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分于记印聚合物的研制及其性能和应用研究 上海人学硕士学位论文 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 摘要 分子记印聚合物具有特定的分子识别功能，因此近年来分子记印技术已 成为一项新型的、有效的分离技术。本文以对氯苯氧乙酸( c p o a c ) 为记印分 子，采用两种不同的功能单体( 甲基丙烯酸和4 一乙烯基吡啶) 、两种不同的引 发方式( 热引发和紫外光引发) 以及三种不同的聚合方法( 本体聚合、悬浮聚 合、沉淀聚合) 制备出了一系列的记印聚合物和空白聚合物。同时，以苯氧乙 酸为记印分子，采用本体热聚合的方法制备了苯氧乙酸分子记印聚合物。通 过等温吸附实验测定各聚合物对记印分子的吸附量研究了聚合物的吸附性 能；通过测定各聚合物对苯氧乙酸( p o a c ) 、对氯苯氧乙酸( c p o a c ) 、2 4 二氯苯氧乙酸( 2 ，4 - d ) 的吸附量研究了记印聚合物对结构相近化合物的吸附 性能，比较了对氯苯氧乙酸和苯氧乙酸记印聚合物对结构相近化台物的吸附 性能差异。另外，将对氯苯氧乙酸分子记印聚合物用作色谱固定相评价了记 印聚合物对记印分子和其余两种结构相近的化合物的色谱分离性能。实验结 果表明：( 1 ) 以4 - v p 为功能单体研制的聚合物较以m a a 为功能单体研制的 聚合物吸附量大；热引发聚合物比光引发聚合物的吸附量大：不同聚合方法 制备的记印聚合物对记印分子的吸附量大4 , 1 1 质序为：本体聚合 沉淀聚合 悬浮聚合。( 2 ) 记印聚合物的吸附能力比空白聚合物明显强。( 3 ) 记印聚合物 对记印分子有选择吸附性能，对其它分子的吸附性能较差。( 4 ) 对氯苯氧乙酸 分子记印聚合物应用于色谱分离对p o a c 和c p o a c 以及p o a c 和2 , 4 d 的混 合物有较好的分离效果。 关键词：对氯苯氧乙酸、分子记印聚合物、吸附性能、色谱分离 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究上海大学硕士学位论史 d e v e l o p m e n t o f m o l e c u l a r i m p r i n t i n gp o l y m e r s a n d s t u d i e so ni t sb e h a v i o u ra n d a p p l i c a t i o n a b s t r a c t r e c e n t l y ，m o l e c u l a ri m p r i n t i n gh a sb e c o m et o b ean e wa n dv e r ye f f e c t i v e s e p a r a t i o n t e c h n i q u ed u e t oi t s s p e c i f i c m o l e c u l a rr e c o g n i t i o nf u n c t i o n i nt h i s t h e s i s ，as e r i e so f 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 ( m i p ) f o r4 - c h l o r o p h e n o x ya c e t i ca c i da n d n o n i m p r i n t i n g p o l y m e r s w e r e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e db yu s i n g t h et w ok i n d so ff u n c t i o n a l m o n o m e r s ( m e t h y l a c r y l i c a c i do r 4 - v i n y l p y r i d i n e ) ，t w oi n i t i a t i n gm e t h o d sf t h e r m a lo ru vi r r i t a t i o n n i t i a t i n g ) a n d t h r e e w a y s o f p o l y m e r i z a t i o n ( n o u m e n a l ，d e p o s i t i o n a l o r s u s p e n d e d p o l y m e r i z a t i o n ) a tt h es a m et i m e ，m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r sf o rp h e n o x ya c e t i ca c i d w e r ep r e p a r e db yt h e r m a li n i t i a t i n ga n dn o u m e n a i p o l y m e r i z a t i o n a