（分析化学专业论文）印迹聚合物压电仿生传感器的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 压电传感器分析技术相对于传统复杂的分析方法而言，具有操作简单、成本 低廉、实时快捷等优点。压电传感器的核心部分识别元件，通常采用具有高 亲和选择性的生物实体，但大多数生物实体操作稳定性差，不利于在极端环境下 使用。因此，寻找更加稳定的且具有与生物实体相似的专一识别性的识别元件对 于压f 乜传感器的研制具有深远的意义。 分子印逃技术是近年发展起来的一项抗体仿造技术，基1 二该技术制各的分子 印迹聚合物具有和生物实体相似的亲合性和选择性，而物化性能大大优于生物实 体，其造价便宦，抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应用范围广。因 此将印迹技术与压电传感器相结合，可以大大拓展传感器的使用范围，降低造价， 延长使用寿命。 论文使用的是拥有自主知识产权的e x c e s e n 2 0 压电生物传感实时分析平台， 主要研究了在传感电极表面氯霉索印迹聚合物膜的原位合成，在此基础上考察了 m i p 压电j 薛片对氯霉素的定性定量检测能力。将原位印迹聚合物膜的制备技术引 入到传感器技术中，可以避免敏感膜与传感器表面接触等一系列繁琐的问题，而 且有利于提高印迹识别效率。 实验证实了单体的种类和致孔剂极性在印迹聚合膜亲和选择性能形成中的重 要作用。研究发现文献中使用最多的甲基丙烯酸对氯霉素的印迹是无效的，确定 二乙氨基类单体a 作为功能单体，以低极性的十二醇作为致孔剂。优化了印迹聚 合膜的制备条件，确定出了引发剂及交联剂的使用量、模板分子与功能单体的配 比及聚合温度。在上述优化实验的基础上采用非共价印迹法在压电传感器银电极 表面成功制得了性能优良的氯霉素印迹聚合膜。在对氯霉素的检测实验中，研究 了m i p 传感器对模板分子的响应动力学特性，发现印迹传感器在1 5 分钟内可以达 到响应平衡，与用印迹聚合物粒子作为敏感材料的传感器相比，响应时间更短， 可满足于实际检测应用。其线性检测范围为7 0 1 0 一m o l l 4 0 1 0 。4 m o l l ，检测 限为3 0 x 1 0 - 5 m o l l ，电极重现性好，再生性能强，所成膜不易脱落，可多次重复 使用。 论文在后期工作中初步尝试了水相中氯霉素印迹聚合物的制备。将制得的印 迹聚合物用于压电传感器，可以初步实现对氯霉素的定性分析。 关键词：分子印迹技术，分子印迹聚合物，原位，压电传感器，氯霉素 a b s t r a c t r e c e n t l y , s i m p l e ，i n e x p e n s i v e ，r e a lt i m ea n ds p e e d i n e s sp i e z o e l e c t r i cs e n s o r sh a v e g a i n e dp o p u l a r i t y o v e rm o r e c o m p l i c a t e d t r a d i t i o n a l a n a l y t i c a l m e t h o d sa n d t e c h n i q u e s t h ec o r ep a r to fp i e z o e l e c t r i cs g n s o r si st h er e c o g n i t i o ne l e m e n t ，w h i c hi s g e n e r a l l y m a d e u p o fb i o l o g i cm o l e c u l a r h o w e v e rm o s tb i o l o g i cm o l e c u l a r i s r e m a r k a b l yu n s t a b l ea n dt h el o ws t o r a g ee n d u r a n c e t h e r e f o r , i ti sn e c e s s a r yt of i n da m a t e r i a lw i t h h i g hs e l e c t i v i t ya n d a l o n g l i f e t h em o l e c u l a r i m p r i n t i n gt e c h n o l o g y ( m i t ) f o rp r e p a r i n g a l l a n t i b o d y - l i k e m o l e c u l a rr e c o g n i t i o ne l e m e n t sh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s o w i n gt oi t s p r e d e t e r m i n a t i o n , s p e c i f i cr e c o g n i t i o n a n dp r a c t i c a b i l i t y , f u r t h e r m o r e ，t h em o l e c u l a r i m p r i n t i n gp o l y m e r ( m i p 