（海洋化学专业论文）新型分子印迹聚合物的合成与性能测试.pdf

摘要 摘要 本文共分为五章，包括分子印迹聚合物、氧化铝模型法合成一维纳米材料以 及原子转移自由基聚合等的研究进展，用多孔氧化铝模型法合成磁性分子印迹聚 合物纳米线，表面分子印迹聚合物纳米线用于蛋白质识别，表面引发原子转移自 由基聚合法合成磁性分子印迹聚合物纳米颗粒，氧化铝模型法结合表面引发原子 转移自由基聚合制备分子印迹聚合物纳米管膜等内容。 第一章为前言，分为三部分，主要介绍了分子印迹聚合物的发展历程、合成 方法、应用范围、研究热点；氧化铝模型法合成一维纳米材料的原理和应用；原 子转移自由基聚合的原理、影响因素，并简单介绍了表面引发原子转移自由基聚 合另外，介绍了本论文研究的设想和创新性。 第二章介绍了用多孔氧化铝模型法合成磁性分子印迹聚合物纳米线。利用多 孔氧化铝膜，合成了对茶碱有特异性吸附的表面分子印迹纳米线。超顺磁性纳米 晶体可以成功的包埋在聚合物纳米线中。这种磁性纳米线在药物运输和药物控制 释放，以及快速富集痕量分析物方面有较好的应用前景 第三章介绍了表面分子印迹聚合物纳米线用于蛋白质识别。合成了对大分子 量蛋白质具有特异性识别能力的表面分子印迹纳米线，由于蛋白质分子的印迹位 点在纳米线表面或非常接近纳米线表面，这些印迹位点很容易被蛋白质分子所接 近而且，由于纳米线具有较大的比表面积，使其拥有较高的蛋白质吸附容量。 第四章介绍了表面引发原子转移自由基聚合法合成磁性分子印迹聚合物纳米 颗粒。使用表面引发原子转移自由基聚合能够在磁性纳米颗粒m n f e 2 0 4 上形成 分子印迹聚合物壳，以获得尺寸小于2 0a m 的m n f e 2 0 d 分子印迹聚合物- 核，壳式 纳米颗粒。m n f e 2 0 4 分子印迹聚合物核，壳式纳米颗粒可以直接用磁性分离吸附 和快速富集痕量分析物。而且，所得的纳米颗粒的尺寸处于生物学的尺寸范围内， 因此在体内药物运输和药物控制释放方面有较好的应用前景。 第五章介绍了氧化铝模型法结合表面引发原子转移自由基聚合制备分子印迹 聚合物纳米管膜。实验结果表明用表面引发原子转移自由基聚合在多孔氧化铝膜 内部形成分子印迹聚合物纳米管是可行的。分子印迹聚合物纳米管膜在化学分离 中具有高亲和性和高选择性的优点。 关键词：分子印迹聚合物、氧化铝模型、原子转移自由基聚合 摘要 a b s t r a c t h a i j u a aw a n g t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s , a n dt h e ya l - e ：( 1 ) a l lo v e r v i e w so f t h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c hi nm o l e c u l a r l yi m p r i n t i n gp o l y m e r s ；( 2 ) s y n t h e s i so fi d n a n o s h u c t u r e sb yu s i n ga l u m i n an k m b r a 丑ea n dt h ep r o g r e s so fa t o mu 置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 ；( 3 ) s y n t h e s i so fm a g n e t i cm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o w i r e s u s i n gan a n o p o r o u sa l u m i n at e m p l a t e ；( 4 ) p r e p a r a t i o no fp o l y m e rn a n o w i r e s 谢也t h e i m p r i n t e dp r o t e i nm o l e c u l ea n ds 1 1 r f a c 4 b i n d i n gs i t e s ；a n d ( 5 ) t h ep r e p a r a t i o no f m a g n e t i cm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o p a r t i c l e sb ys u r f a c e i n i t i a t e da t o m 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 ( a t r p ) a n dt e m p l a t es y n t h e s i so fm o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e rn a n o t u b em e m b r a n e sf o rc h e m i c a l s e p a r a t i o n s u s i n g s u r f a c e - 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 