（环境科学专业论文）分子印迹聚合物的制备及其吸附性能研究.pdf

得印迹聚合微球自制固相萃取柱对土壤中的对甲氧基苯胺分离测定。 关键词：分子印迹，沉淀聚合，选择性吸附，固相萃取 i i a bs t r a c t m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e ri sa l li n t e r d i s c i p l i n a r ys u b j e c tt h a th a sb e e nd e v e l o p e df r o mp o l y m e r c h e m i s t r y , m a t e r i a lc h e m i s t r y , a n a l y t i c a lc h e m i s t r ya n db i o c h e m i s t r y b e i n gp a r to fs u p e rm o l e c u l a r c h e m i s t r y , m o l e c u l a ri m p r i n t i n g i s a t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o ma c a d e m i ci n s t i t u t i o n s ， e n t e r p r i s e sa n do r g a n i z a t i o n sa n dd e v e l o p i n gr a p i d l y a r t i f i c i a l l ys y n t h e s i z e dm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e rh a sh i g hs e l e c t i v i t ya n ds p e c i f i cr e c o g n i t i o na b i l i t yo nt a r g e t e dm o l e c u l ea n dh a sh i g hs t a b i l i t ya n d s p e c i a lr e s i s t a n c et oa c i d ，a l k a l ia n ds e v e r ee n v i r o n m e n t m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rh a sb e e nu s e da s s o l i dp h a s ee x t r a c t o r , h i 曲p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p hi m m o b i l ep h a s e ，b i o n i cs e n s o ra n dn a t u r a l d r u g ss e p a r a t o rb ys c h o l a r sa n dr e s e a r c h e r sa n dt h u sw i d e l ya p p l i e dt ob i o e n g i n e e r i n g ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n ga n df o o di n d u s t r y t h i st h e s i sf i r s ts t a t e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s ，c l a s s i f i c a t i o na n dp r e p a r a t i o no fm o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，t h e nr e v i e w si t sa p p l i c a t i o n si ns o l i dp h a s ee x t r a c t i o n ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，f o o di n d u s t r y , p h a r m a c e u t i c a la n a l y s i sa n dn a t u r a ld r u g se x t r a c t i o nb o t hh o m ea n da b r o a d ，a n df i n a l l yl o o k si n t ot h e f u t u r eo ft h i st e c h n o l o g y t h i st h e s i si sc a r d e do u to nt h eb a s i so ft h et e c h n o l o g yo f m o l e c u l a ri m p r i n t i n gb yu s i n gt h em e t h o d s o f b u l kp o l y m e r i z a t