（分析化学专业论文）分子印迹聚合物性质及合成研究.pdf

英 文 摘 要 ma s t e r t h e s i s : s t u d y o n t h e p r o p e rt i e s , m e c h a n i s m a n d s y n t h e s i s o f m o l e c u l a r i m p r i n t e d p o l y m e r au t h o r : j i a y u me i ma j o r : a n a l y t i c a l c h e m i s t ry s u p e r v i s o r : p r o f e s s o r h e x iw e n ab s t r a c t t h e d i s s e rt a t i o n i s d i v i d e d i n t o f o u r c h a p t e r s . t h e m e t h o d o f s y n t h e s i s , m e c h a n i s m a n d s e l e c t i v i t y o f m o l e c u l a r i m p r i n t e d p o l y m e r s a r e d i s c u s s e d . s o m e a p p l i c a t i o n s o f t h e m o l e c u l a r im p r i n t e d p o l y m e r a r e a l s o i n c l u d e d . 1 . i n tr o d u c t i o n : t h e o u t l i n e o f t h e m o l e c u l a r i m p r i n t e d p o l y m e r i s g i v e n i n t h is c h a p t e r . s o m e b a s ic t h e o r i e s a n d m a in a p p l i c a t i o n s a r e r e v i e w e d . 2 . d ru g w a s u s e d a s t e m p l a t e m o l e c u l e . h a v i n g s y n t h e s i z e d t h e p o l y m e r , it s m e c h a n i s m s o f r e c o g n i t i o n a n d b i n d i n g s e l e c t i v i ty w e r e e x p l o r e d b y u s i n g u l t r a v i o l e t s p e c tr o m e t ry a n d s o m e o t h e r m e t h o d s . 3 . t h e m o le c u l a r i m p r i n t e d m i c r o s p h e r e s a re p r e p a r e d 勿u s i n g p r e c i p i t a t i o n m e t h o d . t h e e ff e c t s o f s o l v e n t s o n t h e f o r m a n d s i z e o f t h e m i c r o s p h e r e s a re i n v e s t i g a t e d . t h e r e c o g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e s t u d i e d妙 u s in g b a t c h me t h o d . 4 . t h e im p r i n t e d p o l y m e r i c c o a t i n g w h i c h c a n r e c o g n i z e t h e o d o r a n t s s e l e c t i v e l y w a s s y n t h e s i z e d o n t h e s u r f a c e o f q u a r t z c ry s t a l d i r e c t l y t h e c o a t i n g s h o w h i g h s e l e c t i v i ty o f t h e t e m p la t e m o l e c u l e . t h e m e t h o d c a n b e u s e d t o p r e p a r e s e l e c t i v e c o a t i n g w h i c h h a s p o t e n t i a l a b i l i t i e s o f d e t e r m i n i n g c h ir a l c o m p o u n d s i n l i q u i d p h a s e . 