（分析化学专业论文）分子印迹聚合物膜电化学传感器的研究与应用.pdf

摘要 分子印迹属超分子化学中的主客体化学范畴，是源于高分子化学、生物化学、 材料科学等学科的一门交叉学科。分子印迹聚合物即是这样一种合成的人工受体： 它具有形状与底物分子相匹配的空腔，而且有着特定排列的功能基团可以与底物 分子产生识别作用。与常规和传统的分离和分析介质相比，基于分子识别的分子 印迹聚合物的突出特点是对被分离物或分析物具有高度的选择性。同时分子印迹 聚合物的物理化学稳定性好，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，具有构 效预定性、特异识别性和广泛实用性三大特点。因而，在化学催化、材料科学、 色谱分离、仿生传感等方面得到了日益广泛的应用。而电化学传感器具有设计制 造简单、灵敏度高、价格低廉、容易微型化等优点，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敏感元件已经有了初步的研究，并具有广泛的应 用前景。 传统印迹方法所制备的聚合物存在印迹孔穴易溶胀破坏，模板分子洗脱困难， 膜厚难控制，高的交联度使得传质和电子传递速度慢、信号响应慢、检测下限高、 非特异性吸附强、再生和可逆性差等问题。这都给分子印迹技术在电化学传感器 中的应用带来困难。在以前的研究中，分子印迹聚合物大多只能在非极性有机相 中制备，如何能够利用特殊的分子间作用力在水溶液或极性溶剂中进行分子印迹 和识别，仍是一大难题。 论文基于印迹聚合物的优良性质，分别基于3 种新的印迹基质制备了4 种有 机化合物的印迹聚合物。并将这些印迹聚合物用作传感嚣的敏感元件，构建基于 分子印迹技术的仿生传感器，检测的对象涉及药物分子和环境污染物。在一定程 度上克服了传统印迹聚合物的固有缺点，同时在水溶液中实现了印迹和识别。具 体工作如下： 1 将分子印迹技术与自组装邻氨基硫酚的电聚合相结合制备了以辛可宁为模 板分子的印迹电聚合膜。探讨了分子识别孔穴的形成过程、聚合液配比对印迹膜 性质的影响及印迹电极对目标分析物辛可宁的选择性响应。采用铁氰化钾作为分 子探针进行间接、快速测定，响应在4 m i n 内达到稳定，线性范围为5 0 0 1 0 4 0 0 1 0 一m ，检测下限为1 5 0 1 0 。m 。所得到的结果表明，识别过程中的主要作用 力是疏水作用、空腔匹配作用及印迹膜内单体上的苯环与响应分子上的萘基之间 的一n 共平面作用。 2 基于“s p r e a d e r b a r ”技术在邻氨基硫酚和正十二烷基硫醇自组装单层膜中构 建邻苯二酚的识别位点。采用表面增强拉曼散射表征该印迹自组装膜：b o d e 图展 示了该自组装膜良好的电容行为；电化学循环伏安法从某种程度上揭示了印迹自 组装膜对苯二酚异构体具有选择识别性质的内在原因。邻苯二酚在印迹电极上的 分子印迹聚合物膜电化学传感器的研究与应用 响应是一个扩散控制过程。响应值采用电容法测量，法拉第阻抗的测试结果与电 容测量结果及循环伏安结果一致。印迹电极对邻苯二酚检测的线性范围是：2 0 0 1 0 一1 6 0 1 0 一m ，检测下限为2 8 9 1 0 一m 。 3 以水杨酸为模板诱导溶胶凝胶过程中t i 0 2 微粒的聚集，采用氨水将模板分 子洗脱后，在t i 0 2 基质上形成了水杨酸的识别位点。通过与控制电极及裸电极上 引起的响应比较表明，水杨酸在印迹t i 0 2 膜电极上响应被大大提高，且在1 0 m i n 内达到稳定，线性范围是：5 0 0 1 0 1 5 0 1 0 m ，检测下限为3 7 4 1 0 m 。 水杨酸在电极表面的反应是一个表面控制过程。 4 采用表面溶胶凝胶技术，利用抗坏血酸分子上的羟基与t i ( ) 之间的配位 作用制各了印迹t i 0 2 超薄膜。依次经氨水和二次蒸馏水浸洗后，模板分子抗坏血 酸可从膜相中洗脱，在t i 0 2 基质上形成具有特定形状的识别7 l 穴。印迹超薄膜表 现出对抗坏血酸分子具有较好的选择性。响应在3m i n 内达到稳定，线性范围是： 8 ，0 0x1 0 一6 0 0 1 0 m ，检测下限为3 5 6x1 0 m 。 关键词：分子印迹技术；电化学传感器：电聚合膜：自组装膜；无机聚合物：表 面溶胶凝胶技术 i l 硕士学位论文 a b s t r a c t m o l e c u l a ri m p r i n t i n gb e l o n g st ot h ec a t eg o r yo f h o s t g u e s tc h e m i s t r y i n s u p e r m o l e c u l ec h e m i s t r y i t i sa n i n t e r d i s c i p l i n es h , b j e e l ，w h i c ho r i g i n sf r o m m a c r o m e l o c u l a rc h e m i s t r y , b i o c h e m i s t r y ，m a t e r i a lc h e m i s t r y , e t c m o l e c u l a ri m p r i n t e d p o l y m e r s ( m i p s ) a r es u c has y n t h e t i c a l l ym a i l m a d er e c e p t o r ：i to w n st h ec a v i t i e s w h k hr n a lc hu p , , u b s t r a t em o l e c u l e si n s p a c ea n dc a nr e c o g n i z et h es u b s t r a t e m o l e c u l e st h r o u g ht h eo r d