（分析化学专业论文）基于介孔硅材料的荧光分子印迹传感器阵列的制备、表征及分析应用.pdf

中文摘要 基于介孔硅材料的荧光分子印迹传感器阵列的制备、 表征及分析应用 学生：谭津 专业：分析化学 导师：严秀平教授 中文摘要 本论文利用分子印迹材料对结构类似物质具有交叉响应性的特点，将分子 印迹技术应用于荧光传感器阵列，以介孔硅材料为固体基质，发展了基于介孔 硅材料的荧光分子印迹传感器阵列的新方法，分别用于金属离子与糖类分子的 识别。本论文研究工作的主要内容与创新点表现在以下几个方面： ( 1 ) 合成了一种简单的具有4 ，7 位取代2 ，1 ，3 苯并二唑结构的新化合物。基 于扭曲的分子内电荷转移( t w i s t e di n t r a m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e r , t i c t ) ，该化合 物可以在c h 3 c n - _ h 2 0 混合溶剂中有效地选择蝴l j h 9 2 + 和c u 2 + 。i _ v i s 吸收光 谱和溶液颜色的变化为我们提供了一种简单而快速地检测这两种离子的方法。 其它一些碱金属、碱土金属、过渡元素及重金属离子包括n a + 、m 9 2 + 、m n 2 + 、c 0 2 + 、 n i 2 + 、a 矿、z n 2 + 、p b 2 + 与c d 2 + 灵j - h 9 2 + 或c u 2 + 测定的干扰较小。本工作不仅是对h 孑+ 和c u 2 + 比色检测技术的补充，也拓展了4 ，7 位取代2 ，1 ，3 一苯并二唑类化合物的应用 范围。本工作的初衷是将4 巯基2 ，1 ，3 一苯并二唑结构功能化到三乙氧基硅烷，从 而利用得到的含有巯基的荧光功能单体发展汞形态分析用的荧光印迹传感器阵 列。实验中发现合成的新化合物4 。巯基2 ，1 ，3 苯并二唑不会与3 一氨基丙基三乙氧 基硅烷发生反应而是在该碱性硅氧烷的存在下与自身发生反应。虽然本工作的 初衷无法实现，但是我们发现得到的含巯基的2 ，1 ，3 一苯并二唑衍生物对h 矿+ 和 c u 2 + 有比较好的比色响应，可以作为一种快速选择性识别h 矿+ 和c u 2 + 的比色化学 传感器。 ( 2 ) 报道了一种基于介孔硅基质的荧光增强型的离子印迹传感器阵列，可 以用于几种金属离子的识别。采用8 羟基喹啉功能化的三乙氧基硅烷与四乙氧基 中文摘要 硅烷共聚的方法分别合成了z n 2 + 印迹、c d 2 + 印迹以及非印迹的介孔硅材料。通过 荧光光谱滴定实验与一种l a n g m u i r 型非线性拟合计算得到了三种材料与两种模 板离子的结合常数。得到的三种材料对z n 2 + 与c d 2 + 这两种印迹模板离子以及 m 矿、c a 2 + 、舢3 + 这三种非模板离子有着不同程度的荧光增强响应。由这三种材 料组成的荧光增强型传感器阵列可以识别这五种金属离子。利用具有交叉响应 性的印迹效果，只使用一种普通的荧光染料( 8 羟基喹啉) 就可以达到识别几种 金属离子的目的。本工作不仅证明了印迹传感器阵列的选择性源于印迹过程本 身，而且将印迹传感器阵列的应用领域延伸到了本身不会产生荧光信号的分析 物。 ( 3 ) 构建了一种基于介孔硅基质的荧光染料置换型糖印迹传感器阵列，可 以用于几种糖类分子的识别。采用苯硼酸功能化的三乙氧基硅烷与四乙氧基硅 烷共聚的方法分别合成了d - 果糖印迹、伊木糖印迹以及非印迹的介孔硅材料。通 过荧光光谱滴定实验得到了三种材料与八种普通单糖( d 果糖、胪木糖、d 阿拉 伯糖、d - 葡萄糖、d 半乳糖、d _ 甘露糖、l 山梨糖与d _ 核糖) 的s t e r n - v o l m e r 猝灭 常数，研究了三种材料与这八种糖的不同作用情况，证明了不同印迹材料对几 种糖不同的响应模式为实现这些糖的识别提供了可能。由这三种材料组成的荧 光传感器阵列可以识别十种糖( d 果糖、d 木糖、胪阿拉伯糖、d 葡萄糖、伊半 乳糖、d 甘露糖、l _ 山梨糖、d 核糖、l - 鼠李糖与麦芽糖) 。结合指示剂置换技术 与分子印迹技术，只使用一种普通的糖的受体( 苯硼酸) 和一种常用的荧光染 料( 茜素红) 就可以达到识别十种糖的目的。此外，利用这种荧光印迹传感器 阵列还实现了三种含糖的橙汁饮料的鉴别。 关键词：分子印迹，荧光，传感器阵列，介孔硅 l i a b s t r a c t m e s o p o r o u s s i l i c ab a s e df l u o r e s c e n tm o l e c u l a r 。