t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o n , a n di ti sc o m p o s e d o ff o u rp a r t s t h e 丘r s tp a r ti sa no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t , s y n t h e s i z er o u t e , a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hh o t s p o t so 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 i z a t i o n t h e s e c o n dp a r ti sa no v e r v i e wo ft h ep r i n c i p l eo f1 dn a n o s t r u e t u r e ss y n t h e s i su s i n g a l u m i n am e m b r a n et e m p l a t e t h et h i r dp a r ti sa no v a v i e wo ft h e p r i n c i p l e ， i n f l u e n c ef a c t o r so fa t o m 仃a u s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o na n da ni n t r o d u c t i o no f s u r f a c e i m 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 t h ef o u r t hp a r td e s c r i b e st h e p u r p o s e ，s i g n i f i c a n ta n di n n o v a t i o no f t h ed i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r2 ，am e t h o df o rt h es y n t h e s i so fm a 盟e t i cm o l c c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e rn a n o w i r e su s i n gan a n o p o r o u sa l u m i n at e m p l a t ei sp r e s e n t e d t h em a g n e t i c p o l y m e rn a n o w i r e sc o n t a i n i n gt h e o p h y l l i n eb i n d i n gs i t e su n i q u e l yr e s i d i n ga tt h e s u r f a c e w e 他p r 印a r e du s i n g a l u m i n am e m b r a n e a s t h e t e m p l a t e t h e s u p e r p a r a m a g n e f i en a n o c r y s t a l l i t e sc a nb ew e l le n t r a p p e di nt h en a n o w i r e s t h e m a g n e t i c ，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o w i r e sd e v e l o p e di nt h i ss t u d yc o u l d h a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nd r u gd e l i v e r y , d r u gr e l e a s e ，a n df o rt r a c ee n r i c h m e n to f s p e c i f i ct a r g e tm o l e c u l e si nb i o c h e m i c a la p p l i c a t i o n c h a p t e r3d e s c r i b e sat e c h n i q u ef o rt h ep r e p a r a t i o no fp o l y m e rn a n o w i r e sw i t h t h ep r o t e i nm o l e c u l eb i n d i n gs i t e so ns u r f a c e s s i n c et h ep r o t e i ni m p r i n t i n gs i t e sa r e 2 摘要 l o c a t e da t , o rc l o s et ot h es u