e r e df u n c t i o n a lg r o u p s c o m p a r e dw i t ht h er o u t i n ea n d t r a d i t i o n a lm e d i u mu s e df o rs e p a r a t i o na n da n a l y s i s t h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e ro fm i p s b a s e do nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni si t se x c e l l e n ts e l e c t i v i t yt ot h es u b s t r a t e s f u r t h e r m er e ，m i p sa r eh i g h l ys t a b l ea n da b l et ob e a rh i g ht e m p e r a t u r e ：，h i g hp r e s s u r e ，a c i do r a l k a l i n e c o n d i t i o n ，a n do r g a n i cs o l u t i o n d u et o t h e i r p r e d e t e r m i n a t i o n ，s p e c i f i c r e c o g n i t i o na n dp r a e t i c a b i l k y , m i p sh a v eb e e nl a r g e l yp u ti n t ou s ei nc a t a l y s i s , m a t e r i a lc h e m i s t r y ，s e p a r a t i o na n db i o m i m i cs e n s o r wh i l ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sa r e h i g h l ys e n s i t i v ea n dm a d ea 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 o r ya n d m i n i a t u r i z a t i o 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 de l e c t r o c h e m i c a l s e n s o r sw i l lb ee s t a b l i s h e di nl h ef u t u r e o nt h eb a s i so ft h es t u d i e su n d e t t a k e n t h em i p sm a d ei nt r a d i t i o n a lw a y sa r eu s u a l l yt h i c ka n dh i g h l yc r 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 l s e n s i n ga p p l i c a t i o n , s u c h a s i n c o m p 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 t c i n a d d i t i o n ，t h ei 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 si nt h ep r e v i o u ss t u d i e sa r ed o n e m o s t l yi nn o n p o l a ro r g a n i cs o l u t i o n h o wt o u s e s p e c i a li n t e r a c t i o n s b e t w e e n m o l e c u l e st oi m p r i n ta n dr e c o g n i z ei na q u e o u so rp o l a ro r g a n i cs o l u t i o nr e m a i n st ob e ad i f f i c u l t y h e r e b y ，t h i n en o v e m a t e r i a l sh a v eb e e nu s e dt op r e p a r er e c o g n i t i o ns i t e sf o rf o u r o r g a n i cc o m p o u n d sb a s e do nt h ee x c e l l e n tc h a r a c t e r e “z a t i o no fm i p si nt h i st h e s i s t h e s em i p sh a v eb e e np u tj n t ou s ea ss e n s i t i ee l e m e n t st oc o n s f r u c tb i o - m i m e t i c s e n s o r s t h ea n a l y t i co b j e c t sd e a lw i t hp h a r m a c e u t i cm o l e c u l e sa n de n v i r o n m e n t a l c o m a m i n a t i o n s n o tcn l yt h e s en o v a lm a t e r