（应用化学专业论文）奎宁印迹聚合物的合成及其分离性能研究.pdf

摘要 分子印迹技术是近几十年来发展起来的一种功能高分子研究方法，利用所 合成的聚合物内的空穴对模板分子的“记忆效应”来实现聚合物对模板分子的 选择性识别。该项技术已在手性分离，人工抗体，传感器和催化等应用领域取 得突破性进展。 本论文中利用分子印迹技术，以。一甲基丙烯酸为功能单体，二甲基丙烯 酸乙二醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂在热引发条件下合成了以奎宁为 模板的印迹聚合物，并对聚合反应条件进行了详细的讨论。利用奎宁在酸性溶 液中具有较强荧光的性质采用荧光分析法测试了印迹聚合物对模板奎宁分子的 吸附性能和选择性识别能力，并对印迹聚合物对奎宁的固相萃取及其稳定性作 了初步的研究。 ，实验结果表明，所合成的四种印迹聚合物显示出了对模板奎宁分子较强的 吸附能力和选择性能识别能力，并且由于聚合条件的不同而性能也有较大的差 别。以模板与功能单体配比为i ：4 合成的印迹聚合物p ( q - i ) 与p ( q - 3 ) 的 各项性能明显优于配比为1 ：6 的p ( q 一2 ) 与配比为l ：2 的p ( 0 - 4 ) 。配比相 同的聚合物p ( q 一1 ) 与p ( q 一3 ) 也由于聚合反应过程中所使用的反应溶剂的 不同而吸咐能力和选择性存在一定的区别。利用印迹聚合物对奎宁溶液进行固 相萃取时p ( q - 1 ) 的回收率为7 3 7 8 7 2 ，而p ( q - 3 ) 的回收率为6 9 3 8 2 8 。 印迹聚合物也具有良好的稳定性，在放置一个月后，p ( q - 1 ) 的选择性仍能保 持原来的8 1 2 ，p ( q 一3 ) 则保持了7 9 7 。 关键词：分子印迹印迹聚合物模板 吸附选择性识别 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 gi sar e s e a r c hm e t h o do ff u n c t i o n a lp o l y m e r d e v e l o p e d i nr e c e n ts e v e r a ld e c a d e s t h es e l e c t i v e r e c o g n i t i o n o f i m p r i n t e dp o l y m e r st o t h et e m p l a t em o l e c u l ei so b t a i n e dt h r o u g ht h e “m e m o r y e f f e c t ”o ft h ec a v i t i e si nt h ep o l y m e rw h i c ha r ef o r m e d d u r i n g t h e p o l y m e r i z a t i o np r o c e s s t ot h e t e m p l a t eu s e d s i g n i f i c a n t p r o g r e s s e sh a v eb e e nr e c e i v e di nt h ea p p l i c a t i o ni nt h ea r e a sa sc h i r a l s e p a r a t i o n ，a r t i f i c a la n t i b o d y , s e n s o r a n d c a t a l y s i s i 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 sa r es y n t h e s i z e du s i n g m o l e c u l a r i m p r i n t i n g m e t h o dw i t h a - m e t h a c r y l i ca c i d a sf u n c t i o n a lm o n o m e r , e 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 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 7 r o n i t r i l e a s t h e r m a li n i t i a t o ra n d q u i n i n e a s t e m p l a t e t h e f a c t o r so ft h e p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o na r ea l s od i s c u s s e d t h ef l u o r e s e n c em e t h o di s a d o p t e d t o t e s t i f y t h e a d s o r p t i o n c h a r a c t e ra n ds e l e c t i v e r