d s o r p t i o na b i l i t i e so ft h e p o l y m e r s w e r es t u d i e d b y t h e q u a n t i t i e s o f i m p r i n t i n g m o l e c u l ea d s o r b e dw h i c h a r e d e t e r m i n e db yi s o t h e r m a la d s o r p t i o n a d s o r p t i o na b i l i t i e so f p o l y m e r sf o rs i m i l a rs t r u c t u r a i c o m p o u n d sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a s u r i n gt h eq u a n t i t i e so fp o a c ，c p o a c ，2 ，4 da d s o r b e d i tw a sf o u n dt h a tt h ea d s o r p t i o na b i l i t i e sb e t w e e nc p o a c m i pa n dp o a cm i pw e r ed i f f e r e n l i na d d i t i o n ，c h r o m a t o g r a p h i cm e t h o dw a su s e dt oe v a l u a t et h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo f m i p f o rt h e i m p r i n t i n gm o l e c u l ea n do t h e rt w os i m i l a rs t r u c t u r a l c o m p o u n d s t h er e s u i t sb y 。p e r i m e n t ss h o w e d ：( 1 ) t h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo f i m p r i n t i n gm o l e c u l eo np o l y m e r sp r e p a r e d b yu s i n g4 v i n y l p y r i d i n ea sf u n c t i o n a lm o n o m e r sw a sm u c hm o r et h a nt h a to f m e t h y l a c r y l i c a c i d ，a n dt h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fp o l y m e r sp r e p a r e db yt h e r m a l i n i t i a t i n gf o ri m p r i n t n g o l e c u l ew a sm u c hm o r et h a nt h a to fu vi r r i t a t i o n i n i t i a t i n g ，t h es e q u e n c eo ft h ea d s o r p t i o n q u a n t i t i e so fp o l y m e r sf o ri m p r i n t i n gm o l e c u l ep r e p a r e d b yd i f f e r e n tw a y sw a sn o u m e n a l p o l y ”。i 2 a t i o n d e p o s i t i o n a l p o l y m e r i z a t i o n s u s p e n d e d p o l y m e r i z a t i o n ；( 2 ) a d s o r b i n g a b i l i t i e so ft h em o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r sa r e s t r o n g e rt h a nt h a to ft h en o n i m p r i n t i n g p o l y m e r s ；( 3 ) t h em o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r sd i s p l a y e dag o o ds e l e c t i v i t yf o r i m p r i n t i n g m o l e c u l e , a n dp o o ra d s o r p t i o nf o rt h eo t h e rt w om o l e c u l e s ；( 4 ) c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n