（应用化学专业论文）莱克多巴胺分子印迹聚合物的合成研究.pdf

安徽理_ 亡大学硕十论文 综述 摘要 本文利用分子印迹技术，以莱克多巴胺为模板分子，合成了一系列印迹聚合 物，探索了一种简单的分离莱克多巴胺的方法。具体而言，本论文所做工作包括 以下四个方面： 一、综述了分子印迹聚合物的基本理论、制备技术及应用。着重强调了分 子印迹技术的现存问题及其发展趋势。 二、利用分子印迹技术，以莱克多巴胺为模板分子，合成了一系列印迹聚合 物，并对莱克多巴胺分子印迹的原理进行了讨论。 三、通过分批式客体键合实验研究莱克多巴胺分子印迹聚合物的最佳合成条 件；通过选择不同洗脱方法，研究了该聚合物的最佳洗脱条件；通过红外光谱法 和扫描电镜( s e m ) ，对印迹聚合物进行了表征；扫描电镜( s e m ) 显示所合成r a c 聚合物表面存在孔状结构。 四、研究结果表明，以m m a 为功能单体，莱克多巴胺与m m a 及e g d m a 的配比 为1 ：4 - 2 0 时，制备的分子印迹聚合物的结合特性最好，印迹聚合物具有较高的 吸附效率，对模板分子莱克多巴胺有较高的选择性和识别能力，可作为一种简单 的分离分析莱克多巴胺的方法。 图2 0表1 1参考文献3 9 关键词：分子印迹；莱克多巴胺；吸附；选择性 分类号：t q 3 1 4 安徽理一i ：人学硕t 论文综述 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , as e r i e so fi m p r i n t e dp o l y m e r w a ss y n t h e s i s e dw i t hr a ca st e m p l a t e m o l e c u l ew e r ep r e p a r e db ym o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u eu s i n gq m e t h a c r y l i ca c i d a n d4 - v p ya saf u n c t i o n a lm o n o m e r ，e x p l o r eas i m p l es e g r e g a t i o na n a l y s i sm e t h o do f r a c t h em a j o r t o p i c si nt h et h e s i si n c l u d e ： 1 t h ep r o g r e s so fb a s i ct h e o r y , s y 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 ri m p r i n t i n g p o l y m e r sw e r er e v i e w e d t h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f m o l e c u l a r i m p r i n t i n gw e r ee m p h a s i z e d 2 as e r i e so fi m p r i n t e dp o l y m e rw a ss y n t h e s i s e d 、析n lr a ca st e m p l a t em o l e c u l e w e r ep r e p a r e db ym o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u eu s i n g0 【一m e t h a c r y l i c a c i da n d4 - v p y a saf u n c t i o n a lm o n o m e ra n de g d m aa n dr e f o r m a t i v es i l i c ag e la sc r o s s l i n k e r ，t h e p r i n c i p l eo fr a c t o p a m i n em o l e c u l a ri m p r i n t i n gw e r ed i s c u s s e d 3 t h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o re l u t i o n e f f i c i e n c y , s u c h a sr a wm a t e r i a l r a t i o s ，f o r e r e a c t i o nt i m ea n ds o l v e n te t ca r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei m p r i n t e dp o l y m e r s h a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e ds p e c t n t ma n ds e m ； 4 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep o l y m e rh a st h eh i g h e s te l u t i o ne f f i c i e n c yw h e nr a w m a t e r i a lm o l e r a t i o s ( n ( r a c ) ：n ( m m a ) ：n ( e g d m a ) ) w a s1 ：4 ：8 0 ；t h ea d s o r p t i o n e f f i c i e n c y a n ds e l e c t i v i t yw e r e i n v e s t i g a t e d ，t h ei m p r i n t e dp o l y m e r h a d h i g h e r a d s o r p t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g h e rs e l e c t i v i t yc o m p a r e dt ot h eb l a n kp o l y m e rw h i c hh a d t h es a m ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，i tc a nb eu s e da sas i m p l es e g r e g a t i o na n a l y s i sm e t h o d o f r a c t o p a m i n e f i g u r e l8 t a b l e 9 r e f e r e n c e 3 9 k e yw o r d s ：m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ；r a c t o p a m i n e ；a d s o r p t i o n ；s e l e c t i v i t y c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t q 31 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，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 为获得塞邀堡王太堂或其他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。 学位论文作者签名：墨擘 磊 日期：迎d 工年月盥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理王太堂一有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀理王太堂学校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本人授权塞邀堡王太堂可以 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、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：系p 磊签字日期：触d 1 年6 月i 驷 锄戳：钟序 y0 o il 几，l ， 签字日期：抄7 年石月扩日 安徽理j ：人学硕十论文综述 1 综述 1 1 分子印迹聚合物 分子印迹技术是近年来得到广泛关注的一种新兴技术，通常可以被描述为识 别“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 ri m p r i n t i n gp o l y m e r s 简记m i p s ) 带有许多固定形状和大小的孔穴，孔穴内通常带有确定排列的基团， 它对印迹分子的立体结构具有记忆功能。分子印迹聚合物的形式目前有四种，即 体状聚合物、球状聚合物、原位聚合物和膜状聚合物。 分子印迹思想的起源可以追溯到f i s c h e r 的“锁和钥匙 、p u a l i n g 的“抗原 一抗体”以及d i c k e y 的“专一性吸附 的概念。然而现代分子印迹技术的建归功 于w u l f f 和m o s b a c h ，他们开创性的工作使得分子印迹技术得到突飞猛进的发展。 1 9 7 3 年，分子印迹技术的先驱德国的w t a f l 】等人已合成出了对糖类和氨基酸衍 生物有识别作用的聚合物。2 0 0 0 年，首次召开了国际性的关于分子印迹技术的专 题讨论会，并成立了分子印迹技术协会( s m i ) 。近来，分子印迹聚合物在固相萃取、 模拟酶催化、化学仿生传感器等领域展现了广阔的应用前景。 本章将对分子印迹技术原理、分子印迹材料、分子印迹聚合物的制备方应用 的研究进展进行综述。 1 1 1 分子印迹聚合物的原理 分子印迹，又称分子烙印( 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 子印迹技术是指制备对某一特定的目标分子( 模板分子、烙印分子或印迹分子) 具有特异选择性的聚合物的过程。它可以形象的描绘为制造识别“分子钥匙 的 “人工锁的技术1 2 j ，其制各路线见图1 。 