（分析化学专业论文）金属离子印迹聚合物的合成及其在分析中的应用研究.pdf

摘要 金属离子的选择性分离和富集是分析化学两个重要的研究前沿领域。随着现代 分析技术的不断发展，所需要分析的样品越来越复杂，待测组分的含量越来越低， 因此分离富集是分析化学方法中不可缺少的重要环节。分子印迹技术( m o l e c u l a r i m p r t m i n gt e c h n i q u e 。m i t ) 是以特定分子为模板，制备出对目标分子具有专一识别性 能的聚合物技术，在分离提纯、免疫检测、生物模拟和痕量分析领域展现出广阔的 应用前景。本论文利用m i t 制备了金属离子印迹聚合物吸附材料，并研究了其分子 识别性能。论文包括以下四个方面： 1 论文首先对m i t 的基本原理、分子印迹聚合物和金属离子印迹聚合物的制 备和应用进行了较为全面的综述，概述了金属离子印迹聚合物领域的相关研究进 展。 2 利用m i t ，以锌离子为模板分子，4 乙烯毗啶( 4 v p ) 和丙烯酰胺( a m ) 为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) 为交联剂，偶氮二异丁腈( m b n ) 为引发剂，采用本体聚合方法在三氯甲烷和甲醇的混合溶剂中制备了锌离子印迹聚 合物。通过s c a t c h a r d 方程考察了聚合物的结合特性，并研究了其动力学性能。将分 子印迹技术和固相萃取技术结合，把印迹聚合物用作于固相萃取填料，考察了萃取 柱的最大吸附容量、最佳富集酸度和流速等萃取条件，建立了分子印迹一固相萃取的 分离富集方法，并用于血清中锌离子的分离和富集，获得了较为满意的结果。 3 以8 一羟基喹啉( h q ) 和丙烯酰氯为原料，合成含8 羟基喹啉的可聚合性功能 单体。该功能单体与锌离子配位后，采用本体聚合方法，以e g d m a 为交联剂，a i b n 为引发剂，制各了锌离子印迹聚合物。通过s c a t c h a r d 分析和平衡结合方法等手段综 合研究了聚合物的吸附及选择性能。并将该锌离子印迹聚合物用作于固相萃取填科， 通过优化萃取条件，建立了分子印迹一固相萃取的分离富集方法，并用于鱼中锌离子 的分离和富集，获得了较为满意的结果 4 以铝离子的配合物为模板分子，丙烯酰胺为功能单体，e g d m a 为交联剂， a i b n 为引发剂，在三氯甲烷和甲醇混合溶剂中制备了分子印迹聚合物，并对聚合 物进行了表征。通过s c a t c h a r d 方程考察了聚合物的吸附特性，并研究了印迹聚合 物对其他结构相似化合物的选择性吸附，结果表明聚合物对该模板分子有比较明显 的吸附特性。热力学研究表明，聚合物的吸附过程在热力学上是一个吸热过程 关键词：分子印迹聚合物；金属离子；固相萃取；分离富集 a b s t r a e t t h es e l e c t i v es e p a r a t i o na n de r r d e h m e n to fm e t a li o n sr r et w oi m p o r t a n tf o r e l a n d f i e l d si na n a l y t i c a lc h e r n i s 时w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fm o d e r n 觚a l y t i c a l t e c h n o l o g y , t h ea n a l y t i c a ls a m p l e sb o c o m cl n o r oa n dm o r cc o m p l i c a t e da n dt h ec o n t e n t o f t h ec o m p o n e n td e t e c t e dw a sm o r ea n dm o 豫l o w - l y i n g , w h i c hi n a k et h es e p a r a t i o na n d e n r i c h m e n tb e c o m et h em a i np a r t si na n a l y t i c a lm e t h o d s m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n - b a s e d s e p a r a t i o nt e c h n i q u e sh a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o ni nv a r i o u sf i e l d sb e c a u s eo ft h e i r h i 曲s e l e c t i v i t yf o rt a r g e tm o l e c u l e s 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 di sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yr e c o g n i z e da sap o w e r f u lt e c h n i q u eo fp r e p a r i n gs y n t h e t i cp o l y m e r st h a t e o n 诎at a i l o r - m a d er e c o g n i t i o ns i d e sf o rc e r t a i nm o l e c u l e s i th a sa l le x t e n s i v e a p p l i c a t i o ni np u r i f i c a t i o ns e p a r a t i o