i o na n dp r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n b ya d o p t i n gt r i c l o s a na st h et e m p l a t e ，m e t h a c r y l i c a c i da s t h ef u n c t i o n a l m 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 st h e c r o s s l i n k i n ga g e n t ， a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l ea st h ei n i t i a t o ra n da c e t o n i t r i l ea st h es o l v e n t ，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e ro f t r i c l o s a ni sp r e p a r e d t h es h a p e ，s i z ea n dd i s p e r s i v i t yo ft h ei m p r i n t e dp o l y m e rm i c r o s p h e r ep r o d u c e db y p r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n a r eo b s e r v e db ys e m t h ei n f l u e n c eo fs o l v e n t sv o l u m eo np o l y m e r m i c r o s p h e r ei nt h ep r o c e s so fp o l y m e r i z a t i o ni sd i s c u s s e d t h ea d s o r p t i v ep r o p e r t yo fi m p r i n t e dp o l y m e r m i c r o s p h e r ei si n v e s t i g a t e dt h r o u g hs t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n ta n ds e l e c t i v ee x p e r i m e n to fs u b s t r a t e t h e r e s u r ss h o wt h a tb o t hp o l y m e r sh a v eg o o ds e l e c t i v i t ya n ds p e c i f i ca b s o r p t i v ec a p a c i t yo nt r i c l o s a n t h e a d s o r p t i v ec a p a c i t ya n ds e l e c t i v i t yo ft h ei m p r i n t e dp o l y m e rm i c r o s p h e r ep r o d u c e db yp r e c i p i t a t i o n p o l y m e r i z a t i o na r ea p p a r e n t l yh i g h e rt h a nt h o s ep r o d u c e db yb u l kp o l y m e r i z a t i o n f r o ms c a t c h a r d e q u a t i o n ，i tc a nb el e a r n e dt h a tt h e r ea r et w ok i n d so fa f f i n i t yl o c u se x i s t i n gw i t h i nt h es c o p eo fc o n s i s t e n c y i i i t h ed i s s o c i a t i o nc o n s t a n to f h i g ha f f i n i t y sb i n d i n gs i t ek d l - 7 9 5 1 0 4 m o l l ，a n dt h em a xa p p a r e n tb i n d i n g c a p a c i t yq 脚x 1 = 1 9 3 2 1 u n o l g ；w h i l e t h ed i s s o c i a t i o n c o n s t a n to fl o w a f f i n i t y sb i n d i n g s i t e k 2 = 7 6 6 10 一m o l l ，a n dt h em a xa p p a r e n tb i n d i n gc a p a c i t yq r m x 2 2 7 8 2 8 p m o l g w h e nt h ea n a l o g u eo f t r i c l