（分析化学专业论文）基于分子识别效应的电化学传感器研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 一、采用电聚合法制备分子印迹膜，利用分子印迹膜的识别功能，分别制 备了两种电化学传感器。 ( 1 ) 采用电聚合法在金电极上制各了邻氨基酚异丙隆分子印迹膜，并对该 印迹膜的性能、分子印迹效应和印迹膜对结构相似物的选择性响应等进行了研 究。利用铁氰化钾作为印迹电极和底液间的探针，建立了一种用于检测异丙隆 的方法，并对农田水样中异丙隆的含量进行了测试。异丙隆浓度在 、1 0 x1 0 7 4 0 x1 0 4 m o l l 范围内与铁氰化钾还原电流减少量呈线性关系，检出限为 2 9 5 x 1 0 一m o l l 。对农田水样的测定中，回收率9 9 0 - 1 0 2 o 。 ( 2 ) 以多巴胺( d a ) 为模板分子，采用在金电极上电聚合邻氨基酚法制备了多 巴胺分子印迹膜传感器。该传感器的线性范围为2 1 0 一0 2 5 x1 0 ，检出限为 1 9 8 x 10 一m o l l 。对血清中多巴胺进行测定，得到令人满意的的结果。该传感器 制作简单、价格低廉、易于更新、灵敏度高，可在高浓度抗坏血酸( a a ) 存在下 测定d a ( d a 与a a 摩尔比为1 1 1 0 0 0 ) 。 二、制作全6 巯基化一d c d 修饰电极，利用主客体识别效应，电化学法检 测d n a 。 ( 1 ) 研制了p e r 6 t h i o p c d 修饰金电极，根据其与探针分子、以及d n a 与 探针分子间形成包合物的竞争反应，用于检测d n a 。采用多种方法验证了该电 极对目标d n a 的主客体识别，并进行了再生性研究。结果表明，采用罗丹明b ( r h b ) 作为探针分子，d n a 的检测线性范围是为5 0 - - 6 0 01 t g m l ，检出限为 8 9 1 t g m l ；采用亚甲基蓝( m b ) 作为探针分子，d n a 的检测线性范围是为5 0 - 6 0 0 i t g m l ，检出限为1 1 3 5 9 9 m l 。 ( 2 ) 将p e r 6 t h i o d c d 自组装在金电极表面后，用戊二醛将r h b 链接到 p e r 6 t h i o p c d 上，制成了新型修饰电极( p e r = 6 t h i o p c d r h b ) 。用电化学方法 研究了p e r 6 t h i o 1 3 c d r h b 与d n a 的相互作佣，并用于直接测定溶液中的d n a 。 结果表明，d n a 在0 2 0 8 m g m l 范围内具有良好的线性关系，检出下限为o 0 2 15 m g m l 。 关键词：分子印迹，异丙隆，多巴胺，电聚合邻氨基酚，主客体识别，p 环糊精， d n a ，亚甲基蓝，罗丹明b ，电化学传感器，修饰龟极 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np a r to n e ，am o l e c u l a ri m p r i n t e df i l mh a sb e e np r o p o s e db ye l e c t r o s y n t h e s i z e d ， t h ea u t h o rt r i e dt od e v e l o pt w ok i n d sc h e m i c a ls e n s o r sb a s e do nt h er e c o g n i t i o n f u n c t i o no fm o l e c u l a ri m p r i n t e df i l m ( 1 ) m o l e c u l a r l yi m p r i n t e df i l m s ( m i p ) w e r ep r e p a r e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f i s o p r o t u r o nb ye l e e t r o p o l y m e r i z a t i o nm e t h o do ng o l de l e c t r o d e ，a n di t si m p r i n t i n g e f f e c t ，p e r f o r m a n c ea n dc o m p a r e dw i t ht h es e l e c t i v er e s p o n s eo fs i m i l a rm a t e r i a lo f i s o p r o t u r o nw e r es t u d i e di nt h i sw o r k 。