（材料学专业论文）羟基磷灰石海藻酸盐复合微球及其表面分子印迹的研究.pdf

摘要 本文在乙醇水体系中制备出羟基磷灰石( h a ) ，采用反相悬浮分散法，以三 氯甲烷、正己烷为分散介质，乙基纤维素为分散剂，羟基磷灰石海藻酸钠水浆 为分散相，经氯化钙交联制备了海藻酸钙羟基磷灰石复合微球。研究表明：乙 基纤维素的用量应不少于总质量的1 3 ，适宜的分散相加入速度为1 2 5m l m i n ， 适宜搅拌速度为1 5 0r m i n 。这种微球粒径在2 0 0 - - 3 0 0i lh i ，加入速度、搅拌速 度、分散剂的选择与用量、海藻酸钠与羟基磷灰石比例、不同有机相及配比、不 同条件的h a 及海藻酸钠中添加其它物质都对复合微球有所影响。采用光学显微 镜对复合微球进行了分析和表征。 分别以甲基橙和甲基红为模板，以a - 1 7 2 和k h 5 5 0 硅烷为功能单体，通过表 面印迹技术，在水相体系中制备了不同载体的分子印迹复合微球( m i c s ) 。载体 包括：h a - a i g 复合微球、阴离子交换树脂、阳离子交换树脂、p m m a - t r i m 微球和 玻璃微球；采用紫外分光光度计测试了m i c s 的吸附和识别性能。研究表明，所得 的印迹物对模板的吸附满足l a n g m i u r 吸附模型，其吸附速度和吸附容量与功能 单体种类、载体类型、模板与功能单体的比率等因素有关。水相中模板和功能单 体主要以静电作用和疏水作用相结合。m i c s 对其模板分子表现出一定的分子识 别性能，而在相同情况下未印迹的空白聚合物则无此识别特性。印迹复合微球的 识别性能与功能单体种类、载体类型、模板与功能单体的比率和微球比表面积等 因素有关。采用甲基橙为模板，两种硅烷为功能单体，不同载体( p m m a t r i m 微 球、阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、姒一a l g 复合微球) 制备的i m c s 的分离 因子分别为2 0 5 、1 7 6 6 、1 1 6 2 、2 5 6 ：其它条件不变，采用甲基红为模板时， 制备的i m c s 分离因子分别为1 5 8 、1 5 1 7 、1 0 9 3 、1 2 8 。反复洗脱和吸附实验 表明m i c s 具有一定的再生使用性能。 关键词：分子印迹；羟基磷灰石；海藻酸盐；硅烷交联；甲基橙；吸附； 分子识别 a b s t r a c t c a l c i u mh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) v c a sf a b r i c a t e di ne t h a n o l - w a t e rs o l v e n t c a l c i u m a l g i n a t e ( a l g ) h y d r o x y a p a t i t ec o m p o s i t em i e r o s p h e r e s w e l ef a b r i c a t e dv i ai n v e r s e s u s p e n s i o n ( w o ) w i t hc h l o r o f o r ma n dh e x a n e 嬲d i s p e r s e dp h a s e ，e t h y lc e l l u l o s ea s d i s p e r s e r , m i x t u r eo fh a a n ds o d i u ma l g i n a t es o l u t i o n 硒d i s p e r s i n gp h a s e ，f i n a l l y , t h e m i c r o s p h e r e sw e 他c r o s s l i n k e d 丽血c a l c i u mc h l o r i d es o l u t i o n i tw a ss h o w nt h a t c o n t e n to fe t h y lc e l l u l o s es h o e dn o tl e s st h a n13 o ft h ew h o l eq u a l i t y t h es u i t a b l e a d d i n gs p e e do fd i s p e r s e dp h a s ea n dt h es p e e do fs t i r r i n ga r ca b o u t1 2 5m l m i na n d 15 0d m i n t h ep a r t i c l ed i a m e t e ro ft h ec o m p o s i t e sw e r ec o n v e r g e n ta t2 0 0 - - - - 3 0 0 1 x m t h em o r p h o l o g yo ft h eh a - a i gm i e n ) s p h e r ew a si n f l u e n c e db ya d ds p e e d , s t i r r i n g s p e e d ，s e l e c t