安徽理1 ：大学硕f ：论文综述 艺2 ， _ y- 印迹分子 功能单体 lj 一b c l 磊 音竺净。叁睁 _ 蕾l + 印迹分子和功能单体 交联剂 阻! = 、 图1n i p s 的制备路线：( i ) 共价作用过程a - d - e ；( i i ) 非共价作用过程：b - c d e f i g lt h ep r e p a r a t i o nr o u t eo f m i p s i ) t h ep r o c e s so f c o v a l e n tc o m p l e x e sa - d e ：( i i ) t h ep r o c e s s o f n o n - c o v a l e n tc o m p l e x e s ：b - c d - e 按照单体和模板分子结合方式的1 同，分子印迹技术叮分为预红 r - l x 法和自组 装法两种基本方法。( 1 ) 预组装方式( 共价键法) ：在m i p s 的制备过程中，印迹分子 与功能单位在聚合前先形成共价型化合物，聚合后再打开共价键，洗出印迹分子， 得到m i p s 。但由于共价作用一般较强，在印迹分子预组装或识别过程中结合和解 离速度慢，难以达到热力学平衡，不适合于快速识别，并且识别作用机理与生物识别 相差甚远，因此这种方法发展缓慢。( 2 ) 自组装方式( 非共价键法) 。在此方法中印迹 分子与功能单体之间预先自组织排列，以非共价键如氢键作用、静电作用、一 作用、疏水作用、金属一配体作用、电荷转移等超分子作用形成多点相互作用，聚 合后这种作用保存下来。由于自组装方式使用超分子作用制备仿生模型，其分子识 别机理类似于天然生物分子，因此是分子印迹技术的研究热点，发展很快。 1 1 2 共价印迹法与非共价印迹法的优点和缺点 表l 共价印迹法与非共价印迹法的优点与缺点 t a b l e lt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nc o v a l e n ta n dn o n - c o v a l e n ti m p d n t i n g m e t o o d 一般说来，非共价印迹法易于实现。同时，它还町应用于较宽和不i 司的术班品 种。至于对于印迹的严格性，般说来，共价印迹会更好些。有关其他性质见表 2 安徽理 人学硕士论文 综述 1 所示。人们可根据需要或具体的操作情况，来选择采用的方法( 如按目标客体 化合物的种类，对课题选择性的要求，以及其制各的成本、时间或其他原因) 。 1 1 2 1 共价印迹法 优点： ( 1 ) 单体模板所形成的配合物十分稳定，且相互问存在着当量关系。因此分子 印迹过程( 及高聚物内客体键合点的结构等) 是明确而清晰的。 ( 2 ) 由于共价连结的稳定性，因此它可在较宽的据和条件下，如在高温，高或低 的p h ，或高极性溶剂中进行聚合。 缺点： ( 1 ) 单体模板配合物的合成常较困难，同时也不经济。 ( 2 ) 可以采用的可逆共价联结体系数目有限。 ( 3 ) 在某些情况下，会因第三步剧烈的工作条件( 使共价联结断裂) 而使印迹效 果变差。 ( 4 ) 客体的结合和释出速度都较慢，这是因为它们都涉及键的形成和断裂的问题。 1 2 2 2 非共价印迹法 优点： ( 1 ) 不必合成共价的单体一模板配合物。 ( 2 ) 可在温和的条件下将模板从聚合物中除去，这是因为其间为非共价的相互 作用力。 ( 3 ) 客体的键和和释出速度都较慢，这是因为它们都涉及键的形成和断裂问题。 缺点： ( 1 ) 印迹过程的轮廓不够清晰。因为单体一模板加成物易于变化，而无严格的计 量关系。 ( 2 ) 聚合过程的条件必须仔细加以选择，使混合物中非共价的加成物能最大程 度的稳定存在。 ( 3 ) 由于在大量功能单体存在的条件下( 为使平衡有利于加成物生成) 常会出 现非特征的键合点，于是就会降低体系结合底物的能力。 1 1 3 制备过程 m i p 的制备一般包括以下3 个步骤：( 1 ) 在一定溶剂( 也称致孔剂) 中，模板分子 与功能单体( f u n c t i o n a lm o n o m e r ) 依靠官能团之间的共价( c o v a l e n t ) 或非共价 ( n o n 。c o v a l e n o 作用形成主客体配合物。制备共价键型m i p 通常使用的功能单体是 安徽理jj ：人学硕士论文 综述 含有乙烯基的硼酸、醛、胺、酚和二醇以及含有硼酸酯的硅烷化合物等。非共价 型m i p 使用的单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、亚甲基丁二酸、丙 烯酰胺等。最常用的功能单体是甲基丙烯酸，其分子内除具有一个碳碳双键外， 还具有一个羧基，可以以离子键与胺发生作用，也可以以氢键与酰胺、氨基甲酸酯和 羧基化合物发生作用。( 2 ) 加入交联剂( c r o s s 1 i n k e r ) ，通过引发剂引发进行光或热聚 合，使主客体配合物与交联剂通过自由基共聚合在模板分子周围形成高交联的刚 性聚合物。制备m i p 最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) ，主要是 因为其价格便宜，容易纯化，而且制备的分子印迹聚合物性能稳定。