w h il ep o t a s s i u mf e r r i c y a n i d ew a sw o r k e da s t h ep r o b eb e t w e e ne l e c t r o d ea n db a s es o l u t i o n ，a - m e t h o df o ri s o p r o t u r o nd e i e c t i o n a n dt h ed e t e r m i n a t i o no f i s o p r o t u r o ni nf a r m l a n dw a t e rs a m p l e sw a sc a r r i e do u t t h e r e s p o n s eo ft h i ss e n s o rt oc o n c e n t r a t i o no fi s o p r o t u r o nd i s p l a y e dal i n e a rc o r r e l a t i o n o v e rar a n g ef r o m1 0 x10 m o l lt o4 o 10 4m o l lw i t had e t e r m i n a t i o nl i m i to f 2 9 5x10 嗡m o l lm o l ld e p e n d i n go nt h er e d u c eo fd e o x i d i z ec u r r e n to fp o t a s s i u m f e r r i c y a n i d e t h es e n s o rh a sb e e na p p l i e dt ot h ea n a l y s i so fi s o p r o t u r o ni nf a r m l a n d w a t e rs a m p l e sw i t hr e c o v e r yr a t e sr a n g i n gf r o m9 9 0 t o10 2 0 ( c h a p t e r2 ) ( 2 ) ad o p a m i n em o l e c u l a ri m p r i n t e ds e n s o rw a sp r e p a r e dt h r o u g ht h ee l e c t r o p o l y m e r i z a t i o no fo - a m i n o p h e n o lo nag o l de l e c t r o d ei nt h e p r e s e n c eo ft e m p l a t e ( d o p a m i n e ) p o t a s s i u m f e r r i c y a n i d ew a sw o r k e da st h ep r o b eb e t w e e ne l e c t r o d ea n db a s e s o l u t i o n u n d e ro p t i m u mc i n d i t i o n s d ai nt h ec o n c e n t r a t i o no f2x10 一0 2 5x10 6 m o l lc o u l db ed e t e r m i n e dw i t hd e t e c t i o nl i m i to f1 9 8 x 1 0 一m o l l t h i sn e w a p p r o a c hw a su s e dt od e t e r m i n ed ai nh u m a n ss e r u ms a m p l e so b t a i n i n g s a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h i ss e n s o rw a se a s i e rt of a b r i c a t e ，l o wp r i c e ，e a s yr e g e n e r a t io n ， h i g hs e n s i t i v i t ya n dc a nb eu s e dt od e t e r m i n ed ai nt h ep r e s e n c eo fh i g h c o n c e n t r a t i o no fa s e o r b i ea c i d ( a a ) w i t ham a x i m u mm o l a rr a t i oo f1 10 0 0 ( c h a p t e r 3 ) 、 i np a r tt w o ，ap e r 一6 一t h i o p - c dm o d i f i e d g o l de l e c t r o d eh a sb e e np r o p o s e d ，a n d u s e df o rd e t e c t i o nd n a b ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o db a s e do nt h eh o s t g u e s te f f e c t ( 1 ) a ne l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rf o rd e t e c t i o nd n ab a s e do np e r 6 t h i o - p c dm o d i f i e d g o l de l e c t r o d eh a s b e e nd e v e l