j i m p r i n t i n gs e n s o ra r r a y s ：p r e p a r a t i o n ， c h a r a c t e r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n j i nt a n ( m a j o ri na n a l y t i c a lc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i u p i n gy a n a b s t r a c t mt h i sd i s s e r t a t i o na na l t e r n a t i v er o u t et oc o n v e n t i o n a ls e n s o ra r r a y sb a s e do n m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm e s o p o r o u s s i l i c ai s p r e s e n t e d w et a k ea d v a n t a g e o f i m p r i n t i n ge f f e c t t od e v e l o pf l u o r e s c e n ti m p r i n t i n gs e n s o ra r r a y s af l u o r e s c e n c e t u r n - o ns e n s o ra r r a yf o rm e t a li o n sa n daf l u o r e s c e n ti n d i c a t o r - - d i s p l a c e m e n ts e n s o r a r r a yf o rs a c c h a r i d e sa r ep r e p a r e dr e s p e c t i v e l y t h ed e s i g n ，p r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o no fs u c hf l u o r e s c e n ti m p r i n t i n gs e n s o ra r r a y sh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l ， a n da r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) as i m p l et w i s t e di n t r a m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e r ( t i c t ) c h r o m o g e n i cp r o b e f o rr a p i da n ds e l e c t i v ed e t e c t i o no fh 矿+ a n dc u 2 + w a sd e v e l o p e d t h ep r o b ew a s c o m p o s e d o fa n e l e c t r o n - a c c e p t o r 4 - f l u o r o m o i e t y a n da ne l e c t r o n - d o n o r 7 - m e t c a p t o 一2 ，1 ，3 - b e n z o x a d i a z o l es p e c i e sw h e r et h est o g e t h e rw i t ht h e1 - np r o v i d e d t h es o f tb i n d i n gu n i t u p o nh 9 2 + a n dc u 2 + c o m p l e x a t i o n ，r e m a r k a b l eb u td i f f e r e n t a b s o r b a n c es p e c t r as h i f t sw e r eo b t a i n e di nc h 3 c n - h 2 0m i x e db u f f e rs o l u t i o na tp h 7 6 ，w h i c hc a nb ee a s i l yu s e df o rn a k e d - e y ed e t e c t i o n t h ep r o b ef o r m e das t a b l e2 ：1 c o m p l e xw i t hc u 2 + ，a n db o t h2 ：1a n d3 ：1c o m p l e x e sw i t hh 9 2 + w h i l ea l k a l i 一，a l k a l i n e e a r t h a n do t h e rh e a v ya n dt r a n s i t i o nm e t a l ( h t m ) i o n ss u c ha sn a + ，m g + ，m n 2 + ， c 0 2 + ，n i 2 + ，a 矿，z n 2 + ，p b 2 + a n dc d 2 + d i dn o tc a u s ea n ys i g n i f i c a n ts p e c t r a lc h a n g e so f t h ep r o b e t h i sf n d i n gi sn o to n l yas u p p l e m e n tt ot h ed