e da n dd o s a g eo fd i s p e r s a n t ( e t h y l i cf i b r i n ) ，t h ep r o p o r t i o no fa l ga n dh d i f f e r e n to r g a n i cp h a s ea n dr a t i o ，h aw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n , o t h e rm a t e r i a l sa d d e d i na l ga sw e l l t h ec o m p o s i t em i c r o s p h e r e sw a sa n a l y z e da n di d e n t i f i e db yo p t i c s m i c r o s c o p e i tw a ss h o w e dt h a tm i c sc o u l db ep r e p a r e dw i t hs i l i c ac r o s s l i n k i n gi nl i q u i d s y s t e m 、) i ，i t hd i f f e r e n tc a r r i e r s ，w h i c hi n c l u d eh a - a l gc o m p o s i t e s ，a n i o ne x c h a n g e r e s i n , c a t i o ne x c h a n g er e s i na n dp m m a - t r i mm i c r o s p h c r e s t h ec a p a b i l i t yo fm i c s w a st e s t e db yu l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tm i c sa d s o r b e d t h e i rt e m p l a t e si nt h ew a yo fl a n g m i u r , a n dt h e i ra d s o r p t i o n p r o p e r t i e sw e r e i n f l u e n c e db yt h ef u n c t i o n a lm o n o m e r ( f 岣，t h ec a r r i e r sa n dt h er a t i oo ft h et e m p l a t e t of m f m sw c r es h o w e dt oc o m b i n et h et e m p l a t e sm a i n l yt h r o u g he l e c t r o s t a t i ca n d h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n s i nt h ew a t e rs y s t e m t h em i c se x h i b i t e das p e c i f i c r e c o g n i t i o nt ot h e i rt e m p l a t e s ，a n dt h ec o n t r o lm i c sh a dl i t t l er e g e n e r a t i o np r o p e r t i e s t h e s ea b i l i t i e so fm i c sw e r ei n f l u e n c e db yt h ef u n c t i o n a lm o n o m e r s ，t h ec a l t i e r sa n d t h er a t i oo ft h et e m p l a t et of ma n dt h es p e c i f i ca r e a so ft h em i c s w h e nm e t h y l o r a n g ew a sa st h et e m p l a t e ，a - 1 7 2a n dk h - 5 5 0a sf m ，t h eq u a n t i t yo f m i c sp r e p a r e d b yd i f f e r e n tc a r r i e r s ( p m m a - t r mm i c r o s p h e r e s ，c a t i o ne x c h a n g er e s i n , a n i o n e x c h a n g er e s i na n dh a - a l gc o m p o s i t em i c r o s p h e r e s ) i sr e s p e c t i v e l y2 0 5 ，1 7 6 6 ， 1 16 2a n d2 5 6 w h e nm e t h y lr e dw a s 私t h et e m p l a t e ，t h eq u a n t i t yo fm i c si s1 5 8 ， 1 5 