、0 nb a s i s o fi tw i t h s p e c i f i cb i n d i n g s i t e sa n de x c e l l e n t s e l e c t i v i t yt ot h et e m p l a t e ，h i g h l yr e s i s t a n c et o w a r d sv a r i o u se x t e r n a ld e g r a d i n gf a c t o r s ， r e m a r k a b l y s t a b l ea n dt h eh j 曲s t o r a g ee n d u r a n c e ，m o l e c u l a r i m p r i n t i n gt e c h n o l o g y h a s r e c e i v e dm u c ha t t e n t i o na n de x t e n s i v e l ys t u d i eb ym a n yr e s e a r c h e r sd u r i n gr e c e n t d e c a d e s t h ec o m b i n a t i o no fm i ta n dq c mi sg r e a t l ya d v a n t a g e o u si nb r o a d e n i n gt h e a p p l i c a t i o nf i e l d s ，r e d u c i n g t h e p r i c ea n dp r o l o n g i n g t h el i f eo f t h es e n s o r , i ns i t up o l y m e r i z a t i o no fc h l o r a m p h e n i c o li m p r i n t i n gp o l y m e r so nt h es u r f a c eo f s i l v e re l e c l r o d eo fp i e z o e l e c t r i cs e n s o ri s m a i n l yd i s c u s s e di n t h i st h e s i s i ti sv e r y c o v e n i e n ta n dh i 出e f f e c t i v et h a tam 口b i o m i m e t i cs e n s o ri s p r e p a r e db yi n s i t u t e c h n i q u e a p i e z o e l e c t r i cs e n s o rc o a t e dw i t ha n a r t i f i c i a lb i o m i m e f i cr e c o g n i t i o ne l e m e n th a s b e e nd e v d o p e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f c h l o r a m p h e n i c o li nt h eo r g a n i cp h a s e t h e p o l y m e r i z a t i o nm i x t u r e c o n s i s t e do fc h l o r a m p h e n i c o la st h ei m p r i n t e dm o l e c u l a r ， m e t h a c r y l i ca c i d2 - d i e t h y l a m i n o e t h y le s t e ra st h ef u n c t i o n a lm o n o m e ra n de t h y l e n e g l y c o ld i m e t h a c r y l a t e a st h ec r o s s l i n k e rw a sc a s ti ns i t uo nt ot h es u r f a c eo fa s i l v e r - c o a t e dq u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c ee l e c t r o d ea sat h i np e r m e a b l ef i l m i nt h e e a r l i e rw o r k ，t h eq u a n t i t yo ft h ec r o s s l i n k e r , t h ep r o p o r t i o no ft e m p l a t ea n dm o n o m e r a n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ea r eo p t i m i z e - d t h er e s u l t ss h o wt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e f u n c t i o n a lm o n o