o p e d ，a n dt h i sm o d i f i e de l e c t r o d ew a su s e dt od e t e c t e d n a a c c o r d i n gt oc o m p e t i t i v er e a c t i o no ft h ei n c l u s i o nc o m p l e xb e t w e e nm o d i f ie d g o l de l e c t r o d ea n dp r o b ea sw e l la sd n aa n dp r o b e ( c h a p t e r 4 ) v a r i o u sk i n d so f m e t h o d sw a sa p p l i e dt op r o v e dt h eh o s t g u e s tr e c o g n i t i o no ft h i sm o d i f i e dt od n a a n dt h er e s e a r c ho fm o d i e f i e de l e c t r o d e s r e g e n e r a t i o n t h er e s u l ts h o wt h a t ，t h e i i 桂林理工大学硕士学位论文 d e t e r m i n a t i o no fd n aw i t hal i n e a rc o r r e l a t i o no v e rar a n g ef r o m5 0 1 t g m lt o6 0 0 1 t g m lw i t hd e t e c t i o nl i m i to f8 9 t g m lw h i l e r h bw o r k e da sp r o b ea n dt h e d e t e r m i n a t i o no fd n aw i t hal i n e a rc o r r e l a t i o no v e rar a n g ef r o m5 0 1 x g m lt o50 0 p g m lw i t hd e t e c t i o nl i m i to f11 3 5 p g m lw h i l em bw o r k e da sp r o b e ( 2 ) i no r d e rt od e t e c t i o nd n a ，a ne l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rb a s e do nr h b - p e r 一6 一 t h i o 1 3c da uh a s b e e nd e v e l o p e d p e r 6 t h i o b c dm o d i f i e de l e c t r o d ew a s p r e p a r e df i r s t l y , a n dt h e nt h es u r f a c eo ft h ep e r - 6 t h i o - 1 3 - - c dm o d i f i e de l e c t r o d ew a s l i n kw i t hr h b b y9 1 u t a r a l d e h y d e ，an o v e lm o d i f i e de l e c t r o d ew a sd o n e t h em o d eo f i n t e r a c t i o nb e t w e e n p e r - 6 一t h i o b c d r h b a n dd n aw a se x a m i n e d b y e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d ，a n dt h i ss e n s o rw a st od e t e c t ed n ai ns o l u t i o nd i r e c t l y , t h e r e s u l ts h o w st h a t ，t h ed e t e r m i n a t i o no fd n aw i t hal i n e a rc o r r e l a t i o no v e rar a n g e f r o m0 2m e m lt oo 8m g m lw i t hd e t e e t i o nl i m i to fo 。