（化学工艺专业论文）分子印迹膜分离水溶液中苯丙氨酸异构体研究.pdf

摘要 手性物质的拆分具有非常重要的理论与应用价值，但也具有很大的难度，结 合分子印迹技术与膜分离技术的分子印迹膜有可能成为手性物质的识别与分离 的新介质。本研究首先制备出新型的分子印迹膜，并实现了水相中手性氨基酸的 高效拆分。 本文以l 苯丙氨酸( l p i l e ) 为印迹分子，选取富含羟基和氨基的多功能团 聚合物壳聚糖( c s ) 为基本成膜材料，通过相转化法结合碱液处理与硫酸交联两种 后处理方式制备了l - p h e 分子印迹c s 膜，采用红外光谱( f t - i r ) 、扫描电镜 ( s e m ) 对膜的组成和结构进行了表征，考察了热处理温度、印迹分子含量及原 料液中乙醇浓度等对膜用于水溶液中l ，d p h e 的拆分时手性分离能力的影响； 采用溶胶凝胶法制备了l - p h e 分子印迹壳聚糖正硅酸乙酯( c s ，r e o s ) 杂 化膜，采用f t - i r 、s e m 对膜的组成和结构进行了表征，考察了热处理温度、t e o s 含量等对膜手性拆分性能的影响； 采用溶胶凝胶法制备了l - p h e 分子印迹壳聚糖y 一缩水甘油醚基丙基三甲 氧基硅烷( c s g p t m s ) 杂化膜，通过f t - i r 、s e m 、能谱分析( e d x ) 、2 9 s i 固体核磁( ”s in m r ) 、x - 射线衍射( x r d ) 、热重分析( t g ) 等多种手段对膜 的组成、结构与热稳定性进行了表征；采用静态吸附法对膜的结合容量与吸附选 择性进行了测定；并考察了热处理温度，反应时间、g p t m s 含量及原料液浓度 等对膜手性拆分性能的影响。结果表明，同空白膜相比，分子印迹c s g p t m s 杂化膜对印迹分子的特异性吸附能力明显提高，印迹分子在印迹膜内的传递符合 “优先吸附、延迟扩散”机理，分子印迹c s g p t m s 杂化膜的分离因子可达到 4 5 ，较好的实现了水相中的l ，d 一苯丙氨酸拆分。 关键词：分子印迹壳聚糖有机一无机杂化膜手性拆分l , d 一苯丙氨酸 a b s t r a c t o p t i c a lr e s o l u t i o ni so fo b v i o u si m p o r t a n c ei nb o t ht h e o r ya n dr e a l i t y , a n do f g r e a tc h a l l e n g e 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 s ( m i m s ) ，w h i c hc o m b i n et h e a d v a n t a g e s o fm o l e c u l a ri m p r i n t i n ga n dm e m b r a n et e c h n o l o g y , w i l lp o t e n t i a l l y b e c x l m en o v e ls e p a r a t i o nm e d i af o rt h er e c o g n i t i o na n ds e p a r a t i o no f c h i r a ls u b s t a n c o s i nt h i sw o r k , n o v e lm i m sw e r ep r e p a r e da n de f f i c i e n ts e p a r a t i o no fl ，d a m i n oa c i d s i na q u e o u ss o l u t i o nw a sr e a l i z e d m i sw e r ep r e p a r e du s i n gl p h e n y l a l a n i n e - p h e ) a st e m p l a t e ，c h i t o s a n ( c s ) w i t hl a r g en u m b e r so fa m i n eg r o u p sa n dh y d r o x y lg r o u p sa sam u l t i f u n c t i o n a l p o l y m e ra n db u l km e m b r a n em a t r i x f i r s t l y , m o l e c u l a r l yi m p r i n t e da n dc o n t r o lc s m e m b r a n e sw e l ep r e p a r e db yp h a s ec o n v e r s i o nm e t h o dt o g e t h e rw i t ha q u e o u sa l k a l i o rs u l f u r i ca c i dt r e a t m e n t t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo f t h e