n , i m m u n o a s s a y , e n r i c h m e n t , b i o m i m i c sa n do t h e r r e l e v a n tf i e l d sf o ri t s p r e d e t e r m i n a t i o ns p e c i f i c i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y o fm o l e c u l e r e c o g n i t i o 也t h i sw o r ki sf o e n s e do nt h ep r e p a r a t i o no fn o v e lm e t a li o n - i m p r i n t e d p o l y m e r sa n dt h e i ra d s o r p t i o np r o p e r t i e s t h i st h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： 1 ab r i e f o v e r v i e wi sg i v e nf o rt 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 na n da p p l i c a t i o n o f m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r ( m i p ) ，m e t a li o n i m p r i n t e dp o l y m e r s ，a n dt h es t u d i e si n t h er a p i d l yd e v e l o p i n ga n de x c i t i n ga r e ao f m e t a li o n i m p r i n t e dp o l y m e r s 2 b yb u l kt e c h n i q u e , m i p sw e f cs y n t h e s i z e du s i n g 4 - v i n y l p y r i d i n eh v p ) a n d a e r y l a m i d e ( a m ) a sf u n c t i o n a lm o n o m e r s ，c t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a e r y l a t e ( e g d m a ) a s e r o s s l i n k c r , a z o b i s i s o b u t y r o n i t r i l e ( a i b l 叼a si n i t i a t o r a n dz n ( i i ) i o na s t e m p l a t e m o l e c u l e si nt h em i x t u r es o l v e mo f c h l o r o f o r ma n dm e t h a n o l ( v 1 ：v 2 = 3 ：2 ) t h eb i n d i n g c h a r a c t e r i s t i c so f t h et e m p l a t ew e l ee v a l u a t e db ys e a t c h a r da n a l y s i s k i n e t i ce x p e r i m e n t a l s ow a ss t u d i e d 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 rw a sl l s c d 鼬a d s o r b e n t so fs o l i d p h a s ee x t r a c t i o n b yo p t i m i z i n gt h ec x h 叠c t i v ec o n d i t i o n s t h ea n a l y t i c a lm e t h o dw a s e s t a b l i s h e db a s e do nm o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r s - s o l i dp h a s ec x 乜a c t i o n ( m i p s - s p e ) l a s t l y , t h em i p s - s p ew a su s e dt os e p a r a t ea n de n r i c hz n ( n 3i o n sf r o mh u m a nb l o o d s e r u m , a n dt h er e s u l tw a sr a t h e rg o o d 3 an 胂c o m p l e x a a t8 - a e r y l o y l o x y q u i n o l i n e ( s - a o q ) 邺p r e p a r e db yt h er e a c t i o no f 1 1 i a c r y h o y l c h l o r i d ew i t hg - h y d r o x y q u i n o l i n c ( h q ) ak i n d so fn 删p o l y m e r i z a b l e c o m p l e x e sw a sp r e p a r e db yu s i n gz n 0 0 m ct e m p l a t e ) a n d8 - a