o s a ni su s e da sc o m p e t i t i v es u b s t r a t e ，t h ep o l y m e rh a sg o o ds p e c i f i c i t ya d s o r p t i o ne f f e c to nt r i c l o s a n ， a n dt h u sc a nb ea d o p t e di nt h ee n r i c h i n gs e p a r a t i o no fa n a l o g u eo ft r i c l o s a n p a c k i n g sw i t hm o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e r i cm i c r o s p h e r ea st h es o l i dp h a s ee x t r a c t i o nc a ns e p a r a t et r i c l o s a nf r o m i t sa n a l o g u e w i t hm e t h o x y a n i l i n ea st h et e m p l a t e ，m e t h a c r y l i ca c i da st h ef 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 l d i m e t h a c r y l a t ea s t h ec r o s s - l i n k i n ga g e n t ，a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l ea st h ei n i t i a t o r , a n da c e t o n i t r i l ea st h e d i s s o l v e n t ，t h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e ro f4 - m e t h o x y a n i l i n ei sp r e p a r e dt h r o u g ht h em e t h o do f p r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n t h es t r u c t u r eo fp o l y m e r i cm i c r o s p h e r ei sr e p r e s e n t e dt h r o u g h t h ea d o p t i o no f s e m t h ea d s o r p t i v ec a p a c i t yo fp o l y m e r i z a t i o ns y s t e mo n4 - m e t h o x y a n i l i n ea n di t ss u b s t r a t ei ss t u d i e d t h r o u g hs t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n ta n ds e l e c t i v ee x p e r i m e n to fs u b s t r a t e s c a t c h a r da n a l y s i si sc a r r i e do u t a f t e r w a r d s t h er e s u l t ss h o wt h a ti m p r i n t e dp o l y m e rh a sg o o da d s o r p t i v ec a p a c i t ya n ds p e c i f i cr e c o g n i t i o n a b i l i t yo nt e m p l a t e t h es o l i dp h a s ee x t r a c t i o nc o l u m nm a d eb yl i s e o fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r i c m i c r o s p h e r ec a nb ea p p l i e dt ot h es e p a r a t i o na n dd e t e r m i n a t i o no f4 一m e t h o x y a n i l i n e i ns o i l k e yw o r d s ：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 ，p r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n ，s e l e c t i v ea d s o r p t i o n ， 1 v s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o n 第一章分子印迹技术发展及其应用 第一章分子印迹技术发展及其应用 1 1 分子印迹技术概述 人们对自然界中存在的分子识别现象早已熟知，自1 8 2 8 年f w 曲l e r 【lj 合成尿素分子以 来分子化学正在快速发展，特别是在有机合成方面，人们利用精美的策略和巧夺天工的 设计选择性合成了大量结构复杂功能多样的分子。