m e ra n dt h ep o l a r i t yo ft h ep o r o g e n i cs o l v e n ta r ev e r yi m p o r t a n ti nt h e f o r m i n go ft h es e l e c t i v i t yt ot e m p l a t e s e l e c t i v er e b i n d i n go ft h et a r g e ta n a l y t ew a s o b s e r v e da saf r e q u e n c ys h i f t q u a n t i f i e db yp i e z o e l e c t r i cm i c r o g r a v i m e t r yw i t ht h e q c m t h em i ps e n s o rs h o w e dh i g hs e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yt oc t d o m m p h e l t i c o l ，a i l 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 l i n e a rc a l i b r a t i o n r e s p o n s e c b r v eb e t w e e n7 o 10 5 m o l l 4 0 10 4 m o l l w a s o b t m n e d t h ed e t e c t i o nl i m i tw a s3 0 x1 0 4 m o l l t h ec o a t i n go ft h es e n s o rw a ss t a b l e a n dc a nb er e u s e df o rm a n yt i m e s t h er e p r o d u c i b i l i t yo ft h es e n s o rw a se x c e l l e n tn o t o n l y b e t w e e nr u n sb u ta l s ob e t w e e nd i f f e r e n t c o a t i n g s i t i s e n v i s a g e d t h a tt h i s t e c h n i q u ec o u l 6b ee m p l o y e d t od e t e r m i n et h ec o n c e n t r a t i o no f r e s i d u ec h l o r a m p h e n i c o l m t h er e a l l i f e i nt h el a t ew o r k ，p r e p a r a t i o no ft h em o l e c u l a r l y i m p r i n t e dm i c r o s p h e r ei na q u e o u s s o l u t i o nw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h em i ps e n s o rc a n q u a l i t a t i v ed e t e c t i o n c h l o r a m p h e n i c o li na q u e o u s s o l u t i o n 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 gt e c h n o l o g y , m o l e c u l a r i m p r i n t i n gp o l y m e r s ， i ns i m ，p i e z o e l e c t r i c s e n s o r , c h l o r a m p h e n i c o l i i i 重庆犬学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 分子印迹技术概述 1 1 ，1 分子印迹技术的起源及发展 分予印迹技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n o l o g y ，m i t ) ，又称为分子烙印技术， 属于超分子化学中主客体化学范畴，是源于高分子化学、生物化学、材料科学等 学科的一门交叉学科”】。分子印迹技术是一种简便有效的利用目标分子的成分来创 建自己的识别位点的方法，具体做法是选择个模板( 可以是目标分子本身也可 以是结构相近的类似物) ，将其与合适的功能单体( 通常为小分子化合物) 及交联 剂混合使之相互作用并聚合，再用适当的方法除去印迹分子，得到的聚合物即为 印迹聚合物。印迹分子去除后留下的孔穴与印迹分子的形状、大小、电荷分布具 有互补性，通过这种方法将分子记忆引入到聚合物中，聚合物就能够带有非常高 的特异性去结合目标分子。它可以被形象地描绘为制造识别“分子钥匙”的“人 工锁”的技术。 分子识别在生物进化中起着特别重要的作用，是从分子水平研究生物现象的 重要化学概念，已成为当今科研工作者研究的热点之一。