（分析化学专业论文）分子印迹聚合物膜的制备、渗透选择性识别机理及其应用研究.pdf

摘要 本硕：e 论文共分4 章，分别探讨了用分子印迹技术制各的以聚偏氟乙烯微孔 滤膜为支撑膜的分子印迹聚合物膜的识别机理、结合和透过选择性及其应用研 究。 1 绪论：概述了分子印迹聚合物的基本理论和制备技术及应用研究进展。 2 合成了以钴离子复合物为模板、聚偏氟乙烯微孔滤膜( p v d f 膜) 为支撑 膜的分子印迹聚合物膜。研究表明该印迹膜对模板分子表现出了渗透识别选择 性。扫描电镜比较了聚合前后膜的表面形态。考察了阳离子和阴离子的改变对印 迹膜渗透模板分子的影响。 3 研究了扑热息痛为模板分子的分子印迹聚合物膜。通过紫外光谱考察了 模扳分子与功能单体之间的结合作用，红外光谱和扫描电镜测定了聚合前后膜的 表面形态的变化。对分子印迹膜选择性渗透模板分子的研究以及渗透溶剂的优化 将有助于研究分子印迹聚合物膜透过机理、并为分子印迹技术应用于传感器领域 提供了理论和实验方法。 4 ，制备了以香豆素。3 羧酸为模板分子的分子印迹聚合物膜。紫外光谱和红 外光谱考察了乙腈溶液中模板分子与功能单体的相互作用。对不同交联剂制备的 分子印逊膜在不同溶剂中对混合底物的结合和渗透选择性进行了系统的研究。本 研究有助于将分子印迹技术用于实际样品的分离和富集。 关键词：分子印迹技术，分子印迹聚合物，分子印迹聚合物膜，钻，2 ，2 联吡啶 扑热息痛，膜渗透，香豆素3 羧酸，复合膜 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r s t h em e c h a n i s mo fr e c o g n i t i o n ，t h e b i n d i n g ，t r a n s p o r t i n gs e l e c t i v i t ya n da p p l i c a t i o no fm o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r i c m e m b r a n e sw i t hp v d fm e m b r a n ea ss u p p o r t i n gm e m b r a n ew e r es t u d i e d 1 i n t r o d u c t i o n ：t h i st h e s i s si n t r o d u c t i o ng a v eab r i e fo v e r v i e wo ft h eb a s i c t h e o r y ，s y n t h e s i sa n da p p l i c 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 r s 2 u s i n gc o b a l t - 2 ，2 - b i p y r i d y lc o m p l e xa st e m p l a t e ，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 rm e m b r a n e sw i t h p v d fm e m b r a n ea s s u p p o r t i n g m e m b r a n e sw e r e s y n t h e s i z e d t h e m e m b r a n e s s u r f a c ef e a t u r e sw e r ea n a l y z e db ys c a ne l e c t r o n m i c r o g r a p h y t h ei m p r i n t e dm e m b r a n e se x h i b i ts e l e c t i v ep e r m e a t i o nf o rt e m p l a t ei n c e r t a i nc o b a l t ( i i ) a c e t a t es o l u t i o nt h r o u g hp e r m e a t i o nb i n d i n ge x p e r i m e n t ，c a t i o na n d a n i o ne f f e c t so np e r m e a t i o na m o u n to f 2 ，2 - b i p yt h r o u g hp ( 2 ，2 - b i p y c o ) m e m b r a n e w a si n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y 3 m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e s w e r e s y n t h e s i z e dw i t h p a r a c e t a m o la st e m p l a t e t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt e m p l a t ea n df