e c o g n i t i o n a b i l i t yo f t h ei m p r i n t e d p o l y m e r sf o rt h e r e a s o nt h a tt h ea l k a l o i dq u i n i n e i sf l u o r e s c e n ti na c i ds o l u t i o na n di t sf l u o r e s c e n t i n t e n s i t y i sm u c h s t r o n g a n dt h es o l i dp h a s ee x t r a c t i o no f q u i n i n ef r o mi t ss o l u t i o nw i t h t h e i m p r i n t e dp o l y m e r sa n dt h es t a b i l i t yo ft h ep o l y m e r sa r e s i m p l y s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f o u r i m p r i n t e dp o l y m e r s t h a tw e r e s y n t h e s i z e d a l lh a v e s t r o n ga d s o r p t i o n c h a r a c t e ra n ds e l e c t i v e r e c o g n i t i o na b i l i t yt ot h et e m p l a t eq u i n i n e a n dt h ep r o p e r t i e so ft h e p o l y m e r sc h a n g e w i t ht h ec o n d i t i o no ft h e p o l y m e r i z a t i o n t h e p r o p e r t i e so f t h ep o l y m e rp ( q - 1 ) a n dp ( q - 3 ) p r o d u c e du n d e rt h er a t i oo f t e m p l a t e t of u n c t i o n a lm o n o m e ra t 1 ：4a r eb e t t e rt h a n t h a to ft h e p o l y m e rp ( q - 2 ) u n d e r t h er a t i oa t1 ：6a n d p ( q 4 ) u n d e rt h er a t i oa t1 ：2 t 0t h ep o l y m e r sa tt h es a m e r a t i o ，t h ep r o p e r t i e so fp ( q 一1 ) a n dp ( q 一3 ) a r ed i f f e r e n tb e c a u s et h es o l v e n t su s e di nt h ep o l y m e r i z a t i o n a r en o tt h e s a n l e i nt h ee x p e r i m e n t so fs o l i dp h a s ee x t r a c t i o no f q u i n i n ew i t ht h e i m p r i n t e dp o l y m e r s ，t h er e c o v e r yo fp ( q - 1 ) a r ef r o m7 3 7 t o8 7 2 c o m p a r i n g w i t h p ( q 一3 ) a tf r o m6 9 3 t o8 2 8 a n dt h ep o l y m e r sh a v e g o o ds t a b i l i t yt h a tp ( q - 1 ) k e e p s8 1 2 o f i t sf o r m e rs e l e c t i v e a b i l i t ya n d p ( q 一3 ) a b o u t7 9 7 a f t e ro n em o n t h k e y w o r d s ：m o l e c u l a r i m p r i n t i n g i m p r i n t e dp o l y m e r t e m p i a t e a d s o r p t i o ns e l e c t i v er e c o g n i t i o n 塑塑查兰些堂些三堂堕生旦些兰童些堡主兰竺笙茎一 奎宁印迹聚合物的合成及其分离性能研究 ( 摘要) 硕士生 指导教师 净莺央 徐伟箭教授 第一章绪论 介绍了分子印迹的基本原理、印迹聚合物的合成方法与性能测试方法及印迹聚合物在 分离、人工抗体、传感器和催化剂等领域的应用 第二章奎宁印迹聚合物的合成 以旺甲基丙烯酸为功能单俸、二甲基丙黼酸乙二醇为交联剂、偶氨二异丁腈为引发剂 在6 0 热引发条件下合成了四种以奎宁为模板的印迹聚合物：以模板与功能单律配比为 1 ：4 的p ( q 1 ) 与p ( q - 3 ) ，配比为1 ：6 的p ( q - 2 ) 和配比为l ：2 的p ( q - 4 ) 其中p ( q - 1 ) 、p ( q 。