l f a c 2 ，t h e s ei m p r i n t e dn a n o w i r e sh a v ed e m o n s t r a t e dg o o d s i t ea c c e s s i b i l i t yt o w a r dt h et a r g e tp r o t e i nm o l e c u l e s f u r t h e r m o r e ，t h el a r g es u r f a c e a r e ao ft h e s ei m p r i n t e dn a n o w i r e sr e s u l t si nl a r g ec a p a c i t yf o rp r o t e i nm o l e c u l e b i n d i n g i nc h a p t e r4 ，a na p p r o a c hf o rm a k i n gm a g n e t i cm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r n a n o p a r t i c l e sb ys u r f a c e - 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 ( a t r p ) i s d i s c u s s e d r e s u l t ss h o w e dt h a ta t r pw o r k sv e r yw e l li of o r mm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e rs h e l l 0 1 1 n a n o p a r t i d e sm n f e 2 0 4a n dp r o d u c e sm a g n e t i c m o l e c u l a r l y j m p 恤e dp o l y m e rc o r e s h e f in a n o p a r t i c l e sw i t hp a r t i c l es i z el e s st h a n2 0 n n lt h e s e n a n o p a r f i c l e sc a nb ed i r e c t l yu s e di nm a g n e t i cs e p a r a t i n gs o r b e n ta s s a y sa n df o rr a p i d t r a e n r i c h m e n to fs p e c i f i ct a r g e tm o l e c u l e si nb i o c h e m i c a la p p l i c a t i o n m o r e o v e r , t h er e s u l t i n gn a n o p a r t i c l e sa r ew i t h i nt h eb i o l o g i c a ls i z er e s t r i c t i o n sa n dt h u sh a v e p o t t i a l 峨i nc o n t r o l l e dd r u gd e l i v e r ya n dd r u gr e l e a s e i nc h a p t e r5 ，t h ea p p l i c a t i o no ft e m p l a t es y n t h e s i z e dm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e rn a n o t u b em e m b r a n e si nc h e m i c a ls e p a r a t i o n si sr e p o r t e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h a ta t o mw a n s f a rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nr o u t ew o r k sw e l li nt h e f o r m a t i o no fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rn a n o t u b c sw i t h i np o r o u sa l u m i n a l e n p l a m t h ea d v a n t a g e so ft h eh i 曲a 面m i t ya n ds e l e c t i v i t yo ft h em o l e c u l a r i m p r i n t e dp o l y m e rn a n o t u b em e m b r a n ei nc h e m i c a ls e p a r a t i o na r ca l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：m