（环境科学专业论文）新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究.pdf

量q 一= 8 4 7 3l x m o l g ：对沉淀印迹聚合物的s c a t c h a r d 分析，结合位点的平衡解离常数 肠为3 6 0m m o l l ，最大表观结合量q 一= 1 1 5 5 1i x r n o l g 。与本体印迹聚合物相比较，沉 淀印迹聚合物具更强的吸附容量。 底物选择性实验，选择对硝基酚( p - n p ) 及其异构体邻硝基苯酚( o n p ) 和间硝基 苯酚( m n p ) 为底物，分别考察了两种方法制备的印迹聚合物对三种底物的选择吸附 能力，结果显示：沉淀印迹聚合物比本体印迹聚合物呈现更强的结合能力；聚合物对三 种底物吸附能力为：p - n p m - n p o - n p 。 关键词：分子印迹，本体聚合，沉淀聚合，选择性识别，特异吸附 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 gt e c h n o l o g y ( m i t ) i san e wt y p eo ft e c h n o l o g yt os y n t h e s i z ef u n c t i o n a l p o l y m e r , w h i c hi sat e c h n i q u eo r i g i n a t e df r o mb i o n i ct op r e p a r ep o l y m e r sw i t hs p e c i f i cr e c o g n i t i o nt ot h e t a r g e tm o l e c u l eb ym a n u a lm e t h o d , i ti sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i ts h o w e de x t e n s i v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o ni na n a l y s i so fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , c l i n i c a ld r u ga n a l y s i s ，a sw e l l 鹪f o o d c h e m i c a l i n d u s t r i e si na r e a ss u c ha sb i o - m i m e t i c5 e n s o r sa n do t h e rf i e l d s r e c e n t l y ，t h ep 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 gt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c eh a v eb e e ns t u d i e db yf o r e i g n s c h o l a r s ，b u ti ti ss t i l ll i tt h ei n i t i a ls t a g ei nc h i n a i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo fm i t ，t h ep r e p a r a t i o nm e t h o d so 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 ， a n dt h ea p p l i c a t i o no fm _ p s ，舔w e l la st h ep r o s p e c to fm i tw a se x p a t i a t e d t h em o l e c u l a ri m p r i n t e do f p o l y m e r sw e r ep r e p a r e dw i t hd i f f e r e n tt e m p l a t ew i t hs p e c i f i ci d e n t i f i c a t i o nb a s e do nm o l e c u l a ri m p r i n t i n g t h e o r y ，t h ei m p r i n t i n gm e c h a n i s mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h es t a t i ca d s o r p t i o np r o p e r t yw a s s t u d i e d ( 1 ) f o rs u d a ni t i ，i ti sp r e p a r e di na c e t o n i t r i l es o l u t i o nb yn o n - c o v a l e n ti m p r i n t i n gm