2 ) 与p ( q 4 ) 所用的反应溶剂为氯仿，p ( q 3 ) 的反应溶剂为乙腑同时合成出了四种作为对比 用的空白聚合物 第三章聚合条件讨论 详细地讨论了聚合反应的条件确定以a - 甲基丙烯酸为功能单体，二甲基丙烯酸z , - - - 醇为交联剂，模板与丁腈为引发剂，反应温度控制在6 0 ；反应溶剂选用氯仿与乙腈，其 用量为1 5 m l 第四章印迹聚合物的性能测试 利用奎宁在酸性溶液中具有较强荧光的性质，采用荧光分析法测试了印迹聚合物的吸 湖南大学化学化上学院应用化学专业硕士学位沦文 附及选择性能和化学组成相同的空白聚合物相比，p ( q - 1 ) 显示出了比p ( b - 1 ) 高的多的吸 附性和选择性识别能力，显示出了模板在聚合过程中的重要作用四种印迹聚合物均显示 出了对模板奎宁分子较强的吸附能力和选择性，并且由于聚合反应条件不同，四种聚合物 的性能也有一定的差别p ( q 一1 ) 与p ( q 一3 ) 的性能明显优于p ( q 一2 ) 和p ( q - 4 ) ，这主要是由于 模板与功能单体的配比不同而引起的由于氯仿的极性小于乙腈，对模板与功能单体之间 形成复合物的过程的影响也低于乙腈，使p ( q 1 ) 性能优于p ( q 一3 ) 利用印迹聚合物对奎宁 溶液进行固相萃取时，在奎宁浓度范围在0 5 2 0 m m 时，p ( q - 1 ) 的回收率为7 3 7 8 7 2 ， p ( q - 3 ) 的圃b g 移目6 9 3 8 2 8 所合成的印迹聚合物也具有良好的稳定性，在放置二周时， p ( q - 1 ) 的选择性降低了8 8 5 ，p ( q 3 ) n 下降了8 8 4 ，在一个月后，p ( q 1 ) 与p ( q 3 ) 分别 保持了其原来选拇牲的8 1 2 与7 9 7 ，完全可以满足一般实验的需要 第五章结论 利用分子印迹技术合成的印迹聚合物具有良好的吸附和选择性识别能力，并且具有良 好的固相萃取能力和稳定性，完全可以应用于生物样品中奎宁的富集与分离 参考文献( 略) 致谢( 略) 答辩时间：2 0 0 0 年1 月 第一章绪论 分子印迹技术是近些年来兴起的合成一种有固定孔穴大小和形状以及有确 定排列的功能基团的交联高聚物的研究方法。它主要是利用聚合物内部的孔穴 对模板分子的立体结构的“记忆”识别能力开展研究工作。德国的w u l f f 是这 方面工作的先驱之一，1 9 7 3 年他利用p a u l i n g 的设想f l j ，合成出了对糖类及氨 基酸衍生物有较高选择性的聚合物 2 1 ，发展了用于色谱手性拆分的分子印迹聚 合物。经过二十多年的发展，分子印迹技术得到了广泛的发展，在色谱分离、 传感器、人工抗体以及催化剂等众多的领域有着广阔的应用前景1 3 。 1 、分子印迹基本原理 分子印迹聚合物的合成一般要经过以下三个步骤：( 1 ) 模板与单体间产生 互补的相互作用，形成复合物：( 2 ) 加入交联剂，引发聚合反应，在模板分子 周围形成高度交联的聚合物；( 3 ) 利用化学或物理方法除去聚合物中的模板分 子，制得分子印迹聚合物。( 如图1 1 ) 根据单体与模板间形成复合物的作用力的不同，通常将分子印迹分为共价 作用型与非共价作用型。在共价作用型中，模扳与单体间发生可逆的共价作用 ( 如形成硼酸酯或希夫碱) ，聚合反应完成后将模板除去。利用这种方法已制 得对糖类及其衍生物1 2 1 1 , 1 2 】，氨基酸及其衍生物 i l l 4 、芳香酮 15 , 1 6 1 、二醛、 三醛、联辅酶1 9 j 以及甾醇类【2 0 】等物质有选择性的分子印迹聚合物。非共价作 用是用分子印迹制备具有选择性的聚合物的最简单的方法，把能发生非共价作 用的单体与模板和交联剂混合在一起，模板与单体就或多或少地生成有某种确 定关系的聚集体。目前已利用的非共价作用有：( 1 ) 静电作用、( 2 ) 氢键，( 3 ) n n 作用，( 4 ) 疏水范德华力作用，( 5 ) ( 过渡) 金属配基结合作用，( 6 ) 冠醚与离 子作用。利用非共价作用制得的聚合物对染料f 2 l 】、二胺【2 2 1 、维生素、氨基酸 及其衍生物【2 4 珈】、8 肾上腺素阻抑剂刚、茶碱f 3 2 , 3 3 1 、非甾醇类抗感染药物萘 普生1 3 4 】和苄脒等1 3 5 , 3 6 1 等物质有特殊的选择性。 表l l 中列出了常用的功能单体与交联剂。 最常用的单位为n 一甲基丙烯酸( m a a ) ，它可以与胺发生离子作用，也 可与酰胺、脲及羧酸发生氢键作用。而4 一乙烯吡啶，2 一乙烯基吡啶因可与模 板中的羧基发生强烈的离子作用而受到人们的重视。m o s b a c h 等1 2 8 1 在对含多官 能团化合物分子的印迹中同时采用了弱碱性的2 一乙烯基毗啶和具有酸性并能 产生氢键的m a a 两种单体，发现制得的印迹聚合物比只用一种单体所制得的 尊专喜 a ：非共价作用型 b ： 共价作用型 图1 - 1 分子印迹原理示意图 2 嚣i 产j ， 譬节 阜。