选择性是分子识别的重 要特征。一些科研工作者利用一些天然化合物如黄糊精，或合成化合物如冠醚、 杯芳烃和金刚烷等模拟生物体系进行分子识别，这在一定意义上构成了分子印迹 技术的雏形。 分子印迹技术的直接出现来源于免疫学的发展，早在二十世纪三十年代， b r e i n l 、h a u r o w i t z 和m u d d 就相继提出了一种当抗体侵入时生物体产生抗原的理 论。后来在二十世纪四十年代，著名诺贝尔奖获得者p a u l i n g 提出了以抗原为模板 合成抗体的思想。虽然这一理论被后来的“克隆选择理论”所推翻，但它却激发 了人们以抗原或待测物为模板合成抗体模拟物的设想。 1 9 4 9 年，d i c k e y 提出了“专性吸附”这概念，实际上可以视为分子印迹 技术的萌芽，但在很长一段时间内没有引起人们足够的重视。到了2 0 世纪7 0 年 代，随着w u 】拜2 1 和m o s b a c h 3 等人在共价键和非共价键分子印迹上的开拓性工作， 这一领域得到了蓬勃的发展。到目前为止，在分子印迹技术的作用机理、分子印 迹聚合物制备方法以及分子印迹技术和分子印迹聚合物在各个领域的应用研究都 取得了很大的进展，尤其是在分析化学方面的应用更是令人瞩目f 4 ) a 截至2 0 0 0 年1 1 月，在分子印迹协会( s o c i e t y o f m o l e c u l a ri m 鲥n t i n g ，s m i ) 网站上注册的从事m i t 研究的工作小组，全球有1 0 0 多个，主要集中在瑞典、德 国、美国、英周、日本、中国等1 0 多个周家5 1 。我国从事该领域的研究还不足】0 重庆人学硕士学何论文 l 绪论 年，但已取得了巨大的进展，主要从事该领域的研究院与企事业单位有十几个诤。 1 1 2 分子印迹聚合物的制备方法 分子印迹聚合物( m o l e c u l a ri m p r i n t i n g p o l y m e r s ，m i p s ) 的制备包括三个主要 过程：( 1 ) 印迹分子与聚合单体发生相互作用；( 2 ) 交联反应；( 3 ) 印迹分子的 去除。常用交联剂有：双甲基丙烯酸乙二醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三甲氧基 丙烷三甲基丙烯酸酯、n ，n7 一亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯等 7 】。 到目前为止，分子印迹聚合物的制备主要有以下一些方法。 传统沉淀聚合法棒状、块状m w s 的制备。 m i p s 的传统制法一般是，将模板分子在致孑l 剂中充分分散，然后加入功能单 体，混合均匀使其充分发生相互作用后，依次加入交联剂、引发剂，使混合液置 于氮气喷流下除氧1 0 3 0 分钟，晟后在适当的引发条件下( 水浴加热或者汞灯 照射) 真空聚合2 4 或4 8 小时即得块状印迹聚合物。块状的m i p s 经过研磨、筛分 则可得到所需粒径( 多为2 5 7 5 t m ) 的预聚物。所得m i p s 预聚物即可进一步作 其它用途。如用来填充色谱柱作为色谱固定相 8 ，或采用一些粘合剂使其固定于传 感器表面作为识别元件i 9 1 【1 0 】。 这种沉淀聚合方法虽然看似简单，但通常存在以下几个缺点：( 1 ) 后处理过 程繁杂，研磨过程中会不可避免地产生一些不规则粒子和相当大量的过细粒子， 这些过细粒子需经过沉降除去，因而费时、费力，使产量大大降低，通常小于5 0 ； ( 2 ) 不规则粒子的柱效率较低；( 3 ) 大规模生产有困难；( 4 ) 由于网络的交联度 很高，模板的除去很困难，报道的最高去除率为9 0 ，但通常低于此值，这对于 以贵重药品为印迹分子的体系来说造价过高：( 5 ) 印迹点在合成过程中被包埋在 聚合物内部，使得其利用率低，表现为低的吸附量；( 6 ) 对于某应用来说，除 分子识别性质外，调节聚合物的其他性能是非常困难的，例如高效液相色谱 ( h p l c ) 要求材料具有较大的硬度，但脆性的高交联网络是做不到的。所以用这 种方法制备出的聚合物一般只能用于痕量物质的检测，限制了在其它领域的应用。 原位棒状m i p s 制备方法。 此法简单易行。其做法是，将加有功能单体、交联剂、引发荆的印迹分子溶 液直接灌入色谱柱中或者滴加在传感器电极表面，真空密封后在定的引发温度 下聚合，然后再除去模板分子。该法大大简化了色谱柱固定相的合成。 r a p h a e ll e v i 和s c o t tm c r t i v e n 等】发展了一种在色谱柱中直接聚合的原位聚 合方法，可以宜接制得可使用的分子印迹色谱柱。这种原位聚合的分子印迹方法 也可用在毛细管柱填料的制备上，但是，棒状分子印迹固定相，对小分子物质的 柱效率低，在h p l c 中的使用寿命不够长l 】2 】，有必要对此制备方法进行进一步的 研究。以适应实际应用的需求。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 悬浮聚合 悬浮聚合法是制备聚合物微球最简便、最常用的方法之。通常使用的单体 是疏水性的，所以连续相常用水或高极性的有机溶剂。但对于分子印迹聚合物的 合成，这些溶剂是不适宜的，因为高极性溶剂会极大地降低功能单体与印迹分子 间相互作用的数量与强度，从而影响聚合物对印迹分子的识别能力。