e t e c t i n gm e t h o d sf o rh 矿a n d c u 2 + ，b u ta l s o a d d sn e wm e r i t s t ot h e c h e m i s t r y o f4 , 7 - s u b s t i t u t e d 2 ，1 ，3 一b e n z o x a d i a z o l e s t h ei n i t i a lp u r p o s eo ft h i sw o r kw a st od e v e l o paf l u o r e s c e n t m o l e c u l a ri m p r i n t i n gs e n s o ra r r a yf o rm e r c u r ys p e c i a t i o n h o w e v e r , t h es y n t h e s i z e d i i i 4 - f l u o - 7 。m e r c a p t o - 2 ，1 ，3 _ b e n z o x a d i a z o l er e a c t e dw i t hi t s e l fu n d e rb a s i cc o n d i t i o na n d f o r m e dam e r c a p t o 一2 ，1 ，3 - b e n z o x a d i a z o l ed e r i v a t i v e i ts h o w e ds e l e c t i v ec 0 1 0 r i m e t r i c r e s p o n s et o w a r dh 9 2 + a n dc u + w h i c hm a d ei tas e l e c t i v ec h r o m o g e n i c p r o b ef o rh 9 2 + a n dc u 2 + 。 ( 2 ) a ni o ni m p r i n t e dm e s o p o r o u ss i l i c ab a s e df l u o r e s c e n c et u r n o ns e i l s o ra r r a v f o rd i s c r i m i n a t i o no fm e t a l i o n sw a sd e v e l o p e d an o v e ln u o r e s c e n t 允m c t i o n a l m o n o m e rc o n t a i n i n ga n 8 - h y d r o x y q u i n o l i n e ( 8 - h q ) m o i e t yi nc o m b i n a t i o nw i t h o n e - p o tc o c o n d e n s a t i o nm e t h o dw a se m p l o y e dt op r e p a r ef l u o r e s c e n ti o ni m p r i n t e d m e s o p o r o u ss i l i c a t h ei m p r i n t e dm a t e r i a l sf o rz n 2 + a n dc d 2 + a sw e l la sac o n t r 0 1 b l a n kn o n 。i m p r i n t e dm a t e r i a lf n i m ) w e r es y n t h e s i z e d w i t h t h ec o v a l e l l n va 1 1 c h o r e d o r g 舢cf l u o r o p h o r ei nt h ei n o r g a n i cm e s o p o r o u ss i l i c am a t r i x ，t h eb i n d i n go f m e t a l l o n st ot h ei m p r i n t i n gs i t ew a sd i r e c t l yt r a n s f o r m e di n t of l u o r e s c e n c es i 龋a l s b o t h t h ei m p r i n t e dm a t e r i a l sd i s p l a y e df a s t e r b i n d i n gk i n e t i c st o w a r dm e t a li o n st h a l ln i m a p p a r e n tb i n d i n gc o n s t a n t s ( a d s o r p t i o nc o n s t a n t s ) f o r l em a t e r i a l sw i t ht h em e t a l 1 0 n si nw a t e rw e r ed e t e r m i n e d b yal a n g r n u i r - t y p ea