0 215m g m l ( c h a p t e r5 ) 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 ，i s o p r o t u r o n ，d o p a m i n e ，p o l y ( 口一a m i n o p h e n 0 1 ) ， h o s t g u e s tr e n c o g n i t i o n ，3 - c y c l o d e x t r i n ，d n a ，m e t h y l e n eb l u e ，r h o d a m i n eb ， e l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r ，m o d i f i e de l e c t r o n d e i i i 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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外，论文中不包含他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权( 学校) 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。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。( 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： 签字日期：年月日 c 导师签字： 签字日期：年月日 桂林理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 分子识别效应的研究及应用概况 在漫长的生物进化中，分子识别发挥着特殊重要的作用，其中在生物体系中 酶、抗体和受体对底物、抗原和激素都展现出特效的分子识别功能。酶和底物、 抗原和抗体、荷尔蒙和受体之间的高度特异性反应就是天然的分子识别过程。 分子识别( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 指具有特殊功能的主体分子对客体分子 的选择性结合。选择性是分子识别的重要特征。分子识别是从分子水平研究酶 反应、信息传递以及在不同介质间的能量传递等生物现象的重要化学概念，已 成为人们研究的前沿课题的热点之一。从二十世纪六十年代起，研究人员对冠 醚【2 “3 1 、环糊精【4 1 和杯芳烃等低分子量大环化合物【5 6 1 以及分子印迹技术进行了研 究f 7 1 ，由于酶、抗体和受体在实际应用中因其制备复杂、容易在高温或其他恶劣 环境下失去活性等缺点，极大地限制了它们在实际中的应用。因此，寻找一种 制备方法简单p 稳定性好，成本低的类似于酶和抗体的结合特性的主客体分子 已日益成为化学以及生命科学研究的重要内容。 1 2 分子印迹技术的研究进展 分子印迹( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g ) 属于超分子化学中的主客体化学范畴，是源 于高分子化学、生物化学和材料化学等学科的一门交叉学科。分子印迹技术 ( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u e ，m i t ) 也叫分子模板技术( m l e c u l a rt e m p l a t e t e c h n i q u e ，m t t ) ，它模仿了生物界的钥匙原理，制备了对特定目标分子具有特 异预定选择性的高分子化合物一分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r s ， m i p s ) 的技术：m i p s 是一种合成的人工受体，它具有形状与底物分子相匹配的空 腔，而且有着特定排列的功能基团可以与底物分子产生识别作用p 】。 分子印迹的产生源于免疫学，早在二七世纪i 十年代，m u d d 提出一种当抗 原侵入时生物体产生抗体的理论，后来p u a l i n g 做了进一步说明p 】，p a i l i n g 提出 了抗体的生成理论，认为抗原进入机体后，蛋白质或者多肽链以抗原决定部位 为模板进行分子组装和链的折叠，最终形成抗体；它的基本点是抗体在形成时 其三维结构会尽可能的同抗原形成多重作用点，抗原作为一种模板就会“铸造” 在抗体的结合部位。这种学说为分子印迹理论奠定了基础。从p a u l i n g 理论出发， 1 9 4 9 年，d i c k e y 旧】成功地将甲基橙印迹在硅胶表面上，首先提出了“专一性吸附” 这一概念，可以视为“分子印迹”的萌芽。1 9 7 2 年，w u l 一研究小组报道已成功 桂林理工大学硕士学位论文 制备出人工合成的有机分子印迹聚合物，分子印迹技术才逐渐为人们所关注。 1 9 9 3 年瑞典m o s b a c h t l 2 l 在n a t r u e ) ) 上发表有关茶碱分子印迹聚合物非共价分 子印迹聚合物的合成和应用报道，分子印迹聚合物除了原有的分离和催化功能 以外，又在与生物技术息息相关的多种生物传感技术及合成人工抗体等领域有 了新的应用，并取得迅速的发展，极大地拓宽和促进了分子印迹技术的研究领 域和应用范围。关于分子印迹技术的文献中，有许多综述性报道【l 卜2 l 】，越来越 多的对分子印迹技术感兴趣的研究人员经过多年的努力，将该项技术逐步引向 成熟，并在分离提纯【2 2 1 、免疫分析【2 引、模拟酶2 4 】以及生物传感器【1 8 】等方面显示 出应用潜力和广泛的应用前景。迄今为止，在分子印迹技术的作用机理、分子 印迹聚合物( m i p s ) 的制备方法以及分子印迹技术与分子印迹聚合物在各个领 域的应用研究，特别是在分析化学方面的应用都取得了很大的发展。