节 6 表卜1常用的功能单体与交联剂 壁耋j 羔_ j 二塑一 共价型单体 含乙烯基官能团的硼酸与二醇 键合有含硼酸官能团的硅烷混合物的硅胶粒 键合有氨基的硅烷胶颗粒 非共价型单体 丙烯酸、a 一甲基丙烯酸、a 一甲基丙烯酸甲酯、对乙烯苯甲 酸、对乙基苯乙烯、亚甲基。t - - 酸、二丙烯酰胺一2 一甲基一1 一 丙磺酸、l 一乙烯基昧唑、4 一乙烯基毗啶、2 一乙烯基毗啶 交联剂 n ，n - 亚甲基二丙烯酰胺、n ，n 1 t4 - 亚苯基二丙烯酰胺、 二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯、n ，o 二丙烯酰- l - 苯丙 氨醇、三丙烯酸季戊四醇酯、三甲基丙烯酸丙三酯、四甲基 丙烯酸季戊四醇酯 聚合物对多官能团模板的选择性强的多。对同一种模板采用的不同性质的功能 单体，增加复合物非共价作用的种类和数量，将成为提高印迹聚合物对模板选 择性的一个有效途径。 2 、聚合方法 2 1 溶液本体聚合 在聚合反应前，将功能单体与模板溶于溶剂中，然后加入交联剂，待溶液 稳定后加入引发剂引发聚合反应。反应一段时间( 一般为2 4 h ，使聚合反应充 分) 后，取出聚合物，用研钵研碎，然后用极性溶液洗涤，洗脱模板物质。再 将印迹聚合物进行真空干燥，研磨、筛分至需要的粒径。 在上面的制各过程中，聚合反应后形成的是高度交联的网状聚合物，要进 行研磨、洗涤、干燥、筛分等后处理过程，一方面会造成印迹聚合物的损失， 另一方面，人工或机械研磨会造成粒径的分布不均，虽经过筛分仍存在一个较 大的粒径分布，对分析检测结果将造成一定的影响。m a t s u i 等以环已醇与十二 烷醇代替原先所用的溶剂氯仿或乙腈，改进聚合方法，将单体物质直接在不锈 钢色谱柱内进行聚合反应。得到的聚合物直接用液相色谱进行处理，成功地进 行了模板物质苯丙氨酰苯胺对映体的拆分肛”。 2 2 悬浮聚合 曾经有人以水为溶剂，进行悬浮聚合来合成印迹聚合物，但由于水的存在， 降低了模板与功能单体之间的氢键作用和离子效应，导致得到的聚合物虽然具 有较好的结构，但缺乏对模板的高效识别能力。 m a y e s 等人以常用的丙酮、甲苯、氯仿等溶剂，采用全氟化碳为分散剂来 进行悬浮聚合【3 7 】。由于分散剂的密度比较大，难以形成稳定的乳液，采用了几 种氟代表面活性剂，发现多氟代丙烯酸酯与聚乙二醇单甲酯的共聚物可以形成 稳定的乳液。在此基础上，他们考查了分散剂用量，搅拌速度和温度等因素对 得到的聚合物颗粒的影响。和本体聚合相比较，该方法得到的颗粒具有更高的 高效液相色谱拆分能力，并且允许较高的流过速度。 a n s e l l 等人则采用合成出的2 7 种聚合的全氟化碳表面活性剂为分散剂考查 不同的溶液对印迹聚合物的影响【3 8 1 。以氯仿和二氯甲烷为溶剂，每种分散剂都 可以得到令人满意的珠状颗粒，而不是不规则的聚合物聚集体。对于其它的溶 剂，如丙酮、甲醇、四氢呋喃等，只有个别的分散剂可以得到满意的结果。但 某些分散剂可以在热引发聚合反应的情况下得到性能依然较好的印迹聚合物， 突破了悬浮聚合法只能用紫外光照射方法引发聚合反应的限制。 2 3 两步溶胀法 在悬浮聚合中，由于形成乳液时液滴大小不一，在聚合反应后形成的珠状 颗粒中，依然存在直径很小的颗粒。为进一步优化颗粒直径，人们又采用了二 步溶胀的合成方法，即首先合成一种尺寸较统一的聚合物种粒，然后浸入含活 化剂、表面活性剂、聚合反应引发剂的乳液中进行第一步溶胀，之后再浸入含 交联剂、模板、成孔溶剂及乳液稳定剂的乳液中进行第二步溶胀。二步溶胀反 应完全之后再进行聚合反应。 h o s o y a 等人分别以悬浮聚合和二步溶胀两种方法制得印迹聚合物，比较发 现，二步溶胀法产率更高，并且制得的颗粒直径较单一，而相比之下的悬浮聚 合法得到的颗粒存在一个相当宽的粒径分布【3 9 j 。也就是说，以二步溶胀法制得 4 的颗粒装填的色谱柱效率和稳定性都要超过以悬浮聚合法制得的颗粒的填充 柱。在研究中，以萘二胺为模板合成出了尺寸单一的高效液相色谱固定相，发 现除甲基丙烯酸的作用外，交联的聚合物网状结构对模板分子也具有一定的“记 忆”功能，并且手性交联剂的使用可以增强聚合物的分子识别能力，这些主要 是由于识别空腔内的结构作用引起的1 4 。 2 4 电聚合方法 选取能够进行电聚合的物质为功能单体，在与模板物质形成复合物后进 行电聚合。这样，就可以在电极表面制得- - e p 迹聚合物膜，形成了一种新的化 学修饰电极。s p u r l o c k 等以吡咯为功能单体，合成了以嘌呤为模板的超薄过氧 化聚吡咯膜电极，用循环伏安法对电极进行表征时，表现出了对嘌呤的较高的 响应并且具有较好的稳定性【4 “。p a n a s y u k 等则利用原卟啉 i x - 甲酯为单体， 制得了以硝基苯为模板的化学修饰电极，尽管它的灵敏度较低( o 1 m ) ，但它 具有较高的选择性，甚至可以将硝基苯与邻硝基甲苯及间硝基苯胺区分开1 4 2 】。 