（化学工程专业论文）s（）α苯乙胺分子印迹聚合物的制备及性能研究.pdf

工程硕士论交 摘要 分子印迹技术( n o l e c u l a zi m p r i n t i n gt e c h n i q u e ，n i t ) ，又称为分子模板 技术( n 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 ) ，是一种制备具有分子识别能力的 新型高分子功能材料的技术。分子印迹技术在色谱分离、固相萃取模拟酶催化 化学仿生传感器等领域都具有广阔的应用前景。对于对映体的分离，虽然可以利 用酶拆分和其它一些分离技术，但由于分子印迹聚合物与其它方法相比，具有不 受各种恶劣环境因素的影响而又具有和酶相似的专一性和选择性，可以按照需要 比较容易地合成，并且经过简单处理又可反复使用等优点，因此，分子印迹技术 在分离对映异构体方面具有独有的优势，也成为分子印迹技术应用研究较为活跃 的一个领域。 本文综述了分子印迹技术的基本原理，印迹聚合物的各种制备方法，分子印 迹技术的应用领域及研究进展。以s - ( 一) - 1 - 苯乙胺为模板，甲基丙烯酸为功能 单体，分别以二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯为交联剂，偶氮二异丁睛或二 苯甲酮为引发剂，采用了本体聚合法、悬浮聚合法合成了一系列的s 一( 一) - a - - 苯 乙胺印迹聚合物。 利用紫外光谱、平衡结合实验、s c a t c h a r d 模型等手段系统地探讨了合成方 法、交联剂种类及用量对印迹聚合物吸附性能的影响。结果显示：悬浮聚合法制备 的聚合物性能要略优于本体聚合，它们之间的吸附量差别在1 0 至3 0 ；二乙烯基 苯交联的聚合物的吸附性能优于乙二醇二甲基丙烯酸酯交联体系，前者合成的印 迹聚合物对底物的结合量是后者的两倍左右；随着交联剂用量的增加，聚合物的 吸附性能下降，但是聚合物的识别能力随交联剂用量的增大而增强。 各种印迹聚合物对于s 一( - ) 伍一苯乙胺及其结构类似物苯乙酮的分离因子均大 于l ，最大达到2 8 6 ，显示出了很好的选择性。以印迹聚合物作为薄层色谱固定相， 对s 一( - ) 一旷苯乙胺外消旋体进行拆分，收到了很好的手性分离效果，分离度达到 l - 9 3 。 关键词：分子印迹聚合物；s - ( ) 一。一苯乙胺；识别能力：悬浮聚合：薄层色谱 s - ( 一) 一i x - 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 a b s t r a c t 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 i d ，a l s o c a l l e dm o l e c u l a r t e m p l a t e t e c h n i q u e ( m t t ) ，i san e wt e c h n i q u ef o rs y n t h e s i s o f m a c r o m o l e c u l a rm a t e r i a l s w i t hm o l e c u l a r r e c o g n i t i o nc a p a b i l i t y t h e y h a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e di n c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n ，e n z y m a t i cm i m i c ，s o l i d p h a s ee x t r a c t i o n , c h e m o s e n s o r s a n do t h e rr e l e v a n tf i e l d sf o re n a n t i o s e l e c t i v es e p a r a t i o n , m i th a si t sa d v a n t a g e s c o m p a r e dt oe n z y m ea n ds o m eo t h e ra p p r o a c h e s , b e c a u s em i pw a ss i m i l a rt oe n z y t l l e i ns p e c i f i c i t ya n ds e l e c t i v i t ye v e l lu n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s ，c o u l db es y n t h e s i z e d r e a d i l y , a n dm a y b er e u s e dt h r o u g hs i m p l ew a s h i n go f t h et e m p l a t ei m m o b i l i z e d p o l y m e r t h ea p p l i c a t i o n o f m i tt oe n a n t i o s e l e c t i v es e p a r a t i