为了克服水 或高极性有机溶剂的干扰问题，人们提出以全氟烃为分散相的悬浮聚合法，即在 液态全氟烃中形成非共价印迹混合物乳液，采用氟化的表面活性剂及其它食氟的 表面活性聚合物作为稳定剂，得到稳定的含单体、交联剂、印迹分子、致孔剂的 乳液液滴。这种方法可以直接制得聚合物微球，解决了聚合物需要研磨的问题， 但由于最后产物仍为高交联凝胶，其结合位点的可近性及印迹分子的回收率仍不 能令人满意。另外，这种方法虽然可以控制微孔的大小和粒径分布，但很难控制 聚合物的结构和交联密度，不利于印迹分子的重新结合。因此，虽然此法是一种 有益的尝试，但与无定型材料相比它对聚合物的物理性能没有明显改进。 l a i ，j p 1 13 等采用水溶液微悬浮聚合法值得了分子印迹聚合微球，并研究了p h 值，缓冲溶液种类对色谱柱容量因子的影响。 y e t ”】用悬浮聚合法合成出p m m a e g d m 和p m m a t r i m 单分散微球，粒径 为o 2 o 3 肚m ，合成产率超过8 5 ，印迹微球有较高的特异性吸附，与经典的研 磨法相比，吸附量更高，吸附速度更快。全氟烃无毒，易处理，缺点是易燃，价 格昂贵，使用后要经蒸馏才能重复使用。 乳液聚合法分子印迹聚合物微球的制备 将模板分子、功能单体、交联剂溶于有机溶剂中，然后将溶液移入水中，搅 拌、乳化；最后加入引发剂交联聚合，可直接制备粒径较均一的球形分子印迹聚 合物。日本学者报道了一种金属离子印迹的聚合物凝胶【l ”，其对铜离子选择性高 于钙离子。与非印迹聚合物相比，选择性提高1 0 0 0 倍。 比较悬浮聚合法制得的大粒径粒子( o 0 8 m m ) 与乳液聚合法得到的小粒径粒 子( 2 0 0 3 0 0 n m ) 的印迹效果后发现，乳液聚合的粒子吸附量是悬浮聚合粒子的 5 0 1 0 0 倍。此外，这种方法最成功之处在于它可以印迹水溶性分子。 多步溶胀聚合法 j u nm a t s u i 等应用两步溶胀法定量得到印迹聚合物珠体，第一步先在水中进行 乳液聚合制备聚苯乙烯单分散纳米粒子，粒径为5 0 5 0 0 n m ，以此粒子为种子在 含印迹分子胺基萘，单体甲基丙烯酸，交联剂及致孔剂的混合物中溶胀然后引发 自由基聚合，得到的粒子是包含印迹分子，单体及交联剂的连续相聚合物。将此 材料用于分离两种胺基萘时，分离效果与无水条件下合成的块状和棒状聚合物的 结果相似。而柱容量要比后者大许多。这个结果表明可以用通常的悬浮聚合体系 3 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 制各分子印迹球形聚合物分离介质f l “。 f s ) 蔡普生是一种非甾类抗炎药物。采用两步溶胀聚合法以水为悬浮介质制得 粒子大小均一的分子印迹聚合物【1 7 】，这种聚合物的拆分能力与粉末状印迹聚合物 相似。液相二步溶胀法制备单分散印迹聚合物粒子，能够得到很好的球形粒子， 大大提高了色谱柱效率。 在以上的研究体系中使用的印迹分子是疏水性的，印迹分子与单体间有强的 离子作用，聚合物对印迹分子保持形状记忆，因而水的存在对材料识别能力的影 响较小，而对亲水性较强的印迹分子或依靠氢键作用识别印迹分子的材料来说， 在溶胀过程中水相仍会对分子识别产生较大影响，仍有水油悬浮聚合法的缺点。 u e z u 等首次报道了水油水乳液体系制备微球的方法。以：二乙烯苯为交联剂制 得了z n ”印迹微球，粒子的粒度可控制在1 0 1 0 0 “m ，因而在工业应用上是很有 价值的。此外，这种方法最成功之处在于它可以印迹水溶性的分子。 表面印逊法 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【1 8 j ，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。已有一些研究者对此进行了探讨 第一例有关印迹硅胶的报道是1 9 4 9 年d i c k e y 用沉淀法制备了印迹硅胶。近年 来，有作者用粒子表面的硅烷醇与甲基丙烯酸酯进行烷氧硅烷反应，将甲基丙烯 酸酯键合至硅胶粒子上作为印迹聚合的基团，印迹混合物在粒子表面聚台制得分 子印迹材料。 j o s h i 等将合成的键联印迹分子的单体溶于苯中，再溶胀至甲基丙烯酸缩水甘 油酯大孔微球内，将苯缓慢蒸发除去后聚合，水解除去印迹分子。通过反应溶液 的稀释可以控制分子印迹聚合物的结构( 如图1 1 ) 。 。叠壁= = = = = = ， 块状凝胶 大颗粒凝胶微凝胶 图1 1 通过反应溶液的稀释控制聚合物结构的示意图，当反应溶液浓度很高时得到的娃块状 凝胶，随着浓度的稀释，聚合物的结构从大颗粒向微凝胶过渡 f i g1 1s k e t c h m a p o f p o | y m e rc o n f i g u r a t i o nc h a n g e ，w i l h t h e d i l u t i o n o f t h er e a c t i o ns o l u t i o n ， p o l y m e rc o n f i g u r a t i o nm o n i s h i n g 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 由于载体具有较高的孔度和表面积，因而选择表面印迹方法可以使底物较易接 近活性点，这是表面印迹技术优于沉淀聚合的一个方面。