（分析化学专业论文）分子印迹电化学传感器的研制.pdf

摘要 摘要 近年来随着分子印迹技术( m i t ) 的发展，制得的分子印迹聚合物( m i p s ) i 园其具有耐 高温、高压、酸、碱和有机溶剂，制备简单，可多次重复使用，以及对目标分子具有较 高识别能力等优点，使其作为传感器的识别材料越来越受到人们的青睐。然而传统印迹 材料、印迹方法制得的聚合物存在着膜厚难控制，响应时间长，检测下限高，印迹分子 难洗脱，重现性和膜稳定性差等问题，这都给m i t 在电化学传感器中的广泛应用带来了 困难。因此寻找新的印迹材料和印迹方法以满足电化学传感器对敏感材料的要求具有重 要的研究意义。 据此，本论文采用了新的印迹材料和印迹方法并将其在应用到m i t 中，将m i t 和电 化学传感较好地结合起来，成功地构建了一系列以此制得的m i p s 为敏感膜的电化学传感 器，其主要内容概述如下： 1 本文首次采用光敏双亲离聚物作为印迹材料，制成了一种新型的以葡萄糖为模板 的m i p s 传感器。采用这种光敏双亲离聚物，无需交联剂和光引发剂，在一定紫外光照下 1 0 m i n 以内即可在金电极表面原位二聚形成m i p s 膜。采用方波伏安法( s w v ) 对葡萄糖在 印迹电极和裸电极上的电化学氧化行为进行了研究，在碱性介质中，该印迹传感器对葡 萄糖具有特异选择性，0 5 v ( v s s c e ，下同) 处氧化峰电流与葡萄糖浓度在5 0 1 0 。6 1 2 1 0 4 m o u l 范围内呈线性关系，检出限( s n = 3 ) 为1 0 1 0 。6 m o l l ，同一支印迹电极对葡 萄糖响应值的r s d 为5 0 ( n - 5 ) ；对甘露糖和阿拉伯糖的选择性系数分别为1 2 4 和1 5 l ， 对麦芽糖等多糖有更高的选择性，选择性系数达到9 1 7 ，酮糖和肌醇在所研究的电位下 对葡萄糖的测定基本无干扰。用该分子印迹传感器对模拟血样进行分析，三次测定的平 均回收率为9 2 6 ，相对标准偏差为2 2 。 2 利用m i t ，以对羟基苯甲酸乙酯( e p ) 作为模板分子，甲基丙烯酸为单体，在玻碳 电极表面原位聚合m i p s 敏感膜。采用s w v 对e p 在该印迹电极上的电化学行为进行了研 究，当响应时间为1 5 m i n 时，0 9 5 v 处氧化峰电流与e p 浓度在2 0 x 1 0 - 6 - 2 0 1 0 4 m o u l 范 围内呈线性关系，检出限( s n = 3 ) 为1 0 x 1 0 。6 m o l l ，而在相同条件下，e p 在非印迹电极上 的响应非常小并对浓度变化不敏感：同时在印迹电极上氧化峰电位较在裸电极上发生了 微弱正移。同一支印迹电极对e p 响应值的r s d 为4 3 ( n - 1 0 ) 。该印迹电极对尼泊金酯类 具有良好的选择性，对对羟基苯甲酸甲酯( m p ) 、丙酯( p p ) 以及丁酯( b p ) 选择性系数分别 为1 8 9 、1 7 0 和2 0 l ；对结构相似物苯酚、对羟基苯甲酸、对氨基苯甲酸等响应不灵敏， 对结构差异较大的如维生素c 等几乎无响应。用该印迹电极对实际样品进行分析，加标 回收率在9 1 - - 9 5 之间。 在此基础上，本文对以m p 和p p 为双模板的尼泊金酯类分子印迹电化学传感器进 行了初步研究。为了使m p 和p p 在印迹电极上具有相同的灵敏度，调节了双模板间的 比例。制得的印迹电极对实际样品进行了分析，加标回收率在9 8 - 1 1 4 之间。结果 显示了基于m i t 的印迹传感器具有制作简单，操作方便，并具有一定的灵敏度和选择 性以及良好的重现性。 摘要 关键词：电化学传感器；分子印迹聚合物膜；光敏聚合物；双模板；葡萄糖；尼泊金酯 类；方波伏安法 a b s t r a c t a b s t r a c t m i p sa sar e c o g n i t i o ne l e m e n tf o rs e n s o r s ，w h i c hp o s s e s ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha s r o b u s t n e s sa n ds t a b i l i t yu n d e rah a r s hp h y s i c a la n dc h e m i c a lc o n d i t i o n s ，e a s i n e s so f p r e p a r a t i o n ，u s e dr e p e a t e d l ya n da b i l i t yt o t a i l o r r e c o g n i t i o nm a t e r i a lf o rt a r g e ta n a l y t e s ， h a v ei n c r e a s i n g l ya t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nr e c e n t l y l i m i t a t i o n s ，s u c ha sd i