1 9 8 7 年c j p e d e r s e n 、d j c r a m 和 j m l e h n 获得诺贝尔化学奖标志着分子合成进入了一个新的时代。通过对非共价键的 弱相互作用力而结合起来的复杂而有序且具有特定功能的分子集合体的研究，即超分子 化学，可以说是共价键分子化学的升华和质的超越，被称作“超分子概念的化学”。人 们开始寻找以分子作为最小单位的新的合成方法和策略，进而研发出具有新的性质和功 能的新型材料。分子识别领域作为超分子化学中的重要领域越来越受到科学家们的关 注。早在1 9 8 4 年e f i s c h e r 2 1 就在他的论著里提出了以“锁和钥匙”来描述底物与酶的 专一性结合，称之为分子识别。分子识别这一概念最早是由生物学家在研究生物体系中 的生物化学问题而提出的，用来描述生物对某种生物功能化学物质的选择性。分子识别 现在已经发展为表示主体( 受体) 对客体( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过 程。分子识别具有能够在复杂的混合体系中，依靠主客体之间互补结构具有的大小、形 状、化学官能团的识别和结合而行成的特异选择性，类似于“锁匙”原理【3 ，4 】。特异的 选择性是分子识别的重要特征，自然界中的分子识别，例如抗原与抗体、酶与底物等都 具有高度的特异选择性。但是天然存在的具有分子识别的生物大分子一般存在难以提 取，性质不稳定，操作和储藏困难，以及在酸碱环境和高温等其他恶略环境下极易失去 活性，因此，在实际应用中受到极大的限制。人们对于自然界的分子识别进行学习和模 拟，依据受体来自行设计合成相对稳定、具有耐酸碱、耐高温、具有一定刚性的材料， 分子印迹技术便应运而生。 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 ) 起源于免疫学。2 0 世纪3 0 年代由b r e i n l ，m u d d 和h a u r o w i t z 同时期提出了抗原入侵生物体导致产生抗体的理论。 四十年代著名的诺贝尔奖获得者p a u l i n g 【5 】进一步提出了抗体形成学说，即为抗原作为 模板“铸造”在抗体的结合部位进而形成多重结合位点。又称之为“模板学说”。尽管 分子印迹聚合物的制备及其吸附i 生能研究 后来被“克隆选择”理论【6 】所推翻，但是还具有一定的合理性：( 1 ) 生物体所释放的物质 对于外来物质具有相对应的结合位点；( 2 ) 生物体所释放的物质与外来物质能够在空间 上相互匹配。正是这两点假设，启发了后来者的想象空间，为以后的分子印迹理论产生 奠定了理论基础。1 9 4 9 年，d i c k e y 7 】首先利用硅胶制备的染料的印迹物，成功的将甲基 橙印迹在硅胶的表面，并提出了“专一性吸附”的概念，但是这一学术思想在很长的一 段时间未能得到人们的关注。直到1 9 7 2 年，德国的w u l f ! f 【g l 研究小组第一次成功的制备 出分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r ，m i p ) ，是分子印迹技术形成的一个 重要标志，至此，分子印迹技术才受到学术界和企事业单位的广泛关注。1 9 8 1 年瑞典科 学家m o s b a c h 等人首次利用模板分子和功能单体的非共价作用制备分子印迹聚合物，创 造性的开拓了非共价型分子印迹聚合物的制备方法。尤其是1 9 9 3 年瑞典科学家m o s b a c h 在( ( n a t u r e ) ) 【9 】上发表关于茶碱分子印迹聚合物的报道后，分子印迹技术得到飞速发展。 分子印迹聚合物以其高度的立体专一识别性和通用性，越来越受到广大科学工作者的青 睐。1 9 9 7 年，在瑞典l u n du n i v e r s i t y 成立了国际性的分子印迹协会( s o c i e t yf o rm o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，s m i ) ，其宗旨为“致力于分子印迹技术的全面发展”。2 0 0 0 年在英国c a r d i f f u n i v e r s i t y 举行了第一届分子印迹国际学术会议，来自全世界的一百多名专家学者进行 了交流，共收到1 1 2 篇关于分子印迹的学术论文。目前，全世界至少有包括瑞典、德国、 美国、日本、中国、法国、澳大利亚等在内的几十个国家和上百个科研学术机构和企事 业团体在从事分子印迹聚合物的开发和研究【10 1 。我国的研究单位主要集中于中科院兰州 化学物理研究所、中科院大连化学物理研究所、中科院化学所、防化研究所、军事医学 科学院毒物所、湖南大学、兰州大学、北京大学、吉林大学、湖南大学、天津大学、南 开大学等研究所和高校。现在分子印迹技术已经成为国内外的学术研究热点【1 2 , 1 3 】，分 子印迹协会的队伍也在迅速壮大，吸收了越来越多的分子印迹方面杰出工作者【1 4 , 1 5 j ，分 子印迹技术进入了一个发展的鼎盛时期。 