i i 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 r e s u l t ss h o w e dt h a tc o p a cm i pc a ns e p a r a t em i x t u r eo fc p o a ca n dp o a co rp o a ca n d 2 4 d k e yw o r d s ：4 - c h l o r o p h e n o x ya c e t i ca c i d ，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 ，a d s o r p t i o na b i l i t y c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a t i o n i i i 上海大学 y 6 7 8 | 8 5 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学硕士学位 论文质量要求。 导师： 答辩日期： 珈，栩之 窘去翘 一， 沙。6 也徒 躲弘砌 会一 口e (委 ： ： 辩 任 员 答 主 委 分了记印聚合物的研制及其性能和应用巫塞 上海大学硕士学位论文 图表目录 图1 1非共价型分子记印过程示意图3 图1 2 反应溶液的稀释引起的聚合物结构变化9 表3 1两种功能单体的聚合物制备过程及其产物的差别2 9 表3 2 两种引发方式的聚合物制备过程及其产物的差别3 0 图3 1本体聚合法制备记印聚合物的工艺过程3 0 图3 2 沉淀聚合法制备记印聚合物的工艺过程3 1 图3 - 3 悬浮聚合法制备记印聚合物的工艺过程3 2 表3 3 三种聚合方法制备聚合物的过程及其产物的差别3 3 图3 4c p o a c 的紫外吸收光谱图3 4 图3 5p o a c 的紫外吸收光谱图3 5 图3 62 , 4 一d 的紫外吸收光谱图3 5 图3 7c p o a c 的校正曲线图3 7 图3 8p o a c 的校正曲线图3 7 图3 92 , 4 一d 的校正曲线图3 8 表3 4 两种功能单体的聚合物对不同浓度c p o a c 的吸附量q 3 9 图3 1 0m a a 为功能单体、本体热聚合m i p 和n m i p 的吸附等温线3 9 图31 14 - v p 为功能单体的聚合物的吸附等温线4 0 表3 5 热引发和光引发聚合物对不同浓度c p o a c 的吸附量q 4 l 图3 1 2 本体光聚合m i p 和n m i p 的吸附等温线4 1 表3 6 本体、悬浮和沉淀聚合制备的聚合物对不同浓度c p o a c 的吸附量q 4 2 图3 1 3 悬浮聚合的聚合物对c p o a e 的吸附等温线4 3 图3 1 4 沉淀聚合的聚合物对c p o a c 的吸附等温线4 3 表3 7 两种功能单体的聚合物对不同底物的吸附量q 4 4 图3 1 5 以m a a 为功能单体的本体热聚合的m i p 和n m i p 的吸附量4 5 图3 1 6 以4 一v p 为功能单体的本体热聚合的m i p 和n m i p 的吸附量4 5 分子记印聚台物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 表3 8 热引发和光引发聚合物对不同底物的吸附量g 4 7 图3 1 7 本体光聚合m i p 和n m i p 的吸附量4 7 表3 9 本体、悬浮和沉淀聚合制备的聚合物对不同底物的吸附量q 4 8 图3 。1 8 悬浮聚合m i p 和n m i p 的吸附量4 8 图3 1 9 沉淀聚合m i p 和n m i p 的吸附量4 9 表3 1 0 苯氧乙酸记印聚合物和空白聚合物对不同底物的吸附量q 5 0 图3 2 0以m a a 为功能单体的苯氧乙酸m i p 和n m i p 的吸附量5 0 图3 2 1以4 - v p 为功能单体的苯氧乙酸m i p 和n m i p 的吸附量5 l 图3 2 2c p o a c 在c p o a c m i p 柱的流出曲线5 3 图3 2 3p o a c 在c p o a c m i p 柱的流出曲线5 4 图3 2 42 , 4 d 在c p o a c m i p 柱的流出曲线5 4 图3 2 5 p o a c 、c p o a c 和2 , 4 一d 的结构示意图5 5 图3 2 6 p o a c 和c p o a c 混合物在c p o a c m i p 柱中的流出曲线5 7 图32 7p o a c 和2 ，4 d 混合物在c p o a cm i p 柱中的流出曲线5 7 图3 ，2 8 c p o a c 和2 , 4 d 混合物在c p o a c m i p 柱中的流出曲线5 8 分子记印聚台物的研制及其性能和应用研究 t 海大学硕七学位论文 第一章前言 分子记印技术是一项新兴的分子识别技术，其目的是制备具有对记印分 子有预定选择性识别位点的聚合物。分子记印技术由于其卓越的分子识别性 能已成为化学工作者十分关注的研究课题。