i a l sh a v e c o n q u e r e d t h ei n h e r e n t s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm i p si ns o m ep a r t ，b u ta l s oi m p r i n t i n ga n dr e c o g n i t i o n p r o c e s sh a v eb e e na c h i e v e di na q u e o u ss o l u t i o n d e t a i l sa r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i sa s f o l i o w s ： 1 a na t t e m p th a sb e e nm a d et oc o m b i n em o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u ea n dt h e e l e c t r o p o l y m e r i z a t l o n o f s e l f - a s s e m b l e do a m i n o t h i o p h e n o l ( d a t ) t op r e p a r e i m p r i n t e df i l mu s i n gc i n c h o n i n ea st h et e m p l a t ea n a l y t e t h ep r o c e d u r eo ff cr mi n g r e c o 蛐c a v i t ya n dt h ee f f e c to ft h er a t i o o fm o n o m e r st o t e m p l a t e so nt h e i l l i m p r i n t e df i l m ，t o g e t h e rw i t hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yt oe i n c h o n i n eo nt h ei m p r i n t e d e l e c t r o d e ，a r ed e m o n s t r a t e d a ni n d i r e c ta n dr a p i dd e t e c t i o n i sc a r r i e do u tu s i n g p o t a s s i u mf e r r i c y a n d ea sap r o b e s t a b l er e s p o n s ei sa c h i e v e dw i t h i n4m i n ，c o v e r i n ga l i n e a rr a n g e5 0 0 1 0 一4 0 0 1 0 一m w i t had e t e c t i o nl i m i to f1 5 0 1 0 m f r o m t h er e s u l t s ，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 ni ss u p p o s e dt ob eh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n c o m p l e t ec a v i t ye f f e c ta n d 一i n t e r a c t i o n sb e t w e e np h e n y lg r o u po f m o n o m e r sa n dt h ee n a p h t h y lg r o u po fc i n c h o n i n e 2 s e l e c t i v er e c o g n i t i o no fb e n z e n e d i o li s o m e r si sr e a l i z e du s i n gm o l e c u l a r l y i m p r i n t e ds a m sf o r m e dt h r o u g hs p r e a d e r - b a ra p p r o a c h t h es u r f a c eo ft h ei m p r i n t e d s a m si sc h a r a c t e r i z e db ys u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c t r a b o d e p l o t se x h i b i t et h ec a p a c i t a n c eb e h a v i o ro ft h ei m p r i n t e ds a m s e l e c t r o c h e m i c a lc y c l i c v o l t a m m e t r ys h e d ss o m ei n s i g h to nt h en a t u r eo fr e c o g n i t i o na n di s o m e r i cs e l e c t i v i t y o ft h eb i n d i n gs i t e sw i t hr e s p e c tt od i f f e r e n tb e n z e n e d i o li s o m e r s t h ee l e c t r o d e p r o c e s sf o ro - h y d r o q u i n o n ei sad i f f u s i o n c