（分析化学专业论文）活性自由基聚合技术在分离分析中的应用.pdf

5 l83 9838 l o g yf o r 答辩委员会主席芒歪芏 评阅人奎塞蕉至堂蝗 南开大学研究生院 二。一。年五月 南开大学学位论文使用授权书够滁 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 王蛔娅 2 0 1 0年5月2 8 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目活性自由基聚合技术在分离分析中的应用 姓名王婀娜学号 21 2 0 0 7 0 5 2 0 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 5 日 论文类别博士口学历硕士 硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所化学学院专业分析化学 联系电话 1 3 6 7 2 0 1 2 9 5 9e m a i l e n u o w a n g g m a i l t o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开大学化学南楼3 0 5 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 非公开学位论文标注说明 行研究工作所 研究成果不包 。对本论文所 方式标明。本 月2 8日 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0 年月 日 审批表编号 批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 中文摘要 中文摘要 活性自由基聚合技术集活性聚合与自由基聚合的优点于一体，既可像传统 自由基聚合一样进行乳液、本体、悬浮聚合，又可合成分子量可控、分子量分 布窄的聚合物，用于制备各种嵌段共聚物、星状共聚物、超支聚合物等高分子 材料。同时，活性自由基聚合技术也为分离分析材料的制备提供了广阔的技术 平台。本论文在前人研究的工作基础上，对该技术在分离分析聚合物制备上的 应用做了初步研究。具体来讲，本论文的工作包括以下三个方面： 一、综述了活性自由基聚合技术、分子印迹技术、离子交换色谱的基本理 论及其在分离分析中的应用和发展前景。 二、合成了一种新型的阴离子交换色谱填料，该填料不仅可以分离标准酸 性蛋白，而且对鸡蛋中的卵清蛋白实现了分离纯化。实验中采用原子转移自由 基聚合技术，将强阴离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵聚合于大孔硅胶 表面，制得了强阴离子交换聚合物。首先用制备好的聚合物对特征蛋白进行了 吸附实验，然后进一步将其装填色谱柱，用高效液相色谱考察其对酸性蛋白的 分离情况。结果表明，该聚合物不但对特征蛋白有较强的吸附能力，而且还可 以分离等电点相近的酸性蛋白。本方法为蛋白质、氨基酸等生物大分子的分离 提供一种新的途径。 三、采用表面活性自由基聚合法在聚苯乙烯球表面成功制备了三氯生分子 印迹微球。与传统的自由基聚合方法相比，该方法制备的印迹聚合物微球没有 溶液聚合且有更好的可控性和印迹效果。采用元素分析、红外光谱、扫描电镜 等分析手段对分子印迹微球进行了表征。通过等温吸附、特异性吸附等实验表 明，该印迹聚合物微球对模板三氯生有较强的选择性和识别性。 关键词：活性自由基聚合技术蛋白质三氯生高效液相色谱 r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o ni nt h ep r e p a r a t i o no fa n a l y t i c a lm a t e r i a l sw a ss t u d i e di nt h i s p a p e rb a s e do nt h ew o r ko ft h ep r e d e c e s s o r t h e r ea r et h r e ep a r t s ，a ss h o w ni nt h e f o l l o w i n g ： 1 t h eb a s i ct h e o r yo fm 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 , l i v i n gf r e e r a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n ，i o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y ；t h e i ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n a n a l y s i sw e r er e v i e w e d 2 an e wi o n - e x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h i cs u p p o r tw a ss y n t h e s i z e dw h i c hc a nb e u s e df o rs e p a r a t i n gs t a n d a r da c i dp r o t e i n sa n dp u r i f y i n go v a l b u m i nf r o me g g s t r o n g a n i o nm o n o m e ro fm e t h a c r y l a t o e t h y lt r i m e t h y la m m o n i u mc h l o r i d e ( m a t a ) w a s p o l y m e r i z e do nt h es i l i c ab yl i v i n gf r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o no fa 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 a d s o r p t i o ne x p e d m e n tw a sc a r r i e do u tf i r s ta n dt h e nt h e s u p p o r tw a sa l s op a c k e d i n t os t a i n l e s ss t e e lc o l u m nt o s t u d yt h es e p a r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp r o t e i n s t h es u p p o r tc o u l dn o to n l ya d s o r ba c i dp r o t e i n s ，b u ta l s o s e p a r a t ep r o t e i n sw h i c hi s o e l e c t r i cp o i n ta r en e a r l yt h es a m e t h i ss t u d yd e v e l o p e da n e wm e t h o df o rs e p a r a t i n gp r o t e i n s ，a m i n oa c i d sa n do t h e rb i o m o l e c u l a r s 3 s u r f a c ei n i t i a t e dl i v i n gf r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nw a su s e dt op r e p a r e 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 ( m i p ) b e a d sf o rt r i c l o s a n c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a l r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，t h eo b t a i n e dm 口b e a d sd i dn o th a v ea n yv i s i b l eg e lf o r m a t i o n i ns o l u t i o na n dh a dab e a e rp r o p e r t yo fc o n t r o l l i n ga n di m p r i n t i n ge f f e c t f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , e l e m e n t a la n a l y s i sa n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y w e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h eb e a d s i s o t h e r m a la d s o r p t i o na