其基本原理是：可聚合的功能单 体和记印分子在一定条件下通过共价型或非共价型的作用力形成某种可逆的 复合物：然后在含有大量交联剂的溶液体系中，通过自由基引发制备得到高 聚物；最后用适当的洗脱剂将记印分子抽提出来。这种聚合物具有形状和化 学功能基团与记印分子互补的立体孔穴，高交联度确保了孔穴结构的刚性， 聚合物仍保持孔穴中功能基团与记印分子再结合的最佳构型，从而可以根据 “预定”的选择性和高度识别性能进行分子识别。许多的研究结果表明，分 子记印聚合物中存在类似于酶一底物的结合位点，在对记印分子的识别中有 着高选择性和亲和性。目前某些记印聚合物的选择性和亲合力己能同天然的 分子识别系统相媲美，而且分子记印聚合物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等优点。另外，大量的研究工作者采用多种聚 合方法制备了分子记印聚合物，并运用各种分析方法研究了分子记印聚合物 对记印分子的识别机理、识别特性和选择性等等，这一切都极大地推动了分 子记印技术的发展和应用。分子记印技术的研究方兴未艾，其研究和应用前 景令人瞩目，本章对近年来分子记印聚合物的制备、识别特性研究及分子记 印聚合物的应用等方面的研究进展作一简介和综述。 1 1 分子记印聚合物的制备 1 1 1 聚合反应体系的组成 1 1 1 1 记印分子 分子记印聚合物与记印分子之间的识别受热力学定律控制【，因此从影 响聚合物形成和识别能力的热力学因素考虑，一方面，采用结构复杂的记印 分子，聚合物中形成的空腔结构就复杂，对记印分子的特异选择性也就越好； 分子记印聚台物的研制及其性能和应甩研究 上海大学硕士学位论文 另一方面，构象变化少的记印分子，在与记印聚合物结合时需要克服分子内 旋的自由能越少，就有利于结合到聚合物中。 记印分子的选择还要考虑记印分子的性质是否会影响洗脱过程。由于记 印位点不仅存在于聚合物表面，也存在于溶剂难于到达的聚合网状结构的深 处，有时即使经过反复的洗脱也很难将其洗脱完全，而这些残留的记印分子 会影响到分析结果的准确性，所以能够应用的记印分子应该是可以通过适当 溶剂进行洗脱的化合物。 对于有毒性或者较难得到的化合物的分子记印会遇到一些问题，这时可 以考虑用具有相同基团的结构相似的化合物来代替进行记印聚合。k u b o l 2 1 等 以对丁基苯酚代替双酚a 进行分子记印聚合物的合成，并将该聚合物用于色 谱柱浓缩双酚a ，结果痕量的双酚a 浓度增加了1 0 0 0 倍，这就表明用替代 化合物进行分子记印是可行的。 1 1 1 2 功能单体 在分子记印聚合物的合成过程中，功能单体的选择是非常重要的，它不 仅要能够与交联剂进行共聚合反应，而且分子内必须要具有能与记印分子发 生化学作用的结构单元。 从热力学角度考虑，功能单体和记印分子之间基团相互作用力越强，在 结合过程中的自由能降越大，结合也就越容易：在聚合物空腔结构与记印分 子相匹配的最适条件下，功能单体和记印分子之间相互作用点越多，形成复 合物时自由能降越大，也就越有利于记印分子结合在记印聚合物上，因此必 要时可以采用复合功能单体与记印分子作用日】。 1 1 1 3 记印分子和功能单体的复合物 按记印分子和功能单体形成复合物的作用力来划分，分子记印技术可分 为共价型( 预组装方式) 和非共价型( 自组装方式) 两种。 在共价型分子记印过程邮 中，记印分子和功能单体通过可逆的共价作用 形成复合物。常用的功能单体是含有乙烯基的硼酸、碳酸酯、乙缩醛以及酮 ， 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 缩醇等含有相对较弱共价键的化合物。这种情况下功能单体和记印分子间作 用力较强，形成的复合物很稳定，但记印过程复杂，记印分子实质上可以看 成是被功能单体衍生化后再交联形成聚合物。虽然共价键是很强的结合方式， 形成的功能单体和记印分子的复合物很稳定，但在识别时表现出动力学过程 迟缓，解离需苛刻条件等问题。 图1 1非共价型分子记印过程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fan o n - c o v a l e n t m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp r o c e s s 在非共价型分子记印过程6 ，7 1 中，记印分子和功能单体则通过氢键、偶极、 离子、金属鳌合、疏水相互作用乃至范德华力相互作用形成复合物。虽然甲 基丙烯酸在非共价型记印方面被广泛采用，但是含亲电基团的功能单体如4 一乙烯基毗啶也很有应用价值，因为在记印分子除去以后，结合在聚合物上 的吡啶可以与再结合的记印分子形成更强烈的相互作用。非共价型的作用力 形式多样，即使是强度很小且无方向性的范德华力也可利用，其分子识别过 程更接近于酶一底物等天然的分子识别系统，因而应用也更为广泛。非共价 型分子记印过程如图1 1 所示。 目前绝大多数分子记印聚合物都是通过非共价型分子记印技术制得的， 在这当中研究最多的作用方式是氢键作用，但其存在选择性低和在极性较大 3 分子记刮集合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 的水相中作用能力降低等问题8 1 ，而且分子内有氢键存在时记印效果大大下 降。