分子印迹 技术的应用领域涉及到分离纯化，化学催化，模拟生物转化，分析传感等等。 1 9 9 7 年在瑞典l u n d 大学成立了国际性的分子印迹协会( s m i ) ，以“致力于 分子印迹科学与技术的全面发展”为宗旨。据s m i 统计，目前世界上至少有1 0 0 个以上的学术机构和企事业团体在从事m i p s 的研究与开发工作。 m i p 之所以发展迅速，主要因为有三大特点：构效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、 特异识别性( r e c o g n i t i o n ) 和广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。预见性决定人们可以根据 不同的目的制备不同的m i l 以满足不同的需要：识别性是因为m i p 是模板分子 ( t e m p l a t em o l e c u l a r ) 定做的，它具有特殊的分子结构和功能团，能选择形式 别印迹分子：实用性表现在他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，具有抗恶劣环境能力，表现出高度的稳定性和长的使 用寿命，且制备过程简单。由于m i p 具有以上这些优点，它在对映异构体的分 离 2 5 - 3 3 】、化学仿生传感器【1 9 , 2 0 , 3 3 - 3 5 、模拟酶催化【3 6 3 8 1 、临床药物分析 1 2 , 3 9 l 、 膜分离技术和固相萃取等许多领域，展现了良好的应用前景1 4 如j 。近年来，已 有一些综述介绍了这方面的理论和最新研究成果。 1 2 1 分子印迹技术的原理 分子印迹技术是仿生科学和模拟自然界中酶底物及受体抗体作用的一大 进展。分子印迹是通过以下方法实现的： ( 1 ) 所选的模板分子首先和功能单体及交联单体混合，它们之间通过共价或 非共价键相互作用，形成多重作用点。 ( 2 ) 随后引发聚合反应，模板分子和单体形成的复合体系被紧紧地固定在聚 合物的三维网状结构中，从而使功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固 2 桂林理工大学硕士学位论文 定下来。 ( 3 ) 将模板分子移去，聚合物中就形成了与模板分子空间构型完全匹配，并 含有与模板分子特异性结合的功能基团的三维孔穴。这样的孔穴将对模板分子 及其类似物具有选择识别特性。 模板分子从理论上说可以是所有类型的分子，从小分子( 氨基酸、药物等) 到大分子( 核酸、蛋白质等) ，甚至是更大分子体系如细胞和病毒也能够被印迹。 通常所选择的模板分子越大，合成的印迹材料的难度也越大。 i 2 2 分子印迹技术的分类 根据印迹分子和功能单体形成复合物时作用力的性质，分子印迹技术可以 分为两种方式：预组装法( p r e o f g a n i z a t i o n ) 5 1 1 5 3 】和自组装法( s e l f - a s s e m b l i n g ) f 5 4 一豁】 o 预组装法又称共价法，即聚合前的聚集体主要是由可逆的共价键形成与单 体结合形成单体模板分子的复合物，即模板分子和单体之间以牢固的共价作用 结合在一起，再进行聚合反应。此法由德国的w u l f f 及其同事在2 0 世纪7 0 年代 初期创立【5 7 。8 1 。共价键作用的优点是在聚合中能获得在空间位置上精确排列的 结合基团。对用于催化剂的聚合物来说，印迹空腔内结合基团的方向和起催化 作用的活性基团极为重要，此时，共价键结合较为有利。到目前为止，使用于 共价结合作用的物质包括硼酸酯、缩醛酮、席夫碱、酯和酰胺等。常用的单体 有：4 乙烯苯硼酸、4 乙烯苯甲醛、4 乙烯苯胺、4 乙烯苯酚及其衍生物等。 自组装法又称非共价法，即组装过程中模板分子和功能单体之间是通过非 共价键作用结合，此法中模板分子和功能单体之间自组织排列，以非共价键自 发形成具有多重作用位点的单体模板分子复合物，经过交联聚合物后将这种作 用保存下来，常用的非共价键作用包括：氢键、静电作用、金属螯合作用、电 荷转移、疏水作用及范德华力等，其中以氢键作用力应用最多。此法由瑞典的 m o s b a e h 及其同事在2 0 世纪8 0 年代后期创立 ；9 6 l ! j 。在非共价作用的聚合中使用 过的单体有：丙烯酸、甲基丙烯酸、三氯甲氅丙烯酸、亚甲基丁二酸、2 一丙烯酰 胺一2 甲基1 丙磺酸、n 丙烯酰基丙氨酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、 4 乙烯基苯丙烯、丙烯酰胺等。 与预组装法相比，自组装法简单易行，模板分子容易除去，其分子识别过 程也更接近于那些天然的生物分子识别系统，例如“抗原。抗体”和“酶底物”等。 印迹过程中还可以采用多种单体，给模板分子提供更多作用，改善印迹效果， 因此成为分子印迹技术研究的热点。除了上述两种基本类型外，还有一种综合 3 桂林理工大学硕士学位论文 了二者的技术，即聚合时单体和印迹分子之间是共价作用的，在识别过程中， 二者的作用是非共价的，得到的分子印迹聚合物既有共价印迹聚合物亲和专一 性强的优点，又具有非共价印迹操作条件温和的优点。