1 7 ，1 0 9 3a n d1 2 8 ，r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n to fr e p e a t i n gw a s h i n ga n d a d s o r p t io ns h o w e dt h a tt h em i c se x h i b i t e dac e l t a i ne x t e n tr e g e n e r a t i o np r o p e r t y k e yw o r d s ：m o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，h y d r o x y a p a t i t e ，a a g d n a t e ，s i l i c ac r o s s l i n k i n g ， m e t h y lo r a n g e ，a d s o r p t i o n , m o l e c u l er e c o g n i t i o n 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得苤洼盘鲎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。 学位论文作者签名孔银 签字日期： 知。午年i2 月粥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞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：走扎银 签字日期：及您印年j 么月z 客日 导师签名济袱 签字日期吨斗年lv 月日 天漳大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 分子印迹概述 第一章绪论 分子识别和专一性结合是整个生物学普遍存在和特有的现象，广泛存在于不 同的生物大分子之间，在生物进化中起重要的作用，是从分子水平研究生物现象 的重要化学概念，已成为当今生物学研究的热点课题之一。 1 9 7 2 年，w u l f f “等人采用一种全新的被称作分子印迹( m o l e c u l a r i m p r i n t i n g ) 的技术合成出了对糖类和氨基酸衍生物有识别作用的聚合物，此聚 合物被称为分子印迹聚合物( m i p ) 。与天然的和通过其它途径合成出来的分子识 别材料相比，m i p 具有三大优点0 1 ：即预定性、识别性和实用性。m i p 的这些优 点使之有望在吸附分离、抗体受体结合模拟、化学传感器、选择性催化剂等方 面获得应用。因此，自1 9 7 2 年至今分子印迹技术就一直是研究的热点。 111 分于印迹的识别原理“ 分子印迹聚合物( m i p ) 的制备一般包括如下三个过程”：( 1 ) 使模板分子 与功能单体之间通过共价键或非共价键作用结合，形成主客体配合物；( 3 ) 将聚 合物中的模板分子洗脱或解离出来，在聚合物中便留下与模板分子形状和体积相 同、结合基团在空间排列上互补的。分子孔穴”，m i p 就是基于这些“分子孔穴” 对模板分子进行识别的。通常，结合模扳的m i p 经洗脱再生后可反复循环使用。 m i p 印迹的基本原理如图卜1 所示m 。 “f 。一 i 一 0 n 驷e m m n d 鬯“9 图卜1 分子印迹的基本原理示意图 f i gl lt h es k e t c hm a po fk e y s t o n ef o rp r e p a r i n g 吡p 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分子印迹技术理论方面的研究工作相对较少，其理论也很不完善，但从总体 上可以得出以下几个结论：一，刚性较强的分子，比较容易产生稳定性好、选择 性强的识别位点，因此也相对比较容易印迹；二，聚合物母体应当具有较高的交 联度以保证洗脱模板分子后印迹孔穴保持形状与大小，同时也要有一定的柔顺性 以便底物的传质能快速达到平衡；三，在模板分子和m i p 中互补的功能基团相互 作用的强度越强，数量越多，m i p 的亲和力越强，选择性越高，但该m i p 往往也 较难洗脱且其再生的性能也较差；四，u i p 的聚合和评价应当在热力学控制下进 行以避免反范德华力作用和构象扭曲，同时聚合和后继评价应该在同一种溶液中 进行以减小模板分子和聚合物中功能基团构象转变而引起损失：五，模板分子与 聚合物之间的化学键不仅应当具有适当的强度，同时还必须是可逆的，以使m i p 不仅具有较好的分子识别性能同时也具有较好的循环使用性能。 1 1 2 分子印迹聚合物和模板分子的结合作用 分子印迹聚合物与模板分子之间的结合作用主要是孔穴内固定排列的结合 基团与模板分子间的相互作用。在制备分子印迹聚合物的过程中，对结合基团有 以下几个要求：第一，模板分子与结合基团间要有足够强的键合作用，以便在聚 合过程中把模板分子牢固地固定住，在交联时把结合基团按确定的空间位置固定 排列。第二，生成聚合物后，模板分子要尽可能地完全除去，因为残留的模板分 子会降低m i p 的使用效率。