n d c o m p e t i t i v e a d s o r p t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h em i pb e a d sh a dg o o ds e l e c t i v i t ya n di d e n t i t y i i i i i p r o t e i n , t r i c l o s a n ，h i g h p e r f o r m a n c e 1 1 1 活性自由基聚合的特点及发展1 1 1 2 活性自由基聚合的分类2 1 1 2 1 稳定自由基聚合法2 1 1 2 2 可逆加成断裂转移自由基聚合法2 1 1 2 3 引发转移终止剂自由基聚合法3 1 1 2 4 原子转移自由基聚合法4 1 1 3 活性自由基聚合的应用6 1 1 3 1 活性自由基聚合在高分子材料合成中的应用6 1 1 3 2 活性自由基聚合在分离分析材料合成中的应用8 1 2 分子印迹技术概述9 1 2 。1 分子印迹的起源和发展概况9 1 2 2 分子印迹技术的原理。1 0 1 2 3 分子印迹技术的分类1 l 1 2 4 分子印迹聚合物的制备。l2 1 2 4 1 功能单体和交联剂1 2 1 2 4 2 分子印迹聚合物的聚合方法1 2 1 2 5 分子印迹技术的应用1 4 i v 1 3 3 3 有机无机复合基质色谱固定相1 9 1 3 4 离子交换色谱固定相问题及展望。1 9 1 4 本论文研究的内容及意义2 0 参考文献：2 1 第二章以原子转移自由基聚合法制备强阴离子交换色谱填料及其在 蛋白质分离中的应用2 7 2 1 引言2 7 2 2 实验部分2 8 2 2 1 仪器2 8 2 2 2 试剂2 8 2 2 3 硅胶基质表面离子交换色谱填料的制备一2 9 2 2 3 1 硅胶的活化、硅烷化、酰溴化2 9 2 2 3 2 在硅胶表面以a t r p 法合成离子交换聚合物2 9 2 2 4 三种聚合物对特征蛋白的吸附性能检测3 0 2 2 5 液相色谱实验3 0 2 2 6 鸡蛋中快速分离纯化卵清蛋白3 1 2 3 结果与讨论3l v ：i ：i ：；：； 3 4 3 4 ：；! ； 3 7 3 7 为3 7 ：；9 4 0 4 3 2 3 5 阴离子交换色谱柱的应用4 3 2 4 结论4 4 参考文献4 5 第三章引发转移终止剂修饰载体表面光接枝共聚制备三氯生分子印 迹微球4 7 3 1 引言4 7 3 2 实验部分4 9 3 2 1 仪器4 9 3 2 2 试剂5 0 3 2 3 分子印迹聚合物微球的制各5 0 3 2 3 1m p c 球修饰i n i f e r t e r 。5 0 3 2 3 2 光接枝法制备三氯生分子印迹微球5 0 3 2 3 3 聚合物制备最佳条件的选择5 l 3 2 4 聚合物的吸附实验。5 2 3 3 结果与讨论5 2 v i 参考文献6 3 作者简介6 5 致谢6 6 v i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 活性自由基聚合技术概述 1 1 1 活性自由基聚合的特点及发展 自从19 5 6 年s z w a r c 1 j 提出活性聚合概念以来，活性聚合得到迅速发展，尤其 是在2 0 世纪8 0 、9 0 年代得到了突破性进展，并成为高分子化学研究的热点之一。 所谓活性聚合是指那些不存在增长链终止反应或不可逆链转移副反应的聚合反 应 2 1 。活性聚合与传统聚合相比，主要有以下几个方面的优点：1 ) 引发反应速度 远远大于增长反应速度，而且不存在任何链终止和链转移反应，所有聚合物链 同时增长，增长链数目始终不变，分子量分布很窄( m w m n 1 1 ) ；2 ) 聚合物的分 子量正比于消耗单体浓度与引发剂初始浓度之比；3 ) 聚合物的分子量随转化率线 型增长，可通过控制单体和引发剂的浓度来控制所得聚合物的聚合度；4 ) 在第一 单体的转化率达到1 0 0 时，再加入其他单体，可合成具有预定结构的嵌段共聚 物。活性聚合具有无终止、无转移、引发速率远远大于链增长速率等特点，与 传统自由基聚合相比能更好地实现对分子结构的控制，是实现分子设计、合成 具有特定结构和性能聚合物的重要手段。 自由基聚合( f r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ) 是通过自由基引发，使链增长( 链生 长) 自由基不断增长的聚合反应，又称游离基聚合、加成聚合反应。绝大多数 是由含不饱和双键的烯类单体作为原料，通过打开单体分子中的双键在分子间 进行重复多次的加成反应，把许多单体连接起来形成大分子，它主要应用于烯 类的加成聚合。