n a l y s i so ft h es p e c t r o f l u o r i m e t r i c t i t r a t i o nd a t a t h es e n s o ra r r a yc o m p o s e do ft h et h r e em a t e r i a l sa l l o w sd i s c r i m i n a t i n g 廿1 et w ot e m p l a t em e t a li o n s ( z n n + a n d c d 2 + ) p l u st h r e en o n t e m p l a t em e t a li o n s ( m 9 2 + c a z 十a n da 1 3 + ) a tt w od i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s t h i sw o r k p r o v e st h a tu s i n ga8 i i l l p l e n u o r e s c e n tr e c e p t o rc a np r o v i d ea p a t t e r nb a s e df l u o r e s c e n ts e n s i n gs y s t e mb yt a k i n g a d v a n t a g eo ft h ei m p r i n t i n ge f f e c t ( 3 ) af l u o r e s c e n ti n d i c a t o r - - d i s p l a c e m e n tm o l e c u l a ri m p r i n t i n g s e n s o ra r r a v b a s e do np h e n y l b o r o n i ca c i df u n c t i o n a l i z e d m e s o p o r o u ss i l i c aw a sd e v e l o p e df o r d l s c n m m a t i n gs a c c h a r i d e s d - f r u c t o s e i m p r i n t e d m a t e r i a l ( f r u i m ) d _ x y l o s e 1 m p r i n t e dm a t e r i a l ( x y l l m ) t o g e t h e rw i t hac o n t r o lb l a n kn o l l i m p r i m e dm a t 嘶a l ( ni m ) w e r e s y n t h e s i z e da st h ee l e m e n t so ft h e i m p r i n t i n gs e n s o ra r r a v s p e c t r o f l u o r i m e t r i ct i t r a t i o n so ft h et h r e em a t e r i a l sw i t he i g h ts e l e c t e ds a c c h a r i d e s w e r ec a r r i e do u ta n ds t e r n - v o l m e rq u e n c h i n gc o n s t a n t s ( j 瞄力o f n i m ，f m i ma n d x y l i mw i t ht h ee i g h ts e l e c t e ds a c c h a r i d e sw e r eo b t a i n e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r a c t i o n o ft h em a t e r i a l sw i t hs a c c h a r i d e s t h ep r e s e n ta p p r o a c h c o u p l e sm o l e c u l a ri m p d n t i n g t e c h n i q u et o i n d i c a t o r - - d i s p l a c e m e n ts t r a t e g yw i t ht h eu s eo fo n ec o n v e n t i o n a l i v a b s t 陷e t s a c c h a r i d er e c e p t o r ( p h e n y l b o r o n i ca c i d ) a n do n ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l ef l u o r e s c e n t d y e ( a l i z a r i nr e ds ，a r s ) a st h ei n d i c a t o r , a n da l l