第三，结合基团与模板分子的相互作用要尽可能地快， 以便用于快速色谱分离和催化，同时，还要具有很好的可逆性，这样才能多次反 复使用。 结合基团和模板分子之间的结合作用主要有：( 1 ) 共价键；( 2 ) 一键： ( 3 ) 氢键；( 4 ) 疏水范德华力；( 5 ) ( 过渡) 金属配位结合作用；( 6 ) 冠醚与 离子作用；( 7 ) 离子键。不同结合类型的结合专一性也是不一样的。模板分子的 结构和印迹环境决定了哪种作用最有效。 1 1 2 1 共价结合作用 目前，已使用共价结合作用制备了对糖类及其衍生物、芳香化合物、腺嘌呤 等具有分离作用的分子印迹聚合物。迄今人们所使用的结合基团主要包括硼酸、 西佛碱、缩醛和缩酮类等，其中最具代表性的是硼酸酯。 共价结合时功能基团的个数一般以- n 两个为宜，结合基团较少时，聚合物 与模板分子的结合速度较快，但选择的专一性较差；相反，结合基团较多时m i p 的选择专一性会更好，但结合速度会较低。所以，制备m 口时要从这两方面综 天津大学硕士学位论文第一章绪论 合考虑。通常都只采用一个功能基团，因为共价键的结合作用一般都很强，方向 性也较好，选择的专一性也较好。通常结合速度是考虑的首要因素。带有甘油酸 酯和丙二醇 7 1 形成的有一个结合基团的m i p 已经用于拆分外消旋体。实验表明， 结合基团的个数达到三个时，通常情况下，m i p 的拆分能力很差。其原因就是模 板分子与m i p 的结合速度太低造成的。 不同结合类型的结合专一性也是不一样的。共价键的限制性最强，它只对专 门的功能基团有专一的结合作用，而离子键和疏水作用可对大范围的化合物有作 用，因而他们的专一性较差。共价键一般有较强的方向性，而离子键和疏水作用 则小得多。因此共价结合的方法应能产生专一性最好的m 口。但其结合不可逆， 且结合速度较慢，这在实际应用中，特别是快速结合过程( 如色谱) 是难以接受 的。而离子键和疏水作用则是极为快速的。利用北键作用和氢键作用( 它们 总有一定的方向性) 在许多情况下是一个较好的折衷方案。 模板分子的结构和印迹环境决定了印迹中哪种作用最有利。如果要制备用于 分析作用的色谱材料，一般优先考虑非共价键作用，因为该作用的结合速度较快， 但过量的结合基团对分离过程有不利的影响。而对催化方面的应用来说，结合基 团的方向和孔穴中起催化作用的活性基团更为重要，此时共价结合作用就较为有 利。 1 1 2 2 非共价结合作用咖 m i p 与模板分子之间最常用的结合作用是非共价键作用。把能发生非共价作 用的功能单体、模板分子和交联单体混合在一起，模板分子和功能单体就或多或 少地生成有某种确定关系的配合物。这些与模板分子相配位的功能单体可以与交 联单体快速地达到平衡。为了确保在聚合物中有尽可能多的非共价键作用，功能 单体和模板分子的比例不能少于4 ：1 9 1 。 非共价键作用主要包括氢键作用和静电作用。氢键作用在许多有机化合物间 很容易形成，因此是最方便也是应用最多的结合方式。目前，氢键作用已被广泛 用于二胺、维生素、氨基酸及其衍生物、缩氨酸、核苷和染料等的印迹过程中。 同静电作用相比，其作用力较强，因而选择性较好。同共价键相比，其作用力较 弱，但这恰恰为洗脱模板分子带来了方便，且通过选择多个相互作用点也可大大 提高模板分子与分子印迹聚合物的相互作用力，使分子印迹聚合物具有很高的选 择性。例如，甲基丙烯酸中的羟基和酰胺中的氧原子之间可出现氢键。在这种条 件下可得到选择性很高的m m ，其拆分外消旋体的q 值可达3 8 ( a 为分离因子， 它表示d 一型和l 一型化合物在溶液和聚合物中的分布系数k 之比，即q = k i 抠l ：分布系数k 定义为：k - - c p d c s mk - - c p d c s l ，式中c p d 和c n 分别表示 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 d 型和l 型化合物在溶液中的浓度：c p l 和c s l 分别表示d 型和l 型化合物在 聚合物上的浓度) 。但是，如果在印迹中只有一种氢键作用时，其拆分外消旋体 的a 值只有1 1 2 5 【1 0 1 。吡啶中的n 原子也能和酸中的- o h 基形成氢键作用，这 种作用与上述作用相当。 目前，在制备m i p 中采用两种不同的氢键作用是非常普遍的做法，因为这 样可以得到专一性更好的聚合物，同时对结合的速度也无大的影响。 静电作用力相对较弱，通常只和其它键合方式一起作用而不单独使用。例如， p i l c t s k y 1z 等利用能产生氢键和静电作用的d ( l ) - 苯丙氨酸( d ( l ) - p h e n y l a l a n i n e ) 为模板制得了分子印迹聚合物。将该聚合物用于色谱大大改善了苯丙氨酸手性异 构体的分离效果。 另外，非共价键也可以和共价键结合起来使用，例如静电作用、电荷转移作 用、氢键作用都能和共价键结合使用。所制得的聚合物的选择性有时比用单个共 价键作用的m i p 还要高。 1 1 2 3 共价键和非共价键的比较 借助共价结合作用可在聚合物中获得空间精确固定的结合基团，对模板分子 的选择性较好。如果模板分子能比较完全地除去，这两种结合方式就占有优势。 非共价结合作用在聚合物反应中则要求有过量( 至少4 倍以上) 的结合基团，因 而有相当多的结合基团是无规分布的。