除此之外，这种方法还 可以单独改变载体树脂的交联度或对孔结构进行调整，通过合成可以容易地得到 小粒径及窄分布的载体。这类材料应用于色谱柱中具有低压、高流速的特点。 m i p s 膜的制各 分子印迹聚合物膜可以用作分离材料或化学传感器的基本材料，因而在实际 中有很广阔的应用前景【1 9 】。k o b a y a s h i 2 0 1 等以茶碱为印迹分子，用相转变法合成了 聚丙烯氰丙烯酸超滤膜，渗透实验表明印迹膜对茶碱有很强的键合能力。 将甲基丙烯酸和双甲基丙烯酸酯的二甲基甲酰胺( d m f ) 溶液在硅烷化的玻 璃表面聚合，可以制备出核苷酸印迹聚合物膜。 c j p e r c i v a l 【2 l 】等报道了一种原位m i p s 膜的制备方法，将此膜原位制备于传感 器的电极表面，可以提高印迹效率，解决了预聚物在传感器电极表面固定的问题。 近来报道了一种超薄膜的制备，即微孔氧化铝膜2 2 1 ，膜的厚度为5 0 0 n m ，孔 径为2 0 n m 的孔内进行分子印迹聚合，由于膜非常薄，其流通速率比9 一乙基腺嘌呤 印迹膜高许多，通量至少高两个数量级以上。 分子印迹聚合物膜洗脱干燥后可直接使用，但这类聚合物膜由于交联度较高、 易折碎，可以通过共聚或互贯聚合等方法提高这类聚合物膜的机械强度。 1 1 3 分子印迹聚合物的应用 与常规和传统的分离介质相比，基于分子识别的分子印迹聚合物的突出特点 是对被分离或分析物质具有高度的选择性。同时分子印迹聚合物具有优良的物理 化学稳定性，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，容易保存，制备方便， 价格低廉，易于实现工业化生产。因而，在色谱分析与色谱分离、模拟酶催化、 膜分离和固相萃取、抗体和受体模拟、仿生传感器等方面得到了日益广泛的应用， 展现出良好的前景。 在色谱分析和分离中的应用 分子印迹色谱技术( m o l e c u l a ri m p - n t i n gc h r o m a t o g r a p h y ，m i c ) 是分子印迹 聚合物最主要的用途之一。分子印迹聚合物可用来制各色谱分离的固定相，以建 立固相萃取、高效液相色谱或毛细管电泳分析法进行手性物质的分离，也可以用 于样品的预处理。在这些应用情形中，分子印迹聚合物的作用类似于免疫色谱中 的免疫吸附。 a ) 用于样品的预处理 分子印迹聚合物用于样品预处理的首例报道是s e l l e g r e n 于1 9 9 4 年合成出的以 戊脒( p e n t a m i d i n ，一种抗原虫菌药) 为模板的印迹聚合物，该聚台物作为吸附剂 完成了对生物液体试样尿液中戊脒的提取、纯化和浓缩，使之达到能够直接检出 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的浓度。 迄今为止，分子印迹技术结合固定相色谱对分析样品进行前处理的研究已做 了很多工作2 孙。目前研究表明印迹聚合物固定相色谱完全能运用于分析试样的分 离、纯化和浓缩工作。但这方面的研究仍处于起步阶段，尚有许多不完善的地方i 2 “。 b ) 用于手性拆分 大多数手性拆分的工作主要集中在药物手性分子的拆分上。对于手性药物， 由于其分子式完全相同，在非手性环境中其物理和化学性质大多相同，但其在生 物活性和药效学和药代动力学方面却有很大的差异，如抗心律失常药物普萘洛尔 ( p r o p r a n o l 0 1 ) 的s ( 一) 一异构体的药理活性比r ( + ) 一异构体大1 0 0 倍。据统计，现有 药物中有6 0 具有一个或多个手性中心。1 9 9 2 年美国食品和药物管理局( f d a ) 要求今后凡是研制具有不对称中心的药物，都必须先进行手性分离，分别测定各 个异构体药物动力学和毒理学的各项指标。这就给手性分离提出了要求。目前尽 管已有直接的手性合成、酶拆分和其他一些分离技术，但由于分子印迹聚合物与 酶相比具有不受各种恶劣环境因素的影响而又具有与酶相似的选择性。因此，分 子印迹技术在手性分离方面具有一些独特的技术优势f 2 4 】。目前有关分子印迹聚合 物的文献有5 0 b 以上都涉及手性物质的分离【2 ”。所研究的分离对象包括药物、氨 基酸及衍生物【2 6 、肽 2 剐及各种有机酸2 剐等。 模拟酶及辅助试剂 催化剂在化工生产中起着至关重要的作用，化学合成反应的发展很大程度上 依赖于催化剂的品质。自然界中的酶以其高效、专一、反应条件温和的特点成为 一类重要的催化剂。但天然酶提取困难、耐受性差、难以回收和重复使用的缺点 严重制约了它的生产和应用。将天然酶的催化原理运用到合成催化材料的设计中 是一种极具创新性和发展潜力的思想。其实，很久以来，人们就梦想着能够生产 像酶那样高效专一的新型催化剂，即模拟酶( e n z y m em i m i c s ) ，只是进展一直甚微。 分子印迹技术的出现及其在模拟抗体方面取得突破性进展启发人们利用分子印迹 技术将识别位点和催化基团引入聚合物内部用以制各模拟酶3 0 】，或称塑料酶 ( p l a s t i ce n z y m e s ) 。对分子印迹技术来说，这也是最困难和最具有挑战性的应用研 究。 通过改变或简化活性位点中的功能基团，模拟酶3 2 3 可以帮助人们对整个催化 反应历程有更深入的了解。