分子印迹技术之所以能够发展如此迅速的原因，主要是它本身所具有的三大显著特 点所决定的：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( s p e c i f i cr e c o g n i t i o n ) 和广泛 的实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。在聚合体系中引入模板分子是在聚合之前进行的，所以在预 聚过程中功能单体能够以固定的有序的方式与模板分子组合起来，聚合过程中功能单体 能够被安置在期望的位置上和预期的空腔之内，所以具有高效预定性；聚合物结构就是 根据模板分子的分子结构而形成的，当模板分子被去除之后，聚合物内部便形成了和模 2 第一章分子印迹技术发展及其应用 板分子大小和形状高度一致以及官能团相匹配的空腔，进而长生了对模板分子的“记忆” u 引，便能够具有高效的识别和选择性；广泛地实用性是由于分子印迹聚合物对于生物 分子识别系统具有制备过程简单，易于操作，具有抗高温、抗酸、抗碱等抗恶劣环境的 能力，并且具有一定的机械强度。正是由于分子印迹聚合物所具有的以上优点，它在许 多领域具有广阔的应用前景，在复杂样品的分离提取、模拟酶催化和色谱中对映体和异 构体的分离以及化学仿生传感器【1 7 2 0 】等方面表现出良好的应用前景。如今分子印迹技术 已经广泛应用在环境监测、食品工业、生物工程、天然药物等领域中，并形成一定的产 业化规模。 1 2 分子印迹技术原理及分类 1 2 1 分子印迹技术的基本原理 分子印迹技术原理如图1 1 所示。分子印迹技术就是仿照自然界存在的抗原抗体原 理而人工合成能够在对模板分子( 印迹分子) 在空间结构和结合位点上高度一致的高分 子聚合物的实验室技术，它被形象的描述为“分子钥匙”和“人工锁”的匹配过程。它 通常要经过一下步骤来实现分子的识别过程：( 1 ) 模板分子和功能单体在致孔剂( 溶 剂) 中通过共价键或是非共价键的相互作用形成可逆的复合体；( 2 ) n i 入交联剂在 热引发或是光引发的作用下使交联剂在复合体的周围通过聚合反应，形成高度交 联的具有一定刚性的聚合物；( 3 ) 将模板分子从聚合物中抽提出来，在聚合物的内 部留下具有能够和模板分子在空问结构和大小具有高度匹配并能够对模板分子 具有特异选择性的三维空腔。正是这些空腔能够对模板分子具有专一的结合性， 对模板分子具有分子识别能力，使得聚合物能够优先结合模板分子，也就是说聚 合物能够有选择的识别模板分子。理想的分子印迹聚合物一般具有以下优点【2 l j ： ( 1 ) 具有容易被接近的亲和位点，使得分子识别变得快速而准确；( 2 ) 聚合物具有一 定的刚性结构，在抽提模板分子的过程中原来空腔的大小形状以及相互作用的官 能团位置不发生改变，以保证对模板分子的特异选择性；( 3 ) 具有一定的化学稳定 性和机械稳定性以及热稳定性，以保证能够在恶略环境下的应用能力；( 4 ) 具有一 定的柔韧性，以保证能够快速的识别模板分子。 第一章分子印迹技术发展及其应用 板分子大小和形状高度一致以及官能团相匹配的空腔，进而长生了对模板分子的“记忆” u 引，便能够具有高效的识别和选择性；广泛地实用性是由于分子印迹聚合物对于生物 分子识别系统具有制备过程简单，易于操作，具有抗高温、抗酸、抗碱等抗恶劣环境的 能力，并且具有一定的机械强度。正是由于分子印迹聚合物所具有的以上优点，它在许 多领域具有广阔的应用前景，在复杂样品的分离提取、模拟酶催化和色谱中对映体和异 构体的分离以及化学仿生传感器【1 7 2 0 】等方面表现出良好的应用前景。如今分子印迹技术 已经广泛应用在环境监测、食品工业、生物工程、天然药物等领域中，并形成一定的产 业化规模。 1 2 分子印迹技术原理及分类 1 2 1 分子印迹技术的基本原理 分子印迹技术原理如图1 1 所示。分子印迹技术就是仿照自然界存在的抗原抗体原 理而人工合成能够在对模板分子( 印迹分子) 在空间结构和结合位点上高度一致的高分 子聚合物的实验室技术，它被形象的描述为“分子钥匙”和“人工锁”的匹配过程。它 通常要经过一下步骤来实现分子的识别过程：( 1 ) 模板分子和功能单体在致孔剂( 溶 剂) 中通过共价键或是非共价键的相互作用形成可逆的复合体；( 2 ) n i 入交联剂在 热引发或是光引发的作用下使交联剂在复合体的周围通过聚合反应，形成高度交 联的具有一定刚性的聚合物；( 3 ) 将模板分子从聚合物中抽提出来，在聚合物的内 部留下具有能够和模板分子在空问结构和大小具有高度匹配并能够对模板分子 具有特异选择性的三维空腔。正是这些空腔能够对模板分子具有专一的结合性， 对模板分子具有分子识别能力，使得聚合物能够优先结合模板分子，也就是说聚 合物能够有选择的识别模板分子。理想的分子印迹聚合物一般具有以下优点【2 l j ： ( 1 ) 具有容易被接近的亲和位点，使得分子识别变得快速而准确；( 2 ) 聚合物具有一 定的刚性结构，在抽提模板分子的过程中原来空腔的大小形状以及相互作用的官 能团位置不发生改变，以保证对模板分子的特异选择性；( 3 ) 具有一定的化学稳定 性和机械稳定性以及热稳定性，以保证能够在恶略环境下的应用能力；( 4 ) 具有一 定的柔韧性，以保证能够快速的识别模板分子。 