e t h o d ，w i t h s u d a n a st h et e m p l a t e ，禾、r p y 鹊f u n c t i o n a lm o n o m e r , e g d m aa sc r o s sl i n k e r ，a n da i b n 弱t h e i n i t i a t i o na g e n t t oi d e n t i f yc h a r a c t e r i s t i c so fp o l y m e r s ，t h ee q u i l i b r i u ma d s o r p t i o ns t u d yw a sm a d e ，t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em _ i p ss h o w e ds p e c i f i ca f f i n i t yt o w a r ds u d a n i nt h ea d s o r p t i o np r o c e s s s c a t c h a r da n a l y s i ss h o w e dt h ee x i s t e n c eo fac l a s so fe q u i v a l e n tb i n d i n gs i t e sa m o n gt h em i p sa n ds u d a n t h ep r e s e n c eo fau n i f o r ma f f i n i t yw i t hs u d a n ，w h i c hr e s u l t sf r o mt h ep r o c e s so fm o l e c u l a r i m p r i n t i n ge f f e c to ft h et e m p l a t e t h ee q u i l i b r i u md i s s o c i a t i o nc o n s t a n tk f 2 7 2 4i _ t g m l ，w i t ht h ea p p a r e n t m a x i m u mb i n d i n gc a p a c i t yq l n i = 6 15 7 4r t g g , a d s o r p t i o nk i n e t i c c u r v ei sc o n f i r m e d b y i t s t e m p l a t e s p e c i f i ca d s o r p t i o np r o p e r t i e so f m o l e c u l e s 勰w e l l ( 2 ) f o rp - n i t r o p h e n o l ，m i p sa n dm 2 v i i p so fp - n pa r es y n t h e s i z e db yb u l kp o l y m e r i z a t i o na n d 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 ；u s e4 - v p y 笛f u n c t i o n a lm o n o m e r , e g d m a 笛c r o s sl i n k e r , a i b na st h e i n i t i a t i o na g e n t , a n da c e t o n i t r i l e 舔p o r o g e n t h ep - n pi m p r i n t e dp o l y m e rm i c r o s p h e r e sp r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o ni ss y n t h e s i z e dw i t h o p t i m a lc o n t r o lb a s e do ne x p e r i e n c ep a r t i c u l a r l y e l e c t r o nm i c r o s c o p ya n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep o l y m e r i i i o b t a i n e dw a su n i f o r ms h a p ea n ds i z eo fm i c r o s p h e r e s ，w i t ha na v e r a g ep a r t i c l es i z eo f0 3 3p a n t h e i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yo fp - n po np o l y m e rm i c r o s p h e r e ss h o w e dt h a tt h ep o l y m e rh a sas t r o n g0 一h s t r e t c h i n gv i b r a t i o np e