o q t h em o l e c u l a r i m p r i n t e dp o l y m e rw a sp r e p a r e dw i t hb u l kp o l y m e r i z a t i o nb ye g d m aa sc r o s s l i n k c r , a i b na si n i t i a t o ri nt h e1 1 1 i x b i t es o l v e n to fc h l o r o f o r ma n d m e t h a n o l ( v l ：v 2 = 3 ：2 ) t h e b 砌i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e m p l a t ew e r ee v a l u a t e db ys e a t c h a r da n a l y s i s k i n 嘶c e x p e r i m e n ta l s ow a ss t u d i e d t h em o l e c u l a r l yi m p 而巾甜p o l y m e rw a su s e da sa d s o r b e n t s o fs o l i dp h a s ec x t r a c t i o l l b yo p t i m i z i n gt h ec x t r a c 蛀v ec o n d i t i o n s ，t h ea n a l y t i c a lm e t h o d w a se s t a b l i s h e db a s e do nm o l e c u l a ri m w i a ：t e d p o l y m e r s - s o l i dp h a s e e x t r a c t i o n ( m i p s - s p e ) l a s t l y , t h em i p s - s p ew a su s e dt os c p a m t ea n de n r i c hz n ( u ) i o n s 丘o m6 s k a n d 曲i er e s u l t sw 锹r a t h e rg o o d 4 m o l e c u l a ri l n p a n t c dp o l y m e r sw c i ep r e p a r e df r o ma e r y l a m i d ea sf u n c t i o n a l m o n o m e r sa n de t h y l e n eg l y e o l d i m e t h a e r y l a t ea st h ec r o s s l i n k e ri nc h l o r o f o r ma n d m e t h a n o l ( v i ：v 2 = 3 ：2 ) u s i n ga l ( i n ) c o m p l e xa st h et e m p l a t em o l e c u l a ra n d2 ， 2 - a z o b i s - i s o b u t y r o n i l r i l e a st h ei n i t i a t i o na g e n t t h eb i n d i n gc h a r a c = t e r i s t i c so ft h e t e m p l a t ew e r ee v a l u a t e db ys c a t c h a r da n a l y s i s t h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fm i p 幻 d i f f e r e n tt a r g e tm o l e c u l a rw a ss t u d i e d o u rr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em i ps h o w e ds p e c i f i c a f f m i t yt o w a r da l ( m ) 一c o m p l e x k e y w o r d s ：m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r ；m e t a li o n ；s o l i d # a s ee x t r a c t i o n ； p o l y m e r i z a t i o n ；s e p a r a t i o n e n r i c h m e n t i v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和 借阅。学校可以将本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和汇编本学位论文。同 时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：垂艘黼溯签名：赵蕴鳐 o 7 年罗月2 s 日莎7 年r 月珂日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得西北大学或其它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谢意。 学位论文作者签名：王丹丹 d 7 年f 月2 f 日 第一章综述 1 1 分子印迹技术理论 分子印迹技术( m 0 1 鳅l l 甜i t n p l ：i n t i n gt e e l m i q u e ，m i t ) 是以目标分子为模板，将具 有结构上互补的功能化聚合物单体通过共价键或非共价键与模板分子结合，并加入 交联剂进行聚合反应，反应完成后将模板分子洗脱出来，形成的一种具有固定空穴 大小和形状及有确定排列功能团的交联高聚物n 】。