o n t r o le l e c t r o d ep r o c e s s t h er e s p o n s eo f t h ei m p r i n t e ds a m su p o nt a r g e tm o l e c u l e si sr e c o r d e dw i t hc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t s f a r a d a i ce l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c es t u d i e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so f c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t s i m p r i n t e de l e c t r o d ee x h i b i t e si s o m e r i cs e l e c t i v i t yt o w a r d d h y d r o q u i n o n ea m o n gt h ei s o m e r sc o v e r i n ga l i n e a rr a n g e2 0 0 10 1 6 0 10 m v v i t hal o wd e t e c t i o nl i m i to f2 9 9xl o m 3 s a l i c y l i ca c i di su s e da st e m p l a t et oi n d u c et h ec o l l e c t i o no ft i 0 2p a r t i c l e sd u r i n g t h es o l g e lp r o c e s s ，a n dr e c o g n i t i o ns i t e sw i l lf o r mi nt h ei n o r g a n i cm a t e r i a la f t e r s a l i c y l i ca c i d sa r er e m o v e db ya m m o n i a c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so b t a i n e do nb a r e a n dc o n t r o le l e c t r o d e ，s e l e c t i v i t yt os a l i c y l i ca c i do i l t h ei m p r i n t e de l e c t r o d ei sg r e a t l y i m p r o v e d s t a b l er e s p o n s e sc a nb ea c h i e v e dw i t h i n10m i nc o v e r i n gal i n e a rr a n g e f r o m5 0 0 1 0 1 5 0 1 0 一m ，w i t had e t e c t i o nl i m i to f3 7 4 1 0 m t h ee l e c t r o d e p r o c e s sf o rs a l i c y l i ca c i di sas u r f a c ec o n t r o lp r o c e s s 4 at h i nf i l mo fi m p r i n t e dt i 0 2i sm a d eb ys u r f a c es o l g e lt e c h n o l o g y ，u s i n gt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et w oh y d r o x yg r o u p so fa s c o r b i ca c i dm o l e c u l ea n dt i t a n i u m ( i v ) a s c o r b i ca c i dc a nb e e nw a s h e df r o mt h ei m p r i n t e df i l mb ya m m o n i aa n dd o u b l e d i s t i l l e dw a t e rr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nr e c o g n i t i o ns i t e sa r ec r e a t e d t h ei m p r i n t e df i l m s h o w sg o o ds e l e c t i v i t yt o w a r da s c o r b i ca c i d s t a b l er e s p o n s e sc a nb ea c h i e v e dw i t h i n5 m i nc o v e r i n gar a n g ef r o m5 0 0 1 0 。