3 印迹聚合物的性能测试 3 1 高效液相色谱分析 这是分子印迹中最常用的测试方法将筛分过的印迹聚合物装填入色谱 柱，用洗提液洗提，然后将模板分子溶液或模板分子与其它化合物的混合液注 射入色谱柱，由于聚合物内孔穴对各物质的选择性不同而使保留时间不同，可 以通过扫描仪所示的图像来确定印迹聚合物的性能。洗提液通常是乙腈、氯仿、 庚烷等的纯溶液或它们与冰乙酸的混合溶液。 3 2 电势测定法 这种方法是m o s b a c h 等利用流动电位原理提出的【2 4 1 ，当液体沿固体表面流 动时，会产生流动电位，液体浓度的变化将影响流动电位的大小。因此，根据 流动电位的变化，可以得知液体浓度的变化，在特定条件下就可以确定液相内 溶质与固相之间的亲合作用的大小。 将印迹聚合物装入流通池，用洗提液进行洗提，将模板溶液或混合溶液注 s 入流通池一端，由与流通池两端相连的电位计读数的变化来确定聚合物对模板 的性能。 3 3 荧光测试法 这是近些年来才出现的一种新方法。若模板物质溶液具有荧光性t 则可以 利用印迹聚合物浸泡前后溶液的荧光强度的变化来确定聚合物的性能4 3 郴1 。当合成 出的聚合物模具有荧光时，则可以利用模板物质对其荧光猝灭以及模板物质及其它 物质对印迹聚合物的猝灭的不同来确定聚合物的吸附性能及选择性【4 “。 4 印迹聚合物的应用 4 1 分离 4 1 1 高效液相色谱( h p l c ) 这是分子印迹研究较多的领域，特别是对手性物质对映体的拆分。分子印 迹利用对映体中的一种为模板合成聚合物，将聚合物颗粒装填入液相色谱柱， 用作色谱固定相，利用聚合物内形成的适配空腔对模板的选择作用进行对映体 的分离。已经研究的手性物质有氨基酸及其衍生物、糖类及其衍生物、医药、 农药、除草剂等多类物类，分离因子多在1 5 5 之间，具有相当的分离能力。 但是以这些聚合物为固定相的色谱柱效率很低，并且存在严重的拖尾现象，无 法在实际中应用。如何改进实验方法使它们走向实际，是分子印迹以后研究工 作的一个重点。 4 1 2 毛细管电泳( c e ) 毛细管电泳作为一种新型的分析方法，具有速度快、灵敏度高，进样量少， 再现性好、分离度高等特点，广泛地应用在生化分析、临床医学、环保、化学 等领域。将分子印迹同毛细管电泳结合，更加拓宽了毛细管电泳的应用范围。 n i l s s o n 等人首先证明了这种结合的可能性1 4 7 】。将毛细管用甲基丙烯酰三甲 氧基硅甲基丙醇处理，然后在毛细管内直接进行聚合反应。以戊脒为模板的毛 细管柱理论塔板数高达1 15 0 0 0 m ，并且对戊脒的作用能力在p h 2 4 范围内随 6 着p h 值升高而增强。 运用同样的方法，s c h w e i t z 等人实现了手性物质的分离。他们以b 一肾 上腺素阻断剂萘心安、甲氧乙心安为模板，制取印迹聚合物毛细管柱，在1 2 0 秒内实现了手性分离，显示了毛细管电泳速度快的特点，并且毛细管柱也具有 良好的稳定性，在室温下保存1 2 周性能变化不大。 j i n m i n 2l i n 等人将毛细管内壁进行处理，添加上乙烯基基团，然后在毛 细管内进行聚合反应，使聚合物与毛细管柱通过化学键联接在一起，实现了模 板苯丙氨酰基胺对映体的拆分【4 吼。也有采用毛细管装填柱的方法，同样实现了 对映体的拆分。 4 1 3 薄层谱( t l c ) k r i z 等人将精细研磨的印迹聚合物粉末与粘合剂混合后均匀铺展在玻片 上，制取了薄层板，在对手性氨基酸衍生物的测试中，多数对映体发生了分离 p ，证明了分子印迹聚合物用于薄层谱分析的可能性。但是，在玻片上出现的 样品斑不是圆点状，而是片状，难以精确计算r f 值。但是t l c 具有操作简单 和可同时多样本测定的优点，如果采用新的分子印迹方法解决键合点分布不均 的问题，印迹聚合物的手性t l c 仍然是一个具有发展前途的方法。 4 2 人工抗体 4 2 1 结合测定 由于印迹聚合物具有对预定分子结构的特殊识别能力，近些年来，人们开 始研究以印迹聚合物作为测试中选择性结合材料的可能性。 v l a t a k i s 等人以茶叶碱为模板，合成出聚合物进行结合测定来定量分析人 体血清中的茶叶碱，分析结果与多酶免疫测定一致【3 2 1 。虽然在进行放射性配位 结合测定时需要对样本进行预提取，速度也没有多酶免疫测定迅速，但它强有 力地证明了以印迹聚合物作为结合材料的可能性。 同样，以糖苷、吗啡和萘心安为模板的印迹聚合物也都显示了对各自模板 的高亲合性和选择性。由于结合测定在有机溶剂中进行，样品的有机溶剂提取 成为样品准备过程的一个步骤，不需要再将样品转移入水溶液，简化了样品准 7 备过程。 近期研究发现，以吗啡、萘心安为模板的印迹聚合物可在水溶液中选择结 合它们的模板，为印迹聚合物进行抗体仿生提供了广阔的前景。 4 2 2 选择提取 印迹聚合物的高亲合能力与高选择性显示它们可以在其它分析方法之前对 样品进行抽提、浓缩。s e l l e r g r e n 将印迹聚合物用于固相抽提柱，成功地从尿液 中提取出戊脒，可以在提取液中直接对药物进行定量分析( 5 l 】。以萘心安为模板 的聚合物也被用于从血清、尿液、胆汁中提取萘心安，回收率也很高【5 “。但一 些相关或不相关的物质也被提取出来，可以通过对固相提取管进行洗涤或对提 取进行优化，提高对萘心安的选择性。