o nb e c a m eo n eo f t h e r e s e a r c ha t t r a c t i o n s t h ep r i n c i p l e ，s y n t h e t i cm e t h o d ，a 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 i n gt e c h n o l o g y a n dd e v e l o p m e n t mr e v i e w e di nt h i sp a p e r m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r sw e r e p r e p a r e db y t w om e t h o d s ，w h i c hi n c l u d eb u l kp o l y m e r i z a t i o na n ds u s p e n s i o n p o l y m e r i z a t i o n i nt h ep o l y m e r i z a t i o np r o c e d u r e ，s - ( - ) a - p h e n y le t h 3 ，l a m i n e w a s u s e da st a r g e tt e m p l a t em o l e c u l e s ，m e t h a c r y l i ca c i d ( m a a ) w a ss e l e c t e da sf u n c t i o n a l m o n o m e r s ，e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a e r y l a t e ( e d m a ) o rd i v i n y i b e n z e n e ( d v b ) a s c r o s s l i n k e r , a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l eo rb e n z o p h e n o n ew a su s e da si r r i t a t o r t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts y n t h e t i cm e t h o da n dt y p eo fc r o s s - l i n k i n gm o n o m e r s ，a s w e l la sd e g r e eo f c r o s s l i n k i n go nt h eb i n d i n gc a p a c i t yo f p o l y m e r s ，h a sb e e ns t u d i e d b yu vs p e c t r o s c o p y ，e q u i l i b r i u mb i n d i n ga s s a y , a n ds c a t c h a r dm o d e l t h er e m i t s w e r es h o w e d1 1 5f o l l o w s ：t h ep r o p e r t i e so fp o l y m e r sp r e p a r e db ys u s p e n s i o n p o l y m e r i z a t i o nw e r eb e t t e rt h a nt h o s ep r e p a r e db yb u l kp o l y m e r i z a t i o n , a n dt h e d i f f e r e n c ei na d s o r p t i o nv a r i e df r o m1 0 t o3 0 ：d i v i n y l b e n z e n ei sab e t t e rc h o i c ea s t h ec r o s s l i n k e rc o m p a r e dw i t he t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e ，y i e l d i n gp o l y m e r s w i t hh i g h e ra n a l y t eb i n d i n g ，a n dt h eb i n d i n gc a p a c i t yo ft h ef o r m e rf o rt e m p l a t ei s a b o u tt w i c ea sm u c ha st h el a t t e r s ；a n db i n d i n gc a p a c i t yo fp o l y m e r sd e c r e a s ew i t h t h ed e g r e eo fc r o s s - l i n k i n g ，w h i l er e c o g n i t i o np r o p e a i e so fp o l y m e r si n c r e a s