1 5 0 1 0 一m w i t had e t e c t i o nl i m i to f3 7 4 1 0 一m 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 o l o g y ；e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r ；e l e c t r o - s y n t h e s i z e dp o l y m e rf i l m ；s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ；i n o r g a n i c p o l y m e r ；s u r f a c es o l g e lt e c h o l o g y i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：7 , j 孙- 1 h a日期：2 卵，年6 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 别无，舭 日期：删年6 月j o e l 日期：刖r 年月) a 日 硕士学位论文 第1 章绪论 分子识别在自然界的生物进化中起着特别重要的作用，选择性是分子识别的 重要特征。化学家们利用一些天然化合物或合成化合物模拟生物体系进行分子识 别研究，取得了一些可喜的进展，一定意义上构成了分子印迹技术的雏形。分子 印迹( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ) 属于超分子化学中的主客体化学范畴，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 o l o g y ，m i t ) 是指制备对某一特定的目标分子( 模板分子 或印迹分子) 具有特异选择性的聚合物的过程，也被形象地描述成制各“分子钥匙” 的“人工锁”的技术。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 ) 即是 这样一种合成的人工受体：它具有形状与底物分子相匹配的空腔。而且有着特定排 列的功能基团可以与底物分子产生识别作用。 分子印迹技术的出现源于免疫学的发展。早在2 0 世纪3 0 年代，b r e i n l 、h a u r o w i t z 和m u d d 就相继提出了一种当抗体侵入时生物体产生抗体的理论。后来在4 0 年代， p a u l i n g 提出了抗体形成学说【2 j ，它的基本观点是抗体在形成时其三维结构会尽可 能的同抗原形成多重作用点，抗原作为一种模板就会“铸造”在抗体的结合部位。 虽然，p a u l i n g 的理论被“克隆选择理论”所推翻，但这种学说却奠定了分子印迹 的理论基础。从p a u l i n g 理论出发，科学家们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”这一概念【3 j ，可以视为“分子印迹”的萌芽， 但是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 i f 研究小 组利用酶和抗体具有分析形状、空间结构选择性的特点，首次报道了用于色谱手 性拆分的分子印迹聚合物之后，分子印迹才逐步被人们所认识【4 1 。1 9 9 3 年，瑞典 l u n d 大学的m o s b a c h 等人在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， 分子印迹技术开始得到了蓬勃的发展，成为国内外研究的热点【5 j 。 分子印迹技术以其构效预定性( 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 c r 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 ) ，越来越受到人们的青睬。1 9 9 7 年在瑞典 l u n d 大学成立了国际性的分子印迹协会( s o c i e t yo f m o l e c u l a r i m p r i n g t i n g ，s m i ) ，其 宗旨是“致力于分子印迹科学与技术的全面发展”。根据s m i 的统计，每年公开发 表的学术论文数呈直线上升趋势【6 j 。迄今，在分子印迹技术的作用机理、分子印迹 聚合物的制各方法及分子印迹技术与分子印迹聚合物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很大的进展【7 挖】。基于该技术制各的印迹聚合 物具有亲和性和选择性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长和应用范 围广等优点，因而在色谱分离 1 3 州l 、仿生传感【m2 1 1 、模拟酶催化f 2 2 - 2 4 1 、临床药物 分析引、膜分离和固液萃取等领域都展现了良好的应用前景 2 5 - 3 0 】。同时，分子印 迹技术对于研究酶结构、认识受体- 抗体作用机理等方面也具有重要的理论意义和 使用价值。 分子印迹聚合物膜电化学传感器的研究与应用 一 1 1 分子印迹技术的基本原理 分子印迹技术是仿生科学学习和模拟自然界中酶一底物及受体一抗体作用的一 大进展。分子印迹是通过以下方法实现的： ( 1 ) 所选的模板分子首先和功能单体及交联单体混合，它们之间通过共价或 非共价键相互作用，形成多重作用点。 ( 2 ) 随后引发聚合反应，模板分子和单体形成的复合体系被紧紧地固定在聚 合物的三维网状结构中，从而使功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固定 下柬。 ( 3 ) 将模板分子移去，聚合物中就形成了与模板分子空间构型完全匹配，并 含有与模板分子特异性结合的功能基的三维孔穴。这样的空穴将对模板分子及其 类似物具有选择识别特性。 1 2 分子印迹技术的分类 根据印迹分子和功能单体形成复合物时作用力的性质，分子印迹技术可以分 为两种方式：预组装法( p r e o r g a n i z a t i o n ) 3 1 - 3 4 1 和自组装法( s e l f _ a s s e m b l i n g ) 【3 5 。”1 。 