5 . t h e i m p r i n t e d p o l y m e r i c f i l m w a s p re p a r e d o n t h e s u r f a c e o f g l a s s c a r b o n e l e c t r o d e t o d e t e r m i n e t h e e l e c t r o - a c t iv e d o p a m i n e b y u s i n g c y c l i c v o l t a mme t ry k e y w o r d s : m o l e c u l a r i m p r i n t i n g t e c h n i q u e , m o l e c u l a r i m p r i n t e d p o l y m e r , r e c o g n i t io n m e c h a n i s m , s u b s t r a t e - b i n d i n g s e l e c t i v it y , m e m b r a n e s e p a r a t i o n , s e n s i t i v e ma t e r i a l s o f s e n s o r s i i i c 分子 fi v a i2 袅q扮id 藏r 普成好 v 第一章 绪论 第 ， 节 概述 在自 然界中， 分子识别在生物体中起着决定性作用， 所谓分子识别， 是指在 复杂混合体系中， 依靠具有形状、 大小、官能团与客体分子互补的主体分子， 对 客体分子进行区别的结合。 生物体中的酶、 抗体对底物抗原有特效的 分子识别作 用， 但自 然界中的酶、抗体等生物分子，具有提取复杂， 稳定性差， 在高温等恶 劣环境下失去结合位点， 存储不便等缺点。 于是化学工作者合成了 具有类似生命 分子 功 能 化 学 主 体 模型， 冠 醚 m 、 穴 醚 2 1 、 环 糊 精 3 1 和 杯芳 烃 a 1 等 低 分 子 量的 大 环化合物15 .6 1 用于识别，富 集一些物质尤其是金属离子。 但是这类化合物依旧 存 在着自 身的弱点， 如合成周期相对长， 选择性没有预定性， 识别性能不如生物分 子 等。 分子印 迹技术( m o l e c u l a r i m p r i n t i n g t e c h n i q u e ) 是 一类制 备对特定目 标 分 子具有特异预定选择性的高分子化合物。 利用相对简单的过程， 可以在合成的聚 合物中 制造相似的孔穴， 这种方法被认为是抗体的形成机理。 首先模板分子周围 形成高交联的聚合物， 然后将模板分子移去， 留下一个具有与模板分子大小、 形 状相匹配的立体孔穴。 在孔穴中 有精确排列的与模板分子的官能团 相互补的由 功 能单体提供的功能基团。 在这个过程中， 新形成的高聚物是高交联的， 在移去模 板分子后， 三维立体结构可以不变地保留下来。 1 9 7 2 年wu l ff研究小组首先报道 了 这方面的工作， 而后在世界各地的各研究机构有一百多 个研究学术团 体从事分 子印迹技术的研究与开发。 目 前分子印迹聚合物主要用于色谱中对应体和位置异 构体的分离，固相萃取化学， 仿生传感器， 模拟酶催化， 临床药物分析， 膜分离 技术等。 第2 节 分子印迹的基本概念和过程 2 . 1 印迹技术概念 如前所述，分子识别， 是指在复杂混合体系中， 依靠具有形状、大小、官能 团与客体分子互补的主体分子， 对客体分子进行区别的结合。 要得到具有一定形 e 分子m a m i 汾/ 质 s 普成0,9 v 状、 精 确结 合 位点 和 功 能 基团 的 印 迹聚 合 物 【7 -9 1 ， 要先 将 模板 分子 与 可聚 合的 功 能单体键和， 然后加入交联剂进行聚合。 移去模板后， 聚合物就具有了特定性质 和形状的孔穴。 这些孔穴的结构和功能基团的排列是由模板分子的化学性质所决 定的。 因此印迹聚合物就有记忆功能， 对分子模板 ( 即欲测物) 具有特殊的识别 能力。 2 . 2 分子印迹的过程 分子印迹聚合物的制备有如下三个过程: 1 .印迹分子与功能单体之间通过共价键或非共价键结合形成主客 体配合物。 2 .加入交联剂、 引发剂通过光引发或热引发， 在配合物周围形成高 交联的聚合物。在此过程中配合物被 “ 捕获”到聚合物中。 3 .将聚合物中的模板分子洗脱或解离下来， 在聚合物中形成具有可 识别印迹分子的孔穴。 第3 节 结合基团的功能 3 . 1 结合基团的概述 在 分子印 记的 过 程中， 结 合基团 有几 种功能 1 1 0 . 1 4 , 1 9 1 。 一方面， 聚 合时 模板与 结合基团之间的键必须坚固， 使得在交联的过程中结合基团可以按一定的取向与 模板结合， 固定在高分子链上。 另一方面模板又可以尽可能彻底地被移走。 还有 一个非常重要的功能， 结合基团与被结合物之间的相互作用 ( 例如与模板之间的 作用) ，这个过程必须迅速可逆，这样就可以 在色谱分离与催化上应用。