在这种情况下模板分子一般很容易除去， 原则上这种聚合物与底物的可逆性结合作用也快。表1 1 列出了共价键和非共价 键的一些特点。 表1 - 1 共价键和非共价键的比较 t a b l e1 - 1c o v a l e n tb o n da n du n c o v a l e n tb o n d 共价键印迹的优点： 单体和模板可以稳定结合，因此分子印迹过程相对清晰：由于形成共价键， 非常稳定，可以适用较宽松的环境( 比如高温，各种p h 值和强极性溶剂等) 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 共价键印迹的缺点： 单体和模板的结合困难且产率低；有用的可逆共价键数量有限；第三步要求 严格，消弱了印迹效果( 共价键断裂) ；伴随共价键的形成和断裂，识别和释放 聚合物非常慢。 非共价键印迹的优点： 单体模板结合不需要形成共价键；模板容易在温和的情况下脱除，因为它们 之间只是比较微弱的非共价键结合；随时结合随时释放，利用非共价键的优点， 反应很快。 非共价键印迹的缺点： 印迹过程不清楚；必须仔细选择聚合条件，以使混合物最大限度的形成非共 价键；过量的功能单体提供非特异性键位，降低了识别特性。 非共价键可以和共价键结合起来使用，例如静电作用、电荷转移作用、氢键 作用都能和共价键结合使用。所制得的聚合物的选择性有时比用单个共价键作用 的m i p 要高的多。 h 1 1 3 分子印迹聚合物原材料 制备m i p 至少需要以下这几种原材料：模板分子、功能单体、适当的溶剂， 多数的情况下还需要交联剂。 根据所要识别分离的化合物的结构和性质，模板分子可以是低分子化合物、 低聚物、金属离子或金属络合物，也可以是分子聚集体。应用较多的模板分子有 糖类及其衍生物、氨基酸及其衍生物、药物、激素、杀虫剂、染料等【l m 9 1 ，酶或 辅酶、核酸、多肽、蛋白质 8 4 4 7 】等应用较少。 功能单体【2 0 捌】选取的原则是，单体的一端能和聚合物结合，而另一端能和模 板分子结合。与聚合物的结合应足够强，以使除去模板后孔穴内结合基团能稳定 存在。与模板的结合力则要适中，因为结合力过大模板分子将难以洗脱，过小则 孔穴对模板分子的选择性不高。常用的功能单体有丙烯酸及其衍生乙烯基吡啶、 4 - 乙基苯乙烯、4 乙烯基苯甲酸、乌头二酸、丙烯酰胺、硅烷及其衍生物等。其 中应用最广泛的是甲基丙烯酸( m a a ) ，它分子内除具有一个碳碳双键外，还有 一个羧基，可以以离子键与氨基发生作用，也可和酰胺、氨基甲酸酯和羧基化合 物产生氢键作用。因此，当模板分子中含有氨基、脂肪醇、脂肪胺等基团时， m a a 是非常合适的功能单体。带有双键的酰胺类和吡啶类也是性能优异的功能 单体，如丙烯酰胺、乙烯基吡啶等。这些化合物可以和交联单体发生共聚使n 原子“挂在一聚合物链上，“悬挂 的n 原子便可以和带有- - c o o h 或- - o h 的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 模板分子以氢键结合。 由交联单体聚合而得的聚合物母体的结构对制备的分子印迹聚合物起着非 常重要的作用。因为印迹孔穴的识别性能是由模板分子和聚合物链的固定排列共 同决定的，因此聚合物结构的优化极为重要。聚合物母体应具备如下性能：乱聚 合物母体应有足够的硬度，以便模板分子除去后印迹孔穴能够保持原有形状而不 变形。b 聚合物母体应有较高的柔性，以使其能与嵌入的底物迅速达到平衡。 c 可制成特定的形态，既有足够的交联度，又有良好的底物可近性。d 为便于 在对动力学有利的高温条件下使用，聚合物母体还应有良好的热稳定性。e 聚 合物粒子应有良好的机械稳定性，以便在高压或搅拌环境下使用。 聚合过程中所用的溶剂或分散介质对聚合物的聚合过程、后续处理以及实际 应用都有一定的影响。选取溶剂时应尽可能减小它对模板分子与聚合物的键合作 用的不利影响，使后续处理尽可能地简单易行。目前，常把聚合环境分为水相和 非水相两大类。一般情况下，若以氢键作为主要结合作用，则溶剂应尽量采用非 极性的。因为极性溶剂( 尤其是水) 会大大削弱模板分子与聚合物的相互作用，从 而使聚合物的选择性大大降低，甚至消失。因而，迄今为止，大部分的印迹过程 都是在有机溶剂中完成的。在非水相中结合得到的m i p 在用于非水环境中时较 为有利，但在水相中却存在诸多缺点。首先，在制备m 时，由于聚合环境的 影响，亲水性基团在聚合物表面的分布较少，当功能单体为亲水性时就会大大降 低功能单体的结合作用。其次，由于聚合物表面上带有大量的亲油性基团，当分 离的底物为亲水性时，底物与m i p 的结合以及向m i p 内部传质都会受到阻碍， 这也会严重影响m i p 的使用性能。因此，研究在极性环境，尤其是水相中m i p 的印迹过程，寻找可行的聚合方案具有重要的意义。 1 1 4 分子印迹聚合物的制备方法 迄今为止，分子印迹聚合物的制备方法主要包括：封管聚合、分散聚合【2 2 】、 沉淀聚合】、种子溶胀悬浮聚刽2 4 1 、表面模板聚合等。 表面模板聚合法是近年内出现的一种全新的方法。