a la n ds h o w sas t r o n ga d s o r p t i o nc a p a c i t y , t h eh o l el e f ta f t e re l u t i o nw i t hp - n p i n t e r a c t i o nb e t 、v e e nt h es t r u c t u r a lu n i t t h es t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t sa n ds e l e c t i v es u b s t r a t er e c o g n i t i o ne x p e r i m e n ts h o wt h a t , m i p s f o rt h eb u l kt os c a t c h a r da n a l y s i so fb i n d i n gs i t e so f t h ee q u i l i b r i u md i s s o c i a t i o nc o n s t a n tk , r = 2 8 3m m o l l ， w i t ht h ea p p a r e n tm a x i m u mb i n d i n gc a p a c i t yc o m b i n e dq m x - 8 4 7 3l a m o l g ；f o rt h ep r e c i p i t a t i o n , w i t h k d = 3 6 0m m o l l ，q m x 亍115 51i l m o 垤i ti n d i c a t e dt h a tt h et w oi m p r i n t e dp o l y m e rf o rp - n pw e r e e q u i v a l e n tt ot h ee x i s t e n c eo f a c l a s so f b o n d i n gs i t e s ，a n dp r e c i p i t a t i o no f p o l y m e r0 1 1t h et e m p l a t ec a p a c i t y o ft h el a r g e s tc o m b i n a t i o no fs i g n i f i c a n t l ya p p a r e n ti sl a r g e rt h a nt h eb u l kp o l y m e r f o rt h es u b s t r a t es e l e c t i v i t ye x p e r i m e n t s ：p - n i t r o p h e n o l ( p - m , ) a n di t si s o m e ro - n i l r o p h e n o l ( o - m , ) a n dm - n i t r o p h e n o l ( m - n p ) w e r ec h o s e na ss u b s t r a t e s ，i ti s f o u n dt h a tt h ei m p r i n t e dp o l y m e r s m i c r o s p h e r es y n t h e s i z e db yp r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o ne x i s ts t r o n g e rb i n d i n gc a p a c i t y t h a nt h o s e p r e p a r e db yb u l kp o l y m e r i z a t i o n s ；t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo fs u b s t r a t ei s ：p - n i ) m - n p o - n p 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 , b u l kp o l y m e r i z a t i o n , 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 e r e c o g n i t i o n , s p e c i f i ca d s o r p t i o n i v 独创性声明和关于论文使用授权的说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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。 签名：塾垦盈日期：2 鱼盟：墨：12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：鲤堕亟导师签名：趁逸必日期： 2 弘袋多、o 6 7 第一章绪论 1 1 分子印迹技术简介 第一章绪论 在生物体中，存在着许多细胞和不同的分子，这些物质在一个巨大的组织内相互协 作，共同维持着生命体系的正常运行。