c sm e m b r a n e sw e r eo b t a i n e db yf t - i ra n ds e m t h ee f f e c to fh e a t - t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e ，t e m p l a t ec o n t e n ta n de t h a n o lc o n c e n t r a t i o ni nf e e do nt h ea b i l i t yo f m e m b r a n e sf o rc h i r a lr e s o l u t i o no f d ，l p h ea q u e o u sm i x t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , l p h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e da n dc o n t r o lc h i t o s a n t e t r a e t h o x y o r t h o - s i l a n er c s t e o s ) h y b r i dm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e db yas i m p l es o l g e lp r o c e s si n a q u e o u ss y s t e m 。t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fc s t e o s h y b r i dm e m b r a n e sw e r eo b t a i n e db yf t - i ra n ds e m t h ee f f e c t so fh e a t - t r e a t m e n t t e m p e r a t u r ea n dt e o sc o n t e n to nt h ec h i r a lr e s o l u t i o na b i l i t yo f t h em e m b r a n e sw e r e i n v e s t i g a t e d f i n a l l y , l p h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e da n dc o n t r o lc h i t o s a r dy - 垂y c i d o x y p r o p y l - t r i r n e t h o x y s i l a n er c s g p t m s ) h y b r i dm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e db yas i m i l a rs o l g e l p r o c e s sa s a b o v e - m e n t i o n e d t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n , p h y s i c a ls t r u c t u r ea n d t h e r m a ls t a b i l i t yo ft h eh y b r i dm e m b r a n e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r , s e m ，e d x 2 s in m r , x r da n dt g ；t h eb i n d i n gc a p a c i t ya n ds e l e c t i v i t yo f t h em e m b r a n e sw e r e o b t a i n e db yb i n d i n ge x p e r i m e n t s 1 1 l ee f f e c t so fr e a c t i o nt i m e h e a t - t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e g p t m sc o n t e n ta n df e e dc o n c e n t r a t i o no nt h ec h i r a lr e s o l u t i o na b i l i t yo f t h em e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d c s g p t m sh y b r i dm e m b r a n e ss h o w e di m p r o v e ds p e c i f i ca d s o r p t i o ns e l e c t i v i t y t o w a r d st e m p l a t e s c o m p a r e