自由基聚合在高分子化学中占有极其重要的地位，是人类开发 最早，研究最为透彻的一种聚合反应历程。目前6 0 以上的聚合物是通过自由基 聚合得到的，如低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚 丙烯腈、聚醋酸乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶等。但是在传统的自由 基聚合中，增长链自由基易于双分子偶合或歧化终止等，导致聚合产物分子量 及其分布、链段序列、端基等很难控制。 活性自由基聚合( 1 i v i n gf r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ) 技术将活性聚合与自由基 聚合二者结合起来，避免了自由基聚合链终止和链转移的缺点。该方法主要是 第一章绪论 通过钝化大量可反应的自由基使其变为休眠状态，建立一个微量的增长自由基 与大量的休眠自由基之间的快速动态平衡，使可反应自由基的浓度大为降低， 从而减少了双基终止及链转移的可能性，实现了聚合物的可控性。该法为控制 聚合物的结构和性能提供了一种最好的途径p 5 】，成为当今高分子乃至化学学科 中重要的反应，广泛地应用于新型拓扑聚合物、不同成分的聚合物的制备。 1 1 2 活性自由基聚合的分类 活性自由基聚合基于可逆终止和可逆转移机理分为以下四类。其中可逆终 止机理包括稳定自由基聚合( 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 , s f r p ) 法或氮氧自 由基调控聚合( 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 ，n m p ) 法和原子转移自由基聚合 ( 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 ，a t r p ) 法，可逆转移机理包括可逆加成断裂 转移( 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 nt r a n s f e r , r a f t ) 活性自由基聚合法和引发转 移终止剂( i n i f e r t e r ) 法1 6 1 ，本文主要介绍了各种方法的原理及优缺点。 1 1 2 1 稳定自由基聚合法 1 9 9 3 年出现了在自由基聚合中加入稳定氮氧自由基的方法实现苯乙烯的活 性自由基聚合，称为s f r p 或n m p 7 。，该法属于一种非催化性体系。在聚合时， 除了要加入一般的引发剂如：过氧化苯甲酰( b p o ) ，2 , 2 一偶氮二异丁腈( a i b n ) p b ， 还要加入一种稳定含氮氧自由基化合物，如：2 ，2 ，6 ，6 一四甲基哌啶氮氧自由基 ( t e m p o ) 。t e m p o 作为稳定自由基，只与增长自由基发生偶合形成共价键，而 这种共价键在高温条件下又可以分解产生增长自由基和稳定自由基，通过这种 可逆的链终止反应实现了苯乙烯的活性自由基聚合。稳定自由基聚合法的主要 缺点是：大部分聚合的单体通常为苯乙烯及其衍生物，且需要较高的温度，需 要控制在1 1 0 1 4 0 ，虽然也有不少科研人员探索了新型的氮氧自由基，但是耗 时较长，比较复杂，且产率较低。 1 1 2 2 可逆加成一断裂一转移自由基聚合法 1 9 9 8 年3 7 届国际高分子学术讨论会上澳大利亚的r i z z a r d o 8 】报道了一种新的 活性自由基聚合方法，即通过可逆的加成一断裂链转移的方法( r e v e r s i b l ea d d i t i o n f r a g m e n tc h a i nt r a n s f e r , r a f t ) ，在传统的自由基聚合体系中加入高链转移常数和 特定结构的链转移剂以实现活性自由基聚合。在经典自由基聚合中，不可逆链 2 第一章绪论 转移副反应是导致聚合不可控的主要因素之一，但当链转移剂的链转移常数和 浓度足够大，链转移反应由不可逆变为可逆，聚合反应也由不可控变为可控。 该方法主要是采用双硫代酯类化合物作链转移剂，制备各种复杂的聚合物，其 缺点是r a f t 试剂需要多步合成，比较费时。 1 1 2 3 引发转移终止剂自由基聚合法 1 9 8 2 年o t s u 等【9 1 1 】首次报道了活性自由基聚合，就是采用引发转移终止剂方 法，他们发现在聚合体系中加入二硫代氨基甲酸盐、二硫化合物等物质时，聚 合物就表现出活性的一些特征【1 2 1 ，这些二硫代物质同时起了引发剂、链转移、 链终止( i n i t i a t o r - t r a n s f e r - t e r m i n a t o r ) 的作用，故被称为i n i f e r t e r 法。