o l e c u l a r l yi m p r i n ：c e dp o l y m e r , a l u m i n at e m p l a t e ，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 3 原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不舍任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品或成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明本声明的法律结果由本入承担。 论文作者签名：王i 确 日期：埘7 年，月如日 学位论文使用授权说明 本人完全了解田家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用学位论文的 规定即； 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 研究所可以采用影印，缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，研究所可以公布论文的部分或全部内容 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名； 导师签名： 多臻 日期：朋7 年月o 日 第一章前言 第一章前言 1 分子印迹聚合物简介 1 1 分子印迹聚合物的来源以及发展历程 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 dp o l y m e r s ，m i p s ) 是一种人工合成的 具有分子识别能力的新型高分子材料，其最大特点是对目标分子具有预定的选择 性。分子印迹的出现直接源于免疫学的发展，早在2 0 世纪4 0 年代，著名的诺贝 尔奖获得者p a u l i n g 就提出了以抗原为模板来合成抗体韵理论【i l ：( 1 ) 生物体所 释放的物质与外来物质有相应的结合位点；( 2 ) 该结合位点与外来物质在空间结 构上相互匹配。该理论为分子印迹的发展奠定了理论基础，同时也激发了人们以 抗原为模板进行分子自组装合成抗体模拟物的设想。虽然该理论后被“克隆选择 理论”推翻，但其理论中所提出的结合位点和空间匹配的观点却成为分子印迹的 基本思想。 然而直到2 0 世纪7 0 年代，w u l f f 等才伫引首次成功制备出对糖类化合物有较 高选择的共价型分子印迹聚合物。1 9 9 3 年m o s b a c h 等在n a t u r e 上发表非共价型 分子印迹聚合物合成及其仿生免疫分析应用的文章后【4 】，分子印迹聚合物的研究 引起了许多学者的关注。1 9 9 7 年，在瑞典的l u n d 大学成立了分子印迹学会。 该学术组织成立的宗旨是。致力于分子印迹科学与技术的全面发展”目前该学 会在全世界的会员已有数百名。根据分子印迹学会的不完全统计，目前全世界至 少有3 0 0 个以上的学术机构和企事业团体在从事分子印迹技术的研究与开发工 作，主要集中在瑞典、德国、美国、英国、中国、日本、韩国等十多个国家。 1 2 分子印迹的基本原理 在生物体系中，分子复合物通常通过非共价键相互作用( 如氢键作用、范德 华力、静电作用、疏水作用、亲水作用、卅7 【作用) 而形成。虽然单个非共价键 比单个共价键键能低，但多重非共价键和多个作用位点的协同则会形成很强的相 互作用。f h p a u l i n g 抗体形成理论出发，分子印迹是通过以下方法实现的：( 1 ) 在 适当介质中，具有适当功能基团的功能单体通过与模扳分子阊的相互作用聚集在 模板分子周围，形成稳定的复合物：( 2 ) 复合物与过量的交联剂形成聚合物材料， 从而使功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固定下来；( 3 ) 通过一定的化 学方法将模板分子脱除，在聚合物材料中就形成了在三维空问大小、形状以及功 新型分子印迹聚合物的合成与性能测试 能配基都与模板分子互补的分子印迹微腔。该分子印迹微腔使分子印迹聚合物具 有天然抗体最重要的特征分子识别。 由于分子印迹聚合物是根据特定印迹分子“量身定做”的，所以建立在分子 印迹聚合物基础上的仿生识别可以和单克隆抗体相媲美，故m o s b a c h 教授将分子 印迹聚合物诙谐韵称为“塑料抗体”( p l a s t i ca n t i b o d y ) 。由于使用不同的印迹分 子制备的分子印迹聚合物具有不同的结构和性质，所以一种印迹聚合物只能与一 种分子结合，类似于“锁”和“钥匙”，对印迹分子有相当高的专一选择性。因 此，分子印迹通常又被人们形象的描述为制造识别“分子钥匙”的人工“锁”技 术。 图1典型的分子印迹聚合物制备技术 ( a ) 功能单体，( b ) 交联剂，( c ) 模板分子 l 功能单体与模板分子形成复合物；2 功能单体与交联剂发生共聚； 3 在聚合反应进行中，个不溶性的，高度交联的高分子网络围绕着模板分子形 成。