m c u l tt o c o n t r o lt h et h i c k n e s so ff i l m ，l o n gr e s p o n s et i m e ，i n c o m p l e t et e m p l a t er e m o v a l ，h i 【g hd e t e c t i o n l i m i t ，b a dr e v e r s i b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y ，e t a l ，a r ee x i s t i n gi 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 a n dm a t e r i a l s 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 rt l l ea p p l i c a t i o no nt h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r s t u d i e sa 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 e r i a l sa n dn e wm e t h o d st om e e tt ot h e r e q u i r e m e n t so fe l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r t h e r e b y ，i nt h i sp a p e rt h ea p p l i c a t i o n s o fn e wm a t e r i a l sa n dm e t h o d si nm i ta r e i n v e s t i g a t e d ，a n ds o m en e wm i p se 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 ds u c c e s s f u l l yb y c 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 l le l e c t r i ct r a n s d u c e r s t h em a i nc o n t e n t sa l el i s t e da s f o l l o w s ： 1 an o v e lv o l t a m m e t r i cs e n s o rb a s e do nm 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 ) b ya k i n do fp h o t o s e n s i t i v ea m p h i p h i l i cc o p o l y m e rw a sd e v e l o p e df o rd e t e r m i n a t i o no fg l u c o s ei n t h i sw o r k w i t h o u tt h ec r o s s 1 i n k e ra n dt h ei n i t i a t o r am i p sf i l mo nt h es u r f a c eo fag o l d e l e c t r o d ew a se a s i l yf o r m e db yi n s i t uc r o s s 1 i n kw i t h i n10m i nu n d e ru vl i g h ti r r a d i a t i o n i n a l k a l i n em e d i u m ，e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o nb e h a v i o r so fg l u c o s eo nt h em i p ss e n s o r ，a sw e l l a so nab a r eg o l de l e c t r o d eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dw i t hs q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y ( s w v ) a t o x i d a t i o np o t e n t i a lo f - 0 5 0v s c e ) ，t h ep e a l ( c u r r e n t so nt h em i p ss e n s o rw e r e p r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fg l u c o s ei nt h er a n g eo f5 01 t m o l l - 12 0 p m