u e z u , y ；o s h i c l a 等 2 5 3 l 】首 先将此法用于分子印迹技术中，其制备过程为：首先将含有模板分子的水相w l 与含有交联单体、乳化剂、功能单体的油相( o ) 混合，经过超声处理形成w l o 乳液，再将该乳液分散在外部水相( w 2 ) 中形成w i o w 2 复合乳液，然后加入 引发剂引发聚合，即可得到聚合物微球，微球的粒径可控制在l o - 1 0 0 1 a m 。制备 过程中，功能单体与模板分子在乳液界面处结合，形成的配合物就留在反应界面 上。交联单体聚合后，这种配合物结构就印在了聚合物的表面。因此，这种方法 天津大学硕士学位论文第一章绪论 被称为表面模板聚合。其最大特点是由于结合位点在聚合物表面，所以印迹聚合 物与模板分子结合的速度比较快。同时，制备过程也是在水溶液中进行，且制备 方法较为简单。 通过对粒子表面进行修饰制备分子印迹聚合物材料是一个较好的方法，这种 方法最大的优点是可以利用粒子的机械稳定性，并且可以通过对粒子本身性能的 调节来适应应用的需要。1 9 4 9 年i ) i c k e y 用沉淀法制备了印迹硅胶。近年来，有 人用粒子表面的硅烷醇与甲基丙烯酸酯进行烷氧基团的反应【3 2 】，将甲基丙烯酸酯 键合至硅胶粒子上作为印迹聚合的基团，印迹混台物在粒子表面聚合制得分子印 迹材料。 1 1 5 分子印迹聚合物的应用 m m 具有制作简单、成本低廉、功能可设计、坚固耐用且适用范围广等优点， 因而被誉为“万能的分子识别材料 。过去一段时期，m i p 的应用研究主要集中 在亲和分离【3 3 期、抗体结合模拟【3 ”3 】、酶模拟 3 9 4 1 】以及生物模拟传感器上。但最 近两年来，科学家们已开始探索m i p 的一些新应用领域。其中在痕量物质的富 集【4 2 l 、反应过程平衡转移的控制【4 3 州、反应产物的提纯 4 5 , 4 0 3 、组合化学库的筛选、 反应催化和免疫测定一7 】等方面已取得了一定的进步。 1 2 无机载体分子印迹技术的研究进展 无机固体表面对有机分子的选择性吸附是无机材料引人注目的性质。无机载 体的分子印迹有如下几种情况： 1 2 1 无机载体上的有机高分子薄膜印迹 在硅胶表面上制备的厚度在5 - - 一l o n m 的大孔聚合物薄膜，具有类似的印迹 结构。例如，硅胶与3 一( 三甲氧硅烷基) 丙基异丁烯酸反应，将异丁烯酸基团以 共价键方式结合在硅胶表面上。硅胶表面要先涂上一层用于印迹过程的单体混合 物，然后辐射引发聚合。用这种方法可以制备具有预期大小的非溶胀性粒子吸附 剂。这些产品特别适用于外消旋物的色谱离析。 1 2 2 硅胶表面修饰的分子印迹 1 9 4 9 年d i c k e y 用染料甲基橙作为印迹分子，酸化硅酸盐溶液形成染料印迹 胶体，干燥并洗去印迹分子后得到了对甲基橙比乙基橙吸附能力高2 倍的吸附材 天津大学硕士学位论文第一章绪论 料，而用乙基橙作印迹分子，结果正好相反。5 0 - 7 0 年代各国分子印迹研究小 组如b a r t e l s 小组、b e c k e t t 小组等都致力于基于硅胶表面修饰分子印迹技术在 特异吸附、手性物质分离方面的应用。m o r i h a r a 小组在硅胶表面制备催化剂方 面做了大量细致深入的工作：k o d a k a r i 小组利用化学气相沉积技术( c v d ) 制备 分子印迹聚合物( m i p ) 也取得了阶段性的成果；d a i 小组则利用这项技术在处 理含铀酰离子的核废料、废水方面做了大量的工作。 1 2 3 固体材料上的无机印迹层 随着d i c k e y 方法的进一步发展，聚硅氧烷的交联层可以在模板分子存在的 条件下在硅胶粒子上生成，这样能利用它们的质点结构。首先使含有结合基团的 功能化硅烷发生缩聚，在模板分子和单体混合物之间获得明确的附加作用，以期 在最终的吸附剂中得到增强的亲和力与选择性。 1 2 4 固体材料上的表面改性印迹 在典型的高分子或硅胶印迹中，所获产品的选择性决定于空穴的形状和它内 部功能基团的排列。有人将次甲基双偶氮次冷凝在大孔硅胶的表面，结果生成了 预定的缩聚产物r s i ( c h 。) ( o c h 3 ) 幻表面上自由的硅烷醇基团被六甲基二硅烷基 胺阻塞，不能进行非特征性的吸附。将模板洗脱后，在一定尺寸的距离上留下了 两种氨基官能团。 为了获得好的选择性，模板的数目决不能太高，否则，洗脱模板后用二醛补 偿时，邻近氨基的结合将不能像开始的那样成对出现。如果二醛( 其内部的醛基 以各种不同的距离分开) 暴露在改性硅胶的表面，作为印迹载体的醛基就会优先 键合。在羧基之间具有不同间隔尺寸的二羧酸也能被装在高效液相色谱中的这种 硅胶很好的分离开来，因为在羧基中间一定距离( 0 7 n m ) 对苯二酸被阻碍的最 厉害，而更远或更近的距离的羧酸被阻碍程度则小的多。很明显用这种方法可以 获得高的a 值。如果用乙醛作为结合基团，用二胺作为模板，将二胺脱除并将醛 基氧化成羧基后，可以用来分离二胺类物质。用类似的方法，可将带特定排列氨 基的丙糖放置于s i o ：的表面上。如果剩余的硅烷醇基团在模板缩聚后，被填充空 间的硅烷( 如苯基二甲基甲氧基硅烷) 阻隔，在s i 0 2 表面( 这里分布着功能单体) 脱除模板后，即得到模板的大小轮廓。长链的脂肪族硅烷也可被利用起到故意阻 隔的效果。 j s a g i v 通过自组装体系进行表面改性。