4 除去模板分子的同时得到一个对模板分子特异性识别能力的结合位点 1 3 分子印迹聚合物的特点 w u l 讲5 i 认为一种理想的分子印迹聚合物应具有以下的性质：( 1 ) 聚合物的结 构应具有一定的刚性以保证印迹孔穴的空间构型和互补官能团的定位；( 2 ) 聚合 物空间结构应具有一定的柔韧性以确保动力学平衡尽快达到；( 3 ) 具有亲和位点 的可接近性，以提高分子识别过程的效率；( 4 ) 具有机械稳定性，以使分子印迹 聚合物可以在高压下应用；( 5 ) 具有热稳定性，以便在高温环境下使用。 分子印迹聚合物之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点 6 1 ：( 1 ) 构 效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 。即模板分子和功能单体形成的这种自组装结构是 在聚合之前预定形成的，所以人们可以按照自己的目的制备不同的分子印迹聚合 物，以满足各种不同的需要。( 2 ) 特异识别性( s p e c i f i cr e c o g n i t i o n ) 。即分子印 迹聚合物是按照印迹分子定做的，它具有能识别该印迹分子的特定的识别空腔和 识别位点，可专一的识别印迹分子。( 3 ) 广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。即它可以 第一章前言 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，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；同时分子印迹聚合物可 以识别免疫抑制性分子和剧毒化合物。分子印迹聚合物制各成本低是分子印迹技 术的另一优点。与蛋白质分子识别系统和合成手性识别系统相比，制各分子印迹 聚合物的成本是相当低的，而且印迹分子可以回收、重复使用。在开发具有催化 活力聚合物方面，分子印迹技术可以创造自然界中不存在的具有全新催化活力的 催化剂。所有这些优点表明，分子印迹聚合物具有非常诱人的发展前景。 1 4 分子印迹聚合物的合成方法 按照单体与模板分子结合方式不同，分子印迹主要可以分为预组织法和自组 装法两种基本方法( 图2 ) ： 分子预组织是通过单体和模板分子之间形成可逆性共价键来合成单体一模 板分子复合物的，德国的w u l f f 和美国的s h e a 为主的研究小组主要从事这方面 研究。 分子自组装则是指单体和模板分子之间是通过弱的相互作用力( 如静电力、 疏水作用力、氢键及金属配位健等) 形成单体一模板分子复合物，而且是在溶液 中自发形成的。分子自组装研究工作的代表是瑞典的m o s b a c h 。 嗯r 仓 。 图2 合成分子印迹聚合物的两种基本方法 1 4 1 预组织法合成分子印迹聚合物 匦匦 瓤 瓤 新型分子印迹聚合物的合成与性能测试 预组织法( p r e o r g a n i z a t i o n ) 又称共价法，主要由w u l f f 及其同事创立。在 此方法中，印迹分子先通过共价键与功能单体相结合，形成单体模板分子复合 物，然后加入交联剂交联聚合，聚合后再通过化学方法使共价键断裂而去除印迹 分子 比如用d 果糖为印迹分子，制备印迹聚合物，将2t o o l 的4 乙烯苯基硼酸 和lt o o l 的d 果糖反应并共沸，除去结合水而形成印迹分子衍生物，1 9 5 8t 0 0 1 的该衍生物和乙二醇二甲基丙烯酸酯，在1m l 四氢呋喃在存在下生成多孔的印 迹聚合物川。这就是使用预组织法制各的分子印迹聚合物。 这类聚合物曾用于多种化合物的特异性识别，如糖类及其衍生物，氨基酸及 其衍生物，芳基酮类，转铁蛋白，双醛类化合物和双辅酶等。使用的共价结合作 用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等。 一般来说，共价键作用较强，在分子识别过程中结合和解离速度慢，难以达 到热力学平衡，不适于快速识别，且识别能力与生物识别相差太远，制备条件苛 刻且价格昂贵，近年来这种制备方法发展缓慢。 共价键作用的优点是在聚合反应中能获得在空间上精确固定排列的结合基 团。若能将绝大多数的印迹分子除去，则是一类很好的功能材料。对用于催化剂 的聚合物来说，其内部结合基团的方向和空穴中起催化作用的活性基团极为重 要，此情况下共价键结合作用较为有利。 1 4 2 自组装法合成分子印迹聚合物 在制备分子印迹聚合物的过程中，印迹分子与功能单体首先通过一种或几种 非共价键作用自组装成具有多点相互作用和确定关系的复合物，再加入交联剂和 引发剂，聚合后这种相互作用被固定下来，然后通过淋洗除去印迹分子，如此就 可以得到分子印迹聚合物。 该方法灵活方便，制备过程简单，仅仅将各成分混合后就可直接聚合，适用 范围广泛，因为非共价键相互作用力较弱，在温和条件下就可以除去印迹分子， 底物的结合和解离平衡也可以较快达到，相对于共价法的印迹聚合物来说，更适 合做h p l c 系统中的固定相或者传感器。聚合反应后可除去绝大部分未反应的化 合物，分子印迹聚合物对印迹分子就具有较高的结合选择性。 但这种印迹过程也存在缺点，比如印迹分子与功能单体的化学计量数比难以 4 第一章前言 确定。