以莠去津为模板的印迹聚合物则用于吸 收牛肝的有机提取物，增进了后续的莠去津的高效液相色谱分析和联酶免疫吸 收测定53 1 。经过印迹聚合物对原有机提取物的固相提取，提高了分析的准确 度，降低了检测极限。 4 3 传感器 近些年来，由于生物传感器的发现，极大地扩展了传感器的应用领域，但 生物物质在恶劣条件下失活，使生物传感器的推广受到阻碍。如何制得在恶劣 条件下仍保持高选择性能的传感器成为研究的一个热点。 由于印迹聚合物具有高选择性和亲合能力，具有作为传感器识别体系的能 力，近些年来，出现了一些印迹聚合物传感器。 h e d b o r y 等人以苯丙氨酰苯胺印迹聚合物薄片作场效应电容器的敏感膜， 当电容器浸入模板的乙醇溶液时，电容器电容下降，可以根据电容器的变化来 测出溶液中的模板物质浓度。 k r i z 与m o s b a c h 则将吗啡印迹聚合物包裹于空白电极周围的琼脂层中，制 成间接的电化学传感器【5 5 】。将电极浸入吗啡溶液中直至获得一恒定电流，然后 加入可待因，它将置换已结合在电极上的吗啡，形成一个与原吗啡浓度相关的 电流峰。由于扩散缓慢以及结合动力学等原因，传感器响应缓慢，但它可以抵 抗恶劣的物理或化学处理。 k r i z 等人还以荧光物质为模板合成印迹聚合物，并将聚合物粒子装入光纤 纤维束顶端的网内，制成了光纤传感器【5 6 】。荧光强度的数值，即传感器的响应 取决于模板物质的浓度。同样，这种传感器的响应时间也很长。自身发荧光的 物质可以采用这种方法直接进行测量。用无荧光物质取代荧光物质造成荧光强 度发生变化，也是一种很好的测量方法。但这需要对系统进行更加精细的制作， 避免一些可能发生的不必要的反应而影响分析的准确度。 4 4 催化剂 分子印迹的另一个重要的研究领域便是开发新型的催化剂。它可以以化学 反应过渡态活性中间体类似物为模板在聚合物内形成可以降低化学反应活化能 的结合部位，也可以通过预先的安排，合成出具有结构类似于酶催化活性中心 的空穴。 w u l f f 等人以酯水解反应活性中间体单膦酯为模板合成出印迹聚合物，催 化酯的水解反应，反应速率比溶液中高出几十倍，在p h 7 6 可高达一百多倍， 这是屹今为止运用印迹聚合物时酯水解速度最快的一例5 。由于苯环上取代基 的不同，造成了空腔体内部微观结构的不同，制得的聚合物对自身的基质有较 强的催化作用，表现出了较好的催化选择性。 m a t s u i 等人以钴( i i ) 和二苯甲酰甲烷的络合物为模板，合成出于具有催 化活性的的4 一乙烯基吡啶一苯乙烯一苯二乙烯共聚物【5 8 j 。该聚合物可以选择性 催化苯乙酮与苯甲醛合成查耳酮的反应，反应速率提高八倍( 和溶液反应相 比) 。同时，它还可以抵抗恶劣的反应条件，在二甲基甲酰胺中，1 0 0 温度下 放置几周，催化活性仍可保持8 0 9 5 。 s a n t o r a 等人则利用钛络合物为模板合成出了路易斯酸型印迹聚合物，催化 狄尔斯一阿尔德反应，对环己二烯与n 丙烯酰2 一嗯唑烷酮的双烯合成反应具有 加速作用1 5 9 j 。 第二章奎宁印迹聚合物的合成 l 奎宁的性质 奎宁是由茜草科植物金鸡纳( c i n o h o n a ) 树 皮中提取的一种主要生物碱，与另一种生物碱 奎尼丁互为对映体。化学名为6 一甲氧基一a ( 5 - 乙烯基2 一奎宁环基) - 4 羟甲基喹啉甲醇 6 _ 6 m e t h o x y - a ( 5 - v i n y l 一2 - q u i n u c l i d i n y l ) - 4 q u i n o l i n e m e t h a n o l l ，分子结构如图2 1 。微小结晶状 粉末，无水物熔点约为1 7 4 c ，微溶于水， c h 3 0 图2 1奎宁的分子结构式 溶于乙醇，用水饱和的乙醚和氯仿。它具有较强的抗疟疾作用，用以疟疾的治 疗，是耐氯喹疟原虫感染而引发的疾病的首选用药1 6 ”“j 。 在酸性溶液中，奎宁在紫外光的照射下会发生明亮的蓝色荧光，但在碱性 溶液中荧光消失，因而它可以作中和滴定的指示剂。另外，奎宁的荧光受氯离 子的影响很大，在0 i mh c i 溶液中不发生荧光，在稀硫酸溶液中荧光强度则 很大，含量虽低至l n g m l 。还可以检出，在稀硫酸溶液中奎宁的荧光光谱图 如图2 2 ，由图可知，它的激发峰在3 1 5 和3 5 0 r a n ，荧光峰在4 5 0 1 1 1 1 1 【6 3 】。 图2 - 2奎宁的荧光光谱图 在奎宁的分离分析方法中，经常采用的有高效液相色谱法阶6 6 1 ，薄层谱法 6 7 - 6 8 。在本实验中，采用分子印迹技术，以奎宁为模板，合成印迹聚合物，探 索一种简单的奎宁的分离分析方法。 2 试剂及仪器 2 1 试剂 奎宁 液溴 a 甲基丙烯酸 二甲基丙烯酸乙二醇酯 氯仿 偶氮二异丁腈 乙醇 乙腈 2 2 仪器 8 0 1 型超级恒温器 厚壁试管 真空干燥箱 3 2 5 目不锈钢分样筛 生化试剂 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 化学纯 分析纯 分析纯 上海试剂二厂 上海试剂一厂 北京化工厂 苏州安利化工厂 湖南师大化学试剂厂 上海试剂四厂 湖南师大化学试剂厂 上海化学试剂站中心化工厂 重庆试验设备厂 大连第四仪器厂 上海市道墟宝塔纱筛厂 3 聚合物的合成 实验选用q 一甲基丙烯酸( m a a ) 为功能单体，二甲基丙烯酸乙二醇酯 ( e g d m a ) 为交联剂，偶氮二异丁腈( a i b n ) 为引发剂在6 0 热引发聚合来合成 以奎宁为模板的印迹聚合物( 示意图如图2 3 ) 。 