o w si d e n t i f y i n gt w ot e m p l a t e s a c c h a r i d e s ( d - f r u c t o s e a n d d - - x y l o s e ) p l u se i g h tn o n t e m p l a t e s a c c h a r i d e s ( o - a r a b i n o s e ，d g l u c o s e ，i - g a l a c t o s e ，i - m a n n o s e ，l s o r b o s e ，i - r i b o s e ，l - r h a m n o s ea n d s u c r o s e ) t h ep r i n d p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) p l o ts h o w sa c l e a rd i s c r i m i n a t i o n o ft h et e nt e s t e ds a c c h a r i d e sa t10 0m ma n dt h ef i r s tp r i n c i p a lc o m p o n e n tp o s s e s s e s 9 4 8 o ft h ev a r i a t i o n b e s i d e s ，t h ed e v e l o p e ds a c c h a r i d ei m p r i n t e ds e n s o ra r r a yi s s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt od i s c r i m i n a t i n gt h r e eb r a n d so fo r a n g ej u i c eb e v e r a g e k e y w o r d s ：m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ，f l u o r e s c e n c e ，s e n s o ra r r a y s ，m e s o p o r o u ss i l i c a s v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e ；r j , 昂u 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 译：莘 砷年6 月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：鹊丰 川年6 舄 e t 第一章绪论 第一章绪论 分子识别是研究分子或分子集合体对其它特定分子进行选择继而结合的过 程。在生物体系中，酶选择性催化生化反应、抗体与抗原结合以及蛋白质与d n a 序列之间的相互作用等特异性作用都源于精确的分子识别。通过对酶与底物以 及抗原与抗体等反应原理的研究和理解，科学家大胆提出了通过化学反应合成 模拟抗体的设想，开创了一项崭新的技术分子印迹技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g t e c h n i q u e ) 。在分子印迹的过程中，首先使功能单体与模板发生作用，接下来功 能单体与交联剂在模板分子一功能单体配合物周围发生聚合反应，形成一种高 度交联的三维网络结构的固体聚合物材料。除去模板后，在材料的网络结构中 就留下了与模板大小、形状和空间排列相匹配的立体孔穴，同时孔穴中还含 有可以识别模板的印迹结合位点。由于分子印迹材料具有预定的选择性、化学 性质较稳定、对环境的耐受性较强以及制备相对简单、便宜等特点，分子印迹 已成为目前分子识别领域的研究热点之一。 被称为“电子鼻 或“电子舌”的化学传感器阵列( c h e m i c a ls e n s o ra r r a y ) 同样也是利用化学仿生手段来实现分子识别的目的。大自然赋予了我们人类以 及哺乳动物极其发达的嗅觉与味觉系统。模拟人和动物的嗅觉与味觉系统，开 发可以在多种物质共存的复杂混合体系中定量地识别分析物的化学仿生传感器 阵列具有重要的意义，也是目前分子识别领域的新兴研究热点之一。与传统的 以单一分析物为目标的选择性传感器不同，传感器阵列依靠的是组成阵列的每 个组件对不同分析物非特异性、低选择性的具有差异的响应形式。只要阵列的 每个组件对不同的分析物响应的程度不同，对每个分析物就可以得到单一特定 可供识别的排列模式。据我们所知，可应用于定量分析复杂混合体系的传感器 阵列迄今还未见报道。当前化学传感器阵列主要还是针对几种或几十种单一分 析物的识别。因此，化学传感器阵列的研究目前还处于亟待发展的基础研究阶 段。 第一章绪论 以下简要介绍本论文涉及的一些背景知识，包括分子印迹技术的基本原 理、类型、特点与应用，化学传感器阵列的研究现状以及介孔硅材料及其在 荧光传感方面的应用，最后简单介绍本论文的立题思想。 