由于非共价的分子间作用力较弱，在聚合反应时常常需要加入过量的功能 单体，这会在萃取时造成较严重的非特异性吸附，从而降低萃取选择性嘲。常见 的非共价键作用有：氢键、静电力、疏水作用等。使用较多的是氢键，如果只有 单一氢键作用，其识别效果不佳，但是在印迹过程中多重氢键或氢键和其他的非 共价键共同作用时，分子印迹聚合物就会具有很好的识别性1 9 l 。 s e l l e r g r e n 1 0 1 研究了静电作用对选择性的影响，当只有一种静电作用时，制 得的分子印迹聚合物选择性较低，而将静电作用与共价作用结合使用时，其选择 性好得多。f u j i i 1 1 1 等首次用金属配位作用制得金属配位分子印迹聚合物，可很好 地拆分外消旋体。d a u w e 等【2 1 研究三嗪类分子印迹聚合物时，发现在含水较少的 流动相中，分子印迹聚合物的选择性随印迹分子碱性的增加而增加，与印迹分子 的疏水性无关；但在含水较多的流动相中，其选择性同印迹分子的疏水性有关。 这种方式简单易行，易于除去印迹分子，其识别过程类似于天然的分子识别，所 以得到人们的极大关注。 1 4 3 其它合成方法 除了以上两类基本类型外，另外还有一种技术综合了二者，即聚合时单体与 印迹分子间作用力是共价键，而在对印迹分子的识别过程中，二者的作用是非共 价的。w h i t e c o m b 等人n 1 综合了共价和非共价分子印迹技术和优点创建了一种新 的分子印迹技术。模板分子同聚合物单体以共价键作用，洗脱时发生水解反应， 失去一个c 0 2 分子，则得到分子印迹聚合物。这种聚合物在以后的分离应用过程 中则是以非共价键的方式同模板分子再结合。因而，既具有共价分子印迹聚合物 亲和专一性强的优点又具有非共价分子印迹聚合物操作条件温和的优点。 1 5 分子印迹聚合物的应用 1 5 1 分子印迹聚合物在固相萃取中应用 固相萃取( s o l i d - p h a s ee x u a c f i o n ，简称s p e ) 是从溶液中萃取和分离分析 物的一种技术，始于2 0 世纪7 0 年代，是作为补充或取代液液萃取而发展起来 的【1 4 1 。固相萃取由于具有回收率和富集倍数高、有机溶剂用量少、对环境友好、 无相分离操作、易于收集组分、能处理小体积试样、操作简单和易于实现自动化 等优点，目前已成为最常用的样品前处理方法之一，已有许多固相萃取方法被颁 布为标准方法【”1 。 新型分子印迹聚合物的合成与性能测试 分子印迹聚合物是人工合成的聚合物，其对特定分子具有特异的选择性。不 难推断，以分子印迹聚合物作为固相萃取吸附剂必可提高萃取选择性。因此分子 印迹固相萃取已成为固相萃取研究的热点之一。1 9 9 4 年，s e l l e r g r e n 首次报道【i 6 1 了将分子印迹聚合物应用于固相萃取，他使用印迹聚合物成功地提取了生物液体 试样尿中的戊脒。近年来该方面的报道逐渐多了起来，a j a m a s o n 等t 17 】利用由分子 印迹聚合物和c 1 8 s i 组成的组合柱从腐殖质中提取三嗪，其富集因子高达1 0 0 ，回 收率达7 4 7 7 。k o s t e r 和m a r t i n e s t e b a n 等也尝试了将分子印迹聚合物纤维用 于固相微萃取( s o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n ，简称s p m e ) i s , 1 9 l 。 到目前为止，分子印迹聚合物s p e 主要还是用于小分子的分离分析，对于这 些化合物，与采用抗体为基础的亲和色谱分离效果相似。作为固相萃取固定相的 分子印迹聚合物，除了高度的选择性和制各简单的优点外，在有机溶剂中良好的 相容性使得分子印迹聚合物s p e 在对疏水性物质的分离中具有独特的优点。 分子印迹聚合物虽然极大提高了固相萃取的选择性，但是仍然存在不足之 处，比如：识别能力受溶剂的影响大、传质效率低、萃取的种类有限等等，有待 今后的进一步研究。 1 5 2 分子印迹聚合物在传感器方面的应用 传感器在医药、化工、生物技术、环境污染监控等领域都有广泛的应用。近 年来，生物传感器以其高灵敏度和高选择性引起了广泛的关注，但由于其采用的 是生物识别元件( 抗体、酶等) ，具有难于存储和不稳定的缺点，限制了生物传 感器的大规模的应用。分子印迹聚合物作为一种有效的人工识别元件，已被尝试 用于传感器分析。 通常用分子印迹聚合物作为传感器的识别元件固定在传感器与被分析物的 界面。被分析物在识别元件上的吸附经过传感器变为电讯号再放大。此信号与被 分析物的浓度有关系。根据转换器的测量原理不同，传感器可以分为电化学式( 包 括电位型、电导型、电流型) 、光学式、质量式和热学式。目前，分子印迹聚合 物主要应用于前三类传感器中。分子印迹聚合物传感器研究的综述论文可参考 m o s a b c h 【2 0 l 。 由于分子印迹聚合物的识别性能不受酸、碱、热以及有机试剂等各种环境因 素的影响，因此，分子印迹聚合物传感器兼具有生物传感器和化学传感器的优点， 6 第一章前言 可能是未来传感器的发展方向之一。 1 5 3 分子印迹聚合物在模拟酶中的应用 催化剂在化工生产中起着至关重要的作用。生物酶以其高效、专一、反应条 件温和的特点成为一类重要的催化剂。但是生物酶具有提取困难，耐受性差，难 于重复利用等缺点，这些缺点严重地制约了其在工业生产中的应用。