u n c t i o n a lm o n o m e r w a sp r o v e db yu vs p e c t r o p h o t o m e t r y m e m b r a n e s s t r u c t u r ea n ds u r f a c em o r p h o l o g y w e r es t u d i e db yf t - i rs p e c t r u ma n ds e m s t u d y i n gt h ei m p r i n t e dm e m b r a n e s p e r m e a t i o ns e l e c t i v i t yf o rt e m p l a t ea n do p t i m i z i n gt h ep e r m e a t i o ns o l v e n tw i l l i m p r o v et h es t u d yo fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n ep e r m e a t i o n m e c h a n i s m ，a n dc a l li n c r e a s et h ea p p l i c a t i o no fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n i q u eo n t h es e n s o rf i e i d 4 u s i n gc o u m 3a st e m p l a t e ，e d m ao rt r i m a sc r o s sl i n g k e r , t h em o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf u n c t i o n a l m o n o m e ra n dt e m p l a t ew e r ep r o v e db yu v - v i sa n df t - i rs p e c t r a t h et w os o r t so f m e m b r a n e s a d s o r p t i o na n dp e r m e a t i o nt ot h em i x t u r eo ft e m p l a t ea n da n a l o g o u si n d i f f e r e n ts o l u t i o nw e r ee x a m i n e ds y n t h e t i c a l l y , w h i c hw i l lh e l pt h ea p p l i c a t i o no f m i p st op r a c t i c a lc o m p l i c a t e ds y s t e m ss e p a r a t i o na n de n r i c h m e n t ， k e y w o r d s ：m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n i q u 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 o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e ，c o b a l t ，2 ，2 - b i p y r i d y l ，p a r a c e t a m o l ， m e m b r a n ep e r m e a t i o n ，c o u m a r i n 一3 一c a r b o x y l l ca c i d ，c o m p o s i t em e m b r a n e i i 南开大学颁十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 i 概述 分子印迹技术( 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 ，m i t ) 也叫分子模板技术 ( m o l e c u l a rt e m p l a t et 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) 具有特定预定选择性的高分子化合物分子印迹聚合物的技术。 分子印迹技术起源于免疫学。2 0 世纪3 0 年代早期，b r e i n l 、h a u r o w i t z 和 m u d d 研究发现，抗体在遇到其异型生物质抗原( x e n o b i o t i ca n t i g e n s ) 时会产生 多变性的特点【l 】。2 0 世纪4 0 年代，由著名的诺贝尔奖获得者p a u l i n g 总结，并把 抗体形成的多变性归结为是由于抗原的作用而诱导抗体多肽链的三维构型发生 变化造成的【2 j 。根据这些理论，抗体必须改变它的三维结构以便有尽可能多的结 合位点与抗原肽链相互作用。