d w i t hc o n t r o lm e m b r a n e s t h et r a n s p o r to fl - p h e n y l a n a l i n et h r o u g hm i m sf i tt h em e c h a n i s mo f p r e f e r e n t i a ls o r p t i o n ，r e t a r d e d p o l t f l e a l i o n t h em a x i m u ms e p a r a t i o nf a c t o ra c h i e v e di nt h i ss t u d yw a ga b o u t4 5 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 ，e h i t o s a n ，o r g a n i c - i n o r g a r l i ch y b r i dm e m b r a n e s ， e h i r a lr e s o l u t i o n , l ，d - p h e n y l a n a l i n e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘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了谢意。 学位论文作者签名嗡应饭签字日期御彳年2 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：珈6 年 导师签名： 签字日期：力弦多年z 月叫日 前言 前言 手性是自然界的普遍特征，构成生命活动基础的大分子如蛋白质、多糖、核 酸等几乎全是手性的，人工合成产品如医药等也存在大量的手性物质，它们的理 化性质相似，但生物活性却往往有很大差别，因此，手性物质的拆分具有非常重 要的理论与现实意义。由于手性物质的分子式完全相同，物理化学性质极其相似， 手性物质的分离难度很大，手性物质的拆分曾被认为是化合物分离领域最困难的 工作之一。当前，用于手性物质拆分的方法主要包括直接结晶拆分法、化学拆分 法、酶拆分法、萃取拆分法、色谱拆分法、膜拆分法等。 分子印迹技术是制备具有特定选择性和亲和能力的分子识别材料的新兴技 术，并以其构效预定性、特异识别性和广泛实用性三大显著特点在色谱分离、固 相萃取、仿生传感、膜分离等诸多领域显示出良好的发展与应用前景。对手性物 质进行拆分一直是分子印迹技术研究中最为活跃的领域，有关分子印迹技术的文 献5 0 以上都涉及手性物质的识别和分离。另一方面，膜分离技术因其高效、 节能、操作简单、易于放大等诸多优点，已成为重要的新型分离技术，发展迅速 且应用越来越广泛。结合了分子印迹技术和膜技术的分子印迹膜的研究属于当今 分子印迹和膜分离领域的前沿课题，己在分离、分析、传感等领域显示出良好的 开发和应用前景。 氨基酸是构成蛋白质等生物大分子的基本成分，大多具有手性异构体。目前， 国内外关于手性氨基酸类物质拆分的分子印迹技术的文献报道大多是采用对氨 基酸先衍生后印迹的方法，制备过程繁琐。这是由于氨基酸属于两性离子，在有 机溶剂中溶解度很低，而目前分子印迹技术多局限于非水体系造成的。事实上， 天然的分子识别系统大都是在水性环境中进行的，对于包括氨基酸在内的生物分 子而言，在有机溶剂中印迹和识别除了溶解度问题外，还存在失活等问题，因而 开发用于水相印迹与识别的分子印迹技术显得极为迫切。到目前为止，已经有了 一些这方面的研究工作的开展与报道，但效果却往往不令人满意。作为分离领域 重要的研究方向之一，分子印迹膜在手性拆分方面包括水性体系手性拆分取得了 一些进展，但由于受膜材料的限锘n 在对手性氨基酸类物质的拆分上，仍存在需 要衍生印迹、分离因子较低等问题。 本研究主要针对上述问题，旨在研制出新型高效的分子印迹膜，实现水相且 无需衍生的手性氨基酸的分子印迹和分离。 第一章文献综述 1 1 手性物质的分离 1 1 1 手性物质及其特点 第一章文献综述 分子结构互为镜像但是又不能互相重合的两个化合物称为对映体，它们间彼 此不能重合的性质称为手性。手性分子由于具有不对称性而普遍表现出旋光性， 即能将入射偏振光平面旋转一定的角度。两个对映体的等物质的量的混合物则叫 做外消旋体或混旋体。 在自然界中，手性是一种普遍现象，构成生命活动基础的大分子如蛋白质、 多糖、核酸等几乎全是手性的。人工合成产品中也存在大量的手性物质，特别是 在食品和医药领域。它们的分子式完全相同，只是原子或原子团在空间的取向不 同，在非手性环境中，其物理和化学性质大都相同，但生物活性如药效和药物动 力学却有很大的差别。例如，很多情况下，含手性因素的化学药物对映体在人体 内的药理活性、代谢过程及毒性存在着明显的差异，往往只有一个对映体能很好 地发挥预期的药理作用，另一个对映体则活性很低或没有活性，甚至活性相反或 引起严重的副作用。据统计，现有药物中，有6 0 以上具有一个或多个手性中心。 手性物质，特别是手性药物在性能( 药效) 上的差异促使人们对单一异构体的需 求越来越迫切。