o f l w i t ht h e d e t e c t i o nl i m i to f0 2 嵋“一( s n = 3 ) ，w h e r e a st h ee x t r e m e l ys m a l lr e s p o n s e so ft h ec o n t r o l e l e c t r o d ew e r eo b s e r v e da n di n d e p e n d e n to ft h ea n a l y t ec o n c e n t r a t i o n m i p ss e n s o rd i s p l a y e d s p e c i f i cs e l e c t i v i t yt o w a r dg l u c o s ei nc o m p a r i s o nt os t r u c t u r a l l ys i m i l a ra n a l o g u e s 砀e s e l e c t i v ec o e 伍c i e n to fg l u c o s em i p ss e n s o rw i t hr e s p e c tt om a l t o s e a r a b i n o s ea n dm a n n o s e w a s9 17 1 51a n d1 2 5 ，r e s p e c t i v e l y f r u c t o s ea n di n o s i t o lw o u l dn o ti n t e r f e r ew i t ht h e d e t e r m i n a t i o no fg l u c o s eb e c a u s et h e yc o u l dn o tb ee l e c t r o c h e m i c a l l yo x i d i z e da tt h ep o t e n t i a l o f 0 5 0v r e l a t i v er a p i dr e s p o n s eo ft h em i p ss e n s o rw a so b t a i n e dw i t h i n7r a i n , a n dt h e r s do fp e a l 【c u r r e n t sw a s5 0 ( n - 5 ) m i p ss e n s o rw a sa p p l i e dt od e t e r m i n eg l u c o s ei nt h e s i m u l a t i v eb l o o ds e r u ms a m p l e s t h ea v e r a g er e c o v e r i e sw a s9 2 6 2 av o l t a m m e t r i cs e n s o rb a s e do nm i p s w h i c hw a sc o n s t r u c t e do nt h es u r f a c eo fa g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e 、i t l lt h ee t h y l p a r a b e n ( e p ) a st e m p l a t ea n dm e t h a c r y l i ca c i da s f u n c t i o n a l m o n o m e r , w a sd e v e l o p e d f o rd e t e r m i n a t i o no f p a r a b e n i nt h i sw o r k e l e c t r o c h e m i c a lo x i d a t i o nb e h a v i o r so fe po nt h ei m p r i n t e de l e c t r o d eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d 埘ms w v w h e l lt h ei n c u b a t i o nt i m ew a s15 m i n t h ep e a kc u r r e n t sa to x i d a t i o np o t e n t i a lo f 0 9 5vw e r ep r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fe pi nt h er a n g eo f2 o xlo 6 2 o x10 珥m o l l 、i t ht h ed e t e c t i o nl i m i to f1 0 xlo - 6 m o l l ( s n = 3 ) a n dt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n 限s d ) o fp e a kc u r r e n tw a s4 3 ( n - lo ) ，w h