z h a n ge 9 1 等人研究了记印分子存在分子内氢键对分子记印聚合物分子识 别的影响，他们利用丙烯酰胺为功能单体，制备了三种结构相近但分子内氢 键有差异的化合物4 一羟基苯甲酸、龙胆酸和水杨酸的分子记印聚合物，通 过高效液相色谱分析证明了4 羟基苯甲酸记印的聚合物分子识别能力最 强，而另外两种聚合物与空白聚合物相比较，分子识别能力并没有提高，从 三种记印分子的结构可以推测：当记印分子本身能够形成分子内氢键时，通 过氢键作用记印的聚合物分子识别能力会下降，原因是分子内形成氢键会影 响记印分子和功能单体形成复合物。 w h i t c o m b 1 0 1 巧妙地将两种技术结合起来，用4 乙烯基苯基碳酸酯作功能 单体，通过共价作用同记印分子形成复合物，用碱水解时随着二氧化碳的失 去而打开了功能单体和、己印分子间的共价键，此时分子记印聚合物上便产生 了个非共价的分子识别位点，识别位点上的酚基可以通过氢键进行分子识 别。 h w a n g 1 1 同时采用共价法和非共价法制备了胆固醇分子记印聚合物，通 过色谱研究发现共价型的聚合物具有更高的吸附量，在色谱分离效率上比非 共价型的聚合物约大五倍，更重要的是共价型聚合物减小了峰变宽和拖尾现 象。c a r o 【1 2 】等人采用共价法和非共价法制备了两种4 - - 硝基酚的记印聚合物 用于水样中4 一硝基酚的选择性萃取，分别在和反相高效液相色谱串联的在 线固相萃取仪器中测定它们对于记印分子的选择性，结果发现在萃取条件相 同的情况下，非共价法的聚合物选择性能较好。因此共价法和非共价法可能 各有优缺点。 1 1 1 4 交联剂 分子记印聚合物要求的聚合程度很高，因此可用于制备聚合物的交联剂 的种类受到限制。起初人们采用二乙烯基苯作为交联剂，但后来发现丙烯酸 类的交联剂能制各出更高特异性的聚合物。乙二醇二甲基丙烯酸酯 坌王里旦壅全塑堕堑! ! 墨茎丝丝塑生里翌壅兰墨奎兰塑兰堂竺! 鲨 ( e g d m a ) 是目前常用的交联剂。不过使用含有多个乙烯基的交联剂制得 的聚合物交联度高，会使得大孔结构具有更大的刚性，从而可以确保聚合物 保持孔穴中功能基团与记印分子再结合的最佳构型。例如为了使分子记印聚 合物应用于高效液相色谱中时具有更好的柱容量、分离度和选择性，可使用 含有三个及三个以上乙烯基的交联剂1 1 3 , 1 4 ，如季戊四醇三丙烯酸酯( p e t r a ) 等。在交联剂的用量方面也有研究，如v a i d y a l l 5 1 等考察了交联剂用量对于记 印聚合物吸附性能的影响，发现所用交联剂的含量对于聚合物的记印效果起 着关键作用。 1 1 1 5 引发剂 分子记印聚合物一般是通过自由基引发制备的，一般以偶氮二异丁腈或 偶氮二异庚腈为引发剂。引发剂的引发有高温热引发、低温光引发和辐射引 发三种形式。目前绝大多数分子记印聚合物都是通过前两种形式引发制备的， 辐射引发如m i l o j k o v i e 1 6 1 等采用y 射线来引发聚合反应。另外s e l l e r g r e n 7 】 等采用了高压技术来制备分子记印聚合物，发现高压下制得的聚合物较低压 下制得的聚合物有更紧密的结构、更低的孔体积、更高的密度和溶胀性，对 记印分子的保留有较大的提高。 1 1 。1 6 溶剂 溶剂在分子记印聚合物的制备和分子识别中发挥着重要作用 18 , 1 9 ，溶剂 对记印分子的影响是通过形成氢键等弱的相互作用使记印分子与功能单体的 反应活性受到影响的。这对分子自组装方法的影响尤其大，因为分子自组装 就是通过这些弱的相互作用实现的，记印分子一旦与溶剂形成氢键或其他类 型的键，就很难再与功能单体发生作用。除此以外，溶剂控制着非共价键结 合的强度，还会影响聚合物的形态。因此选择的溶剂要满足以下三个条件： 能溶解记印分子和功能单体：能形成大的流通孔，从而保证记印分子能 迅速扩散到聚合物内部；对记印分子与功能单体之间的相互作用干扰小。 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 1 1 2 聚合方法 分子记印聚合物的制备主要有本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合、沉淀聚 合、原位聚合和膜状聚合六种方式。 1 1 。2 。1 本体聚合 目前大多数的分子记印聚合物是采用本体聚合的方式制备的2 “2 ”，得到 的是块状聚合物。该法制备的分子记印聚合物对记印分子有良好的选择性和 识别特性。本体聚合由于没有加分散剂或乳化剂，因此聚合物含杂质少，纯 度高，而且合成操作条件易于控制，实验装置简单，便于普及，迄今仍为分 子记印聚合物制备的主要方法。本体聚合的缺点有：聚合体系很粘稠，聚 合热不易扩散，反应温度较难控制，易局部过热，反应不均匀，造成聚合物 分子量大小分布不均，产品有气泡甚至有爆聚现象。聚合物( 固体) 的密 度都大于溶液( 液体) 的密度，故聚合过程中，体系既逐渐变粘稠且转变为 固体的过程中体积是会收缩的。随着聚合反应进行，体系的粘稠度增大， 大分子链的( 游离基) 运动愈困难，会出现“自加速作用”，这会使得聚合 产物性质不均匀。