因此， 尽管第一个功能需要高键能， 而第二、三个功能又需要尽可能低的键能。 结合基 团与模板之间的相互作用可以有共价键和非共价键等。 共价键的优点是: 在聚合 过程中， 结合基团可以精确地固定在空间里， 如果模板分子能以很高的百分比除 去， 共价结合就很适用。 利用金属配位物固定的模板分子与共价结合相似。 如果 利用非共价键相互作用，在聚合中，功能单体就要大大过量 ( 至少四倍) 。这样 来保证达到平衡时， 模板中的结合位点可以完全饱和。 用这种方法， 相当部分的 结合基团随机结合。 另一方面， 模板易于洗去。 原则上， 这种模板聚合物与底物 r 6 子取秘纷分勿趁质及普研 之间的可逆结合作用也很快。 模板分子的结构决定哪种相互作用在具体条件下最 有利。 当作用于分析的色谱材料时， 非共价键的相互作用较好， 因为过量的结合 基团对分离过程没有决定性影响。 当 用于催化时， 结合基团的取向和孔穴中的催 化基团就比较重要，所以共价结合就显示出优越性。 3 . 2 共价键的相互作用 硼酸基团非常适用于共价键结合。 聚苯乙 烯基硼酸已 有商品出 售。 这种聚合 物可作为化学选择性亲和色谱固定相， 在碱性水溶液中， 用于分离含二酸的化合 物， 用相同方法制备的分子印迹聚合物也可被使用。 其优点是， 可生成相对稳定 的三角形硼酸酌【 反应式 ( 1 ) l . 然而在碱性水溶液或含氮的碱 ( 如氨、呱吮)则生成四角形的硼酸酷 - - b (o h z 翔一 r弋少们、1) -b (o h 、 十 二 c n h h o -j 一 反应式 ( 2 ) j 四角形的硼酸和二醇可很快达到平衡， 在这种情况下， 平衡速度与非共价键 相互作用相当。 如果这种分子内作用与含氮碱在一起时， 这些与二醇的交换平衡 极为迅速。 硼酸基团的另一个优点是， b - c键可以断裂。 硼作为离去基团， 这样 其他的功能基团可以引入高聚物中。 很多二醉已 作为模板分子， 和4 ， 乙基苯基硼 酸成酷后聚合。 模板通过两个硼酸基团与高聚物相连， 使得聚合物对光学活性有 高的 选择 性 1 5 - 17 18 -2 3 2 4 2 5 1 。 有 人 也 许 认为 三个 共 价 键的 作 用可 以 对 分 子 识 别 起 到 好的 效果， 然而事实证明 ， 三个硼酸相互作 用7 9 2 6 1 ， 三 个不同 的 共价 键作用， 或三 个或更多的 非共价键作用2 7 -2 9 1 ， 均导 致很差的 效果。 主 要原因 是， 这类印 迹 聚合物的结合位点与模板分子间的结合速度很慢。 将希夫 碱用于共价结合也有研究 1 2 3 0 -3 2 1 。 从理论上来讲希夫 碱由 于平衡位点 很好， 可适用于印迹和顺序结合， 然而， 对于快速色谱， 希夫碱的平衡速率太慢。 如果使用适当的邻位参与反应， 胺的形式进行外消旋体的拆分 厂一 飞 一 平衡速率可以 相对增快。 氨基酸能以氨基酸替苯 ( 图 i ) 。 一 : 一 0 -一 / n“ch乒、 洲 尹 i 固定希夫碱既可以通过希夫碱的功能基团， 也可以利用其他相互作用进行结 合。 结合单醇时， 硼酸分子内 单酷和某些环状半缩醛都可以 用来制备印 迹聚合物， 每种情况都可以达到快的平衡速率。 醋基和酞胺在印迹聚合物中作为结合基团并不适合，因为只有一少部分 ( 2 0 % ) 可以 水 解 下 来。 m .j .w h it c o m b e e t a ll ) 将共 价 键在印 迹中 的 优点 与 非 共 价键在平衡时的 长处结合起来， 用4 一 乙 烯苯基酸酷制备印迹孔穴， 然后将碳酸酷 有效解离释放出二氧化碳，由此生成的结合位点中苯酚基能和醇通过氢键作用。 k .j .s h e a e t a 13 4 _3 71利 用 缩 酮 作为 结 合 基团 ， 拨基 之间 不同 距离的 二 酮 用 可 聚 合的 二醇处理， 当 模板移去后， 用二醇重新处理的印 迹聚合物显示出 对原来模板的高 的选择性。这步键的形成缓慢，因此可能是动力学控制的。 3 .3 非共价键的作用 最简单的制备分子印迹聚合物的方法是非共价键的结合。 可形成非共价键结 合的单体和模板分子交联剂混合在一起， 形成或多或少的修饰的很好的模板和单 体的聚合物。当单体在溶液中时， 单体和模板的结合平衡速率很快， 为保证聚合 时 结 合完全， 单 体与模板在 溶液中的比 率至少为 4 :少 s l 。 最重要的 非共价 键结 合是静电力。当 l 一 苯丙胺基酞替苯胺模板分子与功能单体甲基丙烯酸在惰性溶 液中形成主客体配合物，反复洗去模板分子后，聚合物中留下对 l 一 苯丙胺基酞 替苯胺有高度选择性的结合位点， 这些结合位点通过静电和氢键作用优先再结合 模板分子。可用于此氨基酸衍生物的光学异构体的识别。m o s b a c h k和 s h e a l uh _动梦尸a扮理 质及泞 成穷 研究组对这个识别过程进行了 全面的色谱优化研究， 获得了 分离系数达 1 7 . 8 具 有高 选择性的光学异构 体的效 果 3 2 3 4 -3 6 3 9 4 0 4 1 -0 4 8 1 1 。 