e r e a st h ee x t r e m e l ys m a l lr e s p o n s e so ft h ec o n t r o l e l e c t r o d ew e r eo b s e r v e da n di n d e p e n d e n to ft h ea n a l y t ec o n c e n t r a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h e m a b s t r a c t v o l t a m m o g r a mo fe pr e c o r d e dw i t hi m p r i n t e de l e c t r o d ew a sd i f f e r e n tf r o mt h a tw i t ht h eb a r e e l e c t r o d ea tt h es a m ec o n d i t i o n s w i t hap o s i t i v es i l i ro fo x i d a t i o np o t e n t i a l t h ei m p r i n t e d e l e c t r o d ed i s p l a y e ds u b s t a n t i a l l ys p e c i f i cb i n d i n go fp a r a b e n , w h i c ht h es e l e c t i v ec o e f f i c i e n t o fi m p r i n t e de l e c t r o d e 埘t l lr e s p e c tt om p ，p pa n db pw a s1 8 9 、1 7 0a n d2 0 1 ，r e s p e c t i v e l y a n do n l ys m a l lr e s p o n s e so fs t r u c t u r a la n a l o g ss u c ha sp h e n o l ，p - h y d r o x y b e n z o i ca c i da n d p a m i n o b e n z o i ca c i dw e r eo b s e r v e d m o r e o v e r , s t r u c t u r a lu n a n a l o gv i t a m i nc h a da l m o s tn o r e s p o n s e 1 r i l ei m p r i n t e de l e c t r o d ew a su s e df o ra n a l y s i so fp a r a b e n si na c t u a ls a m p l e s ，t h e r e c o v e r i e sw e r eb e t w e e n91 a n d9 5 o nt h eb a s i so ft h a t p a r a b e ns e n s o rb a s e do nm i p su s i n g a n dp p 勰d u a l - t e m p l a t e w a sr e s e a r c h e dp r e l i m i n a r i l y i no r d e rt oo b t a i nt h es a m es e n s i t i v i t yo nm i p ss e n s o rf o rb o t l l t h em pa n dp p , t h er a t i oo ft h e i pt op p 弱t h ed u a l - t e m p l a t ew a si n v e s t i g a t e d t h ei m p r i n t e d e l e c t r o d ew a su s e df o ra n a l y s i so fp a r a b e n si na c t u a ls a m p l e ，t h er e c o v e r i e sw e r eb e t w e e n 9 8 a n d1 l4 n 伦e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s o rf o rp a r a b e n sw a ss i m p l e rt o c o n s t r u c ta n do p e r a t e ，a n dp r o v i d e da na d e q u a t es e n s i t i v i t y ，g o o dr e p e a t a b i l i t ya n da c c e p t a b l e a c c u r a c y k e y w o r d s ： e l e c t r o c h e m i c a l s e n s o r ；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 sm e m b r a n e ； d u a l - - t e m p l a t e ；p h o t o - s e n s i t i v ep o l y m e r s ；g l u c o s e ；p a r a b e n ；s q u a r ew a v ev o l t a m m e t r y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 i 签名： 互独 日 期： 尊： ：! ! 