从而使抗体的结合位点象模板一样以铸模方式被 “镶嵌”在抗原表面，也就是说，它们在分子水平上被印迹在抗原的表面。后来的 研究发现这些“有益的”模型是不完善的，取而代之的是更合理的“克隆选择” ( c l o n a ls e l e c t i v i t y ) 理论的解释。但是在p a u l i n g 的理论中仍有两点具有一定的 合理性：( 1 ) 生物体所释放的物质与原来物质有相应的结合位点；( 2 ) 生物体所 释放的物质与外来物质在空间上相互匹配。他们的理论模型为现代分子印迹技术 奠定了基础。 作为p a u l i n g 有关抗体理论的演绎，人们开始想到用这种理念来合成分离基 质。在后来的几十年中。s c a t t e r d 在这方面作了一些尝试。但直到二十世纪七、 八十年代，现代分子印迹技术才有了真正的突破。特别是w u l f f 等在共价型分子 印迹技术和m o s b a c h 等在非共价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。自从m o s b a c h 等1 3 】在n a t u r e ) ) 上发表有关 茶碱分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r ，m i p ) 的报道后，每年公开 发表的论文几乎直线上升。1 9 9 7 年，分子印迹协会( s o c i e t yo fm o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，s m i ) 正式成立。目前从事分子印迹聚合物研究工作的国家主要有美 国、英国、瑞典、日本、德国、中国、西班牙、加拿大、意大利、法国、荷兰、 印度、韩国、澳大利亚、新西兰、爱尔兰和以色列等四十多个国家和地区，公开 发表的论文近千篇，相关的专利也不少。2 0 0 0 年国际性的关于分子印迹技术的 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 专题讨论会首次召开，这标志着分子印迹技术已经成为新世纪最为热门的技术之 一。m i p 之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点：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m 1 p ，以满足各种不同的需要：识别性 是因为m i p 是根据印迹分子( i m p r i n t e dm 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；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m i p 具有如上这些 优点，它在许多领域，如色谱中对映体和异构体的分离、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 f 扯2 1 1 1 2 分子印迹的基本理论及识别机理 1 2 1 分子印迹聚合物和模板分子的结合作用 根据印迹分子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。m a s b a c hk 将它们相应地分为 预组装方式( p r e ，o r g a n i z e da p p r o a c h ) 和自组装方式( s e l f - a s s e m b l ya p p r o a c h ) 。 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。 而后者是在制各m i p 过程中用非共价键作用如氢键作用、静电作用、冗啊作用、 疏水作用、金属配体结合作用、电荷转移等超分子作用，功能单体和印迹分子 形成主客体配合物，然后再进行聚合反应。也有人将共价作用和非共价作用相结 合 2 2 1 ，应用于制各m 1 p 。 1 2 2 分子预组装过程一共价键结合作用 目前，已使用共价结合作用制各了对糖类及其衍生物、芳香化合物、腺嘌呤 等具有分离作用的分子印逊聚合物。迄今为止，人们使用的共价结合作用的物质 包括硼酸酯、西佛碱、缩醛酮、酯。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原子( n h 3 、哌啶) 存在下则生成四角形的硼酸酯m 1 。许多二醇类化合物用作印迹分子，与4 乙烯 南开人学硕上学位论文 第一章绪论 苯硼酸通过酯化后聚合生成聚合物。以甘油酸酯盼2 4 】或丙二醇为印迹分子， 制各含有一个结合基团的分子印迹聚合物，对外消旋体呈明显的分离能力。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【2 “。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，三个硼酸基团口7 1 、三种不同的共价键结合作用【2 8 】或三种以 上的非共价键结合作用l 嚣圳1 均导致较低的分离能力，其主要原因是这类m i p 的 结合位点与印迹分子之间的结合速度很慢之故。