生物分子结构上的细微差别往往决定了某个生化 反应是否能够顺利进行，可以说，对于生命的存在，分子识别是至关重要的。所谓分子 识别，就是指在复杂的混合体系中，依靠具有形状、大小和化学功能与客体互补的主体 分子对特定的客体分子的识别和结合，因而具有特异选择性，类似于“锁匙原理【l 捌。 选择性是分子识别的重要特征，天然的分子识别，例如酶和底物、抗原和抗体、激素 受体的分子识别反应都具有很强的特异性。但由于具有分子识别功能的天然生物大分子 提取复杂，稳定性差，存储和操作不便以及在高温或其他恶劣环境下极容易失去活性。 因此，在实际应用中受到了很大的限制。但是，对自然界精致的分子识别的认识，促使 许多科学家对它们进行模仿和学习。相对于自然体系而言，人们可以依据特殊的接受体 自行设计来合成，可以对稳定性、刚性及耐热耐高温等性能进行自由调节，并可以实现 分子识别的预定选择性，使分子识别技术得以推广应用。 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 ) 就是依据分子识别技术的原 理发展而来的。早在上世纪3 0 年代，b r e i n l ，h a u r o w i t z 和m u d d 就相继提出一种当抗 原侵入时生物体产生抗体的理论，到了4 0 年代，诺贝尔奖获得者p a u l i n g 对抗体理论又 加以阐释，并提出抗原作为模板被“铸造”在抗体结合部位的识别理论，即“模板学说， 尽管这个方法后来被证明是不可行的，但是却大大地启发了广大科研工作者，为科研留 下了无限的想象空间。1 9 4 9 年，d i c k e y 3 】首先实现了染料在硅胶中的印迹并提出“分子 印迹”这一概念，但在很长一段时间内没有引起人们的重视。直到上世纪7 0 年代开始， 随着w u l f f g l 4 】和m o s b a c hk 1 5 1 0 9 9 3 年n a t u r e ) ) 上发表茶碱分子印迹聚合物) 等人在共 价及非共价型分子印迹方面的开拓性工作，使这一技术取得了突破性进展。分子印迹聚 合物以其通用性和惊人的立体专一识别性越来越得到科研工作者的青睐。1 9 7 7 年，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 ri m p r i n t i n g , s m i ) 在瑞典成立，迅速集聚了上 百名会员，2 0 0 0 年7 月于英国加的夫大学举行了第一届分子印迹技术国际会议，来自世 新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究 界各国致力于分子印迹技术的研究及开发工作的学术专家交流经验，使分子印迹技术从 理论与实践上得到提升。近几年，在各种国际科技和学术期刊上发表的有关分子印迹技 术的论文已经超过了3 0 0 篇，可以说分子印迹技术已经成为国内外研究的热点【6 ，7 】。目前， 分子印迹技术协会已经逐步壮大，并吸收了众多分子印迹技术方面的顶级专家【8 ，分子 印迹技术的发展进入一个鼎盛时期。 分子印迹技术之所以能得到如此迅速的发展，是因为制备出的分子印迹聚合物 ( 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 s ，m i p s ) 具有其他方法所不可比拟的优点，表现在：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 ) 以及广泛实用性 ( p r a c t i c a b i l i t y ) 。因为聚合反应是在引入模板分子以后进行的，在预聚合过程中，功 能单体以有序的方式和模板分子组合起来，与此同时，其功能单体也被安置于期望尺寸 腔体内的某些期望的位置上，所以具有高效预定型；识别性是因为聚合物本身是根据模 板分子结构制作的，当除去模板分子后，聚合物内部便形成了与模板分子形状和大小以 及功能基团相匹配的空穴，进而产生了对目标分子的的“记忆”【1 0 】，表现出的高效选择 和识别；其实用性表现在分子印迹制备过程简单，易于操作，抗恶劣环境能力及稳定性 强，能耐受一定的机械强度，高温和高压，这都是生物分子识别系统无法比拟的。正因 为基于m i p s 具有上述优点，它在许多领域都有着广阔的应用前景，在复杂样品分离提 纯、免疫分析、模拟酶以及生物传感器【l l - ”】等各方面表现出强大的应用潜力。 1 2 分子印迹技术的原理和方法 分子印迹技术仿造抗体形成原理，功能单体与模板分子间通过氢键、静电作用、疏 水相互作用以及其它非共价的相互作用，使功能单体与模板分子形成稳定的复合物，经 聚合，功能单体与交联剂形成的高分子主链相连接，模板分子的结构在高分子体系中被 烙印下来，因而，当模板分子被除去以后，所发生的无规则化程度降至最低，高聚物体 系中留下空穴，这个空穴在空间结构上与模板分子完全匹配，并含有与模板分子专一结 合的功能基的三维空穴，它可以选择性地重新与模板分子结合。 按照单体与模板分子结合方式的不同，分子印迹技术可分为共价法( 预组织法， p r e o r g a n i z a t i o n ) 和非共价法( 自组装法，s e l f - a s s e m b l i n g ) 两种，分子印迹过程如图1 1 所 示。 