此方法制备得到的聚合物需要经研磨、过筛和沉降后才 能得到一定粒径范围的无定型颗粒，费时费力，而且获得选用的粒子一般低 于制备总量的5 0 。研磨过程产生不规则粒子和大量超细粒子，粒子的不规 则性影响分子记印聚合物的选择性和柱效，超细粒子使色谱柱柱压降明显升 高甚至堵塞色谱柱，同时研磨过程也会破坏聚合物中的某些结合位点。这些 问题促使分子记印技术的研究进一步深入，以便获得更满意的技术改进或取 代本体聚合。 1 1 2 2 悬浮聚合 凡是可用本体聚合的大多可用悬浮聚合代替，在每一个小液珠中进行的 聚合反应，基本上可看成是小单位的本体聚合。优点主要是体系用溶剂来分 散，不粘稠，传热容易控制，聚合物分子量分布较均匀，聚合产物是微小的 固体颗粒，离心分离、洗涤、干燥都很方便。缺点是因分散剂的加入而降低 8 分子记印聚台物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 了聚合物的纯度和透明度；而且分散剂愈多，液比中溶剂愈多和搅拌愈快， 都会使得聚合物粒径愈小。当转化率到达2 5 左右，珠粒由于部分聚合而粘 度增大，并且被溶胀，这时珠粒有较大的粘结、合并的倾向，再加上自加速 作用的出现，亦使珠粒粘度增加很快，因此必须密切注意搅拌速度、分散剂 用量和液比等。 m o s b a c h 2 3 , 2 4 1 等运用悬浮聚合方法以全氟代烷烃为分散剂制得了具有一 定大小的球状分子记印聚合物，但全氟代烷烃价格昂贵。最近赖家平 2 5 1 等应 用聚乙烯醇作为分散剂，利用记印分子与功能单体聚合物残基之间的离子键 相互作用形成复合物，用水溶液微悬浮聚合法制备分子记印聚合物微球。其 原理是：含有记印分子、功能单体、交联剂、引发剂和致孔剂的有机相加入 到含有聚乙烯醇的水相后被分散成小液滴，聚乙烯醇4 0 0 其亲水羟基向外、 疏水亚甲基向里，在小液滴表面上排列有序，使小液滴受到保护作用而很难 受水分子的影响；如果水分子扩散到小液滴表面，由于小液滴的疏水性，也 会将其拒之于液滴表面；即使少数水分子扩散到液滴内部，由于记印分子与 功能单体之间以离子键相互作用形成复合物，而离子键作用力通常大于氢键 作用力，因此水难以破坏这种识别作用。只有当水溶液中离子浓度增大到 定程度时，这种破坏作用才显示出来。 悬浮聚合还包括多步溶胀悬浮聚合 2 7 , 2 8 和种子溶胀悬浮聚合。h a g i n a k a 2 9 1 等用无皂乳液聚合法合成的聚苯乙烯粒子为种球，经邻苯二甲酸二丁酯、 甲苯、e d m a 及4 一乙烯基吡啶等物质多步溶胀，最后采用悬浮聚合制得粒径 约为8 l x m 能记印萘普生( s n a p r o x e n ) 的聚合物，它对s - n a p r o x e n 的旋光异构 体具有一定的识别性能。虽然采用多步溶胀悬浮聚合所得的聚合物具有较好 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。于是h a g i n a k a 3 0 1 等又采用了一种更为简单、省时的聚合方法即种子溶 胀悬浮聚合法，以粒径约l l a m 的聚苯乙烯微球为种子制备了粒径更为均一的 分子记印聚台物，该微球对其记印分子显示了较为优异的选择吸附性能。这 7 分子记日j 聚合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕上学位论文 两种方法的共同特点是产物的规整性和单分散性较好。 1 1 2 3 乳液聚合 乳液聚合指非水溶性的功能单体和交联剂借助搅拌和乳液稳定剂以乳状 液形式分散在水中进行的聚合。乳液聚合适用于表面记印聚合物的制备。存 油水乳液中制备表面记印聚合物的过程中采用的功能单体和交联剂是油溶性 的，而记印分子是水溶性的，其特征是记印分子和功能单体在油一水界面上 进行自组装。聚合过程完成后就在聚合物表面形成了识别位点，并且能够在 水相溶液中识别相应的记印分子【3 l 】。这对于水溶性的金属离子和生物分子的 记印和识别是很有意义的。 为了在聚合物表面高效地形成选择性识别位点，聚合之前形成的乳液必 须是稳定的，一般可使用不会与记印分子相作用的表面活性剂来维持乳液的 稳定性，然而乳液稳定剂在油一水界面的排列占据了空间，难免会阻止记印 分子和功能单体的自组装过程。如果功能单体同时可以作为稳定剂，不仅可 以使自组装过程顺利进行，而且可以使聚合物表面保持洁净。a r a k i 3 2 1 等就采 用既是阳离子表面活性剂又是功能单体的氯化苄基二甲基十烷基铵研究了表 面记印聚合物，分析结果表明聚合物具有良好的对映体选择性。 1 1 2 4 沉淀聚合 沉淀聚合又称非均相溶液聚合，是指聚合反应所使用的功能单体、交联 剂和引发剂可溶，但产生的聚合物不溶而沉淀。y e ”1 阐述了聚合物沉淀析出 是聚合物和溶剂相分离的结果。在功能单体和交联剂共聚过程中，相分离发 生于交联度超过某一临界值的时候，这时高交联网状聚合物不再能够吸附反 应混合物中的所有溶剂。相分离点既与致孔剂的性质和体积有关，也和交联 剂浓度有关。在交联聚合过程中加入不同的溶剂量可以观察到聚合物结构的 变化，结果如图1 2 所示。 8 坌王里! 墨鱼塑塑堑! ! 墨基壁壁塑壁旦堑塞圭塑查兰型垡苎垡! ! 