ew i t h t h ed e g r e eo f c r o s s - l i n k i n g t h es e p a r a t ef a c t o r ( 曲b e t w e e ns - ( 一) - a - p h e n y le t h y l a m i n ea n da c e t o p h e n o n e ( t h e s u b s t r a t ea n a l o g ) f o ra l lp o l y m e r sw a sa b o v eo n e ，a n dt h em a x i m u mo fnw a s 28 6 ，t h i si n d i c a t e dt h a ta l lp o l y m e r sh a dg o o ds e l e c t i o n 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 r so fs - ( - ) a - p h e n y le t h y l a m i n ew e r ep r e p a r e dt 0 u s ea sc h i r a ls t a t i o n a r y p h a s e si nt h i n l a y e rc h r o m a t o g r a p h y ( t l c ) ，a n dt h er e s u l t sr e v e a lt h a tt l cb a s e do n 工程硕士论文 m i pc o u l ds u c c e e dt h ed i r e c ts e p a r a t i o no fe n a n t i o m e ro f a p h e n y le t h y l a m i n ea sa m e t h o do f s e p a r a t i o n ，r = i ，9 3 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 dp o l y m e r s ；s - ( 一) - a - p h e n y le t h y l a m i n e ；s u s p e n s i o n p o l y m e r i z a t i o n ；r e c o g n i t i o np r o p e r t i e s ；t h i n l a y e rc h r o m a t o g r a p h y m 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矸究所 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 何其他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。 獬名：少i 魄带f f 月，乎日 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 学校保留芳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 1 保密j 在年解密后适用本授权书。 作者签名：弘【日期：滓f 月厅日 导师签名：n 彳厶)日期： 年 月日 减l 凡1 己 丁程颤上论文 第1 章绪论 1 1 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 ) 的出现来源于二十 世纪三十年代的免疫学，当时m u d d 提出当抗原侵入时生物体产生抗体的抗原一 抗体理论，后来p a u li n g 对此做了进一步的研究，提出了抗体形成的“模板学 说”i l j ，该理论认为抗原物质进入抗体之后，蛋白质或多肽链以抗原为模板进行 分子自组装和折叠形成抗体。尽管该学说后来被“克隆选择”学说取代，但它激 发了人们以抗原或其它待测物质作为模板合成抗体模拟物的设想，并为分子印迹 的发展奠定了一定的理论基础。 1 9 4 9 年，d i c k e y 成功地将甲基橙或乙基橙印迹在硅胶表面上1 2 】，首次提出 了“分子印迹”这一概念，但在很长时间并没有引起人们的重视。直到1 9 7 2 年， 德国h e i n r i c hh e i n e 大学的w u l f f 研究小组首次报道成功合成对糖类和氨基酸衍 生物具有识剐能力的共价型分子印迹聚合物以后1 3 l ，分子印迹技术才真正发展起 来。最开始时，人们的研究主要集中在共价型印迹聚合物，但由于共价型印迹聚 合物的动力学过程较慢，其应用受到很大限制，此阶段，分子印迹技术发展缓慢。 8 0 年代后期，瑞典l u n d 大学的m o s b a c hk 4 , 组提出了非共价印迹法。1 9 9 3 年，该 小组在 n a t u r e ) 上发表了通过非共价印迹法制备茶碱分子印迹聚合物的研究报 道【4 j ，这以后，分子印迹技术得以蓬勃发展，每年发表的论文数量呈指数增加， 1 9 9 7 年在瑞典l u n d 大学成立了国际性分子印迹协会( s o c i e t yf o rm o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，s m i ) ，目前已有数百名会员。