1 1 分子印迹材料 早在1 9 4 9 年d i c k e y 1 】就提出了“专一性吸附”的概念，这可以算作分子印 迹思想的早期萌芽。在随后的很长一段时间内，这一思想没有得到人们足够的 重视，直到1 9 7 2 年w u l f f 掣2 ，3 1 首次报道了人工合成的用于色谱手性拆分的分子 印迹聚合物材料。可以说w u l f r 在真正意义上首次提出了分子印迹这一概念。二 十世纪八十年代，m o s b a c h 课题幺且【4 进一步发展了分子印迹技术。在1 9 9 3 年 v l a t a k i s 等【5 】在( ( n a t u r e ) ) 上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，这一领 域得到了飞速发展，有关分子印迹技术理论、分子印迹材料的合成及应用的论 文发表数目逐年增加( f i g 1 1 ) 。 f i g 1 - 1 n u m b e ro fp u b l i c a t i o n si nr e c e n t15y e a r su s i n gt h es e a r c he n g i n es c i f i n d e rw i t h t h ek e y w o r dp h r a s e “m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ”( u pt o2 0 0 9m a r 4 ) 2 0 0 0 0 0 柏 co；o=o：q-ojmci3z 第章绪论 1 1 1 分子印迹的基本原理睁川 分子印迹材料的合成过程一般分为三步( f i g1 - 2 ) ：首先，模板分子与功能 单体通过共价键或非共价键结合形成配合物；其次，使交联剂在模板分子一功 能单体配合物周围发生聚合反应，形成高度交联的聚合材料；最后，选择合适 的方法除去模板分子，得到的印迹材料中含有在尺寸、空间结构与功能上都与 模板分子相匹配的印迹孔穴。 f i g1 - 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f i m p r i n t i n gp r o c e s s m 帆m 温 分子印迹材料有三大特性：预定的选择性、识别的专一性以及实用性。预定 的选择性使人们可以根据需要识别的目标分子来制备相应的印迹材料；识别的 专一性是指分子印迹材料对模板分子( 或其结构类似物) 有一定程度的专一选 择性；实用性表现在与天然的酶、抗体以及受体相比，分子印迹材料在一定程 度上可以在恶劣环境下使用，表现出比较好的稳定性和较长的使用寿命，而且 制各过程相对比较简单。 根据印迹过程中模板分子与功能单体之间作用力的性质不同，分子印迹材 料的主要制各方法可以分为以下两种：共价法( 预组装法) 与非共价法( 自组 装法) 。w u l f t 等口o 】最早提出了共价法，即聚合反应之前模板分子和功能单体之 间以可逆的共价键结合，在除去模板分子时需要打开这个共价键，得到的印迹 材料与模板分子再次结合时该共价键再次形成。目前可用于印迹的共价键作用 包括硼酸酯、席夫碱、酯、缩醛( 酮) 等。以硼酸酯为例，硼酸可以与含有二 酵基团的化合物形成相对稳定的三角形硼酸酯，在碱性水溶液或古氮基团( 如 氨、赈啶等) 存在的情况下可以形成四角形的硼酸酯，这种平衡形成的速率与 ；等 第一章绪论 非共价键作用相当。共价法的优点在于模板分子和功能单体之间的强相互作用 使产生的印迹位点分布很均匀，可以最大限度地降低非特异性吸附；缺点在于 设计模板分子一功能单体的可逆共价键比较困难，已知的可用于印迹的共价键 作用比较少，因而该方法受到很大的限制。 非共价法是m o s b a c h 等【4 5 】最早提出的。模板分子与功能单体之间首先通过包 括氢键、偶极、静电、电荷转移、配位作用、疏水作用等在内的非共价键自发 形成超分子复合物，然后再进行聚合反应。该法的优点是实验简单、模板分子 容易洗脱、商品化的单体很多而且可以利用的非共价作用比较多；缺点是合成 时需要加入大量的功能单体，导致识别位点在聚合物中随机分布，非特异性吸 附相对比较严重。目前，在制备分子印迹材料时人们更多地还是使用非共价法 1 2 】 0 另外还有一种把共价法与非共价法结合起来的综合方法【1 孓1 9 1 。s e l l e r g r e n 矛l a n d e r s s o n 1 3 】首先报道了在合成印迹材料时使模板分子与功能单体发生共价作用 而在模板分子与印迹位点再结合时依靠非共价作用；w h i t c o m b e 等 1 4 , 1 5 提出的所 谓牺牲空间法( s a c r i f i c i a ls p a c e rm e t h o d ) 则通过去掉与模板分子相连的部分而 除去模板分子，该法实际上也是利用共价法合成分子印迹材料，再通过非共价 作用达到对模板分子的识别。这种综合方法结合了共价法与非共价法的优点， 不过因为需要巧妙地设计印迹过程而应用较少。 1 1 2 分子印迹材料的类型及特点n 根据材料基质类型的不同，分子印迹材料大体可以分为以下两类：有机聚 合物基质的分子印迹材料2 0 1 和无机硅胶基质的分子印迹材料 2 1 。2 4 】。