鲨 稀释 渊l 赫黼 = ：= = 二= = ：= ： 辍：l 掣哟锻黼麟- 嘲糊i 大孔整块 翊躐唰辨捕穰髂 大粒凝胶 酗轴娜 微粒凝胶 图1 2 反应溶液的稀释引起的聚合物结构变化 f i g 1 2c h a n g eo f p o l y m e rs t r u c t u r eb yd i l u t i o no f t h er e a c t i o ns o l u t i o n 在逐步增大溶剂量的过程中，生成的聚合物链不再能够占据整个反应容 器，这样就形成了分散的大粒凝胶颗粒，继续稀释将使凝胶颗粒尺寸变小， 在无限稀释时就形成了小凝胶颗粒。由于溶剂会影响记印微球的形态，记印 分子的存在又会影响微球的尺寸，所以对于给定的记印分子，为了控制相分 离点以获得大小均匀的聚合物徽球，需要细微地调节溶剂的成分和用量。 由沉淀聚合可制得微球状聚合物，该方法不需在反应体系中加入任何稳 定剂。沉淀聚合过程是在大量反应介质中完成的，该反应介质的量大大高于 制各块状聚合物所用的量 3 4 , 3 5 。沉淀聚合的基本过程是：反应开始于均相的 功能单体、记印分子、交联剂和引发剂的混合液，此时，引发剂分解产生自 由基，并引发聚合形成线型和分支的低聚物，然后低聚物通过交联成核从介 质中析出，这些核又相互聚结而形成聚合物粒子，并通过捕捉低聚物和单体 最终形成高交联的微球状聚合物。与悬浮聚合方式依靠稳定剂使聚合物稳定 不同，微球状聚合物之所以能够稳定存在是由于其高交联的剐性表面。沉淀 聚合混合液中不加稳定剂。获得的微球状聚合物表面洁净，可避免稳定剂或 表面活性剂对记印分子的非选择性吸附。 1 1 2 5 原位聚合 g 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 m a t s u i 删等将原位聚合法应用于分子记印技术中，直接在h p l c 柱内制 备连续棒型聚合物。所得h p l c 柱对记印分子呈现一定的选择性。由于聚合 是在色谱柱内一步完成，克服了繁琐的装柱手续，实验过程大为简化，容易 操作。周杰 3 7 1 等也采用原位聚合法制备了具有手性识别环境的连续棒型聚合 物。s c h w e i t z 3 s , 3 9 等则采用该法在毛细管中制得了电色谱用的连续分散的手 性色谱固定相。 1 1 2 6 膜状聚合 在膜状分子记印聚合物方面，t r o t t a 4 0 1 等采用相转化方法制得了对柚苷 有很好分子识别性能的聚合物薄膜；p i l e t s k y t 4 1 1 等采用分子记印技术制备了对 胆固醇有特异选择性的自组装膜；u l b r i c h t l 4 2 1 等通过控制表面和孔穴起作用 的过程来合成新颖的含有分子记印聚合物的膜；z a y a t s t 4 3 1 等报道了将特异的 分子识别位点记印在离子选择场效应晶体管的无机和有机薄膜内；郭洪声 4 4 】 等制备了药物甲氧苄氨嘧啶分子记印聚合物膜并且证明了记印聚合物膜中存 在形状和功能基团均与甲氧苄氨嘧啶分子相互补的孔穴组成的通道。 1 2 分子记印聚合物识别特性研究 1 2 1 吸附等温线和吸附动力学曲线 许多化合物( 尤其是不饱和有机化合物) 在紫外光谱区的某一波长处有 强烈的吸收，且吸收值与被测溶液中该化合物的浓度有线性关系，因此可采 用紫外分光光度法测定该化合物的浓度。在某确定的温度下，准确称取一 组质量相同的分子记印聚合物进行吸附试验，在最大吸收波长下测定溶液中 记印分子的不同浓度，吸附量可由结合前后溶液中记印分子的浓度变化计算 得到，并可用这些数据绘制吸附等温线【4 5 47 1 。为了比较分子记印聚合物的性 质，可绘制非记印聚合物对记印分子的吸附等温线作为对照。 在适当的浓度范围内，非记印聚合物的吸附等温线形状类似于l a n g m u i r 模型，且吸附量趋于饱和；而分子记印聚合物对记印分子的吸附量随溶液浓 1 n 坌兰望里塞垒塑塑型! ! 墨茎丝! ! 塑生旦翌塑一生塑查兰堡圭兰竺兰鲨 度升高逐渐增大，依据l a n g m u i r 等温方程： 三；三+ j 一 ( 1 ) q0 06 9 0 ( 1 ) 式中c 为吸附液中记印分子的平衡浓度，q 为吸附量，b 为常数。c ，9 对c 在一定浓度范围内有良好的线性关系，且随着c 的增加吸附量也趋于饱和。 不过二者的吸附量之差随溶液浓度的增加而增大，说明组成相同的两种聚合 物的空间结构存在明显的差异，其原因是分子记印聚合物包含有固定排列的 功能基团的空间孔穴，其大小与记印分子互补，这种孔穴对记印分子呈现“记 忆功能”，因此分子记印聚合物可用于记印分子的富集和分析。 在适当的记印分子浓度下，一定质量的记印聚合物对记印分子的吸附量 对时间作图可得到吸附动力学曲线。由于记印聚合物的孔穴由体积较大的记 印分子所记印，因而孔径较大，传质较快，开始阶段呈现出很快的吸附速度。 但是一旦浅表面孔穴被吸附饱和后，其向记印聚合物内部孔的传质有一定的 阻力而使速度下降。但总的来说，吸附速度是快的，能够快速达到吸附饱和 而呈平衡状态。 1 2 。2s c a t c h a r d 分析 在分子识别分析中常用s c a t c h a r d 模型来评价分子记印聚合物的结合特 性0 8 , 2 1 - 2 3 ，s c a t c h a r d 方程可写为： q c = ( q m 。