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、；1 2 编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：j 扯导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 分子印迹 1 1 1 分子印迹技术概况 分子印迹( 又称分子烙印，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d ) ，属于超分子化学中主客体化学范 畴，是源于高分子化学和材料化学等学科的一门综合学科。分子印迹技术( m o l e c u l a r l y i m p r i n t e dt e c h n i q u e ，m i t ) ，是指制备对某一或某类特定目标分子( 模板分子，印迹分子) 具有特异选择性或专一选择性的聚合物的过程，因而它被形象地描述成制备“分子钥匙” 的“人工锁”技术i 】。 m i t 起源于免疫学。早在上世纪4 0 年代，p a u l i n g 就提出了以抗原为模板的抗体生 成理论，该理论认为抗原进入机体后，具有遗传作用的蛋白质或多肽链就以抗原决定部 位为模板进行分子的自组装和链的折合，最后形成了抗体，尽管该理论被“克隆选择理 论”所推翻，但这为m i t 的发展奠定了一定的理论基础【5 】。1 9 4 9 年，d i c k e y 首次提出了“专 一性吸附”概念，标志着“分子印迹”的萌芽，但是在相当长时间内没有引起科学家的足 够兴趣【6 j 。w u l f f 研究小组在1 9 7 2 年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 ，m i p s ) ，至此分子印迹才逐步被科研工作者所认识 7 1 。1 9 9 3 年， m o s b a c h 研究小组在( n a t u r e ) ) 上发表了有关茶碱m i p s 的报道后，m i t 得到了快速的 发展，成为各国化学工作者研究热剧8 1 。 目前，在m i t 的作用机理，m i p s 的制备方法，m i t 与m i p s 在各个领域的应用研 究，特别是在分析化学方面的应用都取得了长足进步。m i t 在化学方面的应用研究涉 及分离纯化，化学催化，模拟生物转化，仿生传感等。 m i t 之所以发展迅猛，主要是基于它具有以下三大显著特色：( 1 ) 构效预定性 ( p r e d e t e r m i n a t i o n ) ，决定了人们可以根据不同的目的合成不同的m i p s ，以满足各自需求； ( 2 ) 特异识别性( s p e c i f i c r e c o g n i t i o n ) ，m i p s 是依据印迹分子量身定做的，能选择性地识 别目标分子；( 3 ) 广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) ，主要表现在它与天然的生物分子识别系统如 抗原和抗体、酶与底物、受体与激素相比，具有抗恶劣环境能力好，稳定性好，以及使 用寿命长，制备过程简单等优点【9 】。 w u f f 认为理想的m 1 p s 应该具有如下特征【1 0 l ：( 1 ) 具有一定的刚性，以使印迹分子 除去后确保孑l 穴”的形状和印迹位点的空间排布得到保持；( 2 ) 空间构型应具有一定的柔 性和印迹位点应具有易接近性，以使分子识别较快地达到结合平衡：( 3 ) m i p s 还应具有 一定的机械强度和热稳定性以便实际应用。为使m i p s 对印迹分子具有专一选择性，因 而要求印迹分子与功能单体之间的作用力应该足够强，但是为使印迹分子在聚合反应完 成后较易从m i p s 中除去，因此要求印迹分子与m i p s 之间的作用要适当并且在一定程 度上是可逆的 1 1 j 。 将m i p s 应用于传感器，就制成了m i p s 传感器，其原理就是将m i t 所特有的高选 择性与各种传感技术的高灵敏度结合起来，从而实现对目标化合物的快速高效检测。 江南大学硕上学位论文 t a b u s h 等【l ”在1 9 8 7 年丌创性地采用表面模板印迹的方法将十八烷基甲硅烷与接到其j 的正十六烷一起共价键合到二氧化锡电极上制得了分子印迹传感器。脱除模板分子( 正 十六烷) 后，活性二氧化锡层在吸收含疏水基团的维生素k 1 、k 2 和e 时，表现出很强的电 化学响应。这是利用m i t 制各传感器的第一例。