目前，从事分子印迹聚合物材料研究 工作的国家主要有瑞典、日本、德国和美国。而我国从1 9 9 6 年开始开展分子印迹 聚合物作为手性分离固定相的研究工作，尽管取得了一些研究成果，但总的来说 还处于起步阶段。 分子印迹技术之所以受到研究者如此广泛关注，主要是因为它有三大非常显 著的特点：预定性( p r e d e t e 加i n a t i o n ) 、识别性( r e c o g n i t i o n ) 以及实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。人们可以根据需要制备不同的m i p s ，制备出的印迹聚合物具有预 定的空腔结构和结合位点，能选择性的识别印迹分子与天然的分子识别系统如 酶与底物、抗体与抗原，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、成本低廉。基于w i p s 上述的优点，分子印迹技术的应 用研究所涉及的领域非常广泛，包括医药、环境监测、生物工程，食品分析等【”。 1 2 分子印迹技术原理及方法 1 2 1 分子印迹技术的原理 分子印迹技术是一种通过对模板分子在聚合物中的印迹，从而在聚合物中产 生对模板或其类似物分子具有特殊的键合作用，即专一性识别力的空腔的新兴技 未。 s 一( 一) 一口- 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 分子印迹的过程一般包括以下步骤：( 1 ) 使印迹分子和功能单体间通过共价 或非共价作用( 氢键、配位键、离子键、疏水作用) ，形成某种可逆的单体一模板 分子复合物；( 2 ) 加入交联剂、引发剂，致孔剂等，在热或光条件下，引发聚合， 在此过程中，模板一单体复合物将被固定在聚合物的三维网络内：( 3 ) 通过物理 或化学的方法将聚合物中的模板分子洗脱或解离出来，从而在聚合物中形成了具 有识别印迹分子能力的空间结构和结合位点。 图1 1 分子印迹聚合物合成示意图 1 2 2 分子印迹技术的方法 ( 1 ) 共价法 共价法是分子印迹技术产生时率先使用的方法，是由w u l l fg 等提出的。 这种方法中，聚合前模板分子与功能单体形成可逆的共价键( 如形成可逆的硼酸 酯、缩醛酮和西佛碱等) ，聚合完成后，使共价键断裂，释放出印迹分子。这样 在聚合物结构中，产生与模板分子精确匹配的结合基团，它们可以选择性地结合 模板分子，从而构成特异性识别作用。1 9 7 2 年w u l i fg 等将p 一乙烯基苯基硼酸、 p - 7 烯基苯胺与2 ，3 - - - 羟基丙酸形成的可逆共价化合物同l ，4 一二乙烯苯共聚， 然后水解，5 0 9 6d - 2 ，3 一二羟基丙酸被洗脱出来。用获得的m i p 进行d ，l 一2 ，3 一 二羟基丙酸的分离实验，发现d - 2 ，3 一二羟基丙酸能更好地与之发生键合作用。 共价法中，单体一模板复合物十分稳定，因此它可以在较宽的聚合条件下( 如： 高温、高或低的p h 、高极性溶剂) 进行聚合。但由于涉及键的形成与断裂，印 迹分子的结合及释出的速度都很慢不适应快速识别的需要。另外，在某些情况 1 f ，会因洗脱模板时剧烈的工作条件( 使共价键断裂) 而使印迹的效果变差。 2 工程硕士论文 + 聚合 例1 2 共价分子印迹法 ( 2 )非共价法 非共价法由瑞典的m o s b a c h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期提出的，这种方 法中，聚合前模板分子与功能单体依靠非共价键作用如：氢键、静电引力，疏 水作用、范德华力等，形成单体一模板分子复合物，聚合完成后，用恰当的溶剂 洗脱印迹分子，就获得了所需的m i p 。k j s h e a 等以9 一乙基腺嘌呤为模板，甲 基丙烯酸为功能单体，合成出的m i p 能从9 一乙基腺嘌呤及其结构类似物的混合 物中，快速有效地分离出印迹分子9 一乙基腺嘌呤。尽管非共价印迹法存在聚合 过程的条件必须仔细选择，常会出现非特征的键合点等缺点，但是由于非共价作 用的多样性，在印迹过程中可同时使用多种功能单体，以及客体的结合与释出的 速度都很快等特点，使得此法比共价法更适用【9 l 。 配合 l 聚合 j 图1 3 非共价分子印迹法 ( 3 ) 共价印迹与非共价印迹杂化法 歹。 。 s - ( 一) 口一苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 w h i t e c o m b 等1 1o j 在研究某些含羟基的化合物( 如胆甾醇) 的m i p s 时，综合了 共价和非共价分子技术的优点创建了杂化分子印迹技术：聚合前，单体与印迹分 子间作用力是共价键，聚合完成后，使共价键断裂，释放出印迹分子，而在对印 迹分子的识别过程中，依靠的是非共价键作用。他们采用4 一乙烯基苯基碳酸酯 作为单体，通过共价作用形成单体一模板分子复合物，交联聚合后，水解打开共 价键，解离出印迹分子，同时失去一分子的c 0 ：，当进行识别时，模板分子与孔 穴上的酚基不是以共价键结合，而是以非共价键结合。