1 9 9 2 年，美国食品与药物管理局规定，今后在新药的使用说明 中必须明确量化每种对映异构体的药效作用和毒理作用，并且当新药的两种对映 异构体有明显的药效和毒理作用差异时，必须以光学纯的药品形式上市。因而， 基于手性物质尤其是手性药物的有效性和安全性，对手性物质进行拆分得到纯的 光学异构体具有十分重要的意义，寻找和发展更加准确可靠的手性拆分方法己成 为当今的重要前沿课题。 1 1 2 手。眭物质的分离方法简介 由于手性物质的物理化学性质极其相似，手性物质的分离难度很大，手性物 质的拆分曾被认为是化合物分离领域最困难的工作之一。目前，单一异构体物质 的获得除了通过天然来源、手性源合成及不对称合成外，主要是通过对外消旋体 进行拆分得到的。当前，用于外消旋体拆分的方法主要包括：直接结晶拆分法、 化学拆分法、酶拆分法、萃取拆分法、色谱拆分法、膜拆分法等【l 一1 。 2 第一章文献综述 1 1 2 1 直接结晶拆分法 直接结晶拆分法是最早被使用的拆分方法，包括晶体机械拆分法、手性溶剂 结晶法和接种晶体析解法。前两种由于效率低下及适用范围狭窄，实际应用很少； 第三种是目前应用比较广泛的拆分方法，主要是利用化合物的消旋异构体在一定 温度下较外消旋体的溶解度小、易析出的性质，在外消旋体的热饱和溶液中加入 某一种旋光异构体作为晶种，适当冷却，诱使与晶种相同的异构体先行析出，交 替的加入两种对映体晶种，从而达到分离的目的。这种结晶拆分法工艺简单，成 本较低且效果较好，因此是较理想的大规模拆分方法，目前已经应用在大规模生 产氯霉素、薄荷糖及甲基多巴等手性药物上，但在生产过程中为了使外消旋混合 物饱和，通常只能间歇生产，另外拆分过程中容易产生夹带析出现象，因而不能 很好的保证光学纯度。 1 1 2 2 化学拆分法 化学拆分法是广泛使用的一种方法，包括经典成盐拆分法、包结拆分法、组 合拆分法等。 经典成盐拆分法是利用手性试剂将外消旋体中的两种对映体衍生转化为非 对映异构体，再利用其物化性质的差异进行分离，最后将衍生物还原为纯对映体。 该方法收率较低，拆分介质和条件确定费时、消耗大，且在拆分的化合物类型上 多限于酸、碱类物质，具有很大局限性。 近年来，随着主一客体化学的深入研究而发展起来的包结拆分和组合拆分等 新型手性拆分技术，在一定程度上解决了经典成盐拆分方法的不足。包结拆分是 8 0 年代由日本化学家t 0 d a 教授发明的。此法主要利用主一客体分子之间存在很 强的分子识别作用，而使得手性化合物通过氢键及分子间次级键作用选择性地与 某一个对映异构体形成稳定的包结络合物而析出，从而实现对映体的分离，再通 过柱、溶剂交换及逐级蒸馏等手段实现主、客体分离及包结物的循环使用。包结 拆分具有操作简单、成本低、拆分效率高、易于规模生产和适用条件广泛等优点。 组合拆分法是由w y n b e r g 等首次应用的。他们发现，某些由芳香环取代的衍生 物组成的拆分剂能以接近1 0 0 的选择性与几乎所有试验的消旋体迅速地形成非 对映体的结晶。这两种方法均有良好的工业应用前景。 1 1 2 3 酶拆分法 近年来，利用酶的高度立体选择性进行外消旋体的拆分己成为制备手性药物 的重要途径。由于酶本身就是一个手性催化剂，它对底物的构型往往有严格的要 求，能选择性的作用于一种对映异构体而对另外的异构体则不起作用，从而起到 拆分的作用。由于酶法拆分的效率高、选择性高、反应条件也较为温和，且酶无 第一章文献综述 毒，易降解，不会造成环境污染，使酶法拆分外消旋体成为理想的选择，具有很 好的应用前景。但酶易失活的缺点仍是目前阻碍其实际应用的主要瓶颈。 1 1 2 4 萃取拆分法 萃取拆分法是利用萃取剂与拆分物中两对映体亲合作用力的差异或化学作 用的差异来进行拆分的一种方法。除待拆分的外消旋体外，两互相接触的液相至 少有一相含有旋光性的手性选择体。萃取过程中，手性选择体依靠极化、诱导、 氢键等多种分子之间作用力或配位键与对映体生成两种非对映体，这两种非对映 体具有不同的化学和物理特性，从而实现对映异构体的拆分。萃取拆分法对于各 种外消旋体的拆分，尤其是水溶性外消旋体的拆分，分离体系的选择有一定的规 律可循，且适用范围也较宽，有望成为连续、高效、廉价的大规模拆分方法。关 键问题是选择合适的拆分体系，开发选择性较高的拆分剂。 1 1 2 5 色谱拆分法 色谱拆分法是近年来发展较快的一种手性分离方法，待分离对映体通过与手 性色谱中的手性选择器( 可以是手性固定相或手性选择剂) 可逆地形成稳定程度 不同的一对非对映分子复合体，其色谱保留值不同，从而实现手性拆分。从2 0 世纪8 0 年代开始，包括气相色谱( g c ) 、液相色谱( h p l c ) 、超l 临界色谱( s f c ) 、 毛细管电泳( c e ) 及分子印迹法( m i t ) 等在内的几乎所有色谱和准色谱手段都 已涉及到对映体分离这一领域。其中，h p l c 的应用较为广泛，尤其是随着手性 固定相和添加剂研究的加速以及商用手性固定相的成功出现和一些重要拆分机 制、理论问题的初步解决，液相色谱逐渐发展成为对映体分离中的最重要的手段 之一，近年来已有大量的专著和综述。 