一9 ) k d ( 2 ) ( 2 ) 式中，k 。代表结合位点的平衡离解常数，q 。代表结合位点的最大结合 量，c 代表记印分子在上清液中的平衡浓度。这里的结合吸附量即绘制吸附 等温线时测得的吸附量。根据s c a t c h a r d 方程，驯c 对q 作图呈一良好的直线， 其斜率和截距分别为一1 髟和g 。巧，这表明在所研究的浓度范围内，分 子记印聚合物存在一类等价的结合位点，对记印分子呈现均匀的结合能力。 由斜率和截距可以求得定。和q 。然而有时o c 对q 明显呈非线性关系，这 1 1 分子| 己印聚台物的研制及其性能和应用研究 上海大学硕士学位论文 表明聚合物对记印分子的结合位点并不是等价的，但是在图的两端分别有较 好的直线关系，这说明在所研究的分子记印聚合物存在两种不同的结合位点 1 4 8 。在分子记印聚合物结合性质的研究中经常出现含有两种结合位点的情 况，这是由于记印分子中存在多种可能与功能单体作用的官能团引起的。由 s c a t c h a r d 图两端的直线的斜率和截距可求得两个结合位点的平衡离解常数 和最大结合量。对于存在不同结合位点的分子记印聚合物，采用s c a t c h a r d 分析测定对应的结合参数存在一定的近似性。当底物的浓度较高时，测定低 亲和力的结合常数无法扣除高亲和力的位点的贡献而使得结果偏高；同样当 底物浓度较低时，测定高亲和力的结合常数时低亲和力的位点仍有贡献，只 有当底物浓度极低时低亲和力结合位点的贡献才可忽略。 1 2 3 色谱分析法 将一定粒径的分子记印聚合物装入h p l c 色谱柱，在色谱分离条件和影 响因素优化确定条件下对记印分子和与记印分子有类似结构的底物进行分离 4 9 - 5 1 。容量因子由下式计算： 7 = ( t r t o ) t r( 3 ) ( 3 ) 式中t 。和t 。分别为保留时间和死时间；分离系数口= 聪砭，其中砭和k ：分 别为被分离的两种物质的容量因子。一般情况下口越大，色谱分离效果越好， 聚合物识别记印分子的能力越强。许多的分析结果表明，分子记印聚合物对 记印分子和非记印分子的色谱分离效果很好，两个色谱峰完全分开，这说明 记印聚合物识别了记印分子而使其在色谱柱内有较长的保留时间。 最近l e i 5 2 l 等人建立了一个色谱亲和模型，他们以s 萘普生为记印分子， 得到的记印聚合物微粒用作h p l c 色谱固定相进行色谱亲和模型研究。在这 个研究模型中，记印分子和记印聚合物之间的相互作用由记印分子在凝胶相 和非凝胶相的分配系数或复合物的离解常数决定。当竞争性组分( 乙酸) 加 入时，竞争吸附平衡由方程式( 4 ) 表达为： 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 t - 海大学硕上学位论文 纛善鹣母氧黼二话 l 魏 扣誓鹣 、戳 魄l ( 4 ) 这里e 表示s 一萘普生；e 1 表示色谱介质中的s - 萘普生；l m 表示聚合物中的 配合基，e l m 表示配合基与s 萘普生形成的复合物；t 、i 】表示竞争性组分 ( 乙酸) ：e i 表示乙酸与s - 萘普生在聚合物外形成的复合物；e 1 i l 表示乙酸 与s - 萘普生在聚合物内形成的复合物。 分配系数凰由式( 5 ) 给出： 怕= 舒 离解常数虬m 表示为： = 胖罱 由于e 和e 1 是相同的物质，所以这里k j = k 2 ，i = i ，因此有： 耻臀踹 由于总死体积包括聚合物外的空白体积和聚合物内空白体积，因此有： v o = + 巧 ( 8 ) 结合( 4 ) 一( 8 ) 式就得到了色谱亲和模型 志= 揣十潞扣 蕊2 丽十丽百”j 式( 9 ) 中的v e 表示洗提体积。 在色谱分离中，一般都采用等梯度洗脱，但由于所得的分子记印聚合物 分子记印聚合物的研制及其性能和应用研究 海大学硕士学位论文 色谱柱对记印分子有高的亲和作用以及作用位点的不均一性，常常导致第二 个峰拖尾严重，大大降低了柱效，同时也增长了分离所需的时间。采用台阶 梯度和线性梯度洗脱方式来分离时拖尾峰均被压缩，可以大大提高柱效并缩 短分离时间。 1 2 4 热力学方法 孟子晖 5 3 , 5 4 1 等考察了一系列分子记印聚合物的热稳定性和孔结构，探讨 了孔结构与手性选择牲的关系，计算了手性分离过程中的某些热力学参数的 变化，发现聚合物应用于手性分离时是一个焓控制的过程，热力学参数的变 化同记印分子的结构有关。 n i c h l l o s 1 1 等人认为记印聚合物与记印分子之间的识别受热力学定律控 制，它们之间形成复合物的自由能的改变可由下式计算： a g 删= g + ，+ a g ，+ q + a g ，+ a g p + 瓯叫+ g 咖 ( 1 0 ) 式( 1 0 ) 中：g b i n a 是形成复合物时g i b b s 自由能的改变；g m 是分子位 移自由转动时损失的自由能；g ，是分子内旋被“冻结”时损失的自由能； a g 是疏水性相互作用获得自由能；g ，曲是基团振动方式自由能；a g 。 是偶极基团相互作用总的自由能的贡献；g ，是由构型变化引起的自由能 改变；g m 是由非范德华力相互作用损失的自由能。 另外，还有许多人将记印聚合物进行热处理后，探讨了热处理对其热力 学和