分兰望垄鍪全塑塑鱼! 鱼垒茎坚堕丝堂翌! 窒 罩0 盘 毛乞乜 叵叵 物理萃 ， f 譬苹采 ， 巳 图1 1 分子印迹技术原理不意图 ( a )自组装( b ) 预组装 1 2 2 分子印迹技术的分类 根据模板分子和功能单体之间的相互作用力的不同可以，可以将分子印迹的 制备方法分为以下四类： ( 1 ) 预组装法( p r e o r g a n i z e da p p r o a c h ) 一共价键作用 预组装法又叫共价键法，是w u l f f 等人创立发展起来的。此方法中模板分子和 功能单体之间是通过共价键的相互作用而形成可逆复合体2 2 2 4 1 ，聚合反应完成后， 通过化学方法使模板分子和功能单体之间形成的共价键断裂以出去印迹分子。这 种方法所得到的聚合物中键合位点位置和空间结构都是精确固定的，所得到的聚 合物对模板分子的作用力强，因此特异识别能力强，也能够适应高温和强酸强碱 4 毹仁撮 r 、 第一章分子印迹技术发展及其应用 环境。但是由于共价键的相互作用一般较强，主客体之间的平衡就会比较缓慢， 从而影响聚合物对模板分子的识别效率。再者在洗脱的过程中需要较为剧烈的方 法，可能会造成其他共价键的断裂从而影响印迹效果，可以采用的共价交联体系 也较少。现常用共价键结合作用一般有希夫碱、缩醛( 酮) 、酯、螯合键作用、硼酸 酯等。共价键法主要用于各种特异识别功能的聚合物，例如甘油酸及其衍生物、氨基酸 及其衍生物、扁桃酸、铁转移蛋白、甾醇类物质等。通过酸碱酯化反应进行预组装的经 典实例如图1 2 所示。 、八。 乙k 人 1 m 掩。h r e f l e x 图卜2 分子预组装法印迹胆固醇 ( 2 ) 自组装法( s e l f - a s s e m b l ya p p r o a c h ) 一非共价键作用 自组装法又叫共价键法，是m o s b a c h 等人创立发展起来的。此方法中需要将 模板分子和功能单体按照一定的比例进行混合，模板分子和功能单体之间通过非 共价键的相互作用而形成复合体，通过加入交联剂和引发剂通过聚合得到高度交联的 聚合物，然后抽提出模板分子，当印迹聚合物在接触到模板分子时，聚合物中所具有的 分子印迹聚合物的制备及其吸附性能研究 能够在空间大小形状以及官能团高度匹配的空穴就能够表现出对模板分子的高度的选 择性，模板分子就会通过非共价键的作用被高聚物所捕获【2 5 1 。一般来说能够利用非共价 键包括范德华力、氢键、静电引力、疏水作用、电荷转移作用、金属螯合作用、偶极力 等，最常用到的是氢键。一般该方法用于分离下列物质：维生素、氨基酸衍生物、非甾 醇类抗感染药物、染料、多肽等。如图1 3 所示莠去净分子印迹中模板分子与功能单体 的相互作用为氢键作用力。 共价键法和非共价键法的最大区别在于模板分子与功能单体的结合作用不同，共价 键法中模板分子与功能单体之间通过较强的共价键作用力形成可逆的复合体；非共价键 法中模板分子与功能单体之间通过较弱的非共价键作用力在溶剂中自发地形成复合体。 一盘r o 洲一气z 焱一 人l “ 譬一r 图卜3 分子自组装法印迹莠去净 ( 3 ) 牺牲空间法( s a c r i f c i a ls p a c e rm e t h o d ) 一共价作用与非共价作用杂化 1 9 9 5 年v u l f s o n 等人通过共价和非共价公共作用发展出来一种被称为“牺牲空间法 ( s a c r i f c i a ls p a c e rm e t h o d ) ”的新型分子印迹方法。此方法实际上是结合预组装和自组装 两种方式而形成的新方法。图1 4 展示了牺牲空间法的制备过程。 首先是通过共价键的作用使功能单体和模板分子形成模板分子的衍生物( 模板分子 一功能单体复合体) ，这个过程与分子预组装的是相同的，然后加入交联剂和引发剂引 发聚合，将模板分子一功能单体复合体固定在聚合物中，通过化学法除去模板分子，功 能基团就能够保留在空穴当中。当聚合物重新接触模板分子时，聚合物上的功能基团就 能够通过非共价键的作用力来识别模板分子，而不是通过共价键的作用的识别，这一识 别过程就如同分子的自组装过程1 2 6 l 。 第一章分子印迹技术发展及其应用 工二 古 、厂一 细 晶乙a lqj ， 、， 、，、 、 、， 、i 。j 1 一 c 。 、 ， ；j 7j 、， 多j i 9 9 无定形粉末状、微球形、棒状、膜状等 兰8 个月，且保持基本性能不变 1 5 分子印迹聚合物的应用 分子印迹技术提供了简单而又直接的模拟自然界的分子识别的方法，将模板分子 与功能单体之间通过共价键或是非共价键之间相互作用，然后以交联剂共同聚合，得 到分子印迹聚合物出去模板分子之后，分子印迹聚合物内部便形成了能够与模板分子 具有多重化学作用位点和空间结构互补的空腔，这些空腔对模板分子具有“记忆”的 效应。能够高选择性的识别出复杂样品中的模板分子。分子印迹聚合物的应用广泛能 够特异性识别分离混合物，无论大分子( 如生物抗体、蛋白质分子) 和小分子( 如药 物分子、氨基酸、糖类) 的分子印迹聚合物的分离分析中都有广泛应用。分子印迹应用 最广泛的是作为色谱固定相，已经用于薄层色谱( t l c ) 、高效液相色谱( h p l c ) 、 毛细管电色谱( c e c ) 中，也用于固相色谱、膜分离技术、生物化学传感器等。 