按照引发机理的 不同，i n i f e r t e r 试齐l j 又可分为热活化性和光活化型两种类型。常见的末端带有二 硫基氨基甲酸脂基的试剂均为光引发型试剂，分子量随着反应时间的增加而增 大，可以均聚也可以嵌聚。但是在该试剂中，封端的二硫代氨基甲酸酯基可能 会引发单体聚合，使得可逆封端剂相对于增长自由基的量不断减少，结果大量 的增长自由基不能被及时封端，而是通过双基终止形成“死”的大分子。故随 着反应的进行，体系的活性会有一定程度的损失，聚合物的分子量分布变宽。 常见的热引发i n i f e r t e r 试剂为1 ，2 二取代四苯基烷衍生物及碳碳键对称的六取代 乙烷类化合物，主要分为单官能度、双官能度、多官能度i n i f e r t e r ，结构见图1 1 。 两种试剂相比，光引发型要比热引发型更加有效。 引发转移终止剂自由基聚合法虽然制备的聚合物分子量分布比较宽，可控 性不如其他的方法好，但是其操作简单，制备容易，作为自由基聚合的先驱， 对活性自由基聚合的发展起了积极的推动作用。 多官能度 图1 1 不同i n i f e r t e r 化合物的结构 f i g u r e1 1t h es t r u c t u r eo fd i f f e r e n ti n i f e r t e rc o m p o u n d s 1 1 2 4 原子转移自由基聚合法 原子转移自由基聚合法也叫金属催化自由基聚合法【1 3 d 4 1 ，是活性自由基聚 合中研究比较热的方法，也是最近十几年发展起来的一种聚合方法。1 9 9 5 年， 王锦山等【1 5 钔1 和s a w a m o t o 等 1 8 - 1 9 1 分别独立发现了该方法。这些由过渡金属化合 物与配体为催化剂，有机卤化物为引发剂引发不饱和乙烯基单体进行自由基聚 合的过程，具有有机合成反应中原子转移自由基加成反应的特征，故这种类型 的聚合m a t y j a s z e w s k i 称之为原子转移自由基聚合( a t o mt 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 ，a t r p ) ，或者确切说是催化引发原子转移自由基聚合( c a t a l y z e d i n i t i a t e da 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 ) 。根据m a t y j a s z w k i 和王锦山提出的概 念，典型的原子转移自由基聚合的基本原理如图1 2 所示。 4 机卤化物 属卤化物 m r l x 。自由基r 可引发单体聚合，形成链自由基r - m n ，r - m n 可从高氧化 态的金属配位化合物m t n + 1 x 中重新夺取卤原子而发生钝化反应，形成聚合物卤化 物r m n x ，并将高氧化态的金属卤化物还原为低氧化态m t n ，可以引发新一轮的 反应。由此类推，聚合物卤化物r - m n x 可与m t n 进行原子转移反应，生成有引发 活性的自由基r m n or - m n 进行链增长反应，生成新的自由基r - m ( n + i ) ，再 和m t n + 1 反应生成相应的卤化物，这就是a t r p 聚合的机理。在聚合过程中活性种 和休眠种之间构成动态可逆平衡，可逆平衡偏向休眠种，从而降低了自由基的 浓度，抑制了终止反应，实现了活性聚合。由于整个引发增长反应都是通过卤 原子或其他原子的转移而完成的，故称为原子转移自由基聚合。 a t r p 可聚合的单体范围广泛，如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 、丙烯酸 酯类、丙烯腈等。反应条件比较温和，能得到结构明确的聚合物，且能控制聚 合产物分子量且分子量分布窄，故能合成各种结构的共聚物。但对于甲基丙烯 酸等羧酸类物质，羧酸会造成催化剂中毒，所以一般要先转化为叔丁酯等物质 才能聚合，最后再水解得到羧酸类物质。当前a t r p 研究一方面在新引发体系如 引发剂、催化剂、配体等方面拓宽和开发新体系；另一方面是找高活性引发体 系能在低温( 如室温) 下进行a t r p 。采用该聚合方法可得到嵌段、星状、树枝 状的高聚物，在高分子乃至整个化学合成界中发挥着重要的作用。尽管a t r p 有 很多的优点，但是其也有不尽人意的地方，比如其采用重金属作为催化体系对 5 第一章绪论 环境造成污染，且催化剂活性不高、用量较大；一般情况下聚合温度较高，聚 合单体还有待进一步扩展。 1 1 3 活性自由基聚合的应用 1 1 3 1 活性自由基聚合在高分子材料合成中的应用 由于活性自由基聚合能够得到结构明确和端基功能化的聚合物，且得到的 聚合物分子量可控、分子量分布窄，该方法广泛地应用于高分子材料的合成中。 