( 3 ) 将聚合物中 的印迹分子洗脱或解离出来，这样在聚合物中便留下了与模板分子大小和形状相 匹配的立体孔穴，同时孔穴中包含了精确排列的与模板分子官能团相互补的由功 能单体提供的功能基团。这便赋予该聚合物特异的“记忆”功能，乜嘎类似生物自然 的识别系统。 m i p s 有三大特点：( 1 ) 预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) ，即它可以根据不同的目的制 备不同的m i p s ，以满足各种不同的需要；( 2 ) 识别性( r e c o g n i t i o n ) ，即m i p s 是按照 模板分子定做的，可专一地识别印迹分子；( 3 ) 实用性( p r a c t i c i b i l i t y ) ，即它可以与天 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。 1 1 4 分子印迹聚合物的制备方法 分子印迹聚合物的合成与通常的聚合物合成相比，有其独特之处，单体必须带 有与印迹分子发生作用的功能基，而且必须高度交联，以确保识别位点的稳定性，因 此功能单体和交联剂的选择很重要。分子印迹聚合物制各的方法很多，常用的方法 有封管聚合、扩散聚合、沉淀聚合、溶胀悬浮聚合j 表面模板聚合等方法 1 1 4 1 封管聚合 在分子印迹聚合物研究的初期，分子印迹聚合物的制备多数采用常规的风管 聚合法，即将功能单体在溶液中重新排列在印迹分子周围，交联干燥之后将其研 磨、破碎、筛分得到一定粒径的分子印迹介质，最后洗脱除去模板分子。此方法制 备的m i p 对模板分子具有良好的识别性能，且实验装置和聚合过程简单，合成操作 条件易于控制等优点。但也存在后续工作繁琐、研筛过程中产品损失较多、颗粒 形状不规则、分散性较差，用作色谱固定相时其载流量和柱效率都较差的缺点。 1 1 4 2 分散聚合 4 安徽理一i ：人学硕七论文 综述 分散聚合是指在具有化学惰性的全氟代碳化物分散体系中，以特制的全氟代 高聚物作为分散剂，采用分散聚合法制得球形分子印迹聚合物( s m i p s ) 。该方法的 特点是可得到形状规则的微球，并可通过调节分散剂的用量控制粒径在1 2 5i im 内。整个制备过程都是在非极性体系中进行的，因此产物较适合应用于非极性环境 中。其制备的关键是分散剂和惰性分散体系的选择。m o s b a c h 等1 3 1 人首先采用分 散聚合法制得了s m i p 。 1 1 4 3 沉淀聚合 分散聚合法虽然印迹效果很好，但其分散剂的制备过程非常复杂，且所需的惰 性分散介质非常昂贵，因而难以推广。y e 等【4 l 采用沉淀聚合法，即首先将一定量的 模板分子溶于功能单体和溶剂的混合物中，并在6 0 。c 下超声分散5 m i n ，然后再分别 加入交联剂、引发剂，所得溶液甘n 2 吹扫5 m i n 后，加热或用紫外线引发聚合1 2 h 即得s m i p 。该方法简便、成本低、产率和印迹效果也很好。 1 1 4 4 溶胀悬浮聚合法 随着m i p s 应用领域的不断扩大，解决水性体系中的印迹问题已迫在眉睫。近 年来，发展出了多步溶胀和种子溶胀悬浮聚合法。多步溶胀悬浮聚合主要分为两个 步骤：第一步采用无皂乳液聚合法合成粒径较小的微球；第二步以此微球为种球，将 其用一定的乳液进行多次溶胀，然后再引发聚合得到粒径较大的微球。虽然采用多 步溶胀悬浮聚合所得的s m i p s 具有较好的单分散性和分子识别性能，但这种方法 却存在制备工艺繁琐、周期太长的缺点。近来，成国祥等1 5 j 采用种子溶胀悬浮聚合 法，以聚苯乙烯微球为种子，t r i m 为交联单体，制备了氨基酸分子印迹的s m i p s ， 该微球对其模板分子显示了一定的吸附选择性。这两种方法的共同特点是，聚合反 应在水溶液中进行，所得印迹聚合物可应用于极性环境中，因此能够满足诸如酶模 拟等实际应用环境的要求。 1 1 4 5 溶胶一凝胶技术 分子印迹溶胶一凝胶技术是利用溶胶一凝胶过程，把分子模板引入到无机网络结 构中，形成一种无机或无机一有机杂化的刚性材料。它兼顾了溶胶一凝胶和分子印迹 二者的优点，与有机聚合方法相比，具有很强的优势；( 1 ) 溶胶凝胶过程的操作条件 温和，容易制备高交联度、有较好热稳定性和化学稳定性的多孔主体；( 2 ) 容易制备 具有不同形状的材料( 薄膜、纤维、块状和粉末) ；( 3 ) 有机官能团和无机前驱体( 多 为烷氧基硅烷) 结合，把特定的化学官能团引入到了网络结构之中，可提高选择性 和专一性，并增强材料的稳定性，控制溶胶凝胶过程条件，可得到具有确定孔 径和比表面积的材料1 6 i 。m c l o u g h l i n 等1 7j 以苯基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、氨 5 安徽理：i ：人学硕士论文 综述 丙基三乙氧基硅烷联合作为功能单体，利用溶胶凝胶技术制得了赖诺普利的印迹 聚合物。 1 1 4 6 表面印迹技术 表面印迹技术是一种使识别位点处于颗粒表面的一种印迹技术，它可以克服 本体聚合中模板分子被部分包埋在聚合物内部的弊端。以往的表面印迹技术是在 微球上进行涂层印迹，以此得到较均匀的球形颗粒近几年又出现了一些新的表面 印迹技术。