2 0 第一章分子印迹技术发展及其应用 1 5 1 分子印迹技术在高效液相色谱中的应用 分子印迹技术作为高相液相色谱柱的固定相的应用最为广泛，更够为多种物质的分 离分析提供可行手段。分子印迹聚合物对对映异构体和手型异构体具有很好的选择性和 分离能力，几年来分子印迹一高相液相色谱柱广泛应用与手性固定相和非手性固定相对 模板分子的分离分析。赵乐1 6 3 】等以马尿酸为印迹分子，2 乙烯基毗啶为功能单体，二甲 基丙烯酸二乙醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，甲醇为致孔剂制备出了马尿酸分 子印迹聚合物，聚合物具有良好的选择性和亲和性，作为高效液相色谱柱固定相能够快 速与其结构类似物分离出来。康敬万【6 4 j 等以2 ，4 二氯苯氧乙酸为印迹分子，甲基丙烯酸 为功能单体，二甲基丙烯酸二乙醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂制备了2 ，4 二氯 苯氧乙酸的分子印迹聚合物，作为高效液相色谱柱的固定相，对印迹分子表现出了极高 的选择性。m i l 6 5 】等利用固定辅助识别聚合物链( a r p c s ) 制备了牛血清蛋白( b s a ) 的 分子印迹聚合物，对牛血清蛋白( b s a ) 具有较高的选择性和纯化分离效果。b i t t m a n 【6 6 j 等制备了雌酮和胆固醇的分子印迹聚合物，作为色谱固定相进行了分离，实验表明分子 印迹聚合物对印迹分子具有较好的选择性和分离效果。m o s b a c h 6 7 等用l 一苯丙氨酸作为 印迹分子制得的分子印迹聚合物作为液相色谱固定相，可以将l 一苯丙氨酸以及外消旋混 合物中很好的分离出来。h a g i n a k a l 6 8 】等人以( s ) 一布洛芬生为印迹分子制备分子印迹聚合 物，分离( s ) 一布洛芬生及其外消旋混合物，得到较好的效果。对于非手性分子的识别分 离方面也取得了很成功的事例。已经已经出现了以睾丸酮、磺酰胺【6 9 】、辛可尼丁 7 0 】等 作为印迹分子，制备分子印迹聚合物用作高效液相色谱固定相的报道。 1 5 2 分子印迹技术在固相萃取中的应用 近几年来，分子印迹技术与固相萃取技术的联用【7 l j 是使得分子印迹技术在分离方面 取得越来越多的应用空间。对于样品前处理的分离和富集，分子印迹聚合物所具有的选 择性和特异亲和能力，能够对复杂样品中选择性的富集模板分子。此外，分子印迹聚合 物还有耐有机溶剂、耐酸碱、耐高温高压、具有一定的机械性能。用来做固相萃取的固 定相可以克服环境样品的复杂体系，以及预处理所产生的一系列影响因素，对于样品的 分离富集都有极大的用处，特别是在痕量分析样品的前处理中具有重要的作用。b a s t i d e 7 2 】以甲磺隆为印迹分子，2 乙烯基吡啶和4 乙烯基吡啶为功能单体制得分子印迹聚合 物，分子印迹聚合物能够较好的选择性分离印迹分子以及其他5 种磺酰脲类除草剂( 氟 2 1 第一章分子印迹技术发展及其应用 1 5 1 分子印迹技术在高效液相色谱中的应用 分子印迹技术作为高相液相色谱柱的固定相的应用最为广泛，更够为多种物质的分 离分析提供可行手段。分子印迹聚合物对对映异构体和手型异构体具有很好的选择性和 分离能力，几年来分子印迹一高相液相色谱柱广泛应用与手性固定相和非手性固定相对 模板分子的分离分析。赵乐1 6 3 】等以马尿酸为印迹分子，2 乙烯基毗啶为功能单体，二甲 基丙烯酸二乙醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，甲醇为致孔剂制备出了马尿酸分 子印迹聚合物，聚合物具有良好的选择性和亲和性，作为高效液相色谱柱固定相能够快 速与其结构类似物分离出来。康敬万【6 4 j 等以2 ，4 二氯苯氧乙酸为印迹分子，甲基丙烯酸 为功能单体，二甲基丙烯酸二乙醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂制备了2 ，4 二氯 苯氧乙酸的分子印迹聚合物，作为高效液相色谱柱的固定相，对印迹分子表现出了极高 的选择性。m i l 6 5 】等利用固定辅助识别聚合物链( a r p c s ) 制备了牛血清蛋白( b s a ) 的 分子印迹聚合物，对牛血清蛋白( b s a ) 具有较高的选择性和纯化分离效果。b i t t m a n 【6 6 j 等制备了雌酮和胆固醇的分子印迹聚合物，作为色谱固定相进行了分离，实验表明分子 印迹聚合物对印迹分子具有较好的选择性和分离效果。m o s b a c h 6 7 等用l 一苯丙氨酸作为 印迹分子制得的分子印迹聚合物作为液相色谱固定相，可以将l 一苯丙氨酸以及外消旋混 合物中很好的分离出来。h a g i n a k a l 6 8 】等人以( s ) 一布洛芬生为印迹分子制备分子印迹聚合 物，分离( s ) 一布洛芬生及其外消旋混合物，得到较好的效果。对于非手性分子的识别分 离方面也取得了很成功的事例。已经已经出现了以睾丸酮、磺酰胺【6 9 】、辛可尼丁 7 0 】等 作为印迹分子，制备分子印迹聚合物用作高效液相色谱固定相的报道。 