人们采用该方法制备嵌段共聚物、接枝共聚物、超枝化聚合物及分子刷等。 1 1 3 1 1 嵌段共聚物 嵌段共聚物主要有两亲性共聚物、水溶性嵌段共聚物、含f ，s i 的嵌段共聚 物等。其中含f ，s i 的嵌段共聚物可以用作超临界二氧化碳的表面活性剂，故这 种聚合物对于在超临界c 0 2 介质中的乳化有重要意义 2 0 l 。武兵等以溴化亚铜、联 - - o h ：啶为催化体系，a 一溴代异丁酸乙酯为引发剂，在环己酮中用顺序加料法合 成了m m a 和丙烯酸全氟烷基乙基酯( f a e m ) 的两嵌段共聚物；k a t j aj a n k o v a 等以 溴化亚铜、联- - o f t 啶为催化体系，1 溴乙基苯为引发剂，本体合成聚五氟苯乙烯 ( p f s ) ，合成了嵌段共聚物p f s b p s 2 1 。2 2 1 。 1 1 3 1 2 接枝共聚物 接枝共聚物因其独特的综合性能成为高分子材料合成的重要领域，备受人 们关注。张永明等用乙烯基单体和对二氯甲基苯乙烯自由基共聚，得到对二氯 甲基苯侧基的线形聚合物，以此线形聚合物为引发剂引发丙烯酸甲酯等烯类单 体的a t r p ，形成接枝共聚物。刘春华等以二氧化硅( s i 0 2 ) 纳米粒子表面键接的 二硫代苯甲酸酯作为可逆加成断裂链转移( r a f t ) 聚合反应的链转移剂，在室温 下引发苯乙烯和马来酸酐进行表面r a f t 交替共聚反应，制得了s i 0 2 苯乙烯址 马来酸酐杂化材料；通过聚氧化乙烯( p e o ) 的羟基与马来酸酐的酯化反应，将p e o 接枝至l j s i 0 2 纳米粒子的表面，制备了接枝共聚物 2 3 1 。 1 1 3 1 3 超枝共聚物 超枝聚合物( h b p ) 也称为树枝状聚合物，它作为一种新型结构聚合物由于其 新奇的三维结构和独特的物理化学性质，已在多领域得到广泛地应用。常见的 6 第一章绪论 有超枝聚苯乙烯、超枝聚甲基丙烯酸酯以及其他超枝星型聚合物等。g a y n o r 等【2 4 】 首先报道了a t r p 法制备h b p s ，聚合单体为对氯甲基苯乙烯，采用c u c l 2 ，2 吡啶 作为催化体系，得到端基含有大量氯原子的h b p s 。h o n g 等【2 5 】采用表面含1 6 个双 硫代苯甲酯基的树枝状聚酯作为链转移剂，用于苯乙烯的r a f t 反应，然后以该 产物作为链转移剂，进行丙烯酸甲酯的r a f t 反应，得到s t 与m a 的嵌段共聚物， 此外该组还对树枝星型状的聚苯乙烯、具有温敏性质的聚n 异丙基丙烯酰胺进 行了探讨【2 6 羽j 。 1 1 3 1 4 聚合物分子刷 聚合物刷是指高密度地将聚合物分子链的一端连接于各种界面或聚合物链 上而形成的一种特殊均聚或共聚高分子体系。聚合物分子刷主要有三种不同合 成路线：第一种是由带有聚合物侧链的大单体通过均聚制得，即大单体聚合法 ( g r a f t i n gt h r o u g h ) ；第二种是从主链接枝法( g r a f t i n gf r o m ) ；第三种是接枝到主链 法( g r a f t i n gt o ) 口引。常规自由基聚合法制备分子刷结构控制较差，不同科研组的人 员尝试用可控自由基聚合法来控制主链的聚合度，取得了不少成绩。y a m a d a 等 2 9 】 用活性阳离子聚合法合成末端含有聚异丁基乙烯基醚的甲基丙烯酸酯大单体 ( m a p i b v e ) ，采用原子转移自由基聚合( a t r p ) 技术将大单体聚合而合成聚合物 分子刷。通过活性阳离子聚合与a t r p 技术的结合，获得了主链和侧链都可控且 分散度较小的聚合物分子刷。合成路线如图1 3 所示。 7 f i g u r e1 3t h ep r o c e d u r ef o rp r e p a r i n gm o l e c u l a rb r u s hf r o mm a p i b v em o n o m e r 1 1 3 2 活性自由基聚合在分离分析材料合成中的应用 除了在高分子材料合成中有广泛地应用外，近几年活性自由基聚合技术因 其本身的可控、活性聚合等优点己在分离分析材料的合成中有了较大的发展。 人们将这种活性自由聚合的方法应用于色谱填料、膜材料、电泳材料等方面的 制备中。 1 1 3 2 1 分子印迹技术中的应用 分子印迹技术中使用传统的自由基聚合方式容易导致溶液聚合等现象，使 反应产物难以处理，尤其是在表面印迹技术中，载体与溶液聚合产物难以用离 心、超声等手段分离，给人们带来了很大的不便。通过活性自由基聚合方式， 可将引发剂接枝于载体表面引发聚合，从而减少了溶液聚合。