近年来发展 的分子印迹聚合物内的孔穴可以具有类似于酶的催化活性。因而分子印迹聚合物 可以模拟生物酶用于工业催化反应中1 2 1 , 2 2 1 。 分子印迹聚合物作为模拟酶，具有的优点包括： ( 1 ) 针对性更强，可以针对不同的底物设计印迹孔穴； ( 2 ) 性能稳定，耐受性强，可适用于各种苛刻的催化条件； ( 3 ) 容易制备、价格低廉。 目前，研究较多的分子印迹聚合物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i - i f 反应、异构化反应等。比较有代表性的 例子包括：g o r l z a l e z 1 以吡多醛为印迹分子，用4 乙烯基咔唑为单体制备出分子 印迹聚合物，它可以促进氨基酸衍生物的质子转移。这一分子印迹聚合物对模板 分子的酯水解反应具有催化作用。m o s b a c ：h 2 4 等人采用二价c o 的乙烯基吡啶和二 苯甲酰基甲烷的复合物，催化形成新的c c 键，显示出良好的催化活性。 发展出可以模拟天然酶、具有催化活性的分子印迹聚合物是一项具有很大吸 引力的工作，但目前分子印迹聚合物模拟酶在催化效率上还不能与相应的生物酶 相比，并且在反应中表现出来的某些特性与生物酶也有差别。分子印迹聚合物用 于酶模拟还需要进行大量的研究工作。 1 6 分子印迹聚合物领域目前的研究热点 1 6 1 表面分子印迹聚合物 最早期分子印迹聚合物的制备方法是本体聚合它是将功能单体、交联剂、 模板分子加入溶液中，进行聚合反应。反应完毕后，干燥聚合物，将其研磨、破 碎、筛分得到一定粒径的分子印迹聚合物，最后洗脱除去模板分子。此法简便、 直接，但得到的聚合物颗粒较大，不够均匀，且存在着模板分子包埋过深或过紧 而无法洗脱下来的问题，导致模板分子“包埋”和模板分子泄漏的现象。为了克 服上述缺点，表面分子印迹聚合物的合成在近年受到越来越多的重视。表面分子 7 新型分子印迹聚合物的合成与性能测试 印迹聚合的合成方法是将模板分子固定在载体表面，然后在这载体表面引入功能 单体和交联剂进行聚合反应，反应完毕后通过化学方法将载体溶解，并洗去模板 分子，这样就得到印迹位点仅仅分布于表面或非常接近表面的表面分子印迹聚合 物。表面分子印迹聚合物具有印迹位点高度可接近性、与目标分子结合传质速度 快、降低“包埋”现象等优点。 m o s b a c h 和他的同事们介绍了一种合成表面印迹聚合物的方法【2 5 1 ，这种方法 先将所印迹分子固定在多孔二氧化硅小球的表面。然后在孔中填入功能单体和交 联剂的混合物，使功能单体和固定的印迹分子发生作用，并引发聚合反应。在聚 合反应完成后，用化学的方法去除二氧化硅和印迹分子，从而只剩下表面带有识 别位点的多孔表面分子印迹聚合物。r a t n e r 提出了将蛋白质吸附在亲水的云母表 面，然后将一个二糖类分子薄层覆盖在吸附的蛋白质上。一经干燥，该糖层便通 过大量的氢键与蛋白质络合。随后将一个平坦的含氟聚合物薄膜通过发光放电等 离子体与糖分子交联而沉积。接着去除云母并溶解蛋白质，最终形成一种多糖覆 盖的、具有蛋白质形状的纳米凹坑1 2 们。 1 6 2 分子印迹聚合物材料纳米结构的合成 分子印迹聚合物纳米结构的合成越来越成为当今热点。虽然在纳米结构的分 子印迹聚合物中，模板分子仍然是包埋在分子印迹聚合物的交联网状结构中，但 是如果这种分子印迹聚合物纳米结构具有超细、超薄尺寸( 小于2 0 纳米) ，那么 模板分子在洗脱过程中所需的扩散距离很小，同时印迹位点也具有很高的可接近 性。因此这种纳米结构可显著改善分子印迹聚合物的动力学性质。目前形成分子 印迹聚合物纳米结构的主要方法包括，旋涂法 2 7 1 、电聚合法【2 明、化学覆盖法i 柳、 接枝共聚法【3 们、乳液聚合法【3 ”、多步溶胀聚合法【3 2 1 等。 2 氧化铝模型法合成一维纳米材料 氧化铝模型法合成纳米结构单元，包括一维纳米线和纳米管，是9 0 年代发展 起来的前沿技术，在纳米结构制备科学上占有极其重要的地位。氧化铝模型是含 有高密度纳米柱形孔洞、厚度为几十至几百微米厚的阳极氧化铝膜( 图3 ) 。氧化 铝模型法是d a m a r t i n 等建立的【 d 5 】。目前使用氧化铝模型法已经合成了各种不同 性质的纳米材料，比如金属1 3 9 l 、半导体小“2 】、陶瓷【4 3 4 4 1 和有机聚合物 4 5 - 4 _ 7 】。 第一章前言 使用氧化铝模型法进行纳米材料合成只有一个要求，就是这种材料必须可以通过 气相镀膜、液相注入或者在溶液中进行化学或电化学沉积这三种方法中的一种进 入模板的孔洞。除了气相镀膜和在溶液中进行化学或电化学沉积，对于一些熔点 低的金属，可以直接在其液体状态下将其注入氧化铝模板的孔洞中，然后迅速的 固化。形成高度结晶的纳米线 4 s , 4 9 。 图3 氧化铝膜的扫描电镜( 左：正面；右：侧面) 通过氧化铝模型法既可以合成中空的纳米管【5 0 1 ，也可以合成实心的纳米线 【5 “。合成的纳米管或纳米线的长度是由氧化铝膜的厚度决定的，直径是由氧化铝 膜孔洞的大小决定的；而合成的纳米管的内径是由反应时间所决定的。 通过氧化铝模型法合成的纳米线、纳米管和纳米管膜已经在分析化学领域得 到了广泛的应用。