2 第一章绪论 c r o s sl i n k e r p c 峥料i “ 围i - 1 分子印连过程示意田 f 培1 1s c k m 硝c ”叩袋m 嘶蚰o f m o l e c u l a r i m p r i n t i n g 1 2 1 共价法( 预组织法) 共价法主要由德国w u l f fg 【蛔工作小组于上世纪7 0 年代初首次创立。在此方法中， 模板分子首先通过可逆共价键与单体结合形成单俸模板分子复合物，然后交联聚合， 聚合后再通过化学途径将共价键断裂而去除印迹分子。当经上列步骤得到的印迹聚合物 和客体分子相遇时则又可形成相同的共价联结。 共价印迹法的优点是，单体模板分子复合物十分稳定，且相互间存在着当量关系， 所l ；【印迹过程以及高聚物内客体键合点的结构都是精确固定的。对用于催化剂的聚合物 来说，其内部结合集团的方向和空穴中起催化作用的活性集团极为重要，此情况下，共 价结合作用较为有利。再者由于共价联结的稳定性，可以实现高温或高极性溶剂中进行 聚合对聚合体系酸碱性要求也不太严格。 由于共价键作用一般较强，客体的结合和解高速度均较慢，难以达到热力学平衡， 不适于快速识别，在某些情况下，还可能在洗脱模板分子的过程中剧烈的工作条件使共 价键联结断裂而使印迹效果变差。可以采用的可逆共价联结体系数目也十分有限。 新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究 1 2 2 非共价法( 自组装法) 非共价法主要由瑞典m o s b a c hk 【1 7 1 等于2 0 世纪8 0 年代后期创立。在此方法中，模 板分子( 印迹分子) 与功能单体之间通过自组装排列，通过非共价作用( 如：氢键、静 电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等) 加以实现，以氢键应用 最多。单体一模板分子复合物可以简单地通过引入模板分子到反应混合物中而“就地 获得。聚合反应结束后，就可以使用适当的溶剂将模板分子从高聚物中洗脱下来，于是 通过相应的非共价作用，就可以使客体分子被制得的印迹高聚物所捕获【l 引。 和共价印迹法相比较，非共价印迹法具有的优点是，虽然单个非共价键比单个共价 键能低，但多重非共价键的耦合和多个作用点的协同会形成很强的相互作用，从而使复 合物具有很高的稳定性。而且，因为模板分子与功能单体间仅有微弱的非共价相互作用， 客体键合和释出都很容易实现，仅仅在温和的条件下就可以将模板从聚合物中除去。 需要注意的是，非共价方法印迹聚合过程的条件需要逐个的甄选，得以保证混合物 中非共价的加成物能最大程度的稳定存在，再者，为了使平衡有利于复合物的生成，需 要加入大量的单体，经常会出现非特征的键合点，因而降低了体系结合底物的选择能力。 一般来说，非共价印迹法易于实现，同时，它还可适用于不同的模板品种。至于对 印迹计量关系的严格性，一般来说，共价印迹法会好一些。人们可以根据需要或具体操 作情况来选择采用的方法( 如按目标客体化合物的种类，对客体选择性的要求，以及制 备成本、时间或其他原因) 。 表1 - 1 共价与非共价印迹法优缺点对比 除了共价和非共价印迹两种印迹方法外，也有报道将两种技术的优点综合起来的印 迹方法 1 9 , 2 0 】，在聚合时功能单体和印迹分子之间作用力是共价键，这样可以获得在空间 4 第一章绪论 精确固定排列的结合基团，而在对分子印迹的识别过程中，二者的作用是非共价的，功 能单体和印迹分子的结合和离解速度均较快，操作简单，适于快速识别。p i l e t s k y 等人【2 l 】 发展了一种分子自组装和预组织相结合的方法：他们选取烯丙基胺和乙烯基苯基硼酸为 功能单体，首先让模板分子硅酸和乙烯基苯基硼酸发生酯化反应，形成硅酸乙烯基苯 基硼酸偶联物，然后该偶联物与另一功能单体烯丙基胺自发形成乙烯基苯基硼酸硅酸 烯丙基胺复合物，加交联剂，经聚合反应，生成硅酸分子印迹聚合物，最后洗脱除去硅 酸。制备的这种分子印迹聚合物集共价键用和非共价键作用的优点于一体，既有共价法 的亲和专一性强的特点，又有非共价法操作条件温和等优点。 使用功能单体与金属离子配位制备分子印迹聚合物的技术也开始尝试并得到发展， 2 0 世纪8 0 年代，f u j i i 等瞄】首次制得了金属配位分子印迹聚合物，由于金属配位作用较强， 分子印迹聚合物可以在极性溶剂中制备和识别客体分子，这种方法最大的优点在于可以 通过简单的变换金属种类实现对印迹聚合物亲和能力的灵活调节。 1 3 分子印迹聚合物的制备 1 3 1 影响分子印迹聚合物性能的因素 ( 1 ) 模板分子的选择 从分子印迹聚合物的制备过程可以看出，m i p s 的制备必须经过一个模板分子一功能 单体复合物的形成和模板分子的洗脱两个相反的过程【2 3 1 ，而且得到的聚合物必须是具有 确定空间结构的空穴和功能基在该空穴中精确排列的刚性聚合物。一般分子中含有强极 性基团( 如羟基、羧基、胺基、酰胺基等) 的化合物，易于制备高效能的分子印迹聚合 物。由于氢键具有方向性和饱和性，作用力较强，因此能与功能单体形成氢键、并能 够产生其他协同非共价作用的印迹分子，往往能够形成具有较好选择性和亲和性的聚合 物。