w u l f f 等【2 6 ，3 2 1 就硼酸基团的柔性 对m i p 的分离特性的影响进行了研究，结果表明，孔穴中硼酸基团越多，其对 光学异构体的选择性越低【3 2 】。 采用西佛碱的共价键作用也进行了广泛的研究 3 3 “3 5 1 。原则上，西佛碱适用于 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。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【3 3 】。s h e a 等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 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m i p 重新结合时键的生成速度很慢，因此，这一 过程似乎是由动力学所控制的。 1 2 3 分子自组装过程一非共价键结合作用 把能发生非共价键作用的单体和印迹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复合 物，这种复合物能够和溶液中的单体迅速地达到平衡。m o s b a c h 经过一系列的优 化工作，结果表明单体与印迹分子的摩尔比至少应该为4 ：1 时，m i p 完全能达 到与共价键作用制得的产物同样性能 3 7 , 3 8 。利用最多的非共价作用是氢键，但如 果在印迹分子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q 值 只有l ，1 2 5 t 3 9 】，分离效果不佳；而如果在印迹过程中既有氢键，又有其他选择 性很高的结合位点时，其拆分外消旋体的分离系数q 值可达到3 8 。若将氢键作 用和共价键结合起来使用，所得的m i p 的选择性比用单个共价键作用的m i p 高 得多。s e l l e r g r e n 就静电作用对选择性的影响作了详细的研究【帅1 ，发现这种作用 的强度与甲基丙烯酸( 单体) 和苯丙氨基酰替苯胺( 模板分子) 的p k a 、溶液的 南开大学硕上学位论文 第一窜绪论 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 由一个简单的静电作用控制的。当只有一种静电作用时，同样导致获得的m 1 p 的选择性降低 4 1 。而将静电作用与共价作用结合起来，其选择性比单个共价作用 的选择性好得多p 。最近，有人使用强度小且无方向性的范德华力来形成复合物 【4 “，其分子识别过程接近天然的分子识别系统。非共价作用的种类较多，在制备 m i p 及其后续过程中，一般来讲使用单一的一种作用制得的m i 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m i p 具有较高的选择性和分离能力。 h o s o y a 等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m i 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【4 3 】。 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 , 1 4 。 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 i i 等 4 5 , 4 印首次使用金属配体结合 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 乙烯 苄氧基) 水杨醛形成西佛碱配基，通过c 0 2 + 离子把氨基酸结合到配基上，在光学 拆分n 一苄基d ，l 缬氨酸获得了非常高的选择性。其中m 1 p 拆分外消旋体的旺 高达6 8 2 。a r n o l deh 等m ，4 8 1 详细研究了含眯睦的化合物与c u 2 + 的结合作用， 他们把咪唑基之间不同距离的双咪唑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m i 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。李元宗等【4 9 j 以4 - 乙烯基吡啶为功能 单体，p i c o l i n a m i d e 和甲酸( 乙酸或丙酸) 为配体、铜( i i ) 为中心金属离子形成 的配合物作为模板分子制备成分子印迹聚合物。除了以甲酸铜为模板的聚合物没 有表现出选择性外，其它聚合物对它们的模板分子都有很强的印迹效应，作为色 谱固定相对自身模板分子的保留因子大大增加。这样，在p i c o l i n a m i d e 和铜( i i ) 的协助下制得的分子印迹聚合物便可以间接地识别甲酸、乙酸和丙酸。 南开大学硕上学位论文 第一章绪论 1 3 分子印迹聚合物的制备方法 1 3 1 分子印迹聚合物的制备过程 分子印迹聚合物( m i p ) 的制备一般包括以下几个过程： ( 1 ) 印迹分子的设计和确定：印迹分子既能参加聚合反应，又能在聚合反应 后容易去除。 ( 2 ) 功能单体和交联剂的选择：m i p s 可分为共价型和非共价型两种。