h p l c 用于手性拆分的方法通常有三种类型：1 ) 手性试剂衍生化法，即利 用手性试剂与被拆分物进行衍生化反应生成非对映异构体，再采用传统的非手性 h p l c 进行拆分；2 ) 手性流动相添加剂法( c m p a ) ，即在流动相中加入手性添 加剂( 如环糊精类，杯芳烃和冠醚等) ，利用非手性固定相h p l c 进行拆分；3 ) 手性固定相( c s p ) 法，即利用c s p 与外消旋体相互作用时，其中一个对映体与 c s p 生成不稳定的短暂的对映体复合物，造成洗脱时保留时间的不同，从而达到 拆分的目的。其中，以手性固定相法的研究最为活跃，且应用也最为广泛。 目前，c s p 主要可分为以下几类：1 ) 手性聚合物类，主要包括天然聚糖衍 生物( 如纤维素、淀粉的衍生物等) 与合成手性聚合物两类；2 ) 蛋白质类( 如 鸡蛋黄核黄素) ，蛋白质的结构对手性识别起着重要的作用；3 ) p i r k l e 型( 或刷 形) 类，它是通过共价键连接一个单分子层的手性有机分子到机械性能良好的载 体( 如硅胶) 上而制得；4 ) 大环类，包括手性冠醚、环糊精及新近出现的大环 抗生素等；5 ) 分子印迹聚合物( m p ) 类，通过分子印迹制得的m i p 对印迹分 4 第一章文献综述 在的立体结构具有“记忆”功能，当印迹分子是d 或l - 构型对映体时，m i p 便 具备了预定的对映体选择性识别能力，这是传统的c s p 所不具备的。关于分子 印迹及相关技术将在后面详细介绍。 1 1 2 6 膜拆分法 膜分离由于具有能耗低，稳定性好，易于连续操作等优点，是大规模进行手 性拆分十分有潜力的方法之一。膜法拆分又可分为液膜拆分法和固膜拆分法。支 撑液膜( s l m ) 是膜拆分法中最早使用的方法，它是基于选择性萃取使用流动手 性载体将对映体进行拆分，所用载体分子通常为大分子配体化合物，如冠醚，穴 状配体等。由于支撑液膜的稳定性较差，其实际应用一直受到很大限制。圃膜仍 是膜分离的主要应用形式。 物质通过膜的渗透是由被拆分物质在膜中的分配行为和它们在膜中的扩散 速度来决定的。根据物质在膜内的分配或渗透行为不同，可将目前的手性拆分固 膜分为扩散选择性固膜及吸附选择性固膜。扩散选择性固膜主要分为两类：1 ) 自支撑型选择性高聚物膜，包括带有大型手性侧链基团的聚合物( 如聚甲硅烷丙 炔) 以及具有手性主链的聚合物( 如手性多聚氨基酸) ；2 ) 由分离活性层和支撑 层构成的选择性高聚物膜。扩散选择性固膜一般都不带有特殊的手性选择剂，扩 散性选择形成的原因是一种对映体比另种对映体在固膜中更容易扩散。吸附选 择性固膜主要是利用聚合物母体中的手性选择剂来进行拆分的，由于手性选择剂 与待分离对映体分子间相互作用力不同，使得其中一种异构体较多的被选择性吸 附在手性选择剂上，而另一种异构体则较多的游离在聚合物母体之中，从而实现 对映体的选择性渗透分离。吸附选择性固膜也可分为两类：1 ) 采用常用的手性 选择剂，如环糊精、冠醚、p r i k l e 型选择剂等；2 ) 利用分子印迹技术。 1 2 分子印迹技术 分子识别在自然界扮演着不可或缺的角色，它是大部分生物过程，如配体一 受体结合、底物一酶相互作用等得以进行的基础，在生物进化中起着特殊而重要 的作用，已成为当今研究的热点课题之。 分子印迹技术( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n o l o g y ，m i t ) ，又称分子烙印技 术或分子模板技术，正是通过模拟自然界所存在的这种分子识别作用，在聚合物 材料中引入分子识别位点，制备在空间和结合位点上与目标分子完美匹配的聚合 物，即分子印迹聚合物( 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 , m i p ) ，以实现对目标分 子的特异性选择。 分子印迹技术起源于2 0 世纪4 0 年代。著名的诺贝尔奖获得者p a u i i n g 【4 】在研 第一章文献综述 究抗体和抗原相互作用时，提出了以抗原为模板生物体合成抗体的设想，尽管这 一设想后来被克隆选择说所取代，却为分子印迹思想奠定了一定的理论基础。 1 9 4 9 年，d i c k y 5 】成功地将甲基橙印迹到硅胶表面上并首次提出了“分子印迹” 这一概念，遗憾的是在很长的一段时间并没有得到重视。直到1 9 7 2 年，w u l 圩 研究小组1 6 首次报道制各出人工合成分子印迹聚合物后，这一技术逐渐为人们所 关注。随着w u l f f 和m o s b a c h 等人在这一领域的开拓性工作，尤其是1 9 9 3 年 m o s b a e h 等【7 】在 n a t u r e ) ) 上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的研究报道后，分 子印迹技术得以蓬勃发展起来。m p 也因其卓越的性能广泛应用于色谱分离、固 相萃取、生物传感、膜分离、模拟酶催化等诸多领域，显示出良好的发展与应用 前景【8 】o 1 2 1 分子印迹技术的原理 如图1 所示，一个典型的分子印迹过程主要包括以下三步：1 ) 在适当的介 质中，具有适当功能基的功能单体( 或功能低聚物高聚物) 通过与模板分子间 的相互作用聚集在模板分子周围，形成单体一模板分子复合物；2 ) 通过功能单 体间的聚合、交联或聚合物相转化等方式，将模板分子和单体的配合物“捕获” 到聚合物的立体结构中，从而使功能单体上的功能基在特定的空间取向上固定下 来；3 ) 利用一定的化学或物理方法，使聚合物中的模板分子洗脱( e l m i o n ) 或 解离( d i s s o c i a t i o n ) 出来而除去。