下面分别介 绍这两类印迹材料，由于本文采用的是溶胶一凝胶法制备的介孔硅基质，因此 重点介绍无机硅胶基质的分子印迹材料。 有机聚合物基质的分子印迹材料研究得非常广泛，主要集中在聚苯乙烯聚 丙烯酸等类型，很多功能单体都已经实现商品化，可以利用各种相互作用( 如 氢键、疏水作用、偶极、静电、电荷转移、金属配位作用等) 来制备印迹材料。 4 第一章绪论 有机聚合物基质的分子印迹材料的优点是在各种p h 环境下的稳定性都很好、制 备方便；缺点是易溶胀，在不同的溶剂中会有不同的溶胀性，而不同的溶胀程 度可能会导致聚合物形貌、识别位点的尺寸、形状和相对位置发生改变从而使 分子识别的效果降低甚至丧失。 无机硅胶基质的分子印迹材料的合成主要采用传统的水解溶胶一凝胶技术 2 5 - 3 1 】。水解溶胶一凝胶技术是以金属醇盐等为原料配制成均质溶液，在饱和 条件下经水解、缩聚等化学反应，生成物聚集成溶胶，再经蒸发干燥转变为 凝胶。水解溶胶一凝胶过程一般分为以下几步：醇盐水解和缩聚。为了使 溶胶澄清透明、稳定和具有良好的性能，一般采取水与硅酸盐的比例小于等 于4 ，这样可防止干燥过程较长而产生收缩张力。对同一种醇盐，酸催化和碱 催化往往产生结构和形态不同的水解产物，可以根据不同分析物的具体情况 选择合适的催化剂；陈化。溶胶在容器中放置时，由于溶剂蒸发或缩聚反 应继续进行而导致向凝胶的逐步转变，此过程伴随着粒子的o s t w a r d 熟化机 理，即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒径的增加。陈化时间对凝胶孔 径大小、交联程度有较大的影响。放置时间长，缩合反应进行的彻底，交联 度高，使得网络的孔径非常均匀。在不同的介质中陈化时，也会得到不同的 凝胶结构；干燥。因为湿凝胶中包裹着大量的溶剂和水，当它们从小孔中 蒸发时，伴随着较大的体积收缩，所以很容易开裂。干燥速度越快凝胶越易 干裂。防止凝胶在干燥过程中开裂是溶胶一凝胶工艺中非常重要的一步，需 要严格控制干燥条件，或添加控制干燥的化学添加剂；高温处理( 老化) 。 目的是消除干凝胶中的大量气孔，使材料的相组成和显微结构能满足材料性 能的要求。 水解溶胶一凝胶技术可用于制备大小不同、形状各异的无机材料和制备 具有特定官能团的有机一无机杂化材料。具体地说，溶胶一凝胶方法具有以 下的优点：反应条件温和，可低温合成与处理。温和的反应条件给各种分 子尤其是一些热不稳定的物质提供了结合的机会；所得材料均匀。反应从 5 第一章绪论 溶液开始，使得制备的材料能在分子水平上达到高度均匀；材料的几何构 型可以调控。通过对溶胶一凝胶技术参数的调整，可以制备出块状、棒状、 管状、粒状、膜等各种形状的材料；材料的极性和离子交换能力可以调控。 通过对溶胶一凝胶前体的衍生或在初始水解液中加入含有期望的官能团的硅 酸酯，都能调节最终产物的极性和离子交换能力；溶胶一凝胶材料稳定性 好，具有物理刚性、化学惰性、溶剂中可以忽略的溶胀性，对光、化学、热 和生物降解的高稳定性；溶胶一凝胶材料有极好的透光度和低的自身荧光 背景，非常适于用作比色或荧光传感的基质材料。 正是利用了溶胶一凝胶技术上述这些优点，人们将其运用到分子印迹材料 的合成中，即在溶胶一凝胶的过程中加入了印迹这一步，由此产生了与有机聚 合物基质的分子印迹材料优势互补的另一类无机硅胶基质的分子印迹材料。这 种类型的材料结合了溶胶一凝胶技术与分子印迹技术的优点，在众多领域应用 广泛。 1 1 3 分子印迹技术的应用啪力 如前所述，分子印迹材料在多方面展示了其优越的性能，也使其在固相萃 取、色谱分离、化学仿生传感与模拟酶催化等领域得到了广泛的应用。下面将 分别介绍分子印迹材料在这些领域的应用，重点介绍分子印迹材料在荧光传感 领域的应用。 固相萃取是分子印迹材料应用较多的一个领域。分子印迹材料具有特效的 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、需要预处 理等不利因素，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，对痕量分析有重要作用。s e l l e r g r e ：1 1 3 8 】首次报道将 分子印迹用于固相萃取，以戊烷脒( a i d s 抑制药) 为模板制备戊烷脒分子印迹 聚合物，用于戊烷脒的固相萃取，取得了良好的效果。分子印迹材料另一个应 用比较广泛的领域是作为色谱固定相，特别是用于手性药物拆分。何锡文课题 组报道了药物头孢氨苄 3 9 1 、氟哌酸 4 0 】等分子印迹聚合物的合成和结合选择性研 6 第一章绪论 究。印迹材料另一个重要应用是模拟酶催化、用作模拟抗体。与天然酶相比， 分子印迹模拟酶的最大优点是稳定性好、寿命长，此外对于没有天然酶催化的 反应也可以通过分子印迹的方法得到模拟酶。m o s b a c h 课题组【5 】用茶碱分子印迹 聚合物测定病人血清中的茶碱含量，所得结果与酶联免疫分析结果一致。这种 模拟抗体制备简单、成本低，在高温、酸碱及有机溶剂中具有较好的稳定性， 此外还可以重复使用。 分子印迹材料对模板分子的特异性与高选择性使其可以作为仿生传感器的 分子识别元件。