近年来，p i l e t s k y 掣“j 也成功地应用了此法，他们首先以硅酸为模板与乙烯基苯基硼酸发生酯化反应， 形成第一个分子复合物，然后该复合物与另一功能单体丙烯基胺自发形成第二个 分子复合物，加交联剂甲基丙烯酸亚乙基酯共聚形成硅酸m i p ，最后抽提出硅酸。 当硅酸分子进入m i p 时，两种单体都能以非共价作用与之结合。 聚合 脱去底物 i = = ! 结合底物 图1 4 杂化分子印迹法 1 3 印迹聚合物的制备 1 3 1 印迹聚合物的制备方法 目前采用的印迹聚合物合成技术有本体聚合、原位聚合、悬浮聚合、多步溶 胀以及成膜等，制成的印迹聚合物的形状有块状、小球、棒状、膜等。 ( 1 ) 本体聚合( b u l kp o l y m e r i z a t i o n ) 这种方法是目前最常用的m i p 制备技术，这种聚合方法的一般操作过程为： 先在溶剂( 如氯仿、四氯化碳) 中使印迹分子与功能单体相互作用，形成复合物， 4 工程硕士论文 然后加入交联剂( 如印m a ) 、引发剂，在加热或光照的条件下，发生共聚反应， 得到块状聚合物。经粉碎、碾磨、筛分，获得适当大小的粒子，再经过浸提、索 氏抽提，除去模板分子，就得到了适应研究需要的m i p 聚合物。 该方法实验装置简单，实验条件也很容易控制，合成出的m i p 对模板分子有 很好的选择性和识别特性。但这种方法由于网络的高度交联，使模板不能完全除 去，同时，印迹位点被包埋，降低了其利用率，表现出低吸附量与慢的动力学特 性，另外，研磨过程中不可避免会产生一些不规则粒子和大量的过细粒子，这些 过细粒子需通过沉降除去。通常，经过处理可使用的粒子仅占研磨后聚合物的约 5 0 9 6 产量较低。因此，还需要进一步的深入研究这些问题，以完善这种方法。 ( 2 ) 原位聚合法旧( i n - s i t up o l y m e r i z a t i o n ) 这种方法是直接在色谱柱中进行聚合反应，然后仍然在色谱柱中，用适当的 溶剂洗涤除去模板分子。最终得到连续棒状m i p 。该方法大大简化了色谱固定相 的合成，具有很强的实用性。m a t s u i 等【i 川人首先采用这种方法在液相色谱柱中 直接制得了连续棒状m i p 分离介质，使用前只需进行洗涤，手性分离的选择性可 达1 7 ，对位置异构体也有较好的分离效果，他们还采用三氯甲基丙烯酸代替姒a 作为功能单体，制备烟碱分子的连续棒壮型模板聚合物柱，分离性能良好，容量 因子达2 8 。4 ，o t 达2 。4 。但是，为了获得良好的流动性质，提高挂效率和分辨率， 制备时必须对聚合条件进行仔细的优化，在h p l c 中的m i p 使用寿命也不够长， 对于这些存在的问题有必要作进一步的研究。 ( 3 ) 乳液聚合( e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ) 将模板分子、功能单体、交联剂溶于有机溶剂中，然后将溶液移入水中，搅 拌，乳化；最后加入引发剂聚合，可以制备出粒径较均一的球形分子印迹介质。 这种方法的最成功之处在于它可以印迹水溶性的分子。 u e z u 等首次报道了水一油一水乳液体系制备微球的方法【1 4 i 。聚合体系由带有 功能基的单体、乳化剂、共聚单体等组成。功能单体是两性物质，与模板分子在 乳浊液的界面上形成配合物，并且在反应过程中保持稳定。聚合反应完成后，配 位作用固定下来。他们以带有两个长链烷基为疏水端的二烯基磷酸为主体，以二 乙烯苯为交联剂制得了z n 2 + 印迹微球，粒子的粒度可控制在t o - l o o u m 。 ( 4 ) 悬浮聚合( s u s p e n s i o np o l y m e r i z a t i o n ) 悬浮聚合法是制备聚合物微球最简便最常用的方法之一。通常使用的单体是 疏水性的，所以连续相常用水或高极性的有机溶剂。但对于分子印迹聚合物的合 成，这些溶剂是不适宜的，因为高极性溶剂会极大地降低功能单体与印迹分子之 间相互作用的数量和强度，另一方面，酸性单体在水中的溶解度过高，使单体与 交联剂间的无规共聚很难进行，并且水溶性印迹分子会在水相中损失 m o s b a c h 等【i6 1 对将悬浮聚合应用于分子印迹技术进行了系统的研究，为了克 服水或高极性有机溶剂的干扰问题，提出以全氟烃为分散相的悬浮聚合法。即在 p ( - ) 一q - 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 液态全氟烃中形成非共价印迹混合物乳液，采用氟化的表面活性剂或含氟的表面 活性聚合物作为分散剂。得到稳定的含有功能单体、模板分子、交联剂、致孔剂 的乳液液浦可以直接制得聚合物微球，而且颗粒直径分布相当窄。氍a y e s 等在 全氟烃液体中通过悬浮聚合制得分子印迹小球，改变聚合分散剂或乳液形成期间 的实验条件时粒径尺寸可以控制在5 - 5 0 u m ，而且产率几乎达到1 0 0 。 这种方法可以直接制得聚合物微球，还可以控制微孔的大小和粒径分布，省 去了研磨的步骤，其选择性和分离度类似于经研磨、筛分处理得到的不规则粒子 聚合物，而且有柱压降低和快速扩散的优点。但这种方法最后产物仍为高交联凝 胶。聚合物的交联密度和结构是很难控制的，致使印迹分子的洗脱率不高，也不 利于印迹分子的重新结合，另外，全氟烃价格昂贵、易燃，对于这种制各技术 的应用也是不利的。 ( 5 ) 两步或多步溶胀聚合法i ”1 ( m u l t i s t e ps w e l l i n gp o l y m e r i z a t i o n ) 1 9 9 4 年，h o s o y ak 等提出了两步溶胀聚合法制备分子印迹聚合物。第一步先 在水中进行乳液聚合，制备聚苯乙烯单分散纳米颗粒，粒径为5 0 5 0 0 n m 以此作 为种子粒子，把该种子制成的分散体系与活化剂、引发剂、表面活性剂制备的微 乳液混合，在一定的搅拌速度下进行第一步溶胀。第二步，将溶胀后的分散体系 加入到交联剂、功能单体、致孔剂和稳定剂组成的混合物溶液中，在恒定搅拌速 度下完成第二步膨胀。然后加入模扳分子在氩气的保护和恒速搅拌下引发游离基 聚合反应，生成球形印迹聚合物母体，以上过程产生的粒子由被印迹的连续相和 线型聚合物组成，除去模板分子和线型聚合物，得到分子印迹聚合物。他们以萘 二胺位置异构体作为模板分子合成了具有均匀尺寸分布的球形印迹聚合物，用作 h p l c 填料分离位置异构体，其选择因子为1 4 或1 5 。h a g i n a k a 等 i s - 1 9 1 采用多步溶 胀聚合法利用s 一萘普生作为模板分子，4 一乙烯基吡啶为功能单体，e d 姒为交联 剂合成了聚合物，高选择性地分离了s 一萘普生的相关对映体。 ( 6 ) 表面印迹( 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 ) 表面印迹有两种制备方法，可分别识别金属离子和其它化合物用于识 别金属离子的印迹聚合物是以中孔的硅胶树脂为基质，将金属离子与功能单体形 成配合物，然后将此配合物用缩合聚合引入到硅胶表面，除去模板金属离子后， 在硅胶和聚合物表面留下可重新结合该金属离子的位点。p l u n k e t t 等【2 0 l 将硅胶用 3 一( 三甲硅氧基) 丙基甲基丙酸酯活化，使其表面含有可聚合的乙烯，再将其与金 属鳌合单体n 一( 4 一乙烯基苯甲基) 一亚氨基二乙酸酮( i i ) 模板分子咪哇共聚，制 得半径为i oum 的球形分离介质。而用于识别有机化合物的印迹聚合物是将模板 分子与金属离子形成配合物，再使该金属离子与另一可聚合的功能单体形成配合 物，然后将此配合物接枝共聚到其它球形聚合物( 如苯乙烯树脂) 的表面，去除 模板分子后，在球形聚合物表面留下结合位点。y o s h i d am 等【2 i 2 3 l 用此方法识 别组氨酸衍生物。 6 工程硕士论文 表面印迹有以下优点：( 1 ) 由于该法主客体之间的相互作用是模板分子与 金属离子的配位键，故可以在水中聚合和识别：( 2 ) 由于载体具有很高的孔度和 表面积，结合位点位于分子印迹聚合物的表面，一方面使模板分子易于洗脱，可 提高结合容量，另一方面再结合时模板分子无需进入其刚性结构，大大加快结合 动力学过程。但表面印迹对模扳分子与金属离子之间的配位常数要求较为严格， 因为配位常数太大会导致模扳分子不易洗脱，太小会出现非特异性结合，影响分 子印迹聚合物选择的专一性。 ( 7 ) 牺牲硅胶骨架法( s a c r i f i c i a ls i l i c a ) y ii m a z 等【驯将模板分子茶碱固定到一种硅胶基质上，然后使其与功能单体三 氟甲基丙烯酸自组装形成复合物，最后加入交联剂二乙烯基苯交联聚合。聚合完 成后，用氢氟酸除去硅胶基质，从而得到所需的m l p s 。使用这种方法不仅可以控 制孔穴的定位，而且可以控制所得聚合物的表面形状( 如图1 - 7 ) 。这种方法制得 的m i p s 颗粒均一规整，可以根据实际需要很方便地设计颗粒尺寸大小，作为高效 液相色谱填料，压降小，传质效率高，其动力学性能大大优越于用传统方法制备 的m i p s 。 图1 5 牺牲硅胶骨架法制备分子印迹聚合物过程 ( 8 ) 分子印迹聚合物膜的制备( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm e m b r a n e ) 制各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。m i p s 膜的合成有以下几种方法：( i ) 在材料表面直接将单体共聚成 薄膜。p i l e t s k y 等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 肝) 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。s h e a 等l z ，1 以9 一乙基腺嘌呤为模板分子，以m a a 为功能单体，e d m a 为交联剂，将反应混合物 的二甲基甲酰胺溶液涂在硅烷化的玻璃切片上，制缛聚合物膜，用甲醇洗去摸扳 分子，在一个h 型双层液池中进行传输实验，结果表明腺嘌呤的流通量明显大于 胞嘧啶和胸腺嘧啶，说明此聚合物膜能识别模板分子。( 2 ) 相转移法。如王等将 丙烯睛和丙烯酸的共聚物溶解在含有模板分子茶碱的二甲亚飒溶剂中，经相转移 获得m i p s 膜1 2 6 1 。在超滤条件下，可以观察到模板分子茶碱同结构非常相似的咖啡 因在吸附选择性上的差异。r a m a m o o r t h y 等利用纤维素双乙酸酯作为负载聚合物， 磺化聚砜作为功能单体，通过相转移法合成了对若丹明b 有特异识别能力的m i p s 薄膜【2 7 l 。( 3 ) 先将单体共聚后再成膜。