如果单单是静电 力导 致相对慢 的选择性， 所以还需要有另外的力。 结合，为保证模板与碱优先结合3 9 1 性强。 可聚合的酸和碱可以同时通过静电力与模板 模板的梭基的酸性必须比甲基丙烯酸的酸 另一个作用是氢键作用。 例如当甲基丙烯酸轻基与一个酞胺的氧原子产生氢 键，在这种情况下，高选择性的孔穴拆分外消旋体的值可达。 = 3 - 8 。然而如果氢 键是印迹过程中唯一的内 作用力， 值仅能到 a = 1 . 1 - 2 .5 ，如果只有一种力存在， 模板拆分外消旋体的能力相对减弱 ( 图 2 ) 。 用非共价键作用是， 聚合时可采用 低温，这样有利于功能单体与模板之间的结合。 、 护、 护 a 翻 - 8 a = l 3 伽|队 、 矛、 护 a= 36 n h 2 a c = 8 . 4 图2 用非共价键作用来分离核昔酸和核昔也有研究。 s . a. p i le t s k i e t a l 用2 一 脱氧 腺昔和三磷酸腺昔的氢键和静电力作用进行印 迹聚合。 这样对模板的 选择性大有 提高。利用分子印迹聚合物做色谱填充项可将 a d p和 a t p分离的更好。k. j .s h e a e t a l 46 1最 近得 到了 结 合 常 数k a = 7 6 0 0 0 m -， 的 分子 印 迹聚 合 物。 他 们 用9 一 乙 基腺嗓吟做模板， 甲基丙烯酸为功能单体， 其选择性结合高过或相似于通过多步 合成得到的低分子量受体。 r 分子2 双 边男普份理才 季 麦兰 黔 成材a r0 j 新的结合基团有待于进一步发展， 以适应非共价键结合。 这些基团可在聚合 时与模板进行计量反映。 例如以1 : 1 或 2 : 1 的比率反应。 这样聚合后在聚合物 中不含过剩的结合基团， 这在催化的结构中显得尤其重要。 非共价键的再结合能 力也需提高， 这样可使分辨产率有所提高。 非共价键结合与共价键结合可同时利 用，因 此静电力3 2 4 7 4 8 1 ，电 荷转移4 7 4 9 1氢键作用4 9 5 0 可以 和共价键混合， 这 样的分子印迹聚合物可以比单一以共价键结合的分子印迹聚合物具有更好的选 择效果。 3 .4 金属配合物的作用 还有一种在聚合时和聚合后的高分子化合物都存在的结合属于金属的结合。 这种键的优点在于， 它的强度可依靠实验条件来控制， 在聚合的过程中有明确的 相互作用， 不需要过剩的结合基团。 底物与高分子间的键和相当迅速， 以 至于可 r = - c h 2 -飞 矛 / 一 h 2 ， 宁 -尤-( / ) - -g- 丫中 以 在 快 速 的 色 谱 过 程 中 实 现 。 f u ) 1 g 5 1 5 2 1 等 人 首 次 使 用 金 属 一 配 体 结 合 作 用 制 得 金 属 配位 m i f 。 他们使 用 ( 1 r , 2 r ) - 1 ,2 一 二氨基环己 烷和 4 - ( 4 一 乙 烯节氧 基) 水杨醛形 成 希 夫 碱 配 基， 通过c o 2 + 离 子 把氨 基 酸结 合 到 配 基 上， 在 光学 拆 分n - 节 基 一 d , l - 缘氨酸获得了 非常高的选择性。 其m i p 拆分外消旋体的a 高达6 8 2 。 更详细的研 究 表明，其分离能力主 要来自 孔穴效 应5 2 1 ，所得到的 选择性比 许多 酶的 选择 性还高。 但由 于 c o 2 + 的 配 合物在色谱分离中的 传质 速度非常 慢， 故 很难 将其用 于色谱分离。 a rn o l d f h 等 5 3 5 4 人 详 细 研 究 了 含 咪 哇 的 化 合 物 与c u e + 的 结 合 作 用 【 式3 1 , 他们把咪陛基之间不同距离的双咪哇化合物作模板把可聚合的亚氨基二乙酸基 团放置在聚合物的印迹孔穴中的固定位置上。由此制得的 mi p优先结合它的模 r 分子 动过 粱0勿理厉im a 0研 之 少 板化合物分子。 这些实验是为了开发出一种新方法使之能通过聚合物上一些结合 基团的准确空间排列而有效地识别蛋白质。 久嵘 一 、 气护 /一 一 、 、 ( 知 口 干 j/碑 . 、 、 cu2+ -n.1 nh 3 . 5 离子选择性印 迹聚合物 金属阳离子也可以 作为模板与聚合物交联。 合适的配体可以与金属组成络合 物， 然后将络合物引入交联的 聚合物中， 移去模板 ( 阳离子) 后， 这种聚合物就 可以富集作为 模板的 金属阳离子， 并具有高的选择性。这种选择性由以 下几个因 素决定:1 配合物与金属阳离子之间的结合力。 2 . 阳离子与配体形成的几何形状 与阳离子数。 3 . 阳 离子所带电 荷。 4 . 在某种程度上，阳离子的大小也有决定性影 响。聚合物可有不同方法制备:a . 由线性聚合物制备。线性聚合物中有基团可以 与金属键和 ( 例如:聚4 一 乙 烯基毗咤) 。先用含金属离子的溶液将聚合物处理并 平衡一段时间，金属一 聚合物的络合物就可以 形成了。在这种结构中，聚合物的 链可以 充分被利用， 然后再进行交联使这种优势组合稳定。 b . 将有单体和络合物 的混合物聚合。 在有金属离子存在的情况下中间体络合物形成并聚合。 