v u l f s o n 等人报道的“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 ) 和p i l e t s k y 等人报道的硅酸分子印迹聚合物都 属于将分子自组装和分子预组装相结合的印迹技术f6 1 6 2 1 。2 0 0 0 年以来，用功能 性单体与金属离子配位制备分子印迹聚合物也得到了发展，主要用于金属离子 和蛋白质的分离 6 3 , 6 4 】。 1 2 3 在传感技术领域的应用 分子印迹聚合物用作传感器的敏感材料是分子印迹技术应用的一个重要方 面。我们把这种以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器件称为分子印迹聚合 物传感器。分子印迹聚合物敏感材料与近年来研究较热的生物敏感材料相比， 具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂，不易被生物降解破坏，可多次重复使 用，易于保存等优点。而且，较生物材料易得，可用标准化学方法合成出来。 因此，分子印迹聚合物有希望成为取代生物材料的理想替代品。 自1 9 8 7 年t a b u s h i 首次用分子印迹聚合物作为敏感材料，对维生素进行检 测以来，分子印迹聚合物传感器引起了人们广泛的兴趣【6 5 】。综合分析有关m i p s 仿生传感器的文献，将m i p s 仿生传感器的制作方式大体分为两类：( 1 ) 直接在 换能器表面合成m i p s 膜，此法可称直接法，主要有紫外光聚合法、电聚合法和 自组装法。( 2 ) 先制备m i p s 颗粒或膜，再将制备的颗粒或膜与换能器直接连接 或不与换能器连接，此可称间接法。间接法制作的m i p s 作为识别层一般较厚， 故传感器的响应时间相对较长。 尽管理论上m i p s 可制得对许多化合物有专一选择性的传感器膜，但缺乏将 这种结合过程转化为可测量信号的传感机理和方法，目前大多数工作仅局限于 研究制各m i p s 传感器的可能性上。在m i p s 传感器的设计有三个问题至关重要： ( 1 ) 开发能够对结合过程进行检测并将其转换为可处理信号的高灵敏度的换 能器； ( 2 ) 开发高性能印迹聚合物，在要求的条件下能够与模板一被分析物作用，并 且有所需的亲和力和选择性； ( 3 ) 将m i p s 与换能器结合成一体。 1 2 4 分子印迹聚合物传感器的换能器类型 h a u p t 和m o s b a c h 对近年来m i p s 在仿生传感器中的应用及其识别原理进行 4 桂林理工大学硕士学位论文 了综述【6 】。m i p s 传感器的换能器主要有四种形式： ( 1 ) 一般形式：如电容法f 6 6 6 8 1 、电导率法【6 纠、表面声波法( s a w ) 【7 0 1 、右英 晶体微天平法( q c m ) 【7 0 7 2 1 、勒夫波波振动( 1 0 v e w a v eo s c i l l a t o r ) t 7 3 1 、红外消蚀波 法【7 4 1 、质谱法【7 5 1 及椭圆光度法【7 6 1 等。最早报道的基于m i p s 的整体传感器是一 个电容型传感器。该装置由一个场效应( f i e l d e f f e c t ) 电容器组成，其内装有苯丙 氨酸印迹的聚合物膜。与该模型目标分子结合后，装置的电容发生改变，从而 实现目标分子的定量检测。在近几年，s a w 、l o v e w a v eo s c i l l a t o r 和q c m 等检 测方法得到了广泛应用。另外一些传感器是基于电导转换原理设计的。两电极 间被印迹聚合物膜隔开。目标分子与聚合物结合后，电导发生变化，这一变化 被转换为电信号输出。 ( 2 ) 被分析物产生信号：即利用被分析物的某种性质，如荧光性或电化学等 特性，也可以设计m i p 传感器 3 3 , 3 5 , 7 7 7 9 l 。例如，k r i z 等报道了一种测定吗啡的 m i p 传感器【77 1 。将m i p 颗粒固定在绕铂电极的琼脂糖底材上，并以竞争结合机 理用电化学检测对吗啡进行分析。同样，可用光化学传感器检测能发荧光的被 分析物。丹酰苯基丙氨酸荧光传感器就是一个典型的例子【7 8 1 。 ( 3 ) 竞争形式：如比色法【8 0 1 和伏安法【8 1 , 8 2 】。如果目标分子本身没有可适于 检测的性质，则可采用竞争或转移传感器形式。被标记的目标分子衍生物与目 标分子在m i p s 结合位点上产生竞争结合，或者被标记的目标分子先与m i p s 结 合，再被目标分子取代。由于许多目标分子不易被标记，所以更宜采用无关探 针进行检测。利用这样竞争形式不会降低传感器的灵敏度。l e v i 等研制了用于 氯霉素检测的光学传感器系统。该方法是基于分析物m i p s 上竞争代替氯霉素 甲基红染料对，后者在4 6 0r i m 处检测，他们用此测定了牛血清中氯霉素含量【8 1 1 。 ( 4 ) 聚合物产生信号：除利用目标分子产生信号的方法外，另一具吸引力 的方法，即利用聚合物本身产生信号来设计识别换能元件。这种方法与最近生 物传感器研究中将识别元件置于复合基质中的发展趋势有相似之处。有关这方 面的报道为数不多f 8 3 q 6 1 。采用配位基交换模武工作的葡萄糖检测器就是一例f 8 引。 聚合物制备过程中使用了可聚合的铜螯合物和甲基葡萄糖苷。