1 2 1 分子预组装 预组装法又称共价法，即聚合前的聚集体主要是由可逆的共价键形成，此法由 德国的w u l f f 及其同事在2 0 世纪7 0 年代初期创立 4 3 8 1 。此方法中，模板分子首先 通过可逆的共价键与单体结合形成单体一模扳分子的复合物，即模板分子和单体之 间以牢固的共价作用结合在一起，再进行交联聚合，然后再通过化学途径断裂而 除去印迹分子。 共价键作用的优点是在聚合中能获得在空间位置上精确排列的结合基团。若 印迹分子能以高百分比除去则是类很好的功能材料。迄今，使用的共价结合作 用的物质包括硼酸酯、缩醛酮、席夫碱、酯和螫合物等【1 1 。其中最具有代表性的是 硼酸酯，它能够生成相当稳定的三角形的硼酸酯，在碱性条件或氮( n h 、哌啶) 存在 下则生成四角形的硼酸酯，其平衡速度与非共价键作用相当 3 1 】。但是，并不是结 合位点越多，其选择性越高。当模板分子和功能单体之间存在3 种以上不同的共 价键合作用时均可导致较低的分离能力，其主要原因是这类分子印迹聚合物的结 合位点与印迹分子之间的结合速度很慢。 总之，由于共价键作用一般较强，因此在印迹分子预组装和识别过程中均采 用共价键作用时则结合和解离速度较慢，难以达到热力学平衡，不适于快速识剐， 而且识别能力与生物识别差别甚远，因此这种方法发展缓慢。 1 2 2 分子自组装 自组装法又称非共价法，即组装过程中模板分子和功能单体之间是通过非共 硕士学位论文 价键作用结合，此法由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期创立1 1 9 4 0 o 此方法中模板分子和功能单体之间自发组织排列，以非共价键自发形成具有多重 作用位点的单体- 模板分子复合物，经过交联聚合后将这种作用保存下来。 常用的非共价作用包括：氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水 作用及范德华力等，其中以氢键作用应用最多。需要注意的是，如果在印迹和后 续的分离过程中只有一种作用力时，其分离的效果不佳：而在印迹过程中有多种 作用力的时候，其分离系数很高。但是当存在3 种以上的非共价键结合作用时， 也将导致较低的分离能力。 使用过的非共价作用的聚合单体包括：丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、 亚甲基丁二酸、2 一丙烯酰胺2 一甲基一1 丙磺酸、n 丙烯酰基丙氨酸、甲基丙烯酸甲 酯、甲基丙烯酸羟乙酯、4 乙烯基苯乙烯、丙烯酰胺、1 乙烯基咪唑、4 一乙烯基吡 啶、2 乙烯基毗啶、2 ，6 - 二丙烯酰胺毗啶、n ( 4 乙烯苄基) 亚胺二乙酸酮等 4 l _ 4 引。 与预组装法相比，自组装法简单易行，模板分子容易除去，其分子识别过程 也更接近于那些天然的生物分子识别系统，例如“抗原抗体”和“酶一底物”等。 印迹过程中还可以采用多种单体，给模板分子提供更多作用，改善印迹效果，因 此成为分子印迹技术研究的热点。 除了上述两种基本类型外，还有一种综合了二者的技术，即聚合时单体和印 迹分子之问是共价作用的，在识别过程中，二者的作用是非共价的，得到的分子 印迹聚合物既有共价印迹聚合物亲和专一性强的优点，又具有非共价印迹操作条 件温和的优点。v u l f s o i l 等人报道的“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 ) 和 p i l e t s k y 等人报道的硅酸分子印迹聚合物都属于将分子自缎装和分子预组装相结 合的印迹技术【4 l4 6 o 最近，用功能性单体与金属离予配位制各分子印迹聚合物也 得到了发展，主要用于金属离子和蛋白质的分离m “1 。 1 3 分子印迹技术的理论研究 由于分子印迹技术的研究历史相对较短，有关分子印迹过程的热力学和动力 学等相关理论的报道还比较少见。 1 3 1 分子印迹技术热力学 w i l l i a m s 及其同事在p a g e 和j e n c k s 等人工作的基础上提出了分子印迹聚合物 与模板( 配体) 分子之间的识别受热力学定律控制，配体和受体之间形成复合物的自 由能改变可以由下式计算1 , 4 9 ： g b i n d = a g t + f + g r + a g h + g ，i b + g p + g c o 。h - g v d 。( 1 i ) g b i n d 一形成单体模板分子复合物时g i b b s 自由能的改变： g 。+ r 一平动和转动时损失的自由能： g 广模板分子转动受限制时损失的自由能； 硕士学位论文 价键作用结合，此法由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期创立”。4 0 1 。 此方法中模板分子和功能单体之间自发组织排列，以非共价键自发形成具有多重 作用位点的单体模板分子复合物，经过交联聚合后将这种作用保存下来。 常用的非共价作用包括：氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水 作用及范德华力等，其中以氢键作用应用最多。需要注意的是，如果在印迹和后 续的分离过程中只有一种作用力时，其分离的效果不睦；而在印迹过程中有多种 作用力的时候，其分离系数很高。但是当存在3 种以上的非共价键结合作用时， 也将导致较低的分离能力。 使用过的非共价作用的聚合单体包括：丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、 亚甲基丁二酸、2 - 丙烯酰胺一2 一甲基，1 丙磺酸、n 丙烯酰基丙氨酸、甲基丙烯酸甲 酯、甲基丙烯酸羟乙酯、4 一乙烯基苯乙烯、丙烯酰胺、1 乙烯基咪唑、4 乙烯基吡 睫、2 乙烯基吡啶、2 ，6 - 二丙烯酰胺毗啶、n ( 4 ，乙烯苄基) 亚胺二乙酸酮等l 4 。 与顸组装法相比，自组装法简单易行，模板分子容易除去，其分子识别过程 也更接近于那些天然的生物分子识别系统，例如“抗原抗体”和“酶底物”等。 