这种方法 很简单但选择性很差。 用表面印迹技术制备具有选择性的鳌合物树脂。 用甲 基 丙 烯酸做单体制备 微粒 ( d = 0 .4 - 0 .7 g m ) 然后 将这种微粒在交 联剂中 膨胀， 使梭 基由 于n a o h的 作 用 在 表 面 上富 集。 然后由c u 2 + ,c o 2 + 或n i2 + 离子的 配 合物 将 这 些梭基取向， 通过交联将这种取向保持下来。 聚合物于是便具有了 对模板金属离 子的 选择性。 在 c u 2 + 的 低浓度溶液中， c u 2 + 的 模板聚合物比 非模板聚合物富 集 c u 2 + 的 作用高1 0 ， 倍。 第4节 分子印迹的机理 一般来说作为 模板的物质有先进入印迹孔穴中。 用纯的左旋或右旋物质作为 模板印 迹聚合物可以 得到非常有效的左右旋拆分结果。 在这种情况下， 孔穴必须 具有不对称结构。 早期的 不 对称结构并不是由 光学 活 性 模板产生的 1 1 0 1 6 3 8 5 6 1 ， 可 能是由 于聚乙 烯链的线性部分可产生不对称性， 残余单体与手性模板结合后， 在 不对称环聚合中具有了光学活性。而如图 4那样的单体并不能制造不对称环聚 合， 因此我们认为不对称并不是由于分子结构造成的， 而是由于高分子链的不对 称结构造成的。 乙 夕张 义才 图4 孔穴的不对称结构既可以直接用旋光性测量也可以 用他们对旋光物质的拆 分性质来测量15 5 5 7 1测量旋光性时， 不可溶的 高 聚物 悬浮 在溶 液中， 这种溶液的 折射率与高聚物的折射率完全相同。 这种技术还用于其它不可溶性物质旋光性的 测量。单体 l a的分子旋光性是f m 0 = - 4 4 8 . 9 0 ，当 进入聚合物后分子旋光性 m d = - 6 1 .7 0 ， 将 模 板 移 去 后， 高 聚 物 分 子 旋 光 性为 m d = + 1 1 0 .0 0 。 这 个 值 不 是由 低分子量手性化合物造成的， 而是由于造成不对称孔穴的高分子链的不对称 性造成的。 所以直接测量高交联的聚合物的旋光性是可行的。 如果模板分子重新 连 接 在 模 板 移 去 的 地 方 ， 先 显 示 的 旋 光 性 为 m d z + 2 0 0 0 ， 然 后 慢 慢 的 或 在高 温 下 迅 速 变为 原 始分 子的 旋 光 性 m d = - 6 1 .7 0 a 印迹聚合物在多大程度上还能结合除模板以外的物质?例如是否可拆分其 它旋光物质?在最初的实验中， 用一种特定的制作模板来拆分甘油酸f3 h ， 这种印 迹聚合物可以拆分一系列的旋光物质，甚至带不同轻基 ( 甲基、乙基、苯基、4 - r 分j j% x l 1 r 片 1 7 j i s /l /x 为 成 w i 穷 硝基苯) 4 9 。芳香氨基酸也有类似行为，芳香基团可以 有所不同， 只要主要的 结构相似就可以进行旋光物质的拆分。 如果功能基团的排列一样， 那么分子的大 小和形状就成了分离时需要考虑的主要因素。 要决定为什么孔穴中的结合基团的排列要比 分子形状、 大小更能影响拆分效 果，wu l f f 聚合了 一系列相似的单体， 但具有不同的功能基团或不同的空间特性 2 4 2 5 5 7 5 8 。 例 如 用 一 般 方 法合 成分子印 迹 聚 合 物， 采 用9 a - c 和t o 作 为 模板和 功 能单体。当移去模板分子后， 研究了分子印迹聚合物对各种糖的拆分效果。 所有 的分子印迹聚合物对自己的模板都有良 好的拆分效果， 因此糖类可以不通过衍生 作用而直接用色谱拆分。 c h 2 o r 、 一 碍 9 a r = h 必 r = m e th y l y c r = b e n z y l 犯 笼 - 1l 1 0 功能基团在孔穴中的排列是决定选择性的重要因素， 而孔穴的形状相比之下 显得不太重要。 因此， 具有相同基团的排列的一类物质可以 有相同的选择性。 在 合成具有催化活性的聚合物时， 引入精确排列的功能基团相当 重要。 只有共价键、 金属配位键和化学计量数的非共价键是可能的。 一个物质必须以正确的取向进入特定的孔穴中， 这样与结合基团相连的底物 才能安置在孔穴中。 大多数模板单体有两个结合基团， 从化学角度上讲， 两个基 团是同样的。 起初先连接一个键， 然后在继续的放映反应中成为正确的两键相连。 如果一开始形成了错误的一键相连， 第二个键就不能形成， 那么只有打破错误的 连接。 色谱显示， 形成两个键是一个很慢的过程， 可以 通过提高温度来加快。 k. j . s h e a e t a l 的实验中 得到了 相当高产率的两键结合。到目 前为止，还没有人系 统的研究两键或一键结合，但可以预期其结果与共价键相似。 第5 节 分子印迹聚合物的应用 5 . 1 在色谱上的 应用 分子印迹聚合物可用于色谱的固定相， 尤其可用于旋光物质的拆分。 其选择 性很强， 但是最初由 于强峰的扩大使得完全分离几乎不可能。 例如拆分旋光性模 板苯基一 a 一毗喃甘露糖。当 选择了 更有效的吸附剂， 改进色谱过程，并提高 温 度使得分离变得可行。wu l ff等人 1 9 8 6年第一次成功的拆分了旋光性物质 r ,= 2 . 