c h u n h u a - l u 等 3 0 1 采用r a f t 自由基聚合方法在纳米硅粒子表面合成了二氯苯氧基乙酸印迹聚合 物。x i a o l i n w e i 等人采用a t r p 方法在金片表面以荧光标记的n n 2 ( 二甲氨基 萘5 磺酰) 胱氨酸赖氨酸为模板，2 乙烯基吡啶为功能单体、乙二醇二甲基丙 烯酸酯为交联剂制备了超薄印迹聚合物，实验结果表明该聚合物对模板有较好 的选择性。此外，稳定自由基聚合法、引发转移终止剂聚合法都成功地应用于 分子印迹技术中【3 1 。3 3 1 。 8 第一章绪论 1 1 3 2 2 色谱分离分析中的应用 活性自由基聚合技术在色谱分离分析中的应用主要表现在固定相修饰与制 备方面。众所周知，固定相聚合物链的长短直接影响色谱分离性能。采用该技 术人们可以通过控制单体的加入量、聚合时间等条件来制备所需的分析材料。 e n d e ru n s a l 等【3 4 j 采用r a f t 自由基聚合方式，制备了不同链长的强阳离子交换色 谱填料，成功地应用于碱性蛋白的分离。张海燕等【3 5 】利用表面接枝i n i f e r t e r 的硅 球引发甲基丙烯酸异辛酯与乙二醇二甲基丙烯酸酯的共聚，提供了一种新型的 制备聚合物包覆硅胶固定相的方法，探讨了不同的合成条件得到的包覆固定相 的色谱分离性能。目前活性自由基技术在色谱分析材料中的应用还不是很广泛， 作为一种新型的聚合方法，将成为色谱固定相制备的新的方向。 除了分子印迹、色谱分离外，活性自由基聚合技术在分析中的应用主要还 包括电化学、膜分离 3 6 - 3 1 7 】等。作为一种新型高分子合成技术，在分析中的应用 范围会不断扩大，在分离分析材料的合成方面具有很大的潜力。 1 2 分子印迹技术概述 1 2 1 分子印迹的起源和发展概况 分子印迹是指制备对某一特定分子( 模板分子或印迹分子) 具有选择性的 聚合物的过程。分子印迹技术属于超分子化学研究范畴，超分子化学是结合高 分子化学、生物化学等学科发展起来的一门新兴的交叉边缘学科，应用前景非 常广泛。其理论基础是2 0 世纪4 0 年代免疫学中的抗体形成学说【3 8 】：p a u l i n g 在1 9 4 0 年前后首次提出，抗体在形成时其三维结构会尽可能地同抗原形成多重作用位 点，抗原作为一种模板，就会铸造在抗体的结合部位。后来“克隆选择 理论 否定了这一学说，尽管如此，它却为分子印迹理论的产生奠定了基础。1 9 4 9 年， d i c k e y 首先提出了“专一性吸附 这一概念，可以视为“分子印迹”的萌芽，但 是很长一段时间内都没有引起人们的重视【3 9 j ，1 9 7 2 年w u l 团钧研究小组首次成功 制备出分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r s ，简稍$ m i p s ) t 4 0 ，使分子印 迹技术的研究产生了突破性进展。1 9 9 3 年m o s b a c h 等人有关茶碱分子印迹聚合物 的研究报道，使这一技术在生物传感器、人工抗体模拟及色谱固相分离等方面 有了新的发展，该技术也成为各个国家研究的热点。到目前为止世界上至少有 9 图1 4 分子印迹技术原理图 f i g u r e1 4s c h e m ef o rt h et h e o r yo fm o l e c u l a ri m p r i n t e d t e c h n i q u e 从分子印迹技术的制备原理上可以看出m i p s 有三大特点：( 1 ) 预定性，即它可以 根据不同的目的制备不同的m i p s ，以满足各种不同的需要；( 2 ) 识别性，即m i p s 是按照模板分子定做的，可专一地识别印迹分子；( 3 ) 实用性，即它可以与天然 的生物分子识别系统如酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比拟，但由于它 是由化学合成的方法制备的，在较广的酸碱和热范围内性能仍保持稳定，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。 l o 第一章绪论 1 2 3 分子印迹技术的分类 根据模板分子和功能单体之间作用力不同，分子印迹技术可以分为两大类： 预组装( p r e o r g a n i z e d ) 和自组装( s e l f - o r g a n i z e d ) 。 ( i ) 预组装法也称共价法，在这种方法中目标分子和功能单体以可逆价的形 式形成印迹分子的衍生物，再进行交联聚合，然后再通过化学途径断裂共价键 而除去模板分子。该聚合物的制备及对模板的识别主要是依靠功能单体和模板 间可逆的共价结合力。该方法的优点是：聚合中能获得在空间精确固定排列的 结合基团，较强的共价作用使得聚合物对模板的选择识别性提高，较高的特异 性识别能力。