制备 前者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 混合物等。非共价聚合物已使用的单体有丙烯酸( a a ) 、甲基丙烯酸( m a a ) 、 甲基丙烯酸酯( m a ) 、三氟甲基丙烯酸( t f m a a ) 、亚甲基丁二酸( m s a ) 、丙 烯酰胺( a m ) 、4 - 乙烯基苯甲酸( 4 一v b a ) 、4 - 乙基苯乙烯( 4 v b ) 、2 - 丙烯酰胺 基一2 一甲基- 1 一丙磺酸( a m a s ) 、1 - 乙烯基咪唑( 1 - v d a ) 、4 - 乙烯基毗啶( 4 v p ) 、 2 乙烯毗啶( 2 - v p ) 、2 , 6 二丙烯酰胺吡啶( 2 ，6 b a p ) l s o l 、n 丙烯酰基丙氨酸 ( n a l a ) 、n 一( 4 乙烯苄基) 亚氨基二乙酸铜( i i ) 5 ”、b 环糊精【5 2 1 和含乙烯 基的l 一缬氨酸的衍生物 5 3 1 等。 制备m i p 目前最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 。除此之 外，已经使用的交联剂还有n ，n7 亚甲基二丙烯酰胺( n ，n - m b a ) 、n ，n 1 ，4 一苯 基二丙烯酰胺( p b a ) 、3 , 5 二丙烯酰胺基苯甲酸( b a b a ) 、二乙烯苯( d v p ) 、 l 一2 一二丙烯酰胺基苯丙醇丙烯酸酯( b a p a ) 、季戊四醇三丙烯酸酯( p e t r a ) 、 三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯( t r i m ) 等。色谱研究结果表明，选用p e t r a 和t r i m 做交联剂制备的m i p 对印迹分子氨基酸衍生物和肽的柱容量和选择性 优于e g d m a 5 4 ，55 1 。 常见功能单体和交联剂的结构见图1 1 a 和1 1 b 。 ( 3 ) 聚合过程中所用的溶剂或分散剂的选择：选用溶剂时应既要考虑到模板 分子、单体、交联剂和引发剂的溶解性，也要尽可能的减小它对模板分子与聚合 物的键合作用产生不利影晌，使后续处理( 如洗脱) 尽可能的简单易行。目前， 常把聚合环境分为水相和非水相两大类。 在非水相中，常用的溶剂主要有二氯甲烷、氯仿、丙酮、甲苯、乙腈、甲醇、 乙醇等。y e 等【5 6 l 等采用全氟代碳化物也取得了很好的效果。 南开大学预上学位论文旃一章绪论 一般情况下，若模板分子和功能单体之间是氢键作用，则溶剂尽量采用非极 性的。因为极性溶剂( 尤其是水) 会大大削弱模板分子和聚合物之间的相互作用， 导致聚合物的选择性降低。目前，大部分的印迹过程都是在有机溶剂中完成的。 实际的应用环境，其中包括在药物拆分、仿生模拟和生物传感器等方面的应用中 需要在水环境中进行识别。然而，在水性体系下进行印迹研究的工作却很少，虽 然一些工作取得了一定的进展，但依然不完善，急需进一步深入开展。 c o o h 丙烯酸 甲基丙烯酸 甲基丙烯酸甲酯 三氟甲基丙烯酸 弧甲基j 二酸 丙烯酰胺4 - 乙烯基苯甲酸 c h 2 s 0 3 h o 2 - 丙烯酰胺基2 、甲基1 丙磺酸 2 乙烯基毗啶 o 义n h c 0 0 h i - 乙烯基咪唑 4 一乙烯基吡啶 o 2 , 6 二丙烯酰胺基毗啶 ，歹c：i：i!、。ch：c。，：。m n 一丙烯酰胺基丙氨酸n ( 4 - 乙烯苄基) 亚氢基_ = 乙酸铜( i i ) 图1 - 1 a 常见功能单体的分子结构 f i g u r e1 - l at h es t r u c t u r eo f f u n c f i o n a | m o d o m e r 6 南开大学硕士学位论文第一章绪论 季戊四醇四丙烯酸酯 图1 1 b 常见交联剂的分子结构 f i g u r e1 - l bt h es t r u c t u r eo f c r o s s l i n k i n ga g e n t 7 胺丫。槲 h 习 一 基 h k 甲 厂i 。垭 nn 南开大学硕上学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 致孑l 剂的选择：为了提高m 1 p s 的吸附能力，m i p s 的制备过程中除了模 板分子、功能单体、交联剂和溶剂或分散剂外，有时还需要加入致孔剂。常用的 致孔剂有惰性溶剂，如甲苯、液体石蜡、单分散聚苯乙烯种子胶粒等。 ( 5 ) m i p 制备过程的链引发方式和聚合反应；分子印迹聚合物的制各一般以 偶氮二异丁腈( a i b n ) 或偶氮二异庚腈为引发剂。也有人选用三甲基苯甲酰苯 基磷酸盐作引发剂的【5 ”。从理论上讲，任何能源方式均可起到链的引发作用，只 要其能量足够大。目前常用的引发能源方式有光照、加热、加压、电合成等。其 中低温光引发应用最为普遍，因为它具有如下优点：1 可稳定印迹分子和单体所 形成的复合物；2 可印迹热不稳定的化合物：3 可以改变聚合物的物理性能以获 得更好的选择性。因而它是目前应用最多和最广泛的能源之- - 58 1 。光引发中又以 紫外光的能量适中而应用最多。 