但是，对于一些含有分子内氢键的化合物，由于分子内氢键将会与模板和功能单体 之间的分子间氢键相互竞争，削弱了模板和功能单体之间的相互作用，导致此类化合物 作为模板使用时印迹效果不好f 2 4 1 。另外，选择模板分子时往往还受到模板分子价格或者 溶解度等其它方面的限制。当选择一种模板分子实现分子印迹时，常常因为它本身有毒 或操作危险给操作人员带来伤害，这种情况下，直接的印迹方法难以实现，可以选择适 当的类似化合物代替目标分子做模板分子。如m a t s u i 等人【2 5 1 选择莠去净的结构类似物三 乙基三聚腈胺作为模板分子，由于他们在结构上十分相似，因此印迹高聚物可以有效的 新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究 键合得了对莠去净具有识别性能的分子印迹聚合物。这种分子印迹法常称为虚拟印迹， 它是非共价印迹方法的一种扩展，同时它在很大程度上加宽了目标分子的检测范围。 ( 2 ) 功能单体的选择 功能单体的选择一般是由模板分子的结构和官能团决定的，选择带有与模板分子相 互作用的功能基团的单体，依据模板分子的性质以及功能单体与模板分子作用力的大小 合理的设计合成条件【2 6 1 。在共价联结的分子印迹合成方法中，模板分子和烯类单体之间 通过共价键联结在一起，为获得成功的共价印迹，需要选择功能单体和模板分子间存在 稳定的共价联结作用，使之在聚合过程中保持不变，又必须保证在聚合后，可以在温和 条件下将模板分子洗脱掉，而不会破环印迹效果；在非共价联结印迹体系中，功能单体 与模板分子通过非共价相互作用( 如氢键、静电相互作用以及配位键的生成) 加以实现， 其中，氢键的联结强烈的依赖于单体和模板之间的距离和方向，而静电相互作用并不十 分依赖于两者间的距离和方向，它的作用强度仅由组分间的距离所决定，因此，必须选 择存在与模板分子相互作用的互补基团。模板分子和功能单体的p k 值均决定了共价键 的相互作用性质，当两组分的酸性或碱性都很强时，它们之间主要通过静电相互作用， 这将不利于精确地分子识别；然而，当两者以中等强度结合时，则质子将处于酸碱之间， 氢键的作用就成为主要的性质，这样可以实现有效地印迹；当两者酸碱性都很弱时，模 板分子和功能单体间的作用就会很弱，对印迹效果很不好。 图1 2 列出了分子印迹技术常用的功能单体及其结构。其中，常用的共价单体主要 有：含乙烯基的硼酸或二醇以及含硼酸脂的硅烷混合物等；常用的非共价单体主要有： 羧酸类( 甲基丙烯酸；三氟甲基丙烯酸；乙烯基苯甲酸等) 、杂环弱碱( 乙烯基吡啶、 乙烯基咪唑等) 以及磺酸类。许多带有适当的功能基团的单体已经通过设计合成得到， 很方便购得，但需要说明一点，为避免在储存过程中发生不希望的聚合反应，商品单体 通常会加入适量的阻聚剂或稳定剂( 0 1 o 2 氢醌或苯二酚) 1 2 , 2 7 1 ，使用前需减压蒸馏 以纯化。 ( 3 ) 交联剂的选择 交联剂的作用是为了固定客体键合点，将单体的功能基团固定在模板分子周围的特 定位置，它的使用，使合成的印迹聚合物不溶于溶剂中，从而有利于实现聚合物的实际 应用。选择的交联剂类型直接影响单位质量分子印迹聚合物中可交联的功能单体的数目 和交联度，同时，为实现有效地印迹效果，使功能单体衍生的功能残基能均匀的分布于 6 第一章绪论 整个聚合物的网络中，应选择反应活性和功能单体相似的交联剂，否则或是功能单体或 是交联剂将会比另一个发生优先聚合。选择合适的功能单体和交联剂的摩尔比例也十分 重要，如果交联剂和功能单体的摩尔比例太小，则客体键合点彼此间的距离将会太近以 至使它们不能独立工作。在极端的情况下，当体系中的某一位点的客体相键合后将会引 起相邻其他位点的功能完全阻抑。然而在极端大的摩尔比时，体系的印迹效率也会破坏， 特别是当交联剂表现出具有和功能单体或模板分子键存在非共价的相互作用时。为了保 证空间构型的稳定，一般要控制较高的交联度，一般为7 0 9 0 。 o h o 丙烯酸 a c r y l i ca c i d 饥 4 乙基苯乙烯 4 e t h y l s t y r e n e o n 0 甲基丙烯酸 m e t h a e r y l i ca c i d 甲基丙烯酸甲酯 m e t h y l m e t h a c r y l a t e h 0 伽h 矿 4 _ 乙烯基苯甲酸 4 - e t h y l e n eb e n z o i ca c i d 乌头二酸 m e t h y l e n e b u t a n ed i o i ea c i d 纩q n1 3 瞥 v 一 1 乙烯基咪唑 1 - e t h y l e n ei m i d a z o l e 4 乙烯基吡啶 4 - v i n y l p y r i d i n e pj 烈q 斟k 丙烯酰胺 a c r y l a m i d e 2 , 6 二丙烯酰胺基吡啶 2 , 6 一b i s a c r y l a m i d ep y f i d h e 2 乙烯基吡啶 2 - v i n y l p y r i d i n e o h 三氟甲基丙烯酸 t r i f l u o r o m e t h a c r y l i ca c i d 图1 - 2 分子印迹技术常用功能单体 f i g l 一2s t r u c t u r e so fs o m ef u n c t i o n a lm o n o m e rc o m m o n l yu s e df o rm o l e c u l a ri m p r i n t e d 7 。 