电容型化学传感器的优点是无须加入额外的试剂或标记，而且灵敏度高，操作 简单，价格低廉。在实际应用中超薄膜的制备、自组装单层的构造及其绝缘性能是 制造这种电容型传感器的关键。1 9 9 9 年，p a n a s y u k 3 9 】等首次将m i p s 应用到电容型 化学传感器。首先，利用金硫键作用在金电极表面自组装巯基苯酚，然后在模板分 子苯丙氨酸的存在下，电聚合苯酚，而后再浸入十二烷基硫醇中一定时间，以此填 补聚合物层中的缺陷，最后，洗脱模板分子，就制得m i p s 修饰的电极。将该修饰 电极用于苯丙氨酸测定时，可以观察到传感器的电容随苯丙氨酸浓度的增大而减 小。响应时间为1 5m i n ，但达到稳定值需6 0m i l l 以上。汪尔康研究小组研制了 m i p s 葡萄糖传感器1 4 0 1 。在2 0 m m o i _ l 葡萄糖溶液中，邻苯二胺直接在金电极表面 电聚合。为了提高印迹聚合膜的绝缘性能，聚合后将电极浸入1 0m m o l l 十二烷基 硫醇溶液中，反应过夜以填补聚合膜中的空穴。用蒸馏水洗去模板分子后，该印迹 电极可用于葡萄糖的测定。研究表明，该传感器对葡萄糖具有很好的选择性，抗坏 血酸和果糖对测定的干扰很小。 6 上海师范大学硕士学位论文 m i p s 电导型传感器主要是利用了被测定离子与印迹膜键合后引起的导电性能 变化【4 。1 9 9 5 年，p i l e t s k y 等【4 2 】制得了除草剂莠去津( a t r a z i n e ) 的m i p s 薄膜修饰 电极。膜电阻随着溶液中莠去津浓度的增加而减小。作者还以三嗪和西玛三嗪两种 莠去津的结构类似物时考察了分子印迹膜的选择性。结果表明，膜电阻的变化很小， 说明该膜具有较高的选择性。该传感器的响应时间为3 0r a i n ，在室温下存放4 个 月后，灵敏度几乎没有降低。p i l e t s k y 试验了其它聚合用功能单体，得到的m i p s 传 感器对莠去津测定的检测下限更低。 电位型传感器的优点是可避免将模板分子从膜相中除去，以及目标分子不需要 扩散进入膜相，因此模板分子的大小不受限制。尽管这类传感器具有上述优点，但 对其研究报道并不多见。 。 电流型传感器是目前研究报道较多的。根据模板分子的不同又可分为电活性和 非电活性物质的m i p s 传感器。 电活性物质m i p s 传感器的测定原理是：将m i p s 修饰电极置于空白溶液中，然 后加入电活性物质，待溶液达到平衡后，加入非电活性物质后，就与电活性物质产 生竞争，此时电活性物质会释放到电极表面，遂产生一定的电流响应，采用计时安 培法就可对此进行测量。据此，d k r i z 等【4 3 】研制了可用于检测吗啡佃o r p h i n e ) 的 m i p s 传感器。当向溶液中加入吗啡，电流增大，当电流达到恒定值时再加入与吗啡 结构类似但非电活性的甲基吗啡( c o d e i n e ) 与吗啡竞争结合位点，替代下来的吗啡扩 散到电极表面发生电化学氧化，又产生一个小的峰电流，将两次峰电流的比值作为 该印迹电极的评价标准。实验表明，当吗啡浓度在0 - 1 0 上g m l 范围内增加时，峰 电流呈线性增大。 上述传感器的特点是：当底物中存在其它具有电化学活性的物质时，无须进 行前处理分离模板分子，如上述吗啡：强酸、强碱、重金属等因素不会对分子识 别特性产生显著影响，即使在有机介质中，传感器的活性也不减弱，稳定性很高。 但由于电流型m i p s 传感器只适用于电活性物质，并且要找到相应的非电活性的结 构类似物，因而限制了其使用范围。 电活性m i p s 传感器的另一种方法是：首先将m i p s 修饰电极置于电活性物质溶 液中，选择性吸附模板分子，待达到平衡后，将电极取出，清洗后再置于空白溶液 7 上海师范大学硕士学位论文 中，利用微分脉冲伏安法( d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y , d p v ) 测试电流信号的变 化。 非电活性物质m i p s 传感器用以下三种方法进行检测： 第一，将m i p s 悬浊液与待测物质( 非电活性的) 以及电活性竞争物混合一段 时间后，将所得液体离心分离，去掉m i p s 微粒，用d p v 测定上层离心液中未键合 的电活性竞争物。k r o g e r 等【4 4 l 利用该竞争结合位点方法制得了可测定2 ，4 二氯苯氧 乙酸( 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 d ) 的m i p s 传感器。 第二，将分子印迹电极置于非电活性的被测物以及电活性竞争物溶液富集一段 时间后，将电极转移至新鲜空白溶液，用d p v 测定电极上电活性物质的电流强度。 第三，在只存在电活性物质而不存在待测物溶液为研究体系，以m 坤电极为工 作电极测定其循环伏安图，相同体系加入待测物，电流有显著的增强即所谓的“g a t e e f f e c t 。 1 3 4 2 分子印迹电化学传感器的制备 一般采用丙烯或乙烯类聚合物如甲基丙烯酸、乙烯基吡啶或丙烯酰胺的衍生物 为单体，在致孔性溶剂中引发聚合，或者有模板分子存在下应用电化学方法使单体 发生电聚合，从而将特殊的选择性引入到聚合膜中。采用电聚合法制备m i p s 的主 要优点是可通过调节扫描速度和聚合时间，获得不同疏密程度和厚度的电聚合膜， 并且电聚合膜可以在任何形状和大小的导电电极表面形成。常用的聚合单体主要有 吡咯、酚类、原卟啉镍和邻苯二胺等。 自组装单分子膜( s e l f - a s s e m b l e dm e m b r a n e ，s a m ) 在传感器制备中应用广泛。 一般认为，如果s a m 是在合适的模板分子存在的情况下生长的，模板分子和功能 单体之间会产生共价或非共价键作用，从而对自组装过程起指导作用。随后洗脱模 板分子，留下特定尺寸的孔穴，就能够选择性地键合模板分子。这一过程也可以被 称为是分子印迹。在电极表面，模板分子周围形成刚性的纳米结构的s a m 是一种 二维印迹( t w o d i m e n s i o n a li m p r i n t i n g )