m o s b a c h 等【8 j 提出了牺牲载体的表面印迹法：将印迹目标分子( 茶碱) 固 定在载体( 多孔s i 0 2 颗粒) 上，引入功能单体( 三氟甲基丙烯酸) 和交联剂( - - e , 烯基 苯) ，当聚合反应结束后，将载体溶解，即可得到具有均一孔穴的聚合物由于聚合 物的结合位点大都位于材料表面，可亲近性能好，有利于印迹分子的洗脱和目标 分子的再结合。随后s e l l e r g r e n 等1 9 , 1 0 1 采用类似的方法，合成了腺嘌呤和三氨基吡啶 的印迹聚合物。 1 1 5 分子印迹聚合物原材料 分子印迹实验所需的化学药品包括：模板分子；能与模板相作用( 共价 或非共价) 的功能单体；交联剂；溶剂。 1 1 5 1 模板分子的选择 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、有机胺类、 羧酸类、甾醇类、氨基酸、核酸、蛋白质乃至金属离子均可被用于制备m i p s 。但 是更大分子如细胞、金属晶体作模板分子，虽有报道，但制备仍有一定困难。一般地， 分子中含有强极性基团的化合物易于制备高效能的m i p s 。由于氢键具有方向性和 饱和性，作用力较强，因此能与功能单体间形成氢键的印迹分子往往能制备高选择 性能的m i p s 。 1 1 5 2 功能单体的选择 分子印迹中功能单体应能和印迹分子特异性结合，较为常用的为甲基丙烯酸 和丙烯酰胺。前者的羧基可以以离予键方式与胺发生作用，也可以以氢键方式与 酰胺、羧基发生作用。后者是色谱和电泳中常用的惰性凝胶单体，适于蛋白质的 分离纯化。它的酰胺功能团即使在极性溶剂中也可以形成较强的氢键，酰胺基在 水溶液中不会离子化，以蛋白质为印迹分子时，蛋白质中的肽键可以和酰胺形成 较强的作用力。一些天然的多糖物质如壳聚糖也被用作蛋白质印迹的功能单体， 制成的血红蛋白印迹聚合物具有特异性地识别能力i l 。用多种单体来印迹蛋白质 可能是一种很有前景的方法，聚合物可以增加识别作用力的种类，从而町以提高 6 安徽理， 人学硕士论文 综述 对印迹分子的选择性【1 2 i 。在多数情况下，聚合是易于进行的。某些带有适当功能 团、用于非共价印迹的单体，也已设计和合成得到。而且许多功能单体己成为商 品，可以方便地购得。然而要指出的是：这些商品单体经常都含有阻聚剂或稳定 剂( 例如：氢醌和苯酚等) ，以避免在储存过程中，发生不希望的化学反应。因 此商品的单体化合物在使用前必须重新蒸馏，以除去上述添加物体。典型的功能 单体如图2 。 o 丙烯酸 a c r y l i ca c i d 4 一乙基苯乙烯 4 - e t h y ls t y r e n e 1 一乙烯基咪唑 1 - e t h y l e n ei m i d a z o l e n h 2 o 丙烯酰胺 o h o 甲基丙烯酸 m e t h a c r y l i ca c i d o o h 4 乙烯基苯甲酸 4 - e t h y l e n eb e n z o i ca c i d 4 乙烯基n 比啶 4 - v i n y lp y r i d i n e o 甲基丙烯酸甲酯 m e t h y lm e t h a c r y l a t e o h 乌头二酸 m e t h y l e n eu t a n ed i o i ca c i d 2 乙烯基吡啶 2 - v i n y lp y r i d i n w o 2 , 6 二丙烯酰胺基吡啶二氟甲基丙烯酸 7 安徽理丁人学硕十论文综述 a c r y l a m i n e2 , 6 一b i s a c r y l a m i d ep y r i d i n e t r i f l u o r i n ee t h a c r y l i ca c i d 图2 常用的功能单体 f i 9 2c o m m o nu s e df u n c t i o nm o n o m e r s 1 1 6 交联剂的选择 交联剂的聚合物( 聚合物母体) 的结构对制备分子印迹聚合物起非常重要的 作用。因为模板孔穴的识别性能是由印迹分子和聚合物链的固定排列共同决定的， 因此聚合物结构的优化极为重要。聚合物母体应具备如下性能。 ( 1 ) 有足够的硬度，以便模板出去后孔穴能保持形状而不变形。 ( 2 ) 有较高的柔性，以使它们能与嵌入的底物迅速达到平衡。 ( 3 ) 可制成特定的形态，既有尽町能高的交联度，又有良好的底物町近性。 ( 4 ) 有良好的热稳定性，以便于在对动力学有利的高温条件下使用。 ( 5 ) 有良好的机械稳定性，以便在高压或搅拌环境下使用。 在有机溶剂中进行分子印迹实验，乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 以及二 乙烯基苯为最常用的交联剂。而在水相中常用的典型交联剂则是n ，n 一亚甲基双丙 烯酰胺。这些试剂的基本作用是为了固定客体的键合点，使之牢固地处于希望的 结构之中。它们可使带有印迹的高聚物在溶剂中不能溶解，而有利于其手机应用。 此外，通过应用不同类型的交联剂还可以使我们能很好的控制客体键合点的结构， 以及围绕它们的化学环境。 为实现有效的印迹效果，交联剂的反应能力应和功能单体类似。