1 z 伙 后 来 用 梯 度 洗 脱 达到r s= 4 .3色 谱的 分 离 效果以r s 表 示r s ? 1 是比 较有 效的分离) 用非共价键结合， 例若用l 一 苯基丙氨酸2做模板， 被认为会有好的分离效 果， 然而由于中间体有强的内 在作用并且传质速率很慢， 在色谱中这个体系表现 的非常复杂。1 9 8 8 年k m o s b a c h e t a l 得到了 苯基丙氨酸左旋与右旋的完全分离 r s 1 .2 3 s e b .s e l l e r g r e n 和k .j .s h e a 在 五 年 后 又 有 了 显 著 的 改 进 5 9 。 底 物 的 质 子 化可以在p h = 4 的缓冲溶液中得到。在溶液中，孔穴中的梭基可以部分区质子， 而在外面的接基根本不去质子。 这样选择性结合仅仅在孔穴中以离子交换的机理 进行， 反应动力学很好， 而且 可以通过使用热处理的聚合物进一步提高旋光拆分 系数r , = 2 . 2 . 在这些分离中， 和模板分子的旋光性一致的对映体有强的滞后， 如果没有梯 c 分夕 二 动必 震片勿理 质 夕 a0成解 y r y 度洗脱在色谱中峰会变得十分宽， 而且这种化合物的理论塔板数最多是弱滞后化 合物的一半。 主要原因是由于与模板旋光性一致的化合物是以两点结合， 而另外 一种对映体是以 一点结合。两个化合物的区别还在于， 两种对映体在温度变化和 理论塔板数变化关系上的区别。 模板分子显示几乎与温度变化无关， 而另一种对 映体的理论塔板数增加非常快。 而且浓度对记忆效应的影响对两种对映体也不一 样。 对于与模板不同的对映体， 浓度没有影响， 而对于模板分子， 在低浓度时随 浓度的增加记忆效应增加很快。 因为在低浓度时， 只有一些孔穴被模板分子占 据。 很多分子模板聚合物可用于色谱分离， 到目前为止， 已有分子模板聚合物用于药 物左旋与右旋的分离。 5 . 2 在放射免疫测定上的应用 m o s b a c h e t a l 用分子印迹聚合物替代抗体， 作为放射免疫的测定14 1 1 。印 迹 聚合物用于茶碱的测定在 1 4 - 2 2 4 1 u n o l/ l范围内 呈良 好的线性关系， 检测限为 3 .5 l u n o u l 。 用 茶 碱 为 模板 分子 的 聚合 物专一 性 很高， 只 有结 构 很 相 似的 咖 啡因 有7 %的交叉反应性，其它衍生物均无千扰，与之相比，茶碱的抗体对咖啡因亦 有2 %的交叉反应性，如果能把这一方法进一步优化，利用印 迹聚合物的将有效 的取代从动物身上分离抗体和用菌产生抗体的非常复杂的工作。 用印迹聚合物模 拟药 物受体， 是制备 较高 选择性的药物检测材料的重要途径。 鸦片受体的 模拟是 一个突出 的实 例 6 0 1 。 用吗啡和内 缘性的 神经 肤( l e u 一 脑啡 肤) 为 模板制 备的以甲 基丙烯酸为功能单体的印 迹聚合物可以模拟生物体内 鸦片受体的生物活性， 对其 聚合物的识别特性能通过放射配基结合分析， 结果表明， 在水缓冲溶液中也有很 高的亲和性和选择性， 这是一个突破性进展， 因为它可在生物体系的条件下发生 结合反应，在制备时采用酞替苯胺的 l e u 一 脑啡肤而不是游离的可以增加模板分 子在聚合单体中的溶解度，而所得的印迹聚合物对游离的 l e u 一 脑啡肚能有效的 识 别， 不 相关的四 肤和五 肚则 不发生结合作用。 a n d e r s s o n l 1 16 1 用 ( s ) 一 蔡 心胺 为模板制备的印迹聚合物也是模拟药物受体的一个典型实例。 放射配基结合分析 表明， 在有机溶剂或水缓冲体系对模板分子有很高的选择结合性， 使用1 0 - 5 0 克 这种印迹聚合物模拟抗体分析， 条件优化后， 与文献的同类方法相比， 灵敏度提 高1 0 0 - 1 0 0 0 倍， 检测 限6 n nm o u l ， 对它的 对映 体的 交 叉反 应 性 仅为1 % ， 其 它p - 阻滞剂无干扰， 使用印 迹聚合物的分析结果优于抗体分析， 预期将在实际样品中 ( 分y 6 7 , 结 合 时间: 2 4 h ; 底物初始浓度:1 .o m m o l/ l ; v : 2 .o m l ; t : 室 温 由 表可见， 磺胺分子印 迹聚合物对磺胺展现了 高的选择性。 由于磺胺毗睫分 子比磺胺分子要大， 所以在功能基团相似的情况下， 孔穴大小与形状对选择性也 起到了重要的作用。 由于目 的模板印迹聚合物有着更大的比表面积， 因此可吸附 更多的模板分子。 由 此可见粒度对选择性吸附也有一定的影响。 尽管非模板分子 有着与模板分子相同的化学组成， 但它没有形成形状和化学功能基与模板分子互 补的分子识别位点， 因此非模板聚合物靠弱的非选择性吸附作用结合底物， 对于 它们不能显示选择性。 2 .4 结论 使用分子印 迹技术制备了 对磺胺具有一定选择性的磺胺分子印 迹聚合物， 这 种聚合物有可能用于磺胺的富集与测定。 l 分子 印汤翁普汤理 /$ 1 及普 万 bf a j 第三章 微球形4 一 氨基毗咤分子模板聚合物的 合成及结合性质研究 第 1 节 引言 分子印迹技术使聚合物结构中形成对模板分子具有特殊性的结合位点. 