但是同时导致了模板分子洗脱困难，且印迹分子自组装和识别过 程中结合和解离速度较慢，难以达到热力学平衡。找到更合适的洗脱溶液，能 将模板分子百分之百洗脱掉是该方法现在需要解决的问题。 ( 2 ) 自组装法也称非共价法，此方法中模板分子与功能单体之间以氢键、静 电作用、疏水作用、离子键及金属配位等方法自组装形成模板单体复合物，经 过交联聚合后将这种作用保存下来。此方法是由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世 纪8 0 年代后期创立的【4 2 - 4 4 1 。该方法的优点是方法简单，可选择的单体及模板较 多，印迹分子的模板洗脱较容易，是目前分子印迹中常采用的方法。但是，该 方法的缺点是模板与功能单体间通过非共价键结合作用力较弱，经常需要加入 过多的功能单体或者是多种功能单体，导致识别位点不是很均一，且非特异性 吸附较大，使其选择性变差。 共价印迹和非共价印迹各自都有优缺点，经过长期摸索，w h i t c o n l b e 【4 5 j 还发 明了一种综合二者的技术的方法，即半共价型分子印迹，也叫“牺牲空间法 。 作者首先将该方法运用到胆固醇分子印迹聚合物的制备过程中，用碳酸二酯键 将模板胆固醇与功能单体4 乙基苯酚作用，形成共价单体模板复合物，交联聚 合后，通过水解的方式断裂碳酸二酯键，除去模板。在该方法中，聚合时模板 与功能单体间通过共价作用，而在识别过程中，二者的作用是非共价的，得到 的聚合物既有共价型印迹专一性的优点，又有非共价的优点。目前用这种方法 制备印迹聚合物得到了广泛地应用【4 6 4 8 1 。 第一章绪论 1 2 4 分子印迹聚合物的制备 1 2 4 1 功能单体和交联剂 功能单体和交联剂的选择是制备分子印迹聚合物的关键因素，主要是因为 二者聚合后构成印迹聚合物的骨架。分子印迹聚合物的制备主要有共价型和非 共价型两种类型。制备共价键型印迹聚合物通常使用的功能单体是含有乙烯基 的硼酸、醛、胺、酚和二醇以及含有硼酸酯的硅烷化合物等；非共价型印迹聚 合物使用的单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、 4 乙烯基吡啶、4 乙烯苯胺等。最常用的功能单体是甲基丙烯酸和4 一乙烯基吡啶， 主要是因为二者带有羧酸及苯环，可以与模板形成较强的氢键作用，有利于印 迹的进行。 每一个交联单体都不同程度地影响着印迹聚合物的形态，交联剂的正确选 择取决于印迹分子的结构、所需聚合物的形态以及希望得到的应用。其中常用 的交联剂是带有两个乙烯基的乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) ，除此之外还有 ，带有三个、四个乙烯基的交联剂。同时，交联剂的选择还要根据模板分子的变 化采用其他的交联剂，如四乙基硅酸盐、n ，n 亚甲基丙烯酸酯，乙烯基二甲基 丙烯酸酯【4 9 巧o 】等。对生物大分子如蛋白质进行印迹时，用丙烯酰胺为单体制备 m i p 时一般应使用n ，n 亚甲基二丙烯酰胺为交联剂进行交联聚合；在肽类分子 印迹中一般使用季戊四醇类三元或四元交联剂如季戊四醇三丙烯酸脂和季戊四 醇四丙烯酸脂。 1 2 4 2 分子印迹聚合物的聚合方法 目前，已有多种聚合方法应用于分子印迹聚合物的制备。主要有本体聚合、 悬浮聚合、沉淀聚合、表面印迹等。 ( 1 ) 本体聚合 本体聚合也叫块状聚合，是最简单最常用的方法【5 1 - 5 2 1 。此法将模板分子、 功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶解在溶剂中，移入玻璃瓶中引发聚合 一定时间。形成块状聚合物，然后经粉碎、磨细、筛选等过程获得所需粒度的 粒子。该方法最大的优点是简单，条件易于控制，便于普及。但存在的主要问 题是：制备得到的聚合物一般为高度交联的固块，要进行研磨、洗涤、干燥、 筛分等后处理，费时、费力；另一方面，人工或机械研磨会造成粒径分布不均， 1 2 第一章绪论 研磨过程可能会破坏聚合物中的某些结合点。这些弊端导致了它作为色谱柱固 定相时柱压变大，柱效降低。在分子印迹发展之初，大多数m i p 的制备通常均采 用该方法【5 3 5 6 1 。 ( 2 ) 悬浮聚合 溶有引发剂的单体以液滴状悬浮于水中进行自由基聚合的方法称为悬浮聚 合法。整体看，水为连续相，单体为分散相，聚合在每个小液滴内进行，反应 机理与本体聚合相同，可看作小珠本体聚合。该法通常将单体、致孔剂和分散 剂组成均匀的混合溶液，然后加入引发剂，在搅拌下经自由基聚合反应产生球 状不溶性聚合物。由于该反应采用水作为分散剂，故对印迹有一定的影响。在 技术不断进步的今天，不稳定悬浮聚合法、种子溶胀悬浮