( 否则或是 功能单体，或是交联剂的聚合将占有优势，而使二者的共聚合反应不能充分完成。) 通过选择适当的交联剂，无规的共聚反应将成功的实现，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的网络之中。 体系中交联剂对功能单体二者之间的摩尔比十分重要。如比例太小，则客体 键合点彼此间将相距太近，以至使它们不能独立工作。在极端的情况下，当体系 中的某一位点和客体相建和后将引起相邻其他位点的功能完全阻抑。然而在极端 大的摩尔比时，体系的印迹效率也将破坏，特别当交联剂表现出具有和功能单体 或和模板间存在非共价键的相互作用时。典型的交联剂如图3 。 8 安徽理j ：人学硕 ：论文 综述 o o o 0 乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a )二乙烯基苯 三羟甲基丙烷三丙烯酸醺 1 婚h 哪l y l o l 弘q ，瓤砖缸i n 蛐簟q 恤地 n n 亚甲基双丙烯酰胺 n , n ；- m e t h y l 蛳d i l c r y l a m i d c r o 拳戊四醇三丙烯酸醋 心曲州瞄t f i a c r y l a m n , n o m - 苯基双丙烯酰胺 n n - l p l l c n y l c d i 叠c r y l 锄酗c 图3 常j j 交联剂 f i 驴c o m m o n u s e dc r o s s l i n k i n ga g e n t 1 1 7 溶剂的选择以及反应试剂用量 溶剂既是溶解用于聚合的所有试剂，也是制备m l p s 的致孔剂，还影响功能 单体和印迹分子间的结合强度、动力学性质和聚合物的形态结构，特别是在非共 价键的结合体系中显得尤为重要。溶剂应能溶解聚合反应中所需的各种试剂，是 不待言。然而在此过程中溶剂还有许多十分重要的作用。其中之一就是为印迹高 聚物提供多空结构，进而可促进分子的键和速度。多空结构的形成对于被键和客 体的释放也是十分重要的。在聚合反应中溶剂分子可进入高聚物内部，而在后处 理时除去。在这些过程中，溶剂分子所占有的原始空间就成为小孔而残留在商聚 9 眠 盱 p 一 安徽理一l ：人学硕士论文 综述 物内。在无溶剂存在的条件下进行高分子聚合，产物将是十分坚硬而密实的，因 此就难于键和和释出课题分子。溶剂的另一个作用是能分散在聚合反应中所释放 的热量，否则反应的局部温度将会很高，而导致某些不希望的副反应得以发生。 此外，在聚合过程中如无溶剂的存在，还会对单体和模板加成物的生成一实现有 效的非共价印迹，产生影响。 溶剂的选择依赖于印迹的种类，在共价印迹法中，许多溶剂都可应用只要它 们能满足可溶解体系中的所有组份。而在非共价的印迹法中，为促进功能单体和 模板间的非共价加成物生成以及增强功能单体和模板问的非共价加成物生成以及 增强印迹的效率，对于溶剂的选择是十分严格的。氯仿是一种最为广泛应用的溶 剂，因为它既满足能溶解多数单体和模板的同时，也不会压制氢键的生成。然而， 商品氯仿通常用乙醇加以稳定，以避免在储藏中生成有毒的光7e 。但乙醇对许多 分子印迹( 特别是对非共价印迹) 是不利的，因为他会阻抑单体与模板间形成氢 键。为得到较好的结果，商品氯仿在使用前必须重新蒸馏，以除去乙醇。 印迹分子与功能单体的比值对分子印迹过程中识别孔穴的产生具有很大影 响，对其比例的适当选择应该依据印迹分子所含有的官能团和制备过程中所用溶 剂的性质，一般而言增大功能单体的比例可以充分地预组装印迹分子，但功能单 体所占的比例并非越大越好，凶为( i ) 功能单体过量太多可增加由未参与组装的功 能单体所产生的非选择性结合位点；( i i ) 过大浓度的功能单体有可能引起自身的聚 合而减少选择性结合位点数，所以印迹分子和功能单体的比例一般是1 ：4 。即使 使用混合功能单体，印迹分子与功能单体的总量也保持在l ：4 的比值左右。 功能单体和交联剂的比例对m i p s 的性能也有很大的影响，当交联剂的用量 较低时，m i p s 会因没有足够的交联度而无法保持稳定的孔穴构型，导致m i p s 识 别能力降低，但是过高浓度的交联剂会破坏印迹效果使单体质量m i p s 内含有的功 能单体数目数低而减少m i p s 识别位点，尤其是对于非共价键结合作用，适量的 交联剂即可以减少m i p s 在不同溶剂中的溶胀问题，提高选择性，尤其是可以增 强对结构类似物的区分能力，又能增大聚合链的空隙使待测物较快地通过扩散作 用进入识别位点。 引发剂用量在一定程度上也影响着m i p s 的识别功能。分布均匀的引发剂可 以聚合反应平稳进行，使功能单体与印迹分子的复合物和交联剂在一定时间内充 分聚合形成识别性好的m i p s ；大量的引发剂虽然可能使聚合反应在短时间内完 成，但表面太快的聚合可能使m i p s 内部不能发生有效聚合甚至使功能单体或交 联剂本身发生聚合减弱m i p s 对底物的识别性能；少量引发剂使聚合时问延长， l o 安徽理丁人学硕士论文 综述 不利于印迹分子的固定而降低m i p s 的识别性能。一般交联剂与引发剂的比例在 1 0 ：1 左右，但是具体用量应根据实际情况而定。 1 1 8 分子印迹聚合物的应用 1 1 8 1 对映体及异构体的分离 m i p 最广泛的研究领域之一是利用它的特意识别性去分离混合物。