三氯一n 一十八烷基硅烷的混合单分 子层和作为模板的用洗涤剂改性过的染料被吸附在玻璃的表面，发生化学结合生 成硅氧烷。没有发生键合的这种改性过的染料可以被脱除。形成的空洞中含具有 - 8 - 天津大学硕士学位论文第一章绪论 化学吸附作用的稳定的网络和缩聚的硅烷分子。这些层状物对所用的模板具有优 先吸附的作用。然而，这种吸附一脱附过程的动力学因素却不令人满意，因为在 单分子层中质量的传递必须有一个由密集排布的长链烷基形成的通道。这些空穴 也可以吸附与模板相类似的分子。在这里，很重要的一点是大分子中应该具有两 性分子的基团。重吸附的过程主要通过电化学的方法研究，象表面共振r a m a n 光 谱和椭圆光度法。固相载体包括玻璃、二氧化锡和金。特别是二氧化锡和金可用 来作为传感器的基质。 表面印迹法制得的介质使印迹识别位点处在颗粒的表面( 或表层) ，能很好地 克服印迹分子利用率低，印迹分子不易洗脱，介质内部扩散阻力大，介质形态不 规则，以及有效尺寸的聚合物收率低等弊端。通常采用的表面印迹法是在微球上 进行印迹或涂层印迹聚合物，而且得到的较均匀球形颗粒适用于各种操作，尤其 是色谱操作。 1 3 硅烷功能单体分子印迹聚合物研究进展 功能单体的一端能和聚合物结合，而另一端能和模板分子结合。与聚合物的 结合应足够强，以使除去模板后孔穴内结合基团能稳定存在。与模板的结合力则 要适中，因为结合力过大模板分子将难以洗脱，过小则孔穴对模板分子的选择性 不高。目前，分子印迹的功能单体主要为丙烯酸及其衍生物类、丙烯酰胺类、乙 烯基吡啶类等。但是它们的聚合都局限在有机溶剂中进行，而且得到的m i p 均为 块状，经研磨、过筛等处理后方可使用，且产品形状不规则、粒径的单分散性很 差，因此所得的m i p 不仅使用麻烦而且效果也不好。选用稳定的载体，利用表面 印迹技术，通过硅烷的交联作用将载体和模板分子聚合在一起，洗脱后就得到具 有专一识别性的印迹聚合物。 m o s b a c h 渊等报道了芳环上的羟基、氨基与功能化硅氧烷分子中的氨基之间 存在分子间氢键的作用。染料分子印迹聚硅氧烷的制备就是通过功能化的有机硅 单体中的 n h ，一n h 2 基与染料分子之间的一n h ：，一o h 基预先以非共价模( 主要是通 过氢键) 多点相互作用，自组装排列；再经酸催化水解，生成活性的硅醇键。在 模板分子周围，活性硅醇间的羟基自缩聚及与球形二氧化硅表面的羟基缩聚，再 在减压下，于9 0 进一步交联，固化，得到包含有染料分子的的网状聚硅氧烷， 再依次以稀盐酸，水，乙腈，丙酮洗涤至无模板分子检出，经减压干燥得染料分 子印迹的聚硅氧烷。 k a t z 啪1 等将3 个三羟乙基硅烷通过酞胺键与一个芳香环相连，以此为模板分 子与无定型硅胶反团。印迹分子中的3 个三羟乙基硅烷在反应中结合至硅胶的骨 架上。反应完成后用碘代三甲基硅烷处理，除去芳香核，得到的材料可作为形状 天津大学硬士学位论文 第一章绪论 选择性催化剂。此合成方法适用于不同印迹分子。他们首次用物理吸附法检测到 w i p 具有对印迹分子吸附的微孔。 c i u f f i t ”j 等用金属卟啉( 铁( ) 、锰( 1 1 1 ) ) 硅溶胶，在氮碱( 吡啶、咪 唑或4 一苯基昧唑) 存在下，与四乙氧基硅( t e o s ) 水解缩聚合成m i p 。 k o d a k a r i i ”1 研究小组以安息香醛为模板( 见下式) ，以氧化锡为骨架，通过 化学气相沉积的方法将硅醇固定在氧化锡表面，从而合成i v i i p 。 孟令芝吲等分别以分散蓝和分散红两种染料为模板分子，3 种硅烷偶联剂 ( y 一乙二氨丙基三乙氧基硅烷，氨丙基三乙氧基硅烷和苯胺甲基三乙氧基硅烷) 为功能单体，二氧化硅微球为载体，应用自组装法制备了两种染料分子印迹的 聚硅氧烷微球。采用分光光度法，研究了分子印迹聚硅氧烷对各自模板分子的吸 附性能及选择性识别性能。结果表明，与非印迹聚硅氧烷相比，染料分子印迹的 聚硅氧烷对其模扳分子具有较高的吸附能力。 其制各方法如下：称取2 0 9 经活化的二氧化硅微球置于l o o m l 的三口瓶中， 加入2 0 m l 浓度为2 5 xl o - 3 m o l l - 1 的分散红溶液，机械搅拌下依次加入0 8 m ly 一 乙二氨丙基三乙氧基硅烷，2 o r a l 氨丙基三乙氧基硅烷，0 6 m l 苯胺甲基三乙氧 基硅烷室温下继续搅拌2 h ，然后再加入l o m l ( 0 o l m 0 1 l 。1 的盐酸溶液，油浴加 热，于9 0 c 下反应1 2 h ；停止搅拌，继续在减压下加热交联固化2 h 。得到的固 体物依次经i o m 0 1 l - 1 的盐酸溶液，蒸馏水，乙腈溶液洗涤，至无模板分子检出， 最后用丙酮洗涤，6 0 真空干燥，得分散红分子印迹的聚硅氧烷。用以上同样 的实验方法，制各分散蓝分子印迹的聚硅氧烷。不舍模扳分子的非印迹聚硅氧烷 的制备：除不加模板分子外，其余同以上实验操作，制得不含模板分子的非印迹 聚硅氧烷。圈卜2 为合成硅氧烷印迹聚合物的制各路线和原理图。 ；r 一卜：s 矿p 4 十謦、尸一答警， ? l r o 一 一一r “畚。- s 7 k 7 靠 ! 