如y o s h i k a w a 等使用b o c - l t r p 或a c l - t r p 为模板分子，将含有四肽衍生物为结合基团的聚合物溶于四氢呋喃中，把该混合 s - ( ) 一p 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 液倒入圆底的培养皿中，溶剂挥发后获得m i p s 勰i 。几种主要制各方法的产物特性 及其优缺点列于表1 1 中。 表1 1 各种分子印迹聚合方法的比较 l3 2 分子印迹聚合物制备条件的选择 ( i ) 印迹分子的选择 印迹分子应能参加聚合反应，又易于在反应后除去。制备非共价型印迹聚合 物几乎对模板分子没有限制，碳水化合物、氨基酸及其衍生物、蛋白质、核酸、 药物、染料乃至金属离子均可被用于制备m i p 。一般地，分子中含有强极性基团 的化合物，能与功能单体间形成氢键的印迹分子往往能制备高选择性的m i p s 。 ( 2 ) 功能单体的选择 8 工程硕士论文 单体的选择主要由印迹分子决定，它必须能与印迹分子成键，并且结合力要适中， 因为结合力过大则印迹分子难以洗脱，而过小则孔穴对印迹分子的选择性不高。 另外，功能单体与交联剂必须具有很好的共聚性能。在共价法中常用的功能单体 有含乙稀基的硼酸或二醇以及含硼酸酯的硅烷混合物等1 2 9 1 。在非共价法中常用的 功能单体有羧酸类，如甲基丙烯酸( m 从) 、三氟甲基丙烯酸( t f m a ) 、乙烯基 苯甲酸等；杂环弱碱类，如4 一乙烯基吡啶、2 一乙烯基毗啶、乙烯基咪唑等；磺 酸类，如二丙烯酰胺一2 一甲基一l 一丙磺酸。也可采用复合功能单体。 表1 2 常用的共价墅单体 4 - 乙烯苯硼酸4 - 乙烯苯甲醛4 - 乙烯苯胺4 - 乙烯苯酚 表1 3 常用的非共价型单体 ( 1 ) 酸类 办 丙烯酸 f? f 3 c 一k 。 甲差丙烯酸 三氟甲基丙烯睦 认0 。一 0 n 一丙烯酰基丙氰酸 ( 2 )碱类 1 9 公 吖”p 颧a 一 。飞l g 。 2 一丙蟠最睦一2 - 甲基一卜丙碳酸 4 一苯乙弼基一亚氰二己馥 夕、c o n h2 昭庐_ ： 2 一乙烯基毗啶 4 一乙烯基毗啶 丙烯酰胺 卜乙烯基眯哇 4 ( 5 ) 一乙烯基昧哇 ( 3 )中性 i 入删3 甲基丙烯艘甲醅 4 一乙基荤乙烯 9 多厂一c n i 1 2 c 少 丙体睛 节洲 呲 ，i u 严9 舀矾革 s 一( 一) 一r 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 ( 3 ) 交联剂的选择 交联剂的结构对制各分子印迹聚合物起着非常重要的作用，因为模板孔穴的 识别性能是由模板分子和聚合物链的固定排列共同决定的。所选择的交联剂的反 应能力应和功能单体相类似，这样二者的无规共聚反应才能成功实现。实际中应 用最多的是含2 个以上烯键的烯类交联剂，如二乙烯基苯( d v b ) ，二甲基丙烯酸乙 二醇酯( e d m a ) 和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯( t r i m ) 、n ，n 一亚甲基二丙烯酰胺 ( n ，n - m b a ) 。n ，n 一l ，4 一亚苯基二丙烯酰胺( p b a ) 、季戊四醇三丙烯酸酯( p e t r a ) 等。这些交联剂形成的聚合物一般具有大孔型网络结构，交联剂用量高，稳定性 好，且网络内部传质过程较为容易。 当然，应该指出的是，也可以不用交联剂，而将固体材料( 如硅胶) 表面直接 作为聚合物母体材料进行分子印迹，无机载体如金、二氧化锡、二氧化锆等以及 蛋白质和糖等生物高分子也可以作为聚合物母体材料。 一 一凡 t ，4 - = z 烯基苯 姒n o n 肜姒n a n h v n 淞 0 6 显彦r 批小凡 h o l、o 、 ! o 3 , 5 - n 烯酰胺基苯甲酸 ( 4 ) 溶剂的选择 溶剂在分子印迹制备中发挥着重要作用，它不仅仅是作为溶剂，还是制备过 程中的致孔剂。溶剂还能分散聚合反应中释放的能量，避免副反应的发生。须依 据印迹分子与功能单体间可能作用力类型选择适宜极性的溶剂。非共价型分子印 1 0 工程硕士论文 迹聚合物中，由于溶液的极性影响非共价作用的强弱，故非共价法应尽可能采用 介电常数低的溶剂，如甲苯、氯仿、二氯甲烷等中进行。而共价法则可以在极性 较强的水、醇等溶液中进行。另外，应该注意聚合物的形态受溶剂的影响，溶剂 使聚合物溶胀，从而导致结合部位三维结构的变化，引起弱的结合。为避免溶胀 发生，吸附中所用的溶剂最好与聚合反应溶剂一致。 ( 5 ) 反应条件 m i p s 制备过程中的聚合反应是通过自由基引发的，聚合反应常用的引发剂 为偶氮二异丁腈( a i b n ) 或偶氮二异庚腈( a b v n ) ，常用的引发方式有光照、加热、 加压、电合成等。为消除空气( 氧气) 对反应的影响，聚合反应引发前需对反应液 进行超声处理并向反应容器中充氮气。 1 3 3 分子印迹聚合物的表征 m i p s 的性能表征到目前还没有一个统一的理论描述，在实际操作中通常根 据不同的应用领域采用不同的表征方法。例如在色谱固定相、手性分离和固相萃 取应用中，若需要对m i p s 的识别性能进行表征，一般用分离度r 、保留时间t 。