目前，研究较多的m i p 模拟酶催化反应主要有水解反 应1 3 3 】、合成反应、氧化还原反应f 3 4 】、转移反应f 3 ”、脱h f 反应、异构化反应等。 印迹所用的模板分子主要有底物类似物( s u b s t r a t ea n a l o g u e ) 、过渡态类似物 ( t r a n s i t i o ns t a t ea n a l o g u e ) 和产物类似物( p r o d u c t a n a l o g u e ) 3 6 1 。 m i p 除作为催化剂外，还可以作为辅助试剂用来引导反应的发生或掩蔽某 6 曩庆大学硕士学位论文 1 绪论 反应向不希望的方向进行；或利用其特异吸附作用，使热力学不利的化学反应平 衡向期望的方向移动。 a l e x a n d e r 利用m i p 中的活性位点的定位和掩蔽作用，将类圃醇分子中某些位 点的羟基保护起来，进行选择性的催化反应，选择性可高达2 3 ：1 。 膜分离和固液萃取 将m i p s 应用于膜分离的物质有氨基酸【37 j 及其衍生物、肽、9 一乙基腺嘌呤、莠 灭净、阿特拉滓【38 1 、茶碱等。基于分子印迹技术的固相萃取代替传统的液液萃取， 选择性好，操作简便，既可在有机溶剂中使用，又可在水溶液中使用1 3 。自从 s e l l e r g r e n 首次报道了将m i p s 用于戊脒的固相萃取以后，这方面的研究报道便相 继大量出现，涉及的化合物主要有2 氨基吡啶、苯达松、吲哚一3 一乙醇、s 萘普生、 咖啡因1 4 0 、萘心安、神经酰胺洲、氯苯氧酸、4 - 硝基酚、钉络合物h 4 1 、镧系 【4 ”、铜离子 4 6 、三价镝4 7 1 离子等，涉及的实验体系主要有各种生物流体和生物组 织( 如人、牛、狗、兔等血浆、血清、尿、胆汁等) 的有机萃取物( 氯仿萃取物、 己烷萃取物、乙酸乙酯萃取物等) 。萃取过程的选择性可以通过对模板分子和印迹 分子的选择来灵活调变，高选择性使固相萃取可以用于痕量分析。该过程的主要 缺陷是印迹分子的泄漏有时会污染样品从而干扰测定的精确度，而且在生物样品 方面的研究工作不够系统。 作为抗体和受体模拟物 配体结合( 1 i g a n d b i n d i n g ) 分析被用来临床测量血液中的痕量物质，这种分析 方法需要一个能选择性地结合待分析物的受体。通常人们用抗体作受体，但使用 抗体操作上很不方便且费用高。 基于分子印迹的检验方法具有极高的灵敏度，能识别化合物的细微差别 4 ”。 迄今为止，分子印迹技术已先后用于扑热息痛、肾上腺素类药物、抗麻醉药物、 雄烯酮类、睾丸酮、氯霉素、辛可宁、胰凝乳蛋自酶、雌二醇、茶碱、萘心安、 萘普生、布洛芬、2 一氨基吡啶、巴比妥类化合物、胆固醇、豆甾醇、尼古丁、腺嘌 呤、唾液酸等药物的分析检测。 用m p 作为模拟抗体，能得到比化学分析方法更精确的结果，而且操作简单、 费用较低、对检测条件要求不高，所以m i p 有望成为药物检测中的升级换代品。 从目前的工作束看，如能扩展研究范围，可望得到更大的应用。 在仿生传感器中的应用 分子印迹聚合物用作传感器的识别元件，是分子印迹技术的一个重要研究方 向1 4 。我们把这种以分子印迹聚合物作为识别元件的传感器称为分子印迹聚合物 仿生传感器1 5 。分子印迹聚合物敏感材料与近年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，不易被破坏降解，可多次重复使用，易 7 重庆大学硕士学位论文 】绪论 于保存等优点。而且较生物分子易得，可以用标准的化学方法合成出柬。因此， 印迹聚合物仿生传感器有着优越的发展前景。目前，分子印迹仿生传感器大致可 分为电化学、光化学、压电和表面声波等类型胯”。 1 2 分子印迹聚合物仿生传感器应用研究进展 近年来，化学和生物传感器技术有了飞速的发展，特别是在临床诊断、环境 分析、食品分析和产品监控这些领域，例如对禁药、生殖毒性和化学战试剂的检 测。生物传感器的核心部分是识别元件和转换器。在复杂的样品中，识别元件专 门负责识别和键联靶分析物，转换器则将与被测物键联过程中所产生的化学信号 转变成可以计量的输出信号。 原则上，生物传感器在持续过程或环境监测中有着广阔的应用前景，但是， 生物传感器主要是依靠生物实体，如抗体、酶、受体或细胞作为识别元件的，这 些生物实体本身所具有的缺陷有时也会制约其应用和发展。例如其不良的化学和 物理稳定性使生物传感器不能在恶劣的环境中使用；有的生物抗体不容易得到而 且造价昂贵，甚至有时我们无法找到被分析物质的相应生物实体作为识别元件。 因而许多研究者作了大量尝试，寻找更加稳定的具有与生物实体相似的专一识别 性的物质来取代生物实体。印迹聚合物高度的专一识别性、优越的物理化学稳定 性、便宜易得等优点在生物传感器发展中可望成为生物实体理想的替代品。 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识别元件，对维生素k 1 、k 2 和e 进行了测定以来，分子印迹聚合物传感器引起了人们极大的兴趣，在国外已 成为传感器研究的一个新热点。到目前为止m i p 传感器主要有以下几种类型。 1 2 1 电化学传感器 按其作用原理不同，可分为电位型t 5 “、电流型、电导型、电容型53 1 、直流电 阻型、场效应晶体管型和屏蔽印迹电极型传感器。