从聚合物中提取 出铜和甲基葡萄糖苷后，葡萄糖分子与金属结合并释放质子，通过测量p h 可得 到葡萄糖浓度。这种m i p 还可用于测量血清中的葡萄糖含量，但灵敏度较测量 纯盐溶液的浓度时稍低。 总之，设计m i p 基传感器的一个重要方面是找到适当的方法解决聚合物与 换能器间的界面问题。大多数情况，敏感材料和换能器之间一般采用原位合成 或涂覆的方法结合。目前已用于分子印迹传感器的测定对象主要有氨基酸及其 衍生物【8 6 9 0 1 、除草剂【9 1 95 1 、金属离子【9 6 9 7 1 、体液中的荷尔蒙98 1 、神经性毒剂水 5 桂林理工大学硕士学位论文 解产物【9 9 1 、有机蒸气【1 0 0 】等。 1 2 5 现存问题 分子印迹技术的特点使其有望实现单一主体分子对多元客体分子的识别分 子印迹聚合物，也有望成为对各种物质进行准确检测和高效分离的介质。但由 于研究历史尚短，分子印迹技术仍然存在一些亟待解决的问题。 ( 1 ) 有关分子印迹热力学和动力学的研究报道还不多，模板分子和聚合单 体之间的相互作用还缺乏系统的研究。结合位点的作用机理、聚合物的形态和 传质机理仍然不够清楚。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还局限在以小分子物质如氨基酸、染料、金 属离子、药物和农药等为模板，而对蛋白质、多肽和酶等生物大分子甚至细胞 的印迹虽然有报道，但并不多见，而且效果不理想【1 0 1 1 ，对传统的印迹方法提出了 挑战。另外，由于气体分子本身体积太小，常温时呈气态，操作上无法控制等 因素的影响，研究也不多见【1 0 2 1 。 ( 3 ) 分子印迹聚合物的制备和识别目前大多局限在非极性环境中。而天然 的分子识别体系大多是在水溶液中进行的，如何利用特殊的分子间作用在水溶 液或极性溶剂中进行印迹和识别，仍是一个难题。 ( 4 ) 目前所使用的功能单体、交联剂和聚合方法都有较大的局限性。另一 方面，传统印迹方法单体的种类少，聚合物易溶胀，模板分子的洗脱困难，膜 厚难控制，“印迹”容量低，分布不均等问题都给分子印迹技术应用带来困难。 1 2 6 发展趋势 展望未来，分子印迹技术在今后的发展动向主要体现在以下几个方面b 0 3 1 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 研究分子印迹聚合物制备的新方法，将印迹对象从氨基酸、药物等小分 子、超分子过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子，甚至生物活体细胞。 ( 3 ) 将分子印迹和识别过程将从有机相转向水相，以便接近和达到与天然 分子识别系统相当的水平。 ( 4 ) 手性分离和固相萃取氨基酸及手性药物将步入商业化阶段。 ( 5 ) 由于分子印迹聚合物传感器具有抗各种恶劣环境的能力，又具有与生 物酶类似的高选择性。利用这两个性质可以将分子印迹传感器做成分子探针， 6 桂林理工大学硕士学位论文 直接插入生物组织或细胞内进行探测和分析。 ( 6 ) 模仿人工嗅觉和味觉的原理，对单一传感器的选择性和灵敏度要求适 中，而采用多个不同类型的传感器组成阵列对混合物中单一组分进行定性和定 量检测，或是多组分同时测定，实现对实际样品的定性和定量分析，这也是今 后分子印迹传感器发展的一个方向。 总之，随着生物技术、电子技术、合成手段和现代分析检测手段的迅猛发 展，分子印迹聚合物的合成、表征方法和理论系统将日益完善，其应用范围将 更加广泛。 1 3 环糊精的研究进展 超分子化学既是一个新兴的跨学科的交叉前沿领域，又是一门发展前景广阔 的边缘学科。超分子化学是分子键的化学，研究两个或者多个物种通过分子间 作用力结合而形成的高度复杂的组织化实体的结构和功能。其研究内容包括分 子识别、受体化学、分子自组装、反应性和催化等基本功能，对这些基本功能 的研究为分析化学提供了新的理论和方法。而分子识别则是形成超分子体系的 基本特征，也是超分子的基本构造规则。主体化合物对客体化合物具有高度的 分子识别能力，对从分子水平上模拟生物功能，研究生物体内各种生物现象具 有重要的意义，它的应用为发展特异性、专一性、选择性高的生物活性分子分 析方法提供了广阔的前景。 近年来超分子化学这一广阔的前沿领域发展十分迅速【3 , 7 , 1 0 4 】随着研究的深 入和应用范围的扩大，涵盖化学各分支学科的超分子领域正在逐步形成，一个 超分子化学的世纪正在到来。超分子的结合都是建立在分子识别基础之上的。 所谓分子识别就是主体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能 的过程，是组装及组装功能的基础，是酶和受体选择性的根基。分子识别是类 似“锁和钥匙”的分子间专一性结合，可以理解为底物与给定受体间选择性键合， 是形成超分子结构的基础。 在已报道的多种人工超分子主体物质中、，以冠醚、环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 、 杯芳烃及卟啉为主体的分子识别研究引起了人们的广泛关注【1 0 5 】，其中，环糊精 作为第二代超分子的构筑体，是d 吡喃葡萄糖单元以伍1 ，4 糖苷键相结合，互 为椅式构象的环状低聚糖，具有独特的“内疏水、外亲水”的分子结构，可以与范 围极其广泛的各类客体，如有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体，通过 分子间互相作用形成主客体体系，从而成为超分子化学工作者感兴趣的研究对 象 1 0 6 ，1 0 7 。 