l o 多年来m i p s 传感器获得了长足的 发展，新的应用不断涌现。 1 1 2 分子印迹基本原理 分子印迹的基本原理可以用以下步骤来表示： ( 1 ) 首先印迹分子与功能单体在适宜的溶剂( 又称致孔剂) 中凭借相互作用力如共价 键作用或非共价作用( 包括氢键、静电引力、疏水作用及空问位阻效应等) ，单体在印迹 分子周围作一定取向和空间排列，形成可逆的单体- 模板分子加合物： ( 2 ) 其次加入的交联剂( c r o s s l j 山神经光、热等作用下形成既具有一定刚性又具有一 定柔性的多孔三维立体聚合物，并且将印迹分子有规律的包含在其中，从而使印迹分子 上的功能基团在一定的空间和取向上被固定下来； ( 3 ) 最后用一定方法将印迹分子除去，从而获得具有与印迹分子空问结构互补并且 具有多重作用位点的印迹“孔穴”，这种印迹“孔穴”能够可逆结合目标分子，从而实现 m i p s 对印迹分子的特异性识别。 分子印迹及识别过程见图l l 。 n o n c o v a l e n t i p 几n u n g = 务9 = 匦兰民翼b i n d i n g c o v a l 朗ti m p d n t i n g i 三 = 鬯兰 l 一一虺二已竺 幽卜l 分子印迸厦识刺过杜 f i 9 1 1p r i n c i p l eo f 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 1 1 3 分子印迹聚合物的制备 1l3 1 分子印迹聚合物的制备方式 在印迹聚合过程中，印迹分子与功能单体间作用力方式以及作用力大小在聚合物的 识别能力上扮演着至关重要角色。按照印迹分子和功能单体之间形成的多重作用位点方 式及作用力大小不同柬看，m i p s 的制备可以分为三种方式： ( 1 ) 共价法口】：又称预组装法由w u l f f 小组提出，即聚台前的预聚集体主要是由 第章绪论 共价键作用形成1 1 3 】。印迹分子先通过较强的共价键与单体结合，交联聚合后，用化学方 法将印迹分子从聚合物网络上除去。该聚合物的制备及以后的分子识别过程都依赖于单 体与印迹分子之间共价键作用【1 4 1 。硼酸酯、缩醛、酮酯和螯合物、席夫碱等常用来作为 共价结合作用的单体【l 引。4 乙烯苯硼酸是最常用的共价型单体，其他常用单体还有4 乙 烯苯甲醛、4 乙烯苯胺和4 乙烯苯酚等。在“孔穴中若含有两个或两个以上的硼酸基团 的m i p s ，在拆分印迹分子的外消旋体时表现出很高的选择性【1 6 1 。但这并不意味着结合位 点数越多其选择性越高。先前的研究结果显示：3 个硼酸基副1 7 】和3 种不同类型的共价键 结合作用均导致较低的分离能力【l 引，这主要是由于共价键作用力太强导致在印迹分子预 组装或识别过程中难以达到平衡，不利于快速测定，而且识别水平与生物识别相差较远， 这些限g t l 共价印迹法的进一步发展。f u j i i 等【19 ，2 0 】采用o r , 2 r ) 1 ，2 二氨基己烷和4 ( 4 乙烯苄氧基) 水杨醛来生成席夫碱配基，通过c 0 2 + 把氨基酸结合到配基上，首次制得了金 属配位的m i p s ，实验结果显示该金属配合物m i p s 对n 苄基d ，l 缬氨酸旋光对应异构体 的拆分具有很高的选择性，容量因子a 高达6 8 2 。此法的优点有：分子印迹过程机理是 明确而清晰的，这是由于单体模板分子形成的加合物是以共价键为基础的，十分稳定， 且相互间存在着一定的定量关系；由于共价键联结的稳定性，因此它可以在较宽的温度、 p h 或高极性溶剂范围内进行聚合。存在的缺点主要有：可供选择的共价化学反应非常有 限，单体模板分子加合物的合成常较困难，印迹过程复杂，同时也不经济；模板分子 不易洗脱，需用苛刻的化学方法除去；客体的结合和释放速度都较慢，不利于快速识别。 ( 2 ) 非共价法【2 l j ：由m o s b a c h 研究小组提出，组装过程中模板分子和功能单体之间 是通过非共价键及其多重作用位点协同作用共同实现的【2 2 , 2 3 1 。非共价法又称自组装法， 是指印迹分子与功能单体之间预先自组装排列，以较弱的非共价键形成多重作用位点， 聚合后这种作用被保存下来，经洗脱模板分子后，就在聚合物膜内形成了与印迹分子空 间结构互补并且具有多重作用位点的印迹孑l 穴”。常用的非共价键作用主要有氢键、静 电引力、范德华力、离子交换、疏水作用、络合作用、空间位阻效应等，以氢键应用居 多。与共价法相比，非共价法制备m i p s 具有操作简单，模板分子易于除去，亲和性和 选择性较高，可应用的基团多，适用性广，其分子识别过程也更易接近天然的分子识别 系统等优点。因此在实际制备m i p s 过程中，非共价法使用最多。此法的优点主要有：由 于其间仅有较弱的非共价作用，因此印迹分子易于除去，再生性能好；客体的结合和释 放都有较快的速度，有利于快速测定，因为印迹分子与聚合物间是以较弱的非共价作用 结合的。但也存在一定的缺陷，如单体模板分子加合物易于变化而无严格的定量关系 而使印迹过程的机理不够清晰；聚合过程的条件对聚合物性能影响很大，因此必须严格 优化制备条件；为利于加成物的生成，常在体系中加入大量的功能单体，但是过量的功 能单体存在常会出现非特异性键合，降低专一选择性。