将m i p 膜用于电导传感器可检 测除草剂莠去滓p ”。随着底物浓度的增加，电导率降低。溶液中莠去津检测范围为 o 0 1 o 5 m g l ，响应时间3 0 m i n 。用于测定苯丙氨酸，m i p 型电导传感器检测浓 度为o 0 5 o 4 m m o v l 。用电流型分子印迹聚合物传感器检测吗啡，检测范围为 0 1 l o r n g 乙。该传感器最大的特色是适于苛刻的化学检测环境。此外，尚有杀虫 剂2 , 4 一二氯苯氧乙酸的分子印迹传感器，采用微分脉冲循环伏安法对其含量进行了 测定1 5 。将m i p 与离子选择性电极结合用以检测溶液中的c a 2 + 的传感器，以及通 过m i p 膜的通透性的变化( 测电导) 来进行测量的传感器也均有报导。近年 p a n a s y u l ( 【56 j 等改进了传感器的制备方法，成功地制各了分子印迹电容型传感器， 用于d 、l 一苯丙氨酸的测定。 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 光化学型传感器 光化学型分子印迹聚合物传感器的研究虽开展较晚，但因有较高的灵敏度， 很快弓l 起研究者的关注。1 9 9 6 年报道了荧光型印迹聚合物传感器，用于检测硅酸， 检测范围为o 5 1 0 um o l l 。此后又报道检测除草剂莠去津的荧光检测系统【5 “， 检测范围有所改善。随后报道的用于检测氯霉素的分子印迹聚合物分光光度型传 感器，具有良好的准确性和很强的抗干扰能力【5 “。用于检测神经毒剂梭曼的分子 印迹聚合物磷光型传感器，灵敏度高，也具有很强的抗干扰能力。p i l e t s k y _ 5 9 等将 荧光标记的三嗪结合到已被三嗪印迹过的m i p 中，用以检测溶液中的三嗪。此外 尚有基于分子印迹技术的镧系发光传感器，用于检测神经性毒剂的水解产物1 6 。 将m i p 修饰的光纤和光纤阵列作为光纤传感器可测定环境水体中的有机磷杀虫 剂。动态响应线性范围2 5 1 0 - 7 1 o 1o 5 m o l l ，测定时问5 1 0 m i n ，8 0 应答 的响应时间2 0 3 0 m i n 。用m 口荧光光度法测定0 雌二醇，测定浓度范围o 1 2 0 u m o l l 。 1 2 3 压电与表面声波等传感器 湖南大学姚守拙课题组采用非共价印迹技术研制了液相体声波分子印迹仿生 传感器，用于有机相、水相和生物体液中尼古t 1 6 ”、药物非那西t 1 6 劫、扑热息痛 6 3 1 、肾上腺素畔l 、苯巴比妥、氨基比林、咖啡因和乙胺嘧啶等的测定。这些传感 器具有很好的热和化学稳定性，即使在苛刻的环境中仍显示良好的传感性能，从 而克服了生物传感器在这方面的缺陷。检测下限至1 0 8 m o l f l 浓度级。线性范围 3 个浓度级。 另外，用电化学方法以邻苯二胺、邻氨基酚为单体，现场制各了苯丙氨酸、 阿托品和杀虫剂2 ，4 一二氯苯氧乙酸的分子印迹压电传感器，用于这些物质的传感测 定和反应动力学的研究。该方法不仅解决了传感器制备过程中修饰困难的问题， 两且为传感器的微型化提供了新的途径。 将非共价分子印迹高分子膜作为平面波导和质量传感器的传感膜涂层，可用 于气相和波相一些物质，如多聚环芳烃、黄嘌呤衍生物、咖啡、酵母和微生物等 不同性质和不同尺寸大小样品的测定【6 5 1 。涂层膜厚度在1 0 n m 2pm 之间。 j i i ”1 等研制了m i p 修饰的压电传感器，用于气味物质如二甲萘烷醇等的测定。 此外文献 6 还报道了压电微天平分子印迹咖啡因传感器，以及用于检测芳香族化 合物卤代烃及极性溶剂蒸气的化学传感器。 将分子印迹技术与表面等离子体共振技术相结合，可制成茶碱传感器【6 引，测 量浓度o 4 6 9 l 。另外，还可将m i p 用于竞争性放射性配位键合分析。对局部麻 醉剂布比卡因，应用选择性m i p 和3 h 标记法检测，结果表明，在极性溶剂中主 要是疏水效应起作用，在非极性溶剂中则以静电作用为主1 6 9 1 。 9 重庆大学硕十学位论文 1 绪论 在m i p 传感器的设计中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成为可处理信号的高灵敏度的 转换器。 ( 2 ) 开发高性能印迹聚合物，在所要求的条件下能够与模板被分析物作用并 具有所需的亲和力和选择性。 ( 3 ) 将m i p 与转换器结合在一起。 从灵敏度角度讲，m i p 模拟生物传感器的性能还是普遍比生物传感器差些。 这一现状可以通过优化m i p 和转换器加以改善。可以预言，随着分子印迹技术研 究的不断深入与完善，m 口传感器可望得到更广阔的发展。 1 3 课题构思 分子印迹技术是近年出现的人工合成具有特异识别位点的聚合物的方法。由 于其具有构效预定性( 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 泛适用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 三大特点，而且基于该技术所制各的分子印迹聚合物具 有亲合性和选择性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长等优点，因而 受到全球研究人员的重视。国内在该技术方面的研究才刚兴起，还有较大的发展 空间。 本实验室所拥有的