制备以奎宁为模板的印迹聚合物时，各种物质的量见表2 1 。 以印迹聚合物p ( q - 1 ) 为例，合成过程如下：称取3 2 4 4 m g 奎宁溶于1 5 m l 氯仿中，在溶液中缓慢滴加o 0 5 1 m l 液溴，待溶液稳定后依次加入0 3 4 m l m a a ，3 7 6 m le g d m a ，混合均匀后加入4 0 m g a i b n ，溶解完全后通氮气1 0 分钟排除氧气，真空状态下密封，移入6 0 c 恒温槽中加热，引发聚合反应。2 4 小时后取出块状聚合物，研磨后用3 2 5 目分样筛乙醇湿筛后用乙醇洗涤，直至 洗出液检测不出奎宁溴化物为止。然后将颗粒放入4 0 c 真空燥箱烘干，备用。 空白聚合物p ( b 一1 ) 按同样的方法进行制备。 虬c h 3 0 c h 2 。e c 0 0 h c h 3 c c h 2 。 r e b i n d i n g b r j i i p o l y m c r i z a t i o n l 图2 - 3 奎宁印迹聚合物合成示意图 u c嘶i p一 ，w 0 表2 1合成奎宁印迹聚合物各物质的量 鏊盒塑奎主( 巴盟选i 里1 2 塑垒垒f 堡1 21 鱼旦m 垒f 里1 2 垒! 垒堕( 巴世 堕童9 p ( q 1 1 3 2 4 40 0 5l 0 3 437 64 0氯仿1 5 m l p ( b 1 、0 0o3 437 64 0氯仿1 5 m l p ( q 2 、 3 2 4 40 0 5 l0 5 1 5 6 46 0氯仿1 5 m l p ( b 2 1 000 5 15 6 46 0氯仿1 5 m l p ( q 3 、 3 2 4 4o 0 510 3 43 7 64 0乙腈15 m l p ( b 3 ) 0 0o 3 43 7 64 0乙腈1 5 m l p ( q 4 1 3 2 4 40 0 5 10 1 71 9 82 0氯仿1 5 m l p ( b 4 1 000 1 71 9 82 0氯仿1 5 m l 1 3 第三章聚合条件讨论 1 溴的加入 在奎宁的分子结构图( 图2 一1 ) 中可以看出，奎宁分子中存在一个乙烯基团， 如果不对它进行破坏，在聚合过程中，它可能会与聚合体系中的a - 甲基丙烯酸 或二甲基丙烯酸乙二醇酯进行共聚合而使模板奎宁分子以共价键形式固定在聚 合物上【6 9 , 7 0 】，无法进行洗脱，因而也无法形成官能团位置与形状均与奎宁分子 相配合的空腔。实验中预先用等物质的量的液溴与奎宁的反应，破坏其碳碳双 键，然后再加入功能单体与交联剂，进行聚合反应。 2 单体的选择 在制备印迹聚合物的过程中，一方面要求功能单体与模板之间的结合要尽 可能强，这样才能在聚合过程中能牢牢地把模板固定住，在交联时才能把功能 基团按确定的空间位置排列；另方面，则要求在生成聚合物后模板要尽可能 地完全除去，并且，功能基团能很好地与要结合的底物( 例如模板化合物) 有 良好的相互作用，这一过程还要尽可能快速和可逆性好以满足用于色谱分离和 催化的需要。前者希望功能单体与模板的结合作用有较高的活化能，面后者则 要求尽可能低的活化能。 当功能单体与模扳以共价作用相结合时，在聚合时可以把功能单体在空间 上准确地固定下来，并且具有很好的专一性，因此说共价作用的方法应能产生 最好的模板聚合物。但对于要求快速结合的过程( 如色谱) ，共价键的生成是 不利的，因而限制了聚合物与模板分子或模板类似物分子的重新结合。离子作 用与疏水作用虽然能够实现快速结合的要求，但由于它们可作用于大范围的化 合物而使专一性较差。利用氢键作用在很多种情况下提供了一个很好的折衷方 案，一方面它可以达到快速结合的目的，另一方面，它可以通过多重相互作用 提供专一性很高的结合作用。 在实验中，我们选用n - 甲基丙烯酸为功能单体，它可以和奎宁以氢键作用 1 4 的方式形成复合物，并且这也是最容易得到的功能单体。 对交联剂而言，一方面要求它的分子链有一定的柔性，以使产生的孔穴有 良好的可近性，而且能够快速达到结合平衡，另一方面又要求分子链不能太柔 而使孔穴具有足够的稳定性。这两者必须同时兼顾。二甲基丙烯酸乙二醇酯是 适宜分子印迹的一种交联剂，它的分子链具有适当的柔性，并且既使较高含量 的二甲基丙烯酸乙二醇酯所得的印迹聚合物也有很好的热和机械性能。用这种 材料制成的色谱柱既使在8 0 0 ，6 1 0 m p a 下连续使用数月其选择性也没有降低 p s i ，而用二乙烯基苯交联的聚合物在7 0 ( 2 时使用稍长时间则会使选择性降低 1 5 9 1 。 3 单体与模板的配比 在n 一甲基丙烯酸与奎宁以氢键相互作用时，为了使模板分子尽可能地形成 复合物，及确保在聚合过程中有尽可能多的氢键作用，功能单体c t 甲基丙烯酸 必须大大过量，s e l l e r g r e n 等人提出，在溶液中功能单体与模板物质的比例至少 应该为4 ：1 ( 2 9 1 。