在引发剂、印迹分子和交联剂存在的条件下，对单体进行聚合。为保证特定 空问构型的良好维持，一般需要控制较高的交联度( 通常高达8 0 ) 。由于非共 价作用的强弱强烈地依赖于溶液的极性，故非共价方式一般在低介电常数的溶 剂如氯仿、甲苯中进行，而共价方式般在介电常数较高的溶剂如水、醇中进行。 一般来说，低温下单体与印迹分子能形成更加有序、稳定的聚合物，且选择性更 好。 ( 6 ) 印迹分子的去除：采用萃取、酸解等手段将占据在识别位点上的绝大部 分印迹分子洗脱下来。 ( 7 ) 后处理：在适宜温度下对印迹分子聚合物进行成型加工和真空干燥等后 处理。 1 3 2 分子印迹聚合物的制各方法 1 3 2 1 本体聚合( b u l kp o l y m e r i z a t i o n ) 所谓本体聚合就是将印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶解 在惰性溶剂中，然后移入一玻璃安培瓶中，采用超声波脱气，然后通入氮气以除 氧，在真空下密封安培瓶，经加热或紫外光照射引发聚合得到块状聚合物。块状 聚合物经粉碎、磨细、筛选等过程获得合适大小的粒子，洗脱除去模板分子。在 分子印迹技术发展之初，大多数m i p 是采用这种本体聚合方法。该方法制备的 8 南开大学硕j j 学位论文 第一芾绪论 m i p 的优点在于它具有满意的“记忆功能”，对印迹分子有良好的选择性和识别 性。而且合成操作条件易于控制，实验装置简单，便于普及，迄今为止仍然为 m i p 的主要制备方法。但此方法必须经过研磨、粉碎、筛选等预处理，才能得到 所需的m i p 粒子。因此，该方法不但操作手续繁琐，而且损失严重，一般只有 5 0 的收益率。如果获得的m i p 是用于色谱分离，其不规则的形状还会影响色谱 分离效果。 1 3 2 2 原位聚合( i ns i t up o l y m e r i z a t i o n ) 原位聚合是一种将模板分子、功能单体、交联剂、致孔剂和溶剂( 有时本身 就是致孔剂) 放在某些容器( 如不锈钢管、p e e k 管、毛细管) 中或固体表面上 直接聚合的方法。聚合物不需要研磨、过筛和沉降等繁琐过程而直接用于分析。 尹俊发等 5 9 1 以手性药物那格列奈为模板分子，采用原位聚合法制备了具有特定识 别性能和手性拆分能力的分子印迹聚合物，并用作高效液相色谱固定相实现了那 格列奈与其对映体的手性拆分。 出于原位聚合是在色谱柱或其它管内以及其它物质表面一步完成的，避免了 封管聚合过程中粉碎、过筛等繁琐手续，实验过程大为简化。但为使色谱柱有良 好的流动性质，制备时必需加入合适的致孔剂，而且要掌握好聚合时间和致孔剂 的量：否则，制得的聚合物要么通透性差，要么选择性不好。 1 3 2 3 球形聚合物制备方法 球形分子印迹聚合物的制备方法目前主要有三种，即悬浮聚合法 ( s u s p e n s i o np o l y m e r i z a t i o n ，s p ) 、多步溶胀聚合法( m u l t i - s t e ps w e l l i n g p o l y m e r i z a t i o n ，m s s p ) 、沉淀聚合法( p r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n ，p p ) 。采用这几 种方法制得的m i p 球形聚合物主要用作柱色谱和毛细管色谱固定相的填充材料 以及免疫分析的吸附材料。 悬浮聚合是制备球形颗粒高分子聚合物的主要方法，在工业生产中广泛用来 生产树脂等高分子材料。孟子晖等采用悬浮聚合的方法制备了球形m i p 用以分 离立体异构体辛可宁和辛可尼丁【6 引。 两步溶胀( t w o - s t e ps w e l l i n gp o l y m e r i z a t i o n ) 和多步溶胀法是制备微米级微 9 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 球的另一种方法。s u e d e e 等用多步溶胀法分别制备了s 一依布洛芬、s - 丌布洛芬 和r 心得安的分予印迹微球药物释放微胶囊，并研究了它们释放药物的机理和 过程【6 1 i 。 还有一种制备分子印迹微球的方法是沉淀聚合法。g u o 等采用沉淀聚合法 制备了4 氨基吡啶分子印迹微球6 2 1 。 1 3 2 4 表面印迹法 s u r f a c e - i m p r i n t i n gp o l y m e r i z a t i o n ) 表面分子印迹是指在固体表面进行分子印迹聚合的技术，其最初来源于硅胶 的表面处理与衍生。p l a n k e t t 等将硅胶用3 一( 三甲硅氧基) 丙基甲基丙烯酸酯活 化，使其表面含有可聚合的乙烯，再将其同金属螫合单体n 一( 4 乙烯基苯甲基) 一亚氨基二乙酸铜( i i ) 、印迹分子( 眯畔可与金属离子发生螯合作用) 以及交联 剂e d m a 共聚，制得半径为1 0 a m 的均匀、球形分离介质6 3 1 。 1 3 2 5 分子印迹聚合物膜的制备 制备聚合物膜来模拟生物膜的功能在生物无机、有机化学及环境化学中有着 重要的意义。分子印迹聚合物薄膜的研究是近年来才开始的。