经洗涤除去模板分子后，聚合物网络中留下了 许多在空间构型和作用基团上与模板分子吻合的三维空穴，这些空穴可以选择性 的重新与模板分子结合，具有强大的特异选择性，成为m i p 实现对目标分子特 异选择性的识别位点。 图1 - 1 分子印迹过程示意图【9 l f i g 1 - 1s c h e m a t i co f m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp r o c e s s 根据功能单体与模板分子之间的作用方式不同，分子印迹技术可分为共价法 和非共价法两种基本方法。 6 第一章文献综述 ( 1 ) 共价法 共价法，又称预组织法，是由w u l f f 等人【1o 】创立的。在此方法中，功能单体 与模板分子间首先通过可逆共价键形成单体一模板分子复合物，然后交联聚合， 聚合物形成后再通过一定方法使模板分子同聚合物间共价键断裂，释放出模板分 子形成共价型印迹聚合物，其结构中具有与模板分子空间构型互补且可通过共价 键结合的基体，可选择性的结合模板分子。 迄今为止，常用的共价结合作用的物质包括硼酸酯、亚胺、西佛碱、缩醛酮、 酯和螯合物等。其中最具代表性的是硼酸酯，其优点是在酸性条件下能够生成相 当稳定的三角形的硼酸酯，而在碱性水溶液中或在有氮( n h 3 、哌啶) 存在下则 生成四角形的硼酸酯。这种四角形的硼酸酯与二醇能极快的达到平衡，其平衡速 度与非共价键作用相当。在空穴中若含有两个硼酸基团的分子印迹聚合物，用于 拆分印迹分子的外消旋体时会呈现很高的选择性。糖类衍生物印迹聚合物的研究 就是这类聚合物的典型实例。w u l f f 等【l l l 对此进行了较为全面和系统的理论研究， 为分子印迹技术的发展奠定了良好的基础。s h e a 等【m 1 3 喇用缩酮引入结合基团， 羰基基团之间不同距离的二酮用可聚合的二醇处理，然后除去印迹分子所得的分 子印迹聚合物当用二酮重新处理时对其原来的印迹分子有很高的选择性。 共价法的优点是能获得在空间精确固定排列的结合基团，但由于共价作用一 般较强，形成的复合物较稳定，因而洗脱较困难，且在识别过程中，结合和解离 的速度较慢，难于达到热力学平衡，不适于快速识别，另外能形成可逆性共价键 的化合物有限，识别机理与生物识别也相差甚远，因此限制了这一方法的发展与 应用。 ( 2 ) 非共价法 非共价法，又称自组装法，是由m o s b a c h 等人【1 4 】创立的。在此方法中，功 能单体与模板分子通过自组装排列，以非共价作用结合形成具有多重作用位点的 单体一模板分子复合物，然后进行交联聚合，经洗涤除去模板分子后即可得到含 有特异识别位点的分子印迹聚合物。 非共价作用通常包括氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水作用、 兀吼相互作用及范德华力等。其中，氢键作用在许多化合物间很容易形成，因而 以氢键的应用最多；但研究发现如果在印迹和后续的分离过程中只有一种氢键作 用时，其分离的效果往往不佳；而如果在印迹过程中既有氢键，又有其他物理或 化学作用时，所得印迹聚合物的选择性要商的多”q 7 】。p i l e t s k y 等同时利用氢键 和离子作用分离核苷酸和核苷，所得到的分子印迹聚合物对模板分子具有很高的 选择性；利用弘冗键作用和氢键作用( 它们总有一定的方向性) 的联合在许多情 况下也是一个较好的方案。s e t l e r g r e n 就静电作用对选择性的影响做了详细地研 第一章文献综述 究，发现当只有一种静电作用时，获得的分子印迹聚合物选择性较低；而将静电 作用与共价作用结合起来，其选择性比单个共价作用的选择性好的多。总的来说， 非共价作用的种类较多，在制备分子印迹聚合物及其后续过程中，使用一种作用 制得的分子印迹聚合物的选择性较低，而使用多种作用相互结合制得的分子印迹 聚合物则具有较高的选择性和分离能力。 与共价法相比，非共价法虽专一性稍差，但更简单易行，印迹分子也易于除 去，由于可供选择的非共价作用方式很多，因而功能单体一模板分子系统选择范 围非常广泛；此外基于非共价分子印迹的分子识别过程更接近于天然的分子识别 系统，因而目前大多数分子印迹聚合物都是基于非共价分子印迹过程得到的。 除了上述两种基本类型外，还有的学者利用共价与非共价方法的各自优点， 巧妙的将这两种方法结合起来，实现混合型分子印迹。w h i t c o m b e 等【l8 】用4 乙烯 基苯基碳酸酯作功能单体，通过共价作用与印迹分子形成共价型聚合物，在用碱 水解时，随着c 0 2 的失去，功能单体与印迹分子间的共价键也随之打开，由此 m i p 上便产生了一个分子识别位，在识别过程中，识别位上的酚基可通过氢键这 种非共价作用起到选择性识别作用，由此实现了以上两种技术的结合。