9 9 馅藩： 图i - 2 染料分子印迹聚硅氧烷的制各路线代表功能单体与模板分子之间的氢 键作用点 天津大学硕士学位论文第一章绪论 f i g l 一2t h es k e t c hm a pf o rp r e p a r i n gd y e sm o l e c u l a ri m p r i n t i n gs i l i c o n e r e p r e s e n tt h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o mb e t w e e nf u n c d o n a lm o n o m e r sa n dt e m p l a t e v e n t o n 等【5 3 1 合成了印迹分子分别为脲酶和牛血清白蛋白的聚硅氧烷聚合物， 印迹蛋白分子用链霉蛋白酶降解。每种聚合物都对其印迹分子显示出了较弱的特 异性吸附能力，聚合物对印迹分子的结合量比非印迹分子多5 0 ，而且用血红 蛋白和肌红蛋白显示了其中印迹分子与聚合物的结合力更强。作者推测蛋白质与 聚合物的作用力是在聚合过程中蛋白质表面多余的基团与单体发生了结合作用 而生成的。 1 4 羟基磷灰石 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称姒) 是一种微溶于水的弱碱性磷酸 的钙盐，其晶体化学式为c a 。( p 矾) 。( o h ) ：。羟基磷灰石是脊椎动物骨和齿的主 要无机成分，结构和性质也非常相近，与动物组织的相容性好、无毒副作用、 界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。羟基磷灰石是目前 研究最多的生物活性材料之一，广泛应用于各种骨修复材料和细胞、药物载体， 在抑制癌细胞方面也有应用。 羟基磷灰石表面具有几种可能的表面状态：( 1 ) 当0 盯位于晶体表面时， o h 与2 个c a ( i i ) 离子相连，当h a p 在水溶液中时，这个表面o h - 位置至少在 某一瞬间空缺，由于2 个c a ( i i ) 离子带正电荷，形成了一个吸附位置，这个位 置能吸附p 0 4 3 一或大分子上的磷酸根基团或羧基基团。( 2 ) 当c a 离子位于晶体 的表面时，由于c a ( r ) 与6 个带负电荷的0 原子相连，c a ( h ) 与3 个带负电荷 的o 原子相连，当h a p 在水溶液中，表面的c a ( 1 ) 位置在某一瞬间空缺时， 就在c a ( i ) 位置形成较强的吸附位置，能吸附s ，、k + 等阳离子及蛋白质分子 的基团，而在c a ( i i ) 位置则形成一个较弱的吸附位置。( 3 ) p 0 4 卜位于晶体的表 面时，h 2 0 通过氢键与p 0 4 3 一离子结合。正是由于羟基磷灰石表面的这些特性 才使其具有良好的生物相容性。 羟基磷灰石的合成有各种方法，通常分为2 大类：水相合成和高温固相合成。 纳米羟基磷灰石粉体的合成均为水相合成。在水相合成法中包括水解法、酸碱反 应法、水热反应法、共沉淀法、溶胶凝胶法、气溶胶分解法及最近发展的微乳 液法等。羟基磷灰石本身很脆，不易成型，微溶于水。 1 5 海藻酸盐 海藻酸是一种从海藻中提取的天然多糖聚合物，是b - 1 ，4 一甘露糖醛酸 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( m ) 与q - i ，4 - l - 古洛糖醛酸( g ) 结合的线形共聚物，分子链上具有删，m g ， g g 三种结构单元。海藻酸不溶于水，但可以和金属离子结合。与金属离子结 合，海藻酸能形成几种类型的海藻酸盐。当海藻酸分子中的羧基全部与多价金 属离子( m 9 2 + 除外) 结合时，形成的盐是非水溶性的，比如海藻酸钙，不溶于 水，但在水中可以溶胀。水溶性的海藻酸盐有海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸镁、 海藻酸铵等。 海藻酸钠由海藻酸与碱作用而制成的，为白色或淡黄色粉末，具有良好的 水溶性。由于分子量很高( 从1 0 0k d a 到5 0 0k d a 不等) ，其溶液非常粘稠。 海藻酸和海藻酸钠的结构式如下图1 - 3 所示： n a c 0 3 或n a o h 图卜3 海藻酸和海藻酸钠的结构式 f igl 一3t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fa l g i n i ca c i da n ds o d i u ma l g i n a t c 海藻酸盐因其独特的增稠和凝胶化作用而倍受瞩目。将海藻酸钠的热水溶 液冷却即可得到凝胶，形成凝胶的最低百分比浓度为0 2 ，通常使用的浓度 为0 5 2 0 。凝胶化的机理是：溶液冷却时，聚合物链相互缠结成双螺 旋结构。在海藻酸钙凝胶中，相邻高分子链上的羧基以氢键相连，高分子链则 由于与c a 2 + 形成多价键而聚结，这种链间的结合类似于“蛋一盒一结构，如图 1 - 4 所示。 海藻酸盐具有独特的性质，即在多价金属阳离子比如c a 2 + 存在时的溶胶一凝 胶转变，这种转变几乎不依赖于温度。除了形成离子凝胶外，海藻酸盐还能在 p h 值低于分子链上糖醛酸的p k a 值时形成酸凝胶。与离子凝胶不同，酸凝胶 相对来讲是一种平衡体系。人们对海藻酸凝胶的认识和应用到目前还十分有 天津大学硕士学位论文第一章绪论 限。海藻酸凝