已有一些关于分子 印迹膜的论文发表，表明它对于模板配体，尤其是氨基酸衍生物、核苷酸以及 一些药物和农药，具有特定的渗透和分离作用。分子印迹膜的传输性质以及在传 感技术上的应用也已有研究。 除了识别和催化性质，膜传输是超分子自组装的基本功能之一。人工合成聚 合物膜分为无孔( n o n ，p o r o u s ) 、微孔( m i c r o p o r o u s ) 和大孔( m a c r o p o r o u s ) 三 类。对于有孔膜要考虑两种不同的选择性传输机理：( 1 ) 优先吸附模板分子促进 传输( 没有或者是很慢的非特异性溶质传输) ；( 2 ) 由于亲合力阻碍渗透( 没有 或者是很慢的模板传输) 。 原位聚合法制备分子印迹膜：关于分子印迹膜的第一个实验是由p i l e t s k y 等 1 6 4 1 在1 9 9 0 年进行的。他们利用丙烯酸单体的原位本体交联聚合反应，在单磷酸 腺苷( a m p ) 的存在下制备了薄膜。扩散实验表明了对于这个核苷具有选择性 渗透。最近，对其他核苷通过类似印迹膜( 功能单体：甲基丙烯酸；交联剂： e g d m a ) 的传输研究得到了类似的结果。这些膜有粒状结构。在这两种情况下， 南开人学硕十学位论文 始一章绪论 在单独化合物和混合物的实验中，模板分子和模板衍生物分子的传输比其他对照 分子都要有利，透过量可达o 5n m o l c m 2 h 。对于腺苷和鸟嘌呤核苷，使用9 - 乙 基腺嘌呤的印迹膜的最高选择性参数是3 4 【6 ”。氨基酸通过类似的原位交联聚合 也可以得到选择性印迹膜。因此，对于l 苯丙氨酸( l p h e ) 印迹膜，l p h e 的 透过量是酪氨酸或色氨酸( t r p ) 的两倍多。而且，这些印迹膜也具有区分光学 异构体的能力，但是d p h e 透过l p h e 印迹膜的传输比l p h e 更好。 d r yp h a s ei n v e r s i o n 制各分子印迹膜：y o s h i k a w a 等【66 j 利用在聚苯乙烯树脂和 聚苯乙烯的混合物中的c a s t i n g 溶剂挥发过程，制备了保护氨基的b o c + l t r p 印 迹膜，其中聚苯乙烯树脂中有具有疏水基团的四肽 ( l - h a s p ( o c h e x ) 一i l e a s p ( o c h e x ) 一o l u ( o b z l ) - c h 2 ；l = d i d e ) 。在扩散实验条件 下，d - t r p 在这个分子印迹膜中的渗透比l t r p 快；透过量是5i l i n o l c m 2 h ，高 于利用原位聚合交联形成的印迹膜。这个b o c t r p 印迹膜对于其他氨基酸也有 对映体选择性。这个概念可以扩展到利用b o c d t r p 制备d d i d e 树脂分子印迹 膜，对l t r p 具有选择性。作为对比，各自的d l 树脂氨基酸结合形成的膜没有 选择性。利用另一种手性肽树脂作为功能聚合物也可以制备选择性的分子印迹膜 1 6 7 。所有的结果显示印迹过程包括非对映异构体络合物的形成。 w e tp h a s ei n v e r s i o n 制备分子印迹膜：k o b a y a s h i 等 6 8 7 1 1 报道了利用c a s t i n g 沉浸沉淀相倒置法从聚丙烯腈( p a n ) 和功能聚合物p a n 共聚丙烯酸的混合物 中制备分子印迹膜。这些膜有不均匀结构，孔穴的直径在2 0 5 0n l n 。在超滤条 件下，可以观察到模板分子t h o 同c a f 在吸附选择性上的差异。降低c a s t i n g 溶液和沉淀池的温度，可以提高络合物形成的效率以及提高膜对模板分子的选择 性1 7 0 】。这些数据同表面印迹大孔膜是一致的，表明在c a s t i n g 溶液中的模板t h o 和聚合功能基团( 羰基) 的络合能够在凝结过程时被固定。在这种情况下，可以 观察到亲合膜的典型行为一对模扳分子的特定结合。然而，由于膜的形态不是最 好的，渗透速率在2 5b a r 时只有5l m 2 h ，因此分离效率是很低的。 表面印迹法制备分子印迹膜：利用表面修饰制备分子印迹聚合物的第一个例 子是利用特定的光敏聚合物制备的。在t h o 存在下，紫外光照射使甲基丙烯酸 ( m a a ) 和n ，n m e t h y l e n eb i s a c r y l a m i d e 聚合得到膜。缺点是膜的形成要用特 定的聚合物，m i p 的功能化要很长的反应时间( 2 4h ) 以及孔的形态非常不均匀， 南开大学顿十学位论文 第一章绪论 具有很大的空间，同时对于亲合膜的渗透能力很低。现在正在研究一种制备分子 印迹膜的更普遍的方法【7 ”。对t e r b u m e t o n e ( 模板) 的氯仿溶液中的a a ( 功能单 体) 和e g d m a ( 交联剂) 进行光引发接枝共聚，可以在不改变孔膜的形态的情 况下在m f 膜上进行非均相功能化，得到薄的分子印迹膜。这个功能化过程可以 在几分钟内完成。亲水三嗪除草剂可以在快速过滤时选择性富集在疏水聚丙烯膜 上。这种膜的透过量可达1 2 0 1 m 2 h ，是目前m i p 膜最高的；膜渗透能力允许更 高的透过量。