p i r s k y 等【1 9 1 也发展了一种分子预组织和分子自组装相结合的混合印迹方法，以硅酸为模 板，首先与功能单体乙烯基苯基硼酸发生酯化反应，形成功能单体1 模板分子复 合物，然后该复合物与另一个功能单体烯丙基胺自发形成单体1 模板分子单体 2 复合物，加交联剂后发生共聚反应形成硅酸分子印迹聚合物，最后抽提出硅酸， 当印迹分子重新进入m i p 时，两种功能单体都能以非共价键与之结合。 1 2 2 分子印迹技术的应用 同天然及通过其它途径合成出来的分子识别材料相比，m i p 具有三大特点： ( 1 ) 构效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) ；( 2 ) 特异识别性( s p e c i f i cr e c o g n i t i o n ) ；( 3 ) 广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。同时，m p 还表现出高度的稳定性、长期的使用寿 命、良好的耐受苛刻环境能力等优点，因而在色谱分离、固相萃取、仿生传感、 模拟酶催化、药物分析、膜分离等诸多领域得到了广泛的开发与应用。 1 2 2 1 色谱分离 m i p 作为一种分离介质，因对目标分子具有高度的特异选择性，己作为色谱 固定相被成功的应用于高效液相色谱( h p l c ) 、薄层液相色谱( t l c ) 、毛细管 电泳( c e ) 等色谱分析与分离领域f 2 “捌，涉及的研究对象包括氨基酸及衍生物、 手性药物及有机胺等。目前，对于手性物质的拆分是分子印迹技术研究中最活跃 的领域田】，有关分子印迹技术的文献5 0 以上都涉及手性分离和识别。用m 口 作为色谱手性固定相时，最显著的一个优点就是具有预定的分离选择性，即对映 第一章文献综述 体的出峰顺序可预测，这是传统的c s p 所不具备的。m 口作为手性固定相，通 常分离因子在1 5 0 之间，也有更高的可达1 7 8 【2 4 】，这充分表明m i p 具有良好 的手性识别能力。不过这类固定相最大的缺憾是由于位点分布不均匀而导致拄效 低，新的聚合及分析技术的发展及其他色谱技术的引入有望使其逐步得到解决。 1 2 2 2 模拟酶催化 长期以来，化学家们梦想能够合成出具有类似天然酶的高效专一新型催化 剂，但进展缓慢。分子印迹技术的出现，启发人们利用分子印迹技术将识别位点 和催化基团引入聚合物内部用以制备模拟酶，或称塑料酶，从而使得这一状况大 为改观，这也是分子印迹技术面临的最困难和最具挑战性的一个应用研究 2 5 - 2 6 1 。 目前，研究较多的m i p 模拟酶催化反应主要有水解反应、合成反应、氧化- 还原 反应、转移反应、脱h f 反应、异构化反应等1 2 7 1 。印迹所用的模板分子主要有底 物类似物、过渡态类似物及产物类似物等。 1 2 2 3 抗体和受体模拟 近年来，分子印迹技术的另一个重要的应用领域是用分子印迹聚合物制备人 工抗体和受体【7 捌。许多研究发现，分子印迹聚合物具有类似于抗体或受体的高 度特异识别性，可以用作制备人工抗体而用于免疫测定中。印迹聚合物作为人工 抗体和受体具有几大优点，如稳定性好、造价低廉、不易受到生物降解破坏等。 总之，分子印迹聚合物作为生物抗体和受体的理想替代品，如能拓宽研究范围和 深度，可望有非常良好的发展前景。 1 2 2 4 m m 的其他应用 m i p 还被广泛应用于传感 2 9 1 、固相萃取【3 0 】及膜分离口1 】等领域。m i p 作为传 感器设备的识别元件，不仅可以选择性的识别目标分子，而且具有传统生物材料 所不具有的耐苛刻环境、使用寿命长、操作稳定、易于保存等优点，已经成为 m i t 的一个重要研究方向，有望成为生物材料的理想替代品。基于m i t 的固相 萃取也有不少报道，由于m m 具有独特的选择性和亲合力，以及操作简便、可 在有机溶剂和水溶液中使用等优点，目前已在环境、医药等方面得到了广泛的应 用。采用m m 制备的分离膜为m i t 走向规模化生产提供了可能。这种分离膜不 仅具有处理量大，易于放大的特点，而且对目标分子的特异吸附具有高选择性、 高收率的特点，因而在分离领域具有广阔的应用前景。 1 3 分子印迹膜 在m m 的研究中，分子印迹聚合物膜( 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 m e m b r a n e s ，m i p 膜) 的开发应用是最具吸引力的研究领域之一。自1 9 9 0 年开 9 第一章文献综述 始，分子印迹膜的研究取得了不断的发展。这主要是因为：( 1 ) 膜分离技术因其 便于连续操作、易于放大、能耗低、能量利用率高等优点，被看作一种“绿色化 学”的典型，在医药、食品、化工和农业等各行业的分离、分析与制备过程中都 已涉及或希望应用膜分离技术；( 2 ) 目前的商售膜如超滤、微滤及反渗透膜等都 无法实现单个物质的选择性分离，而m i p 膜为将特定目标分子从其结构类似物 的混合物中分离出来提供了可行且有效的解决途径；( 3 ) m 讲膜在具有分子特异 识别能力的同时，比一般生物材料更稳定，抗恶劣环境能力更强，在传感器领域 和生物活性材料领域具有很大的应用前景；( 4 ) 同传统粒子型m 口相比，m i p 膜具有不需要研磨等繁琐的制备过程，扩散阻力小，易于应用等独特的优点。