这种分子识别作用可以通过信号转化器( 电极、光极、场效应 晶体管、压电晶体、热敏电阻等) 输出。分子印迹仿生传感器除具有生物传感 器的高选择性外，受酸碱、有机溶剂及苛刻环境因素的影响也比较小，从而具 有稳定性好、寿命长的优点，此外不需使用动物、可以大规模生产也是印迹传 感器的优点。分子印迹传感器可使用不同的分析物作为模板，可用于医药、生 物技术、环境检测、工业污染物检测等领域。按照转换器的工作原理不同，主 要可分为以下三大类：电化学方法，具体又包括电导型、电位型、电流型、 电容型、场效应晶体管、屏蔽印迹电极等方法；质量感应方法，又可分为石 英微天平、表面声波技术、大批声波技术等方法；光学方法，研究较多的主 要是比色法与荧光法。其中荧光法以其灵敏度和稳定性成为传感器中一种很 重要的探测方法 4 2 1 。 基于荧光方法的分子印迹传感工作非常多，分析物范围也比较广泛 4 3 铘】。 荧光印迹传感的主要思想就是利用印迹作用识别分析物，利用荧光技术将分析 物结合到印迹识别位点这一作用转换为可以识别的信号输出。对有荧光性质的 分析物，可以直接印迹然后直接检测；对本身没有荧光的分析物，也可以采用 荧光标记的办法。 对大部分没有荧光的物质，应用较多的有两种方法。第一种方法是将与分 析物有作用的荧光物质引入到识别孔穴中去，分析物进入印迹识别孔穴就会导 致荧光变化，通过这个荧光变化就可以实现传感的目的。t u r k e w i t s c h 等【4 3 】合成 7 第一章绪论 了c a m p 印迹聚合物材料，在识别孔穴中引入一种有机染料，通过荧光猝灭实现 了模板分子c a m p 的检测。n g 和l n a r a y a n a s w a m y 4 4 制备了8 一羟基喹啉一5 一磺酸掺杂 的灿”印迹聚合物材料，在吸附灿3 + 之后材料的荧光明显增强，并且印迹材料对 其它离子有一定的抗干扰能力，可以实现水溶液中a 1 3 + 的定量检测。g r a h a m 等【4 5 】 将一种荧光染料4 硝基一2 ，1 ，3 一苯并二唑引入印迹位点，合成了农药分子d d t 的印 迹溶胶一凝胶材料。这种直接利用荧光物质掺杂的方法具有合成比较简单的优 点，它的缺点是荧光物质难以分散均匀，不能保证每个印迹孔穴附近都有荧光 物质存在，从而影响印迹传感器的灵敏度。此外荧光物质只是简单掺杂在材料 中，这在一定程度上会影响传感材料的稳定性。 第二种方法是先通过化学反应直接将荧光物质功能化到传统的功能单体 上，从而得到新型的荧光功能单体，再与交联剂聚合得到印迹材料。l e u n g 等t 4 6 】 利用光诱导电子转移( p h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r , p e t ) 机理，将葸功能化到 三乙氧基硅烷上，用溶胶一凝胶法合成了2 ，4 二氯苯氧乙酸( 2 ，4 d ) 的印迹材料， 模板分子2 ，4 d 会抑匍j p e t 发生从而使印迹材料的荧光增强。w a n g 等t 4 刀采用含有 荧光物质标记硼酸的荧光功能单体制备了荧光增强型的d 果糖印迹传感器，相对 于d 葡萄糖，印迹材料对模板分子d 果糖显示出了明显的印迹效果。董赫掣4 8 】 以组胺为模板分子，0 c 甲基丙烯酸为共功能单体，锌原卟啉为荧光功能单体合成 了一种发光性分子印迹聚合物，材料悬浊液的荧光随着组胺加入浓度的增加而 猝灭。k u b o 等 4 9 】以2 丙烯酰氨基喹啉作荧光功能单体，合成了荧光增强型的环 巴比妥分子印迹传感器。与第一种方法相比，这种采用荧光功能单体的方法优 势明显，荧光物质通过化学键固定在了印迹识别位点上，通过荧光变化可以直 接考察模板分子与功能单体的结合。相应地，这种方法的缺点就是f j 期一般需 要设计实施比较复杂的有机合成才能得到目标荧光功能单体。以目前的研究现 状来看，更多的工作还是采用第二种方法。 第一章绪论 1 2 化学传感器阵列 人类以及哺乳动物具有发达的嗅觉与味觉系统，利用众多的具有交叉响应 性的受体蛋白，人类以及哺乳动物可以分辨识别各种气味以及味道。化学传感 器阵列就是仿照哺乳动物的嗅觉与味觉识别物质气味与味道的机理而研制的。 与传统的选择性传感器只为识别一种分析物不同，传感器阵列依靠的是组成阵 列的每个组件对不同分析物非特异性、低选择性的具有差异的响应形式。单一 的传感器对几种不同的分析物只会产生一元的响应，单凭一个传感器无法实现 几种分析物的识别，然而在由多个传感器组件构成的阵列中，只要阵列的每个 组件对不同的分析物响应的程度不同，就可以得到单一特定可以识别每个分析 物的排列模式。 1 2 1 化学传感器阵列的研究现状 化学传感器阵列是分子识别领域近年来的研究热点之一，分析物的范围比 较广泛，具体的分析物有：金属离子【6 0 击5 1 、阴离子 6 6 加、氨基酸【6 8 - 7 0 、多肽 7 1 1 、 蛋白质 7 2 , 7 3 】、核酸 7 4 1 、糖类 7 5 - 8 明以及挥发性气体8 1 , 8 2 1 等。金属离子的化学传感 器阵列研究得比较多。l e e 等【6 2 】采用一个由4 7 种染料组成的传感器阵列可以实现 多达4 4 种金属离子以及其它阳离子( h + ，n h 4 等) 的识别。a n z e n