它的选择性可以通过优化m i p 和模板的相互作用以及通过提高聚 合物的表面覆盖物降低非特异性结合来进一步提高。 m o s b a c h 研究小组最先以l 一苯丙酰胺为模板分子合成了分子印迹聚合物膜， 并将其作为场效应管的敏感涂层，通过测定该场效应管的电容电压( c v ) 变化 来获取信息。当其分别与乙醇溶液中的苯丙酰胺、酪酰胺和苯丙醇接触时，前两 种能够被测定而后一种则不能【7 3 】。而y o s h i k a w a 小组是研究m 1 p 膜最多的一个 小组。他们主要对一系列氨基酸分子印迹聚合物膜的制各和透过性质作了深入细 致的研究 7 4 8 0 。p i l e t s k y 研究小组主要致力于将分子印迹聚合物膜应用于电化学 的各种检测中。他们首先以莠去津为模板分子制备了聚合物薄膜，并将其作为电 导池的敏感膜，用于检测莠去津，其响应时间大约需要3 0m i n f 8 “。后来他们在 单体中加入低聚氨基甲酸丙酯以改变该膜的弹性和机械稳定性，响应时间缩短到 6 1 5m i n ，面且莠去津的检测浓度也降低到5n m o l l 一。该法制得的膜能保持6 个 月不变驼，8 3 j 。一年后，他们又以2 丙烯酰胺2 甲基丙烷磺酸为功能单体、n ，n 一 亚甲基二( 丙烯酰胺) 为交联剂、二苯甲酮为引发荆，在多孔性聚丙烯膜表面上 进行光接枝聚合制得了m i p 聚合物膜。该方法能够在水中进行，通过简单的膜 过滤，便可除去水中的农药 8 4 】。后来，他们又以水化聚二氟乙烯( h p v f ) 膜为 支撑膜，以特布灭酮( t e r b u m e t o n e ) 为模板分子，分别以2 一丙烯酰胺一2 一甲基- 1 一 丙烷( a m p s ) 、甲基丙烯酸( m a a ) 和丙烯酸( a a ) 为单体，在h p v f 膜上 合成了m i p 膜。该膜可直接用于水中特布灭酮农药的固相萃取【8 “。这无疑将分 子印迹技术朝着实际应用向前迈进了一步。 1 4 分子印迹聚合物在分析化学中的应用 近年来，分子印迹技术已经应用到化学、生物化学和生物技术等多个领域。 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 迄今为止，越来越多的物质被用作模板分子，如药物、除草剂、糖类、核酸、氨 基酸、蛋白质等。制备这类聚合物的一种方法就是本体聚合，但需要经过研磨和 筛分，这种方法主要用于h p l c 或检测。然而，这个过程比较费时，而且研磨筛 分的过程中为了得到粒径合适的聚合物不可避免的会造成浪费，产率通常在2 0 。为了避免这些缺点，改进方法是制备微球形( m i e r o b e a d s ) 的m i p s ，洗脱除 去模板分子后分子印迹微球可直接应用。因制得的分子印迹微球粒径大小均匀而 显示出了很大的优越性，可以填装到色谱柱中，结果令人满意并且重现性很好。 另一种重要的方法是制备分子印迹聚合物膜。也有人采用在毛细管或色谱柱内直 接进行原位聚合( i ns i t u ) 的方式。图1 2 显示了分子印迹聚合物的常用的几种 制备方法及其在应用方面所涉及的领域。 图1 2 m i p s 应用示意图 f i g u r el - 2c o n f i g u r a t i o n sa n da p p l i c a t i o n so f m i p s 1 4 1m i p s 在液相色谱方面的应用 m i p s 最早的应用是在色谱领域，而且至今仍然是一个比较活跃的领域。m i p s 在分离对映异构体方面具有其独到之处。不仅本体聚合得到的棒状聚合物经研磨 筛分后可以填装到色谱柱中用于分离，微球形的m i p s 因粒径均匀更适合作为液 相色谱的固定相。 m o s b a c h 等最先制备了t e r t - b o c l p i l e 的m i p ，并将其填装进色谱柱中进行 南开大学坝十学位论文 第一章绪论 色谱分离8 6 1 。他们还研究了色谱流动相组成和交联度对m i p s 对映体分离的影响 ( y u ，c ；m o s b a c h k j c h r o m a t o g r a a j c h r o m a t o g r a 2 0 0 0 ，8 8 8 ，6 3 ) 。后来他 们又制备了n a c l p h e t r p o m e 的m i p 色谱固定相，其分离因子达到1 7 8 。 k e nh o s o y a 8 8 1 制备了双对羟苯基丙烷分子印迹聚合物，并用于h p l c 检测环境 水样中双对羟苯基丙烷前的预处理阶段。 1 4 2m i p s 在毛细管电泳和电色谱中的应用 将m i p 应用于毛细管电色谱( c a p i l l a r ye l e c t r o c h r o m a t o g r a p h y ，c e c ) 是最近 几年才发展起来的新技术。l i n 等最早将分子印迹技术与毛细管电泳结合起来， 分离了d ，l 苯丙氨酸【8 9 】。一年以后，他们又以l 苯丙酰苯胺或苯丙氨酸为模板 分子，合成的m i p 被研磨过筛，小于1 0g m 的粒子被填充到毛细管中用于毛细 管电色谱的研究【9 0 1 。s p e g e l 等 9 h 和s c h w e i t z