1 5 2 分子印迹技术在固相萃取中的应用 近几年来，分子印迹技术与固相萃取技术的联用【7 l j 是使得分子印迹技术在分离方面 取得越来越多的应用空间。对于样品前处理的分离和富集，分子印迹聚合物所具有的选 择性和特异亲和能力，能够对复杂样品中选择性的富集模板分子。此外，分子印迹聚合 物还有耐有机溶剂、耐酸碱、耐高温高压、具有一定的机械性能。用来做固相萃取的固 定相可以克服环境样品的复杂体系，以及预处理所产生的一系列影响因素，对于样品的 分离富集都有极大的用处，特别是在痕量分析样品的前处理中具有重要的作用。b a s t i d e 7 2 】以甲磺隆为印迹分子，2 乙烯基吡啶和4 乙烯基吡啶为功能单体制得分子印迹聚合 物，分子印迹聚合物能够较好的选择性分离印迹分子以及其他5 种磺酰脲类除草剂( 氟 2 1 分子印迹聚合物的制备及其吸附性能研究 胺磺隆、氯磺隆、噻磺隆、氟嘧磺隆) ，分子印迹聚合所制得的固相萃取柱能够明确分 离出这5 种除草剂。i i n m e r 7 3 1 以特丁津为模板分子制得分子印迹聚合物作为固相萃取固 定相，对底泥试样和水样中的微量三嗪类农药去乙基阿特拉津、去异丙基阿特拉津等进 行分离富集，除扑灭津外( 回收率为5 3 ) 外的三嗪类农药有较高的回收率( 大于8 0 ) ， 检出限为5 - 2 0 p p m 。 1 5 3 分子印迹技术在传感器中的应用 分子印迹技术具有一定的电化学( 电流、电导和电位) 特性和光学特性和质量特性 以及不常用的热学特性。使得分子印迹技术在传感器方面得到重视，并快速发展起来。 分子印迹聚合物作为敏感材料制备的传感器被越来越受欢迎，因为它比生物敏感材料具 有能够耐受更为恶劣的环境，以及不受生物影响，容易保存可以反复利用的优点。k r l z d 7 4 】等以吗啡为模板分子制备得到分子印迹电流传感器中，具有稳定性强、耐高压高温 和抗恶劣化学条件，可在有机相中使用，以避免微生物对样品测定的影响。严守雷1 7 习 等还利用分子印迹聚合物的光学特性制成分子印迹光纤传感器，能够检测水环境中的农 药，检出限为0 0 1n g l ，线性关系为lp g l lg l ，响应时间为1 5m i n 。此外还有人对肾 上腺素【7 6 】、谷氨酸【7 7 】、葡萄糖7 8 1 、苯酚 7 9 】、萜烯8 0 1 等物质基于分子印迹技术制备的传 感器报道。 1 5 4 分子印迹技术在模拟酶催化中的应用 分子印迹识别机理是模拟自然界中的分子识别的，所以分子印迹聚合物的制备也是 模拟自然界中的分子识别过程，具有类似于抗体受体之问的具有专一识别能力的一种 过程，这种识别过程也类似于生物酶的作用过程，同样是分子印迹聚合物中空腔能够对 模板分子通过一定的官能团结构以及空间匹配，具有一定催化作用的基团，因而我们可 以将用于分子印迹聚合物模拟酶催化的过程。而且分子印迹聚合物对于自然界的酶具有 使用寿命长，物理化学稳定性强，催化效率高，抗干扰能力强等优点。余建华等【8 l 】将 z 。o 纳米材料，镶嵌于分子印迹酶中形成了纳米通道，使得分子印迹聚合物酶有较好的 催化活性。曹文雄8 2 1 等以月桂醇和五种饱和脂肪酸为模板分子制备了分子印迹酶，能够 很好的产生了催化脂肪酶的酯化能力。 第一章分子印迹技术发展及其应用 1 6 分子印迹技术现存问题及发展趋势 1 6 1 分子印迹技术目前存在的问题 分子印迹技术经过几十年的快速发展渐渐成熟起来，已经在很多领域得到广泛的应 用。分子印迹技术比生物大分子具有环境耐受力强、成本低廉、重复使用率高以及对模 板分子具有很强的特定选择性，已经在分离、萃取、富集等样品前处理步骤方面代替生 物大分子进行应用，但是作为新兴的一种技术，发展时间尚短，存在一些需要解决的问 题【8 3 8 4 】： 1 由于分子印迹聚合物的设计需要考虑印记分子的官能团性质、大小尺寸以及交联 剂、功能单体、致孔剂、引发剂以及聚合条件等很多因素，分子印迹聚合物的制备优化 其方法非常复杂，一般是凭经验或是半经验公式来推导，合成的条件控制是非常困难的。 2 分子印迹技术制备的机理研究现阶段仅仅停留在定性和半定量上，比较缺乏定量 和系统的研究，虽然有人尝试从动力学和热力学方面进行研究但是研究报道较少未能形 成系统。 3 分子印迹聚合物的应用范围还需要进一步拓宽，大多数分子印迹聚合物的制备环 境都是在有机溶剂中进行的，对于在水溶液中和极性环境中的模板分子识别具有很强的 局限性，天然环境中的的分子识别系统大多数是在水溶液的环境中进行的，因此利用能 够不受极性溶剂和水溶液中影响的分子印迹的作用力分子印迹聚合物的研究还需要进 一步的研究【8 5 1 。 4 目前模板分子的选择基本上还停留在氨基酸、染、料、药物等小分子化合物上， 对于生物大分子化合物如蛋白质分子、生物酶、多肽、d n a 和气体分子作为模板分子 的研究还比较少，效果也不是很理想，分子印迹技术还需要进一步拓宽其领域。 1 6 2 分子印迹技术发展的趋势 基于以上分子印迹技术存在的几方面问题，我们可以推测出分子印迹技术以后发展 的趋势和方向： 1 利用计算机和分子模拟技术对模板分子和分子印迹聚合物之间的相互作用力进行 模拟8 6 1 ，完善功能单体和模板分子的选择，对于分子印迹聚合物进行合理的设计，最终 实现分子印迹聚合物对于模板分子的高度单一的选择性。 2 利用超分子的相互作用并结合现代计算机技术对模板分子和功能单体以及分子印 2 3 第一章分子