、 分离因子q 、静态分配系数i ( d 、离解常数k d 、富集系数等，采用的仪器有高效液 相色谱( h p l c ) 、毛细电泳色谱( c e c ) p 叩i 、核磁共振波谱( n m r ) 、傅立叶变换红外 光谱( ( f t i r ) 1 3 2 l 和紫外光谱( u v ) 等，m o s b a e h 等人还提出电势测定法i ”i ，它主要 是利用流动电位原理，根据所测定的流动电位的大小，来确定m i p s 对印迹分子 是否具有选择性以及选择性的大小，与色谱法相比电势测定法具有更宽的适用 范围，它能测定某些色谱法所无法测定的物质；而表征 i p s 的结构，通常采用 传统的对聚合物的表征方法，如质谱、元素分析、热重、比表面积、孔容、孔径 及其分布进行表征。而在化学传感器的应用中，则用电流、电容、电导、电压以 及各种光学参数和质量参数如光强度和质量等来表征。在催化应用领域则以催化 效率、反应速度等参数来描述m i p s 的催化活性。 1 4 分子印迹技术的应用 目前分子印迹聚合物以其优良的性能已经在生物、化学、环境、医学等领域 得到广泛的应用。 1 4 1 色谱分析和色谱分离【3 印5 l m l p s 最广泛的研究领域之一是利用它的特异识别性去分离结构相近的化合 物、外消旋体或混合物。w u l f fg 首先把分子印迹聚合物作为h p l c 的固定相拆 分模板旷d 一甘露吡喃糖苷的外消旋体。s h e akj 等使用9 一乙基腺嘌呤为模 板制得的印迹聚合物用于h p l c 固定相，对模板分子选择性极高，类似于经过多步 制得的低分子量的受体的选择性。有关研究还分别报道了氨基酸及其衍生物、肽 及有机酸等分子印迹聚合物分离模板分子与其类似物。除用于高效液相色谱 ( h p l c ) 外，m i p s 还可用于薄层液相色谱( t l c ) 、毛细管电泳( c e ) 中。m i p 在 薄层色谱中的应用以k r i z 等人为代表。他们用l 一苯丙氨基酰替苯胺为模板分子， s 一( - ) 一口- 苯乙胺分子印迹聚合物的制备及其性能研究 m a a 为功能单体，e d 眦为交联剂制备的m i p 作为薄层色谱手性固定相，成功地分离 y d l - p a 对映体l 拍i 。将m i p 应用于毛细管电色谱是新发展起来的技术l i n 等人 最早将分子印迹技术与毛细管电泳结合起来，将合成的m i p 研磨过筛后，把小于 1 0 “m 的粒子填充到毛细管中，用于分离d ，l 一苯丙氨酸m 弼i 。 1 4 2 抗体模拟 天然抗体的取得需要经过繁杂的手续，用m i p 材料作为抗体模拟物，不仅制 备过程简单，而且廉价、耐用、稳定。1 9 9 3 年，v l a t a k i s 等首次在这一领域作 了报道，他们用支气管扩张药品茶碱和安神药安定制得的印迹显示出惊人的专一 识别性，通过竞争性放射免疫测定发现，m i p s 的相关识别结构是不存在的或远 低于印迹分子，但印迹聚合物与这些药物的单克隆抗体的交叉反应几乎是相同 的。 1 4 3 酶模拟l j 引 分子印迹技术的出现为人们提供了一种有效的模拟酶催化行为来设计新型 催化材料的途径。通过选用适当的模板和功能单体在孔穴内可以定制出与底物结 合的结合位点和起催化作用的活性基团，这些基团以最佳取向在空间进行确定排 列。用这种技术制备的模拟酶催化剂具有抗恶劣环境的能力，表现出高稳定和长 寿命等优点，同时，还具有制备简单，形状多样化的特点。迄今，制备方法主要 有以下几种：印迹过渡态类似物( t r a n s l a t es t a t ea n a l o g u e ，t s a ) ，印迹底物 或其类似物，运用顶组织法制备m i p s 催化剂。 1 4 4 传感器 近几十年来，生物传感器以其突出的灵敏度和特异性引起了广泛的关注，使 传感器技术的研究不断升温，但生物传感器以酶、受体、抗体等生物物质作为敏 感材料，这些物质通常稳定性差不易长期保存，还面临恶劣化学环境耐受性等 问题，限制了生物传感器的应用发展。分子印迹聚合物用作传感器的敏感材料是 分子印迹技术的一个重要的研究方向。与生物敏感材料相比，分子印迹聚合物具 有专一性强，耐高温、高压、酸碱和有机溶剂不易被生物降解破坏，可反复使 用，易于保存等优点。分子印迹聚合物传感器主要分为电化学型传感器【小l 、光 学和质量型传感器【4 3 , 4 4 l 。目前用m i p s 传感器测定的对象有氨基酸衍生物、药物、 维生素、除草剂等。 l4 5 固相萃取剂 与传统的分离材料c 。g 、离子交换树脂相比，m i p 具有更好的选择性。可 克服生物或环境样品体系复杂、预处理手续繁杂等不利因素，为样品的采集、富 集和分析提供了极大的方便，可用于医药、食品和环境分析样品的制备，对于痕量 分析有重要作用。印迹聚合物既可以在有机溶剂中使用，优化条件下又可在水溶 液中使用具有独特的优点。s e l l e r g r e nb 首次报道了将m i p s 用于戊脒的固相萃 取。取得了很好的效果。最近。z a n d e r 4 5 l 等以尼古丁为模板制备m i p ，在分析口香 2 工程硕士论文 糖中尼古丁及其氧化物时得到了相当高的回收率和良好的重现性，制得的n i p 在 选择性上优于c 。柱和未经印迹的同种聚合物，而且没有可检出的模板残留。 1 5 论文的选题依据和研究思路 a 一苯乙胺是一种重要的医药中间体原料，而且其s 一构型对映体被广泛地用 来代替光学活性