近年来， 引人注目的立体、特殊识别位选择性分离已被完成。其使用的印迹分子范围宽广， 无论是小分子( 0 n 氨基酸、药品和碳氢化合物) ，还是大分子( 如蛋白质) 已被 用在各种印迹技术中，并且将制备的介质在h p l c ，t l c 和c e 分离中。 另外，分子印迹技术已广泛地用于药品的手性拆分中，这是相当重要的一面。 目前，大约有5 0 0 多种旋光性药品出现在市场上，而9 0 被作为外消旋混合物管 理，而手性混合物中，其中一种旋光性药品，往往具有毒副作用，正是基于这一 事实，1 9 9 2 年美国和欧洲一些国家食品和药物管理局对新的药品提出了要求，对 映体必须被拆分和分别管理，并进行各自的毒理和药理实验，这强调了分离技术 的提高。大量研究表明，分子印迹能满足这一技术要求，能将手性混合物拆分， 并易于实现商业化、规模化。 1 1 8 2 生物传感器 特殊识别现象在传感器技术中扮演一个重要的角色。化学或生物传感器，都 是由识别元件和与其紧密接触的转换器组成，它将对分析物产生的应答信号转变 成输出信号。关于环境监测、生物医疗、食品分析等的传感器都是将生物分子( 如 酶、抗体) 作为其特异识别元件。由于生物分子物理化学稳定性差，因此生物传 感器的实用化和商品化收到了很大的限制，这导致聊人造受体得到了广泛的重视。 分子印迹系统的有利之处在于其识别是“特制的”，并且同时引入了固相聚合支 撑物。正是考虑到m i p 有非常高的特异性及物理化学稳定性，科学家们在这一方 面作了大量尝试。 1 9 9 1 年m o s b a c h i b i 等人首次将分子印迹与传感器技术结合起来，利用m i p 作为识别元件，制备出生物传感器并申请了专利，后来陆续有人报道了关于氨基 联苯、吗啡等的m i p 传感器研究。目前利用分子印迹聚合物生产的传感器已用于 实际测定中，并且可望用于光学传感器。一种用于检测丹酰l 苯基丙氨酸的荧光 光学传感器已经得到报道h j 。在这一传感器中，印迹高聚物借助于尼龙网而处于 纤维一光学器件的边缘。虽说体系的工作已相当不错，但仍存在着某些内在的问题 需要加以讨论。如它的稳态响应所需时问约为4 h ，似乎就太长啦，并且体系只能 安徽理。r ：火学硕1 ：论文 综述 对有荧光发射的分析物种方面应用。， 1 1 8 3 分子印迹膜 核苷基( n u c l e o t i d e ) 的印迹高聚物膜已经有所报道。它是以甲基丙烯酸为功 能单体，以腺嘌呤衍生物为模板值得i l 弱。而“自由 的上述薄膜是通过将含有甲 基丙烯酸和乙二醇双( 甲基丙烯酸酯) 的d m f 溶液倾倒在经硅烷化处理的玻片 上聚合而成，聚合是在温度为6 5 - - - 7 0 0 c 、氮气氛围下进行。一系列用于氨基酸及 多肽衍生物的对映选择印迹高聚物膜是通过用齐聚多肽为功能单体而制得的 1 6 - 1 9 】。将联结于聚苯乙烯树脂( 即通常用于固相堕胎合成的丙烯腈和苯乙烯共聚 物) 的多肽衍生物为功能单体，和模板分子一起组成四氢呋哺溶液，浇注于一水 平放置的实验小蝶上，静止2 4 h ，以除去溶剂。 1 1 8 4 抗体和受体模拟物 印迹聚合物被研究的另一应用领域是它作为抗体和受体模拟物的适用性。研 究发现，m i p 具有类似于抗体或受体的高度特意识别性，因此可被用来代替抗体 而用于免疫测定中。v i a t a k i s 2 0 i 等人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转移识别性，通过竞争放射免疫 测定发现，m i p 的相关识别结构不存在的或远低于印迹分子，但它们的交叉反应 i j 单克隆抗体一致。由于分子印迹聚合物物理化学性质稳定，保证了识别性质的 高度稳定性。m o s b a c h 等人用印迹聚合物代替抗体在放射免疫测定中检测药物中 的咖啡、茶碱等。但制得注意的是某些天然抗体的印迹聚合物是难以获得的。， 如免疫抑制药品和小分子非免疫性物质。对于小分子化合物，通常需连接一个载 体分子，但这样可能会导致抗原性质发生相当大的变化。分子印迹聚合物也可看 着受体模拟物，一个例子是肾上腺受体模拟物的制备。 1 1 8 5 固相萃取剂 分子印迹聚合物具有特效的选择性和亲和性，用作固相萃取剂，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又可在水溶液中使用，与其它萃取 过程相比，具有独特的优点。 莠去净的印迹高聚物用于三嗪类杀虫剂作分子印迹固相萃取( m i s p e ) 已有 所报道1 2 1j 。这一过程包含三个步骤：( 1 ) 由于试样是以水溶液方式载入柱内， 因此试样加载处的高聚物是以逆向体系工作的：( 2 ) 当体系的见和方式改变为氢 键的亲和力模式时，则可用二氯 l 烷进行洗涤，此时，三嗪类杀虫剂可以选择性 1 2 安徽理： 人学硕十论文 综述 的保留在高聚物内，而其他结构不相关的杂质可被洗去；( 3 ) 最后，三嗪杀虫剂 可用甲醇回收，因为甲醇可干扰氢键的形成，使之弱化。 尽管分子印迹聚合物用于固相萃取剂在生物和环境样品富集分析中有很大的 优势，但实际应用中仍有一些问题需要解决。其中最大的问题是模板分子的泄漏 问题。因为在洗脱模板分子时，洗脱率为9 0 左右，这意味着仍有- - d , 部分模板 分子会残留在聚合物中。