表1 1 为常用氢键相互作用基团。 一般来说，非共价印迹法因其具有的优点而容易制备。同时，它还可应用于较宽的 和不同的印迹类型。总结两者的优缺点，主要区别见表1 2 ，科研工作者可以根据不同 的印迹分子和实验目的，选择不同的作用方式来制备m i p s 。 江南大学硕士学位论文 表1 1 氢键作用的供体和受体基团 t a b 1 - 1d o n o ra n da c c e p t o rg r o u p so f h y d r o g e nb o n d i n g 表1 2 共价印迹法与非共价印迹法的优缺点 t a b 1 - 2t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o v a l e n ta n dn o n c o v a l e n ti m p r i n t e dp o l y m e r s ( 3 ) 综合型【2 4 】：它是将以上两种技术结合起来，即聚合时单体和模板分子之间是 通过共价作用形成的，而在分子识别过程中，单体和模板分子间的作用又是非共价的。 w h i t e e o m b e 等人采用共价键将模板分子和功能单体结合起来，交联聚合后经洗脱模板 时脱去一个c 0 2 分子，得到的m i p s 既有共价印迹聚合物亲合专一性强、选择性高的优 点，又兼有非共价印迹操作条件温和的优点【2 5 2 6 1 ，在分子识别过程中是通过较弱的非共 价键及其协同作用来实现的，这就是所谓的“牺牲空间法”( s a c r i f i c i a ls p a c e rm e t h o d ) 。 p i l e t s k y 等人报道的硅酸m i p s 也是采用分子自组装和分子预组装相结合的方法制备的 【2 7 】 o 1 1 3 2 分子印迹聚合物原料 ( 1 ) 印迹分子根据所需要识别的化合物的结构和性质，印迹分子可以是小分子化 合物、金属离子或金属配合物，也可以是分子聚集体，习惯上统称为模板分子或印迹分 子，常见的主要有糖类及其衍生物、氨基酸及其衍生物、核酸、蛋白质、农药、杀虫剂、 药物、酶或辅酶等。 ( 2 ) 溶剂或分散剂溶剂或分散剂的选择对聚合物的聚合过程、后续处理及实际应用 都会产生一定的影响，因此选用溶剂时必须满足以下条件：一是对印迹分子、单体、交 联剂和引发剂具有一定的溶解性：二是要尽可能减小溶剂对印迹分子与聚合物的键合作 用产生的不利影响，以使后续处理尽可能简便。 ( 3 ) 功能单体和交联剂常用功能单体主要是甲基丙烯酸( m a a ) 、4 乙烯基吡啶 4 第一章绪论 ( 4 v p ) 、丙烯酸( a a ) 、甲基丙烯酰胺等。常用交联剂有乙二醇二异丁烯酸酯( e d g m a ) 、 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯( t m p t a ) 、( 二缩) 三丙二醇二丙烯酸酯( t p g d a ) 、三羟甲基丙 烷三甲基丙烯酸酯( t r i m ) 等。 1 1 4 影响分子印迹聚合物识别性能的因素 目前，在实际应用中大部分是采用非共价键法来制备m i p s 的，因此只对影响非共 价法制备的m i p s 的识别性能的因素进行探讨。影响非共价法m i p s 识别性能的因素非 常多，既有聚合物自身的因素，也有聚合物所处的环境等诸多影响因素，而且还与其合 成条件及原料有很大的关系。 1 1 4 1 功能单体对分子印迹聚合物识别性能的影响 功能单体在制备m i p s 过程中扮演着重要角色，因此功能单体必须满足两个条件： 一是功能单体的一端要能和交联剂发生共聚；二是它能和印迹分子间发生相互作用i 2 引。 一般要求功能单体与交联剂必须具有较强的共聚能，这是因为交联剂的自聚体不含有识 别基团而没有分子识别能力，而功能单体的自聚体由于其交联度太低也无法形成有效的 印迹“孔穴”，因此只有两者的共聚体才是聚合物中的有效部分。此外，功能单体与印迹 分子间的作用力要适中，因为作用力过d , n “孔穴”对印迹分子的专一选择性不高，而过 大则印迹分子难以洗脱，耗时耗力。因此，应该根据目标化合物的结构特点，选择与其 具有一定结合力的功能单体是合成有效的m i p s 的关键【2 9 l 。 迄今为止，应用最为广泛的功能单体主要是m a a 和4 v p ，分别适用于分子结构中 含有碱性基团和酸性基团或二者兼而有之的印迹分子。在印迹过程中，印迹分子中的“活 性”官能基团以非共价键作用形式与功能单体间形成稳定的加合物，交联聚合后在m i p $ 中形成了对印迹分子具有特异识别性的结合位点印迹“孔穴”。为使印迹分子与功能单体 间作用力更强，形成的加和物更为稳定，使得m i p s 对印迹分子具有更好的专一选择性， 因此在制备m i p s 过程中采用了混合功能单体。功能单体与印迹分子的比例也会影响 m i p s 的识别性能，功能单体的量过少则会造成有效结合位点减少；但并不是功能单体 的量越多越好，功能单体量过多时则会增j j i m i p s 对印迹分子的非特异性吸附，专一选 择性变差。 