正 是由于m i p 膜兼具分子印迹与膜技术的特点，引起了人们广泛的兴趣。 1 3 1 常用的分子印迹膜材料 m i p 对目标分子的识别是基于m i p 与目标分子在化学基团及空间结构上的 相互匹配，因此，从这一点上讲，功能单体聚合物的选择对印迹效果至关重要。 目前常用的分子印迹膜材料主要分为无机膜材料、有机( 高分子) 膜材料及有机 无机杂化膜材料。 1 3 1 1 无机膜材料 早期的分子印迹材料主要以硅胶等无机物为基材f 3 2 1 ，通过溶胶一凝胶法得到。 后随着制备技术的不断完善和发展，分子印迹无机材料也取得了一定的进展。目 前分子印迹无机膜材料的研究大部分集中在硅、金属硅烷、钛锆铝氧化物等材 料上，印迹位点的获得涵盖了无机载体表面及内部。h a s h i z u m e 等【3 3 】制备了4 苯基偶氮安息香酸印迹超薄二氧化钛膜( 厚度可仅为1 0 2 0r i m ) ，具有纳米孑l 的 结构，可以选择性结合模板分子，可作为透过选择性陶瓷膜使用。y a n g 等1 3 4 1 通 过溶胶凝胶法制备了雌激素酮分子印迹硅纳米管膜，表现出较快的结合动力学 和特异选择性，硅纳米管膜基体的孔隙率与纳米尺度提高了选择性和结合位点的 可及性，该膜用于高效生化分离表现出很好的前景，且这种制备思路易于推广， 不受材料限制。w i l l n e r 等【3 5 3 6 j 制备了分子印迹二氧化钛膜，用于传感器敏感材 料。他们首先通过在无机固体( a 1 2 0 3 ，s i 0 2 ) 表面进行修饰，即在载体表面引入 钛氧化物和模板分子复合物，经溶胶凝胶过程生成无机网络后，用溶剂溶解除 去模板，这样在硅烷分子的网络内就留下了印迹孔穴，优先吸附模板分子，从而 起到特异性选择作用，结果表明制得的分子印迹膜具有较好的选择性和稳定性， 且响应时间短。 尽管分子印迹无机膜材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，但由于其脆 性较大，不易加工，且孔隙率有限，缺少可修饰的化学功能团，而使其应用受到 1 0 第一章文献综述 一定的限制。 1 3 1 2 有机( 高分子) 膜材料 高分子材料的引入使得分子印迹技术发展加快。最近几年来，一些新型的交 联剂和功能单体的出现以及制备技术的不断完善和发展大大促进了分子印迹技 术的发展。 常用的分子印迹有机膜材料主要包括：1 ) 交联烯类聚合物，如自支撑型聚 丙烯酰胺类聚合物【3 1 、聚丙烯酸类聚合物( 包括聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、丙烯酸 丙烯腈共聚物等) 3 s - 4 0 ，以及以聚丙烯、聚砜、聚醚砜等为基膜进行表面接枝 【4 1 椰】或p v d f 等为基膜进行表面沉积附。5 】得到的分子印迹复合膜( 见1 3 2 3 节) 。 这类聚合物一般具有较高的交联度，稳定性好，三维空穴结构不易改变，无规网 络结构内部含有具一定空间构型结构的印迹结合位点，可选择性的识别目标分 子，是目前研究和应用较多的；2 ) 非交联高分子聚合物，如寡肽衍生物【珏卅、 醋酸纤维素 4 7 , 5 5 、聚砜 5 6 1 、聚酰亚胺【5 7 1 、尼龙5 。- 5 9 1 等。这类膜材料在形成分子 印迹聚合物膜时直接在聚合物材料中引入识别位点，无需自由基聚合，且膜材料 可再生，目前的应用多集中在分离和吸附领域。 1 3 1 3 有机一无机杂化膜材料 在材料化学领域，有机一无机杂化材料被普遍认为是最有前景和发展迅速的 新型材料之一【删。有机一无机杂化膜在刚性的无机网络中混合柔性的高分子网络， 由于组分的协同效应，改善了网络结构，增强了膜的机械性能，提高了热稳定性； 通过改善和修饰膜的孔结构和分布，调节亲一疏水平衡，可以提高膜的渗透性和 选择性，使得这类膜材料在诸如催化、分离等领域具有良好的应用前景。有机一 无机杂化膜材料可分为三大类1 6 l j ：一类是指无机组分和有机组分通过弱相互作用 ( 如氢键、范德华力等) 结合，这类杂化膜的相容性一般较差；第二类是指无机 组分和有机组分通过强相互作用如形成共价键或离子键结合，这类材料一般可以 达到具有分子水平的均相结构，相容性较好；第三类是指有机改性陶瓷膜，包括 膜表面及孔内的有机改性。近年来，分子印迹有机一无机杂化材料已成为分子印 迹膜材料研究的热点【3 2 】。 基于溶胶一凝胶法获得的分子印迹有机一无机杂化膜材料具有许多突出的优 点，如制备过程条件温和，组成、厚度、孔隙率、表面积等易于控制，与丙烯酸 类分子印迹聚合物膜具有相当甚至更优的选择性和扩散能力等。更为显著的是， 通过改变前躯体的化学组成以及无机有机组分的比例，可以获得范围很宽的具有 不同性质的杂化膜材料，因而已在分离、传感等领域获得迅速的开发与应用。表 1 一l 列出了一些有代表性的分子印迹有机无机杂化膜材料的研究情况。 第一章文献综述 表i - 1 分子印迹有机一无机杂化膜材料举例 t a b l ei - li d e n t i c a le x a m p l e so f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e do