q 新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究 目前已经使用过的交联剂有：二乙烯基苯( d v b 、乙二醇双甲基丙烯酸脂 ( e g d m a ) 、三丙烯酸季戊四醇脂、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯( t m ) 、季戊四 醇四甲基丙烯酸脂、n ，n 一二亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 、3 ，5 一二( 丙烯酰胺) 苯甲 酸、n ，o 一二丙烯酰一i 一- 苯丙氨酸等。一般在有机溶剂中制备分子印迹聚合物常采用 二乙烯基苯( d v b ) 、乙二醇双甲基丙烯酸脂( e g d m a ) 为交联剂，水相中则常以 n ，n 一二亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，它们的结构如图1 3 所示。 oo u n 入n hh - - l 烯基苯( d v b )乙二醇双甲基丙烯酸脂( e g d m a ) n , n 二亚甲基双丙烯酰胺( m a ) d i v i n y ib e n z e n ee t h y l e n ed i m e t h a e r y l a t e n , n m e t h y l e n e - b i s a e r y l a m i d e 图1 - 3 常用交联剂结构示意图 f i g l - 3s t r u c t u r e so f c r o s sl i n k e rc o m m o n l yu s e d ( 4 ) 溶剂的选择 分子印迹聚合反应属于自由基聚合反应，在制备分子印迹聚合物的过程中，溶剂的 作用主要有两个：一是用于溶解用于聚合的所有试剂，再者为印迹聚合物提供多孔结构， 以利于分子印迹聚合物识别模板分子时的传质过程。 一般把聚合反应分水相聚合和非水相聚合。非水相聚合较为常用，技术也比较成熟， 我们先讨论非水相聚合反应。在共价印迹法中，可供使用的致孔剂种类很多，只要他们 能满足可溶解体系中的所有部分即可；而在非共价印迹法中，溶剂的选择会影响到功能 单体和印迹分子间的结合强度、动力学性质和聚合物的形态结构，由于功能单体与模板 分子形成复合物是通过氢键、静电作用等结合的，而极性溶剂不利于模板一功能单体复 合物的形成，因此非共价分子印迹中，一般用非极性或弱极性溶剂作致孔剂。迄今为止， 大部分的印迹过程都是在有机溶剂中完成的。常用的溶剂主要有二氯甲烷、氯仿、丙酮、 甲苯等。近来，y e 2 8 】等采用全氟代碳化物用于分散聚合也收到了很好的效果。 对于水相聚合，与有机介质不同的是，由于水分子的参与，水环境下的分子识别问 题要复杂得多，水溶液的组成、p h 值、溶液中盐的离子强度、极性有机溶剂的加入的比 例和种类等，均会对作用双方产生显著的影响。近年来，为解决水性体系中分子印迹问 8 嘶凡6 第一章绪论 题，发展出了多步溶胀和种子溶胀悬浮聚合法。成国祥等【2 9 】采用种子溶胀悬浮聚合法， 以酪氨酸为印迹分子，甲基丙烯酸为功能单体，三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯( t m ) 为交联剂，在水溶液中制备了一系列分子印迹聚合物微球( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r sm i c r o s p h e r e ，m i p m s ) ，该微球对其模板分子显示了一定的吸附选择性。聚合 反应在水溶液中进行，所得印迹聚合物可应用于极性环境中，因此能够满足诸如酶模拟 等实际应用环境的要求。 同样，溶剂的用量也影响m i p s 中三维空穴的结构变化，溶剂量过大时聚合物结构疏 松，硬度低，影响识别效果；过少时，m i p s 中的三维空穴减少。在水相聚合中，水含量 对聚合物性质有显著影响，水含量很大程度上影响高聚物的聚合度，进而影响分子印迹 聚合物的硬度。 ( 5 ) 引发剂和引发方式的选择 分子印迹聚合物一般通过自由基引发聚合，常用的引发剂有偶氮二异丁腈 ( a i b n ) 和偶氮二异庚腈( a b v n ) ，它们的结构如图1 - 4 所示。 彳n n 七 2 , 2 一偶氮二异丁腈( a j b 2 , 2 - a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l e n n 火火 2 , 2 一偶氮二异庚腈( a b d 2 , 2 - a z o b i s i s o h e p t o n i t r i l e 图1 4a i b n 和a b v n 结构示意图 f i 9 1 - 4s 仃u c t u r e so f a l b na n da b v n 分子印迹聚合属于链式引发聚合反应，按引发方式的不同，链式聚合可分为引发剂 ( 或催化剂) 引发聚合【3 0 】、热引发聚合、光引发聚合、微波辐射引发聚合【3 l 】。