7 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 1 环糊精及其分子识别机制 c d 分子是由d 一吡喃型葡萄糖基通过a 1 ，4 糖苷键组成，通常含有6 、7 、 8 个糖单元，分别称之为q 、d 、丫环糊精，其分子形状都是略呈锥形的圆筒状。 图1 1 为p 一环糊精的分子结构。圆筒中各个葡萄糖单元皆处于椅式构象，c 2 和 c 一3 为上的仲羟基位于锥形圆筒外侧较大的开口端，c 6 位上的伯羟基位于锥形 h o h h l o h 图1 1 环糊精的分子结构图示 f i g1 1s t r u c t u r eo f1 3 - c y c l o d e x t r i n 圆筒外侧较小的开口端，因而外侧边框是亲水的。虽然在环糊精的空腔中的一 圈糖苷键上有1 1 个类醚氧原子，但是由于其空腔内侧由两圈氢原子及一圈糖苷 酸的氧原子处c 。h 键的屏蔽之下，而使得空腔具有疏水性；而外侧边框由于羟 基聚集呈亲水性。位于c d 窄口端指向指向环外面的c 一6 位的羟基称为伯羟基； 位于c d 的宽口端的c 2 和c 3 位的羟基，称为仲羟基。其中c 2 和c 3 的仲羟 基具有顺时针和逆时针两种指向，这种结构因素能在手性化合物的识别上起作 用 1 0 8 1 1 0 】。也正是由于环糊精的这种内疏水，外亲水”的特殊分子结构，使得环 糊精如前所述成为一种常用的超分子体系的主体分子，来包合各种不同客体形 成超分子。 1 3 1 1 环糊精单体的分子识别 c d 作为环状主体分子，对客体识别主要有两种形式：一种是“内识别”，作 用力主要是范德华力、疏水作用力、色散力等，另一种是“外识别”，作用力主要 包括氢键力、静电引力。相应予两种识别方式，c d 与客体形成两种超分子：包 桂林理工大学硕士学位论文 含物和表面作用产物，其结构类型有两种：a 笼型，c d 分子非同轴排列，被包 含的客体分子充塞于c d 腔内；b 管道型，c d 分子同轴排列，空腔形成大约0 5 o 8 n m 的隧道，客体分子寄宿于隧道内。 由于c d 作为天然主体具有亲水性的外壁和手性的刚性内腔，可以与多种客 体形成包合物，客体类型主要分为无机客体【1 1 1 】、有机客体【1 12 1 、多肽3 】j 蛋白 质【1 1 4 , 1 1 5 】、金属配合物【1 1 6 1 等。客体分子的形状和大小与c d 空腔的匹配度、疏 水性以及与主体分子间的作用力强弱的不同使主体可以识别不同类型的课题， 这方面工作已有较多文献的报道1 ：1 19 1 。 1 3 1 2 修饰性环糊精单体的分子识别 由于环糊精母体缺少酶那样的有效功能团，为增加其分子识别能力，使之具 有酶的功能，通常在c d 分子中引入一定功能基团修饰成c d 衍生物，所谓修饰 就是将c d 的伯或仲羟基的一个、二个甚至是全部通过生成醚、酯或者进一步 转换成含有其他功能团的c d 衍生物的过程，一般认为c d 的2 o h 和6 - o h 比 较活泼，而3 o h 则不太活泼，因此修饰c d 通常生成2 ，6 取代物，只有在较 为充分的条件下才形成全取代物。化学修饰c d 的种类很多f 1 2 1 2 扪。 1 3 2 环糊精超分子化学研究进展 最近二十多年来，大量的化学修饰c d 被合成出来，从而扩大了对客体分子 的识别能力和选择性。研究结果表明，多种弱相互作用的协同作用与c d 的分子 识别过程，主客体间尺寸匹配、几何互补等因素对主客体包合物的稳定性有重 要的贡献。多种实验方法如荧光光谱、电化学方法、核磁共振、x 射线粉末衍 射、红外光谱、紫外可见光谱、热分析方法、各种色谱分析方法及理论计算方 法等被用于c d 的超分子作用机理和分子识别机理的研究。 目前，对c d 超分子化学的研究，除了不断合成新的c d 衍生物并研究它们 和客体间的相互作用外，在研究利用c d 构造超分子器件特别是“智能化超分 子”c d 模拟酶、c d 和其它主体分子如冠醚冬杯芳烃识别客体分子的协同作用等 方面的研究都取得了新的进展。c d 的独特结构及其多种可行的衍生话，可以使 人们根据不同的目的来设计具有特殊结构和高度选择性的主体分子，在荧光分 析、药物控制释放、手性识别、模拟酶、分子开关、超分子构筑等方面发挥重 大的作用。围绕c d 的研究( 合成新的c d 衍生物、c d 对客体分子多点识别的 机理、构造新奇的和智能化超分子器件等方面的研究) 正向更深和更广的方向 发展。分子识别的特点是高度选择性和可逆性，这正符合传感器对敏感膜材料 9 桂林理工大学硕士学位论文 的要求。近几年，c d 及其衍生物已开始广泛的应用于设计合成分子选择性化学 传感器。 1 3 3 环糊精超分子在电分析化学中的应用 研究超分子体系电化学性质的方法通常可以分为界面和大体积两种方法， 前者是研究电极一溶液界面现象如伏安法，后者则是涉及到样品溶液的核心现象。 界面电化学还可以进一步分为平衡和动态两种方法，前一种是在平衡条件下测 定，没有电流通过电化学池，典型的是电位技术，而动态法则是使在远离平衡 状态，在控制电流或者是控制电位条件下测定