但功能单体的量也不能太多，否则将有相当多的功能基团无规 地分布在聚合物中，而使印迹聚合物的非特异性吸附增大而降低了聚合物的选 择性。下面采用数学建模的方法对这一问题进行分析。 假设模板分子t 可以同时与两个功能单体m 发生作用生成复合物，两个相 互作用的强度相同并且两个平衡相互独立。于是混合体系中的平衡可由下列式 子表述： t + m = t m( 1 ) 和 t m + m = m t m ( 2 ) 其中 k l = t m j t 【m 】 ( 3 ) k 2 = m t m i t m 】【m 】 ( 4 ) 此处k l 、k 2 分别为模板分子与一个及两个功能单体形成复合物时的平衡 l5 方程式( 1 ) 、( 2 ) 的平衡常数。 t 、【m 、 t m 、 m t m 】为混合溶液体系达平衡时 模板、功能单体、模板单配体复合物及模板二配体复合物的浓度。将( 3 ) 与( 4 ) 合并，在混合物溶液中模板二配体复合物的浓度可表示为 m t m = k i k 2 【t 【m r ( 5 ) 再假设两个平衡方程式的平衡常数相等，即k i = k 2 = k ，则 m t m = k 2 【t m 2 ( 6 ) 由上述式子，当给定模板分子初始浓度【t o 】时，就可以计算出对于不同的 平衡常数值k 时，t m 及m t m 的平衡浓度以及t 、m 的剩余浓度。由于在印 迹聚合物的合成过程中，模板物质的浓度一般在0 0 1 m 与0 i m 之间，因此在 运用计算机进行模拟时将模板初始浓度 t o 】设置为0 0 1 m 及0 1 m 。计算结果如 图3 - 1 。( 计算机计算程序见附录) 。 由图可以看出，在单体与模板初始浓度的比值 m o t o 较小的时候，二配 体复合物m t m 的浓度比较低，但在化学计量比附近迅速升高，这主要是由于 在功能单体量比较少时也就是在模板物质大大过量时，模板与功能单体趋向于 生成单配体复合物t m 而不是二配体复合物m t m 。随着 m o t o 的增加，m t m 的浓度也逐步升高，但升高的趋势逐渐变慢且增加的量与平衡常数k 和模板物 质起始浓度 t 0 】都有关系。当单体与模板初始浓度的比值 m o t o 由2 ：1 增大到 4 5 ：1 时，在k = 1 0 0 m 。时，模板二配体复合物浓度 m t m 增加了3 2 6 ，而 k = 1 0 m 。时，则增加了1 0 3 6 。另外，模板物质的初始浓度 t o 对整个平衡过 程也很重要。在相同的【m o 】【t 0 】时，当 t 0 】由o 1m 降为0 0 1 m 时， m t m 对【t 】 的比值由1 0 8 2 降低到了0 9 7 。这表明，如果可以得到的模板物质的量比较少 时，合成少量的较高容量的聚合物比合成大量的低容量聚合物要好得多。 由于在实验过程中增加功能单体的量的目的是为了在聚合过程中产生尽可能多 的结合作用，也就是说使尽可能多的模板物质生成二配体复合物，因此将在不同的平 衡常数k 值下，在不同的功能单体与模板物质初始浓度比值【m o i i t o 】时生成 围3 1聚合前各物质平衡浓度 7 【t o l = ol m k = 1 0 0 m “ 口j 】= 0 l m k = i o m o 【t o 】_ 0 o | m k = i o o m 。 t m 】 t m 【m t m 二配体复合物m t m 的百分数对 m o 】， t o 】做图( 如图3 - 2 ) 。由图可以知道，当 k 值较大时，在化学计量比时已有大量的模板分子生成了二配体复合物，在 k ：1 0 0 0m 。1 及k = 1 0 0m 1 时分别有9 0 6 与7 2 5 的模板物质生成y - - 配体复 合物。k 值低时生成二配体复合物的量则很少，在k = 1 0 m 。1 时生成复合物的百 分数为3 3 4 。在初始浓度比【m o 【t o 】为4 ：1 时，既使在k = 1 0m 。时生成复合 物的百分数也达到了6 3 5 。 图3 2 不同 蝴 t o 时生成m t m 复合物的百分数 一k = 1 0 0 0 m “ - 一k = 1 0 0 m “ 一k = i o m 在印迹聚合物的合成过程中，一甲基丙烯酸与奎宁以氢键作用的形式形成 复合物，由于氢键的键能一般在4 0 k j m o l 以下，难以形成平衡常数k 很大的复 合物，由以上分析，在实验过程中，主要选用功能单体与模板物质的比值为 4 ：1 ，一方面尽可能使模板物质尽可能多地以复合物形式存在，另一方面，又兼 顾过量的单体对印迹聚合物选择性的影响。在合成奎宁印迹聚合物同时选用单 体与模板物质浓度比值为2 ：1 及6 ：1 ，则是为了对理论分析结果进行验证。 对于交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，当它的量比较少时，无法满足稳定聚 莓五：卜罩葛m6eic2l 合物内部孔穴的要求，而当它的量增多时，增加了聚合物的交联度，虽然提高 了聚合物的硬度，但是却降低了聚合物在良溶剂内的溶胀度，使传质变得困难， 另方面，在合成过程中，由于