此外，还 有生化聚合、电化学引发聚合和力化学聚合等。制备分子印迹常用热引发和光引发两 种引发方式。研究表明，低温更有利于模板分子一功能单体复合物的稳定性，因此，低 温条件下聚合的m i p s 的识别能力更强。低温热引发，a i b n 做引发剂，温度一般控制 在6 0o c 左右；a b v n 做引发剂，温度一般在4 0o c 。低温热引发可以使引发剂产生更 多的自由基，有利于提高聚合度，同时使聚合物内三维空穴具有较好的刚性。光引发聚 合是在室温或低温时，紫外( u v ) 照射( 一般在3 6 6n m ，0 - - 2 0o c ) 下进行，当模板分 9 新型分子印迹聚合物的制备及其性能研究 子有强烈紫外吸收或光降解时，热引发方式是必要的。与热引发相比，光引发的优点在 于它可稳定模板分子和单体所形成的复合物，印迹热不稳定的化合物，而且制得的m i p s 中的空穴分布均匀，形状更规整，与印迹分子更加匹配【3 2 1 ，但是光引发方式在聚合过程 中对温度不易控制。此外，还有利用钴6 0 丫射线引发制备水杨酸为模板分子的分子印迹 聚合物的报道。也有文献报道，共价印迹得到的分子印迹聚合物再经7 射线照射后，可 以提高聚合物对金属离子的选择性。 ( 6 ) 模板分子的去除方式 聚合反应完成后，要将未反应的功能单体、交联剂、引发剂及印迹孔穴中的模板分 子从聚合物中洗脱下来。模板分子的洗脱是否彻底直接关系到后续的分离和模板的检测 1 3 3 1 。如果是共价型分子印迹聚合物，因为模板分子与聚合物母体之间以共价键相连，需 要采用水解或其它方法使模板功能单体之间的化学键断裂。对于非共价分子印迹聚合 物，模板分子与聚合物母体间靠氢键、静电等较弱的分子间作用结合，一般通过选用适 当溶剂反复萃取即可除去模板分子。通常采用乙腈、水、甲醇一乙酸( 或三氯乙酸) 、 乙腈乙酸等强极性溶剂反复洗涤分子印迹聚合物以彻底除去模板分子，洗涤过程通常 非常缓慢，需要耗费大量溶剂，可以使用索氏提取器进行连续回流和萃取以加快洗脱过 程。 1 3 2 分子印迹聚合物的制备技术 在设计分子印迹聚合体系时关键要考虑选择与模板分子尽可能有特异结合的单体， 然后选择适当的交联剂和溶剂，根据实际用途和实验室可以实现的操作条件选择适合的 制备方法。目前，按分子印迹聚合物的制备技术来分主要有以下几种。 ( 1 ) 本体聚合 本体聚合( b u l kp o l y m e r i z a t i o n ) 又称封管聚合。这种方法制备过程是：选择适当的 有机溶剂，将模板分子和功能单体充分混合，通过超声或震荡的方法让其充分结合，加 入适当交联剂和引发剂，充分混匀后，稳定通入惰性气体以排除体系中的氧气，真空密 封，经过热引发或光引发聚合得到硬质块状聚合物。将聚合物粉碎、研磨、过筛并用丙 酮沉降后获得合适粒径的颗粒。再经过洗脱除去模板分子，真空干燥后备用。该制备方 法的主要优点在于操作条件易于控制，实验设备简单，应用比较广泛。迄今为止，本体 聚合法仍为分子印迹中较为普遍的一种方法。但是由于制得的块状聚合物需要经过粉碎 1 0 第一章绪论 研磨等繁杂的预处理过程才能得到所需的粒径的聚合物，此过程不可避免的要破坏一定 量的印迹空穴，最终得到的颗粒聚合物形状不规则，影响聚合物的结合能力，而且这些 繁琐的操作后会使聚合物的产量降低。 ( 2 ) 微球分子印迹聚合法 微球分子印迹聚合( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rm i c r o s p h e r e s ) 主要有分以下几种： 分散聚合：在具有化学惰性的全氟代碳化物分散体系中，以特制的全氟代高聚物作 为分散剂，采用分散聚合法制备球形分子印迹聚合物。该方法的特点是可得到形状规则 的微球，并可通过调节分散剂的用量控制粒径在1 - 2 5 岬内，作为高效液相色谱填料 有柱压低和快速扩散的优点。整个制备过程都是在非极性体系中进行的，因此产物较适 合应用于非极性环境中。但分散剂全氟烃不利于环保、价格偏高和表面活性剂的用量要 求严格，制约了它的应用。 沉淀聚合：它是一种简单的制备球型聚合物的印迹方法，在低浓度的聚合反应中通 过低聚物的团聚成核，并捕捉其他低聚物和单体长大成为粒径均一的微球聚合物。反应 的溶剂粘度必须非常低，这样才能保证单体分子和低聚物有较大的流动性，从而避免过 度的聚集。这种方法简单易于操作，得到的微球聚合物粒径均一，表面干净，不需进行 研磨等费力的操作步骤，减少了由这些步骤引起的聚合物的损失。y e 3 4 , 3 5 1 等采用此法成 功印迹了茶碱和雌二醇，并将其用于放射性配体结合免疫分析，实验结果证明该法制备 的分子印迹聚合物优于传统的本体聚合。 多步溶胀悬浮聚合：分散聚合和沉淀聚合都是以有机溶剂做分散介质，所得的沉淀 聚合物一般不宜在水环境中应用。多步溶胀悬浮聚实现了在水溶液中的聚合反应。聚合 过程主要分为两个步骤：第一步采用无皂乳酸聚合法合成粒径较小的微球；第二步，以 此微球为种球，将其用一定的乳液进行多次溶胀，然后再引发聚合得到粒径稍大的微球。 这种方法的特点是，聚合反应在水溶液中进行，所得印迹聚合物可应用于极性环境中， 这更能够满