印迹过程中还可以采用多种单体，给模板分子提供更多作用改善印迹效果因 此成为分子印迹技术研究的热点。 除了上述两种基本类型外，还有种综合了二者的技术，即聚合时单体和印 迹分子之问是共价作用的，在识别过程中，二者的作用是非共价的，得到的分子 印迹聚合物既有共价印迹聚合物亲和专一性强的优点，又具有非共价印迹操作条 件温和的优点。v a l f s o t 、等人报道的“牺牲空间法”( s a c i i f i c i a ：s p a c e rm e t h o d ) 和 p i l e t s k y 等人报道的硅酸分子印迹聚台物都属于将分子自组装和分子预组装相结 台的e f j 迹技术”o ” 。最近，用功能性单体与金属离子配位制备分子印迹聚合物也 得到了发展，主要用于金属离子和蛋白质的分离m4 ”。 1 3 分子印迹技术的理论研究 由于分子印迹技术的研究历史相对较短，有关分子印迹过程的热力学和动力 学等相关理论的报道还比较少见。 1 3 1 分子印迹技术热力学 w i l l i a m s 及其同事在p a g e 和j e n c k s 等人i 作的基础上提出了分子印迹聚合物 与楼板( 配体) 分子之间的识别受热力学定律控制，配体和受体之间形成复合物的自 由能改变可以由下式计算 1 , 4 9 】： g b l n d = g l + r 十g r + g h 十g ，m + g d + 0 i + g v d w( 】1 ) a g b i n d 形成单体一模板分子复合物时g i b b s 自由能的改变； g + r 平动和转动时损失的自由能： 0 r - 模板分子转动受限制时损失的自由能： 0 r - 模板分子转动受限制时损失的自由能： 分子印迹聚合物膜电化学传感器的研究与应用 o h 一疏水性相互作用获得的自由能： a g ，i b 一基团振动方式自由能； g 。一偶极基团相互作用总的自由能的贡献； a g 。r 构象变化引起的自由能的改变： a g ，d 。一范德华力引起的自由能的改变。 根据上述理论，可以分析影响m i p s 形成和识别过程的因素，并进而改善m i p s 的设计与制备【50 1 。 1 3 2 分子印迹技术动力学 w h i t c o m b e 等人采用分子自组装方法制备具有两个结合位点的分子印迹聚合 物，从化学热力学角度研究了自组装分子印迹聚合物在制备和应用过程时的化学 平衡过程43 1 。他们在一定假设的基础之上提出了以下等式： 【m t m = k 。i t j i m 2( 1 2 ) 式中k 为结合常数； 【t 1 一模板分子浓度； m 】一模板分子单体复合物浓度； f m t m 】一印迹聚合物浓度。 其假设如下： 【1 】两个功能单体与模板分子反应的能力是相等的； ( 2 1 两个功能单体与模板分子的结合过程是分别独立的。 这个等式可用来计算当模板分子与识别位点的结合达到平衡时t 、m 及m t m 的平衡浓度。 总之，有关分子印迹过程机理、分子印迹技术的理论和定量描述文献报道还 不多。在分子印迹技术的热力学和动力学等基础理论方面的研究还是初步的，尚 有待避一步的研究逐渐完善。 1 4 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用 起初，分子印迹技术旨在设计特殊的吸附剂并认识其作用机理。与常规和传 统的分离或分析介质相比，基于分子识别的分子印迹聚合物的突出特点是对被分 离物或分析物具有高度的选择性。同时，分子印迹聚合物具有良好的物理化学稳 定性，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，容易保存，制备简便，易于实 现工业化生产。因而，在色谱分离、仿生催化、药物分析及分析与传感等方砸得 到了| = 1 益广泛的应用，展现出良好的应用前景。其中在分离、分析与传感以及催 化领域的应用最具有商业前景1 5 ”。 硕士学位论文 1 4 1 在化学催化领域的应用 催化剂在化工生产中起着至关重要的作用。自然界中的酶提取困难、耐受性 差、难以回收和重复使用等缺点，制约了它的生产和应用。长期以来，化学家们 梦想着生产酶模拟物或将人工酶作为新型的催化剂，但取得的进展极其微小。分 子印迹聚合物的出现及其具有如同酶的活性中心的空腔启发了人们，开始利用分 子印迹技术将识别位点和催化基团引入到聚合物内部来制备模拟酶1 5 2 。5 ”。与天然 的生物酶催化剂相比，模拟酶除了具备催化活性和选择性之外还具有结构可调控 性、高度的稳定性、长的使用寿命、材料易得、价格便宜、易储存和规模化生产 等优点。 w u l f f 综述了近年来采用m i p s 模拟酶催化的研究状况及发展前景i z3 1 。目前， 采用分子印迹技术设计聚合物对水解反应、合成反应、转移反应、脱h f 反应、异 构化反应和氧化还原等反应进行模拟酶催化已有报道。印迹所使用的模板分子主 要有底物类似物、过渡态类似物和产物类似物。 s a r h a n 进行了含4 乙基毗啶的模板分子的向外消旋化【56 1 。含毗哆醛的印迹聚合 物对氨基酸衍生物的质子变换有加速作用。s h e a 等人用苯甲基丙二酸做模板，在 空腔里给可聚合胺定位。移去模板后，该聚合物进行4 一氟4 ( 对一硝基苯) 丁酮的脱 氟化氢作用比相应的溶液中反应速率增大8 6 倍 2 4 1 。r i c h 通过从包含底物的水溶液 中冰冻酶，使有机溶液中核苷枯草杆菌蛋白酶催化酞基化反应的活性与底物选择 性大大增加f 5 。他们认为丝氨酸蛋白酶印迹过程中造成的结构改变是活性和选择 性改变的原因。近来，一种新的表面印迹技术用于制造模拟酶催化剂。u e z u 等用 功能单体油酞昧唑来印迹底物相似物n t e r t b o c l h i s t i d i n e ，将一条油酞链引入咪 唑衍生物，从而增强界面的活性【5 8 】。 1 4 2 在分离领域的应用