1 1 4 2 交联剂对分子印迹聚合物识别性能的影响 交联剂的种类及用量对m i p s 的稳定性和识别能力有着密切关系。使用多官能团的 交联剂能提高聚合物的交联度，增强聚合物的刚性，有利于保持识别点的整体性【3 0 】。用 含3 个或3 个以上乙烯基的交联剂如t m p t a 可使m i p s 具有更好的柱容量、选择性及分离 度【3 l 】；在传感器应用上，多官能团的交联剂成膜性差，因此很少使用，而二官能团的交 联剂能提供较好的柔性而广泛使用，在制备过程中常使用乙二醇双甲基丙烯酸酯以及二 乙烯基苯作为交联剂。聚合物的识别性和稳定性还受交联剂用量的影响，交联剂的量过 高，则刚性过强，膜易破裂，聚合物的容量下降导致其识别位点可接近性差，结合平衡 时间延长；但是交联剂用量过低时，膜的稳定性变差、专一选择性降低1 3 2 j 。因此，在选 5 江南大学硕士学位论文 择交联剂时不但要使聚合物具有一定的刚性以维持孔穴的立体形状，而且要使它具有一 定的柔韧性，以使识别点具有较好的可接进性，从而减少响应时间以提高其结合效率【3 3 1 。 此外，为实现有效的印迹效果，交联剂的反应能力应和功能单体相类似，否则不是 功能单体，就是交联剂的聚合将占有优势，而使两者的共聚合反应不能充分完成。通过 选择适当的交联剂，无归共聚反应将成功实现，从而使功能单体所衍生的功能残基能均 匀地分布于聚合物网络中。 1 1 4 3 溶剂对分子印迹聚合物识别性能的影响 作为溶剂除了致孔效应外，还有溶解的作用。溶剂的某些性质，如溶剂的极性、介 电常数、质子化作用及络合作用等，影响着聚合物的比表面积、形状、孔穴、颗粒均一 度和刚性等，从而影响聚合物对模板分子及其结构类似物的选择性和亲和力。在以非共 价法制备聚合物时，溶剂的选择尤为重要，选择的溶剂一方面应对功能单体、印迹分子 具有较高的溶解度；另一方面应尽可能选择非极性溶剂以促进印迹分子与功能单体之间 的作用，因此必须根据功能单体和印迹分子之间可能的作用类型和作用力大小选择适宜 的溶剂。非共价法中常用的有机溶剂有氯仿和乙腈等。 1 1 5 分子印迹聚合物的表征方法 目前，m i p s 的表征还没有统一的方法，主要是由于m i p s 的应用涉及不同领域， 在不同的领域有不同的表征方法。例如在色谱分析和色谱分离应用中，一般用分离因子 a 、分离度r 、保留时间t r 等来表征m i p s 的选择性的好坏；而在传感器的应用中，则需 要借用各种电化学参数如电流、电容、电导、电位以及各种质量参数如质量等来表征； 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【3 4 1 。 1 2 分子印迹技术在传感器上的应用 1 2 1 分子印迹电化学传感器的研究进展 迄今为止，有关分子印迹的研究报道尽管很多，但其主要应用研究仍然是在分离技 术领域，而在传感器特别是电化学传感器方面应用进展仍然相当缓慢。电化学传感器的 优点具有较低的检测限，易于微型化和自动化，而且价格低廉；另一方面，m i p s 以其 具有分子识别能力而越来越成为一类重要的敏感材料，且具有耐高温、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。如果将这类转换器 和基于印迹效应的微型识别元件相结合，使m i p s 作为敏感材料用于构建新一代的化学 传感器，就有可能在食品检验、环境监测、化学品及医药生产等领域具有巨大的应用前 景【3 5 】。 识别元件和信号转换器是传感器的重要组成部分，通常m i p s 被制成膜或是具有一 定粒径分布的微球，作为传感器设备的识别元件被固定在传感器的界面上，当m i p s 与 印迹分子结合时，产生的物理或化学信号通过信号转换器转换成可定量输出的并且与被 测物的量成一定的定量关系的信号，通过检测输出信号实现对被测物分子的实时测定。 根据转换器测量原理不同可将m i p s 传感器分为电化学式、质量式等。 6 第一章绪论 1 2 1 1 电化学传感器 m i p s 电化学传感器可以分为电导型、电容型、电流型、电位型四大类。 电导型( c o n d u c t r o m e t r y ) 传感器【3 6 1该类传感器是通过测量m i p s 敏感膜传感器在 结合被测物质前后电导的变化值来进行定量分析的。此种传感器在原理上较为简单，但 是膜的制备和洗脱及其保存对其性能的影响至关重要。由于其选择性不高，溶液中含有 的微量杂质对测定影响较大，然而它仍具有一定的开发前景。 电容型( c a p a c i t a n c e ) 传感器1 3 7 】该类传感器是通过测量m i p s 膜修饰电极在结合被 测物质前后电容的变化值来进行检测的。这类传感器的优点是操作简单，价格低廉，无 需加入额外的试剂。m i p s 膜的良好绝缘性是制备电容型传感器的关键。 电流型( m n p e r o m 哪) 传感器 3 s j该类传感器是通过测量m i p s 敏感膜在结合被测 物质前后电流的变化值来进行定量测定的。根据被测物的化学性质可以选用不同的检测 方法，如循环伏安法、差示脉冲伏安法、方波伏安法、计时电流法等。由于电流型m i p s 传感器采用的是直接电流检测，因而它具有很高的灵敏度和较