在由 自由基引发的聚合过程中， 模板分子和功能单体形成的主客体配合物进人聚合物 的结构.洗去模板分子后，聚合物中留下对模板分子具有特异性结合能力的位 点. 迄今， 分子印迹技术己 被用于合成具有酶或受体功能的分子模板聚合物. 分 子模板聚合物可用于色谱固定相、 生物模拟传感器、 及固相萃取剂等方面. 分子 模板聚合物一般使用封管聚合方法合成， 得到的棒状聚合物需经研磨、 过筛， 费 时费力， 最终所得适用的 聚合物只为原来的 s o %左右，且粒子形状不规则， 研 磨过程也可能 会破坏聚合物中的某些结合位点. 尽管运用悬浮聚合方法以 全氟代 烷烃为分散剂制得了 具有一定大小的球形分子模板聚合物， 但该方法需要仔细优 化， 且全氟代烷烃价格昂贵. 为此， 寻找更好的合成方法十分必要. 沉淀聚合又 称非均相溶液聚合， 是指聚合反应所使用的单体和交联剂及引发剂可溶于分散剂 中， 产生的 聚合物不 溶而易 沉淀.由 沉淀聚合可制得做球状聚合物186 1 ，该方法 不需在反应体系中加入任何稳定剂.4 - 氨基毗陡在临床上作为钾通道抑制剂 ( p o ta s s iu m c h a n n e l b l o c k e r ) 可 用来治 疗神 经方 面的 疾病， 如重 症 肌 无力 8 7 1 l a m b e r t- e a t o n 综 合 症等 !8 8 1 ， 大 剂 量时 还可 用作 有效的 发厥药 8 9 1 . 我 们 运用 沉 淀 聚合与分子印 迹技术相结合的方法， 制备了对4 - 氨基毗咤有特异结合能力的微球 形分子模板聚合物， 并研究了引发剂的用量及不同溶剂对聚合物粒径和形态的影 q 句 . 第2节 实验部分 2 . 1 仪器与试剂 4 - 氨基毗吮 (4 - a p , me r c k ) , 2 - 氨基毗咤 ( 上海白 鹤化工厂，化学纯) 、 q 分子e l 1,莎男普勿1 2 /j s lx p 成研夕 之 y 苯胺、 毗陡及 2 . 甲 基毗咙 ( 天津市化学试剂一厂，分析纯) 使用前经蒸馏或重 结晶纯化处理 偶氮二异丁睛( a i b n ， 化学纯， 南开大学分校特种试剂实验厂) ， a - 甲基丙烯酸 ( m a a ，分析纯，北京东环联合化工厂) ，使用前重蒸馏除去阻聚 剂: 乙 二 醇二甲 基丙 烯 酸 酷( e g d m a ) 按文 献 方 法 8 5 1制 备: 乙 睛为 色谱 纯， 其 余试剂均为分析纯 s h z - 8 2 型水浴恒温振荡器 ( 江苏省太仓医疗器械厂) ;日 本岛津l j v 2 4 0 型 双光束紫外可见分光光度计; n i c o l e t 5 6 0 型傅里叶变换红外光谱仪; 扫描电子显 微镜 ( j e o l , j s t 3 0 0 ) . 2 .2 聚合物的合成 采用不同的溶剂及引发剂合成了微球形系列4 - a p 分子模板聚合物，合成步 骤如下: 称取0 .0 4 7 0 6 g ( 0 . 5 m m o l ) 4 - 氨基毗rq ( 4 - a p ) 模板分子溶于 1 0 0 m l 乙 睛中， 再 加人0 . 1 7 2 2 以 2 m m o l ) 功能 单体m a a ， 于振荡 器中 室温下 振荡5 h , 使m a a与4 一 a p 充 分 作 用， 然 后 依次 加 入1 .9 8 2 2 9 0 0 m m o l ) 交 联剂e g d m a和 8 .6 2 m g 引 发 剂a i b n . 将该 混 合 液倒 入 一 个1 5 0 m l 玻 璃安 培 瓶中， 向 其中 通氮 气5 m i n ， 于氮气氛下密封安培瓶， 并将其放人恒温水浴槽中于 6 0 0 c加热2 4 h , 将所得聚合物用 1 0 % ( 体积比)乙酸甲 醇溶液洗至无模板分子，最后用乙睛洗 涤除去 残留 的乙 酸和甲 醇， 放入真 空千 燥器中 干燥 至恒重. 非 模板聚 合物 ( p od 的合成方法与此相同，只是不加模板分子. 2 .3 平衡结合量的测定 将洗涤好的 聚合物2 0 .0 m g 放入 1 0 m l 磨口 锥形瓶中， 加入2 .0 m l已 知浓 度的 4 - a p 或其它底物的乙睛溶液， 放人恒温水浴振荡器中， 并于室温振荡1 2 h : 然后将此混合液转入高速离心机中离心1 5 m i n ， 取适量的离心液用乙 睛稀释至一 定体积，用紫外光度法在适当 波长下测定4 - a p 或其它底物的平衡浓度， 根据结 合前后溶 液中 浓 度的 变 化计 算聚合物对 底物的 结合 量 q ， 平行 测定3次 取平均 值. 吸附底物后的模板聚合物按照除去模板分子的方法洗去底物， 干燥后可重复 使用. r 分矛 亡 翔 梦雳普游理 质麦普成研兑 2 . 4 微球形分子模板聚合物的粒径及形状的测定 用扫描电子显微镜 ( s e m, j e o l , j s t 3 0 0 )观测所得微球形聚合物粒子的 形状及其粒径大小. 2 . 5 结果与讨论 2 .5 . 