在将印迹聚合物用于分离时，不会造成什么影响，但用 于萃取分析时，由于残留的模板分子在分析过程的泄漏会产生比较大的误差。为 解决这一问题，有的研究者用与分析物结构非常相近的化合物作模板分子，将得 到的聚合物用于萃取分析物，也得到了满意的结果。另外，提高印迹聚合物的结 合容量以达到对大量样品的快速分离，以及提高印迹聚合物中高亲和力位点的数 目都是十分必要的。 1 1 9 分子印迹技术现存问题及其发展趋势 分子印迹技术的特点使其有望实现单一主体分子对多元课题分子的识别，分 子印迹聚合物也有望成为对各种物质进行准确检测和搞笑分离的介质。但由于研 究历史尚短，分子印迹技术仍然存在一些嗳待解决的问题。 1 1 9 1 分子印迹技术的现存问题 ( 1 ) 分子印迹技术的机理研究相对肤浅有关分子印迹热力学和动力学的报道还不 多。另外，对模板分子和聚合物单体功能基之间的相互作用缺乏系统研究。s h e n 等人探讨了空穴的重要性；w u l f r 等人考察了功能基团位置的影响；而s h e a 等人 借助n m r 和i r 谱图分析了微环境在识别过程中的作用。尽管如此，结合位点的 作用机理、聚合物的形态和传质机理仍然不够明晰。如何从分子水平上更好地理 解分子印迹过程和识别过程，仍需努力。 ( 2 ) 分子印迹技术的应用领域有待拓宽。从目前的应用领域来看，我们不难看出 大多数研究工作都是以小分子物质如氨基酸、染料、金属离子、药物和农药为模 板，而对蛋白质、多肽和酶等生物大分子甚至整个细胞的研究虽有报道，但并不 多见，且效果还不够理想。在w u l f f 的文章中讲到的模板分子的大小为1 - 2 n m ， 而分子印迹聚合物的孔径为2 0 - - - 5 0 n m 才能保证亲和位点的可接近性和分子扩散 的无阻碍性。但生物大分子的体积比较庞大，因而在分子印迹聚合物中的扩散阻 力也较大，有效亲和少。同时，生物大分子本身的物理化学性质也有独到之处。 从模板分子与功能单体的作用看来，若以共价作用与生物大分子相互作用则会由 于作用力较强易造成生物大分子的变性失活。在非共价作用中，氯仿、乙腈等有 安徽理一j ：人学硕十论文综述 机溶剂有利于氢键和离子作用的加强。但生物大分子在有机溶剂中容易变性失活， 水相中作用力的减弱会导致选择性亲和作用强度降低。这一矛盾成为分子印迹技 术在生物大分子分子中应用的阻碍，也对传统的据和方法等提出了严峻挑战。另 外，分子印迹技术对于气体小分子的研究也很少有人尝试过。这可能是因为气体 分子本身体积太小，常温时呈气态，操作中无法控制等原因所致。随着分子印迹 技术研究的逐渐深入和应用的日益广泛，气相中的研究也将会成为分子印迹技术 研究的重要方向。 ( 3 ) 分子印迹聚合物的制各和识别大多局限在非极性环境中进行。目前分子印迹 聚合物大多只能在有机相中进行制备和应用，而天然的分子识别系统大多是在水 溶液中进行的，如何能够利用特殊的分子间作用力在水溶液或极性溶液中进行分 子日j 迹和识别仍是一大难题。对于生物产品的分离和纯化，研究水相中分子印迹 聚合物的制备及应用尤其具有重大意义。 ( 4 ) 目前使用的功能单体、交联剂和聚合方法都有较大的局限性。尤其是功能单 体的种类太少以至于不能满足某些分子的识别要求，这就使得分子印迹技术远远 不能满足世界应用的需要。分子印迹聚合物的高度交联性限制了模板分子在聚合 物颗粒中的扩散，使得传质过程非常缓慢。由于一些结合位点被埋藏在聚合物的 三维结构中而未能被利用，造成分子印迹聚合物的“印迹”容量较低。此外，分 子印迹聚合物多数是块状的，尽享研磨和筛分后方可使用，但是如此处理使得颗 粒的均匀性、规整性和强度都较差，应用效率大幅度降低。还有在分子印迹聚合 物的制备过程中，聚合物单体、交联剂、溶剂的选择和比例以及操作工艺上的不 同都会带来聚合物结构形态方面的差异。但这方面的研究多处于半经验状态，还 有待于深化。 1 1 9 2 分子印迹技术的发展趋势 p i l e t s k y 等总结和分析聊分子印迹聚合物膜的识别和传输性质，概括了分子印 迹聚合物膜在亲和分离、膜色谱和膜传感器等方面的应用潜力。p i l e t s k y 等还通过 光接枝共聚制备了以敌草净为模板分子的多孔聚丙烯分子印迹聚合物膜，发现该 分子印迹聚合物膜对模板分子和其他三嗪类除草剂具有整体亲和力。这种通过表 面印迹聚合在多孔膜上引入专一性键合位点的方法开辟了制备搞笑亲核膜的通用 途径。 另外，利用分子印迹聚合物的特意识别作用，可以在反应过程中对某一基团 进行选择性保护。展望未来，分子印迹技术的发展趋势可能有如下几个方面。 ( 1 ) 分子印迹和识别过程的机理将从目前的定性和半定量描述向完全定量描述发 1 4 安徽理工人学硕十论文 综述 展，从分子水平上真正弄清楚印迹过程和识别过程。 ( 2 ) 合成更多更有用的功能单体和交联剂，以大大拓宽分子印迹技术的应用范围。 ( 3 ) 分子印迹和识别过程将从有机相转向水相，以便接近或达到天然分子识别系 统的水平。 ( 4 ) 手性分离和固相萃取氨基酸、手性药物将步入商业化阶段。 ( 5 ) 印迹技术将从氨基酸、药物等小分子、超分子过度到核苷酸、多肽、蛋白质 等生物大分子，甚至生物或体细胞。 ( 6 ) 分子印迹聚合物的类型从有机高分子向无机高分子拓展。 ( 7 ) 视具体应用情况，模板可以用单一模板，也可