如通过氧化铝模型法合成的金属纳米线可以用于生物标记1 5 2 】； 合成的二氧化硅纳米管可以用于生物酶的固定化【5 3 】。更为突出的工作是2 0 0 2 年 m a r t i n 等在s c i e n c e 上报道的一种全新的使用纳米管膜分离手性药物对映体的方 法。m a r t i n 等利用硅烷试剂在氧化铝膜孔洞的内表面修饰一层二氧化硅膜，通过 该二氧化硅膜将抗体固定在氧化铝膜孔洞的内表面，这种抗体只对药物 4 - 3 - ( 4 一f l u o r o p h e n y l ) 2 - h y d r o x y - l 一 1 ，2 ，4 n - i a z o l - l y l p r o p y l - b e n z o n i t r i l e ( 简称 f t b ，一种芳香化酶的抑制剂) 的r s 型对映体有亲和力。因此，这种抗体修饰的 氧化铝膜可以选择性的分离r s 型的f t b ，而对于s r 型的f t b 不起作用。并且在实 验中发现氧化铝膜的孔径越小，得到的抗体固定纳米管膜分离对映体的选择性系 数越耐5 4 1 。这一开创性的工作为纳米管膜用于分离分析奠定了基础。 3 原子转移自由基聚合 9 新型分子印迹聚合物的合成与性能测试 3 1 原子转移自由基聚合简介 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 ) ，是近几 年迅速发展并有着重要应用价值的一种活性聚合技术。自从1 9 5 6 年s z w a r c 5 5 1 等报 道了一种没有链转移和链终止的负离子聚合技术以来，活性聚合的研究得到了巨 大的发展，并一直是高分子学术界高度重视的领域。1 9 8 3 年w e b s t e r 等i 靳1 成功地 实现了适用于丙烯酸酯类单体的基团转移聚合。随后又成功实现了开环聚合【州、 活性正离子聚合陋5 9 j 、络合负离子聚合删，以及无机金属离子的活性负离子聚 合1 6 l 】。1 9 9 3 年x e r o x 公司在苯乙烯的普通自由基聚合体系中加入有机自由基捕捉 剂( t e m p o 体系) ，使反应体系在聚合过程中自由基保持较低的浓度，从而抑制 了自由基的副反应。第一次实现了“活性”自由基聚合。1 9 9 5 年z a m c h e m s o c 报道t c a r n e g i e m e l l o n 大学m a t y j a s z e w s k i 教授和王锦山博士1 6 2 j 共同开发的原子转 移自由基聚合( a t r p ) ，成功地实现了真正意义上的“活性可控”自由基聚合， 取得了活性自由基聚合领域的历史性突破。 3 2 原子转移自由基聚合的原理 a 1 r p 是实现活性聚合的一种颇为有效的途径，也是高分子化学领域的最新 研究进展之一。通过a t r p 可以制得分子量可控的和结构确定的聚合物材料 【6 2 彤】。a t r p 反应体系包括单体、引发剂( 有机卤化物r x ) 、催化剂过渡金属配 合物( 由金属卤化物和配体组成) 以及反应介质。a t r p 的反应机理如图4 所示： 首先，低价态的过渡金属从引发剂有机卤化物分子r - x 上夺取卤原子生成 高价态的过渡金属，同时生成自由基r ，r 加成到烯烃的双键上，形成单体自由 基r f ，随后r n f 又与高价态的过渡金属反应得到r - m x ，过渡金属由高价态 还原为低价态，以上是引发反应过程。增长过程同引发过程相象，所不同的只是 卤化物由小分子的有机卤化物分子变成大分子卤代烷r m 。x 。从上面的反应式 可以看出，自由基的活化失活可逆平衡远趋于休眠种方向，即自由基的失活速 率远大于卤代烷的活化速率，因此体系中自由基的浓度很低，自由基之间的双基 终止得到有效的控制。而且，通过选择合适的聚合体系组成( 引发剂过渡金属 卤化物，配位剂单体) ，可以使引发反应速率大于( 或至少等于) 链增长速率。同 时，活化一失活可逆平衡的交换速率远大于链增长速率。这样保证了所有增长链 的同时进行引发，并且同时进行增长，使a t r f 显示活性聚合的基本特征：( 1 ) 聚 1 0 第一章前言 合物的分子量与单体转化率成正比；( 2 ) 分子量的实测值与理论值基本吻合；( 3 ) 分子量分布较窄。同时由于聚合所得聚合物的末端为c - x 键，以其作为引发剂， 加入第二种单体，可继续进行原子转移自由基聚合，从而可制备嵌段共聚物。 引发反应： r x + m t n 【r + m t n + 1 x 】 + m r - m - x + m t n 【r m + m t n + 1 x 】 增长反应： r m n x + m t n 【m n + m t n + 1 x 】 ( 乡l ( p 图4a t r p 的反应机理 3 3 影响a t r p 反应体系的因素 3 3 1 催化体系 a t r p 的催化剂是含有过渡金属的化合物与含n 、o 、p 等强配体所组成的络 合物，在最初的报道中，一般采用的是卤化亚铜2 ，2 一联二吡啶体系。近年来， a t r p 反应所使用的配基得到了很大的发展，由最初的二配位，发展到目前四配 位、五配位，随着金属化合物与配体结合点数量的提高，金属化合物与配体的作 用增强，催化剂对聚合反应的活性控制能力也就增强。被成功地应用于a t r p 体 系中卤原子的载体除过渡