1 4 - 氨基毗睫和甲 基丙烯酸之间的作用 为证实4 - 氨基毗吮和甲 基丙烯酸在乙睛中的作用，研究了乙睛溶液中 4 - 氨 基毗陡的红外光谱及加入甲 基丙烯酸之后其谱图的变化 ( 见图1 ) 。由图1 可见， 加 入甲 基 丙 烯 酸 之 后， 4 - 氨 基 毗 健 的n - h伸 缩 振 动从3 4 7 9 .3 c m 和3 3 8 1 .o c m 一 移 动到 3 3 5 4 .2 c m 和 3 2 3 9 . 9 c m . 而 c = n的 伸缩振动则从 1 6 0 3 .3 c m， 和 1 5 6 7 . 1 c m 一 移 动到 1 5 3 1 .7 c r ri . 由 此说明， 在乙 睛中4 - 氨基毗吮 和甲 基丙 烯酸可 发生 作用. 4 - 氨基毗健的p k , 值为9 .2 6 ，由 此 推测， 4 - 氨基毗吮和甲 基丙 烯酸之 间的作用应为离子作用. 2 . 5 .2 单分散微球形分子模板聚合物的制备 沉淀聚合过程中高交联度的球形聚合物是在大量的反应介质中形成的， 该反 应介质的量应大大高于制备棒状聚合物所用的量. 沉淀聚合反应开始于均相的功 能单体、 模板分子、 交联剂和引发剂的混合液. 反应开始时， 引发剂分解产生自 由 基， 并引 发聚合形成线型和分支的 低聚物. 随着反应的进行， 低聚物通过交联 成核从介质中 析出， 这些核又相互聚结而形成聚合物粒子， 并通过捕捉低聚物和 单体最终形成高交联的微球形聚合物. 与分散聚合方法依靠稳定剂使聚合物稳定 不同， 微球形聚合物之所以能够稳定存在是由于其高交联的刚性表面. 沉淀聚合 混合液中不需加稳定剂， 获得的聚合物微球表面洁净， 可避免由稳定剂或表面活 性剂对模板分子的非选择性吸附. 更有意义的是， 得到的聚合物不需研磨、 过筛 等费时费力的步骤，减少了由这些步骤引起的聚合物损失. 第 四章 分子印迹聚合物在压电及电化学传感 器中的应用 第1 节 分子印迹聚合物作为压电传感电 极涂层对气味物质 的选择性识别 自 从s a u e rb r e y 10 2 1 提出 了 石 英 晶 体共 振 频 率的 变 化 与 沉 积到 晶 体 上 的 物 质 质 量 有 如( 1 ) 式的 关 系， k i n g 首 先 利用 压电 石 英晶 体 测 定气 体 物 质 后 9 0 / ， 压电 石英晶 体开 始 在 测定气体 化合物方面得到了 越来 越多的 应用9 1 . 9 2 a f = - a m f 2 / n p q a ( 1 ) 其中f 为 晶 体的 基本共振 频 率， a m为晶 体表面的 质量变化， n = ( g p q ) 1 / 2 . a 和p q分别为晶 体的弹性和密度， a是共振石英晶体的表面积. 人体内的嗅觉细胞可以 检测外界环境中 各种各样的 气味物质， k u r i h a r a 小组 9 3 -9 5 研究表明 这是由 于表皮细胞的单层脂膜的表面压力及脂质体和磷脂双层膜 的 膜电 位对于不同的气味物质均可产生有选择性的 变化造成的。 因此， 许多的压 电 传 感 器 测 定 气 味 物 质时 均 用 脂 质 体 作为 识别 材 料% 一。 但是， 脂 质 体由 于不 稳 定不适合长期应用， 而且容易从晶体表面脱落， 因此， 人工合成可以模拟嗅觉细 胞识别系统的 化学体系是十分必要的。 任何一种合成的敏感材料的检测灵敏度取 决于该 材料本身的 性质。 分子印 迹是合成可与天然受体相媲美的印 迹聚合物的技 术。 这种高交联的印迹聚合物中具有与模板分子的大小、 形状和官能团匹配的印 迹孔穴。 这种刚性的具有特定选择性的孔穴的存在使得印迹聚合物可被用于传感 器的敏感材料。 与天然受体相比， 分子印迹聚合物具有稳定性高、 可长期使用的 优点。 虽然此前有的敏感材料对某种气味物质显示了很高的亲和力， 但一般是偶 然发现的， 而非人工设计的。 我们利用分子印迹技术在压电石英晶体金电极上以 正丁醇为模板分子直接合成了分子印迹聚合物涂层， 避免了合成棒状聚合物再研 磨、 然后将一定大小的聚合物微粒粘附在压电晶体上进行测定的费时、 费力的程 序， 聚合物涂层的厚度易于控制， 实验结果表明，印迹聚合物涂层对模板分子具 有良好的选择性。 了 分7 1 7 )xj r a扮理 质灵召 ac班笋 却 1 . 1 实验部分 ， 1 . ， 仪器和试剂 正丙醇， 正丁醇， 正戊醇， 正己醇，乙酸正丁酷，乙酸乙醋， 异丙醇， 叔丁 醇 ( 天津化学试剂二厂，分析纯) ，甲基丙烯酸 ( ma a ，北京东环化工厂) ，三 甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酷 ( t r i m, me r c k ) ， 偶氮二异丁睛 ( a i b n ， 南开大学 特种试剂厂) 。 双面披金a t 切石英晶体 ( 基频9 mh z ，直径1 2 .o m m ，金电极直径6 .o m m, 北京7 0 7 厂) 。 频率变化由自 行设计的连接于微型计算机的频率记数器测定。 数 据采集系统由本实验室自行设计制成。 1 . 1 .2 石英晶体金电 极上印迹聚合物涂层的原位合成 正 丁 醇 模 板 分 子 ， 0 .0 3 7