这种交联高聚物即分子印迹聚合 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 s ，m i p s ) 。 分子印迹技术来源于免疫学的发展，早在2 0 世纪4 0 年代p a u l i i l 9 1 2 提出了抗体形 成的“模板学说”该理论认为，抗原物质进入机体后，蛋白质或多肽链以抗原为 模板进行分子自组装和折叠形成抗体。尽管“模板学说”后来被“克隆选择学说” 取代，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。已付诸实践的 方法是将待测物作为模板或印迹分子( i m p r i n tm o l e c u l e ) 合成高分子物质，成为对待 测物具有选择性识别能力的分子印迹聚合物，又称为“塑料抗体”在m i t 发展的 初期，主要采用共价结合方式帝$ 备m p s ，代表性科学家是德国h e i n r i c hh e i n e 大学的 g w u l 磁授n 耵。这项技术中可供选择的试验材料十分有限，故在9 0 年代以前一直 很少被人问津，进展缓慢。9 0 年代以来，瑞典的k m o s b a c h i s l 及其合作者在非共价分 子印迹技术方面所做的一系列开创性的工作和这种以分子识别分析为基础的新型分 离材料，在手性物质分离、环境分析和催化科学中潜在的应用价值引起了许多领域 的关注，分子印迹技术从此获得迅速发展。为加强交流，1 9 9 7 年成立了国际性的分 子印迹学会( s o c i e t yf o rm o l e c u l a ri m r , r i n t i n e , , s m i ) 。目前，全世界包括瑞典、日本， 德国、美国、中国、澳大利亚、法国在内的四十多个国家和地区、1 0 0 个以上的学术 机构和企事业集团在从事分子印迹技术的研究和开发工作。 m i t 之所以发展如此迅速，源于它的三大特点：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 ) 和广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。基于该技术制备 的分子印迹聚合物具有亲和性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应 用范围广等特点。 1 1 1 分子印迹技术的基本原理 m i t 是人们对生命体内分子识别现象进行不断研究与探索这一认识过程的必然 结果，其原理可以简单归结为对自然界中“抗体一抗原”概念的具体学习与应用。利 用该原理制备的聚合物材料，对所选择的印迹分子具有特定的“记忆”能力。通常， 印迹聚合物的制备包括以下一些基本步骤：首先，在聚合反应前，单体与印迹分子 都要预先经过一个所谓的分子“组装”过程，作用双方通过一定的连接方式较为牢 固地结合在一起，然后再启动反应，进行下一步的交联聚合。这样，在除去印迹分 子后所得到的印迹聚合物上，就留下了对印迹分子具有专一选择性的结合位点。图 l l 即为上述制备过程的示意图。 图1 - 1 分子印迹聚合物的制各流程图 根据印迹分子与功能单体形成复合体系时作用方式的不同，通常将m i p s 分为三 种类型t 共价型、非共价型和混合型。 ( 1 ) 共价型又称预组装型。该法主要由w u m 耙4 l 创立。在此法中，单体和模板分 子通过不稳定的共价键相连，生成如硼酸酯、西夫碱、亚胺、缩醛等衍生物，再通 过交联剂聚合产生高分子聚合物，用水解等方法除去印迹分子即得到共价结合型 v n p $ 。共价结合型印迹过程单体和模板分子间的作用力强，形成的复合物稳定，所 2 得的印迹聚合物对模板分子具有高的选择性。但印迹过程比较复杂，从聚合物中除 去目标模板分子较为困难。而且结合与解离速度缓慢，不利于分离。目前，利用此 法已获得一些扁桃酸、芳香酮【6 1 、醛类【7 ，q 、糖类及其衍生物1 9 1 、甘油酸及其衍生物、 氨基酸及其衍生物“0 1 、铁转移蛋白酶f 】l l 、联辅酶f 1 2 1 和甾类吲等化合物的m i p s 。 ( 2 ) 非共价型又称自组装型。该法主要由m o s b a c h 等创立。在此法中，单体是通 过较弱的分子间相互作用力而在模板分子周围进行自组装的。典型的相互作用包括 金属与配体的络合作用、氢键作用、静电作用、电子作用、偶极作用、疏水作用以 及范德华力f j4 闱。非共价结合型印迹技术主要是利用较弱的分子间作用力来形成复 合物，印迹过程较为简单，可在温和的条件下除去模板分子，但易导致所得的空穴 对模板分子的亲和力不均一。这种类型的m i p s 包括一些染料i 1 6 1 、胺类1 7 1 、氨基酸及 其衍生物、多肽搠、苄脒 2 0 1 、激素【2 1 1 、除草剂嘲、金属1 、核酸和蛋白质1 2 4 1 等。 目前应用最多的是非共价型m i p s 。 ( 3 ) 混合型s e l l e r g r e n 等磷1 曾报道同时运用共价和非共价两种印迹方法制备 m i p s ，即聚合时单体与印迹分子问作用力是共价键，而在对印迹分子识别过程中， 二者的作用又是非共价的。作者认为这种m i p s 既具有共价分子印迹聚合物亲和专一 性的优点又具有非共价分予印迹聚合物操作条件温和的优点。近年来v u l f s o n 等人又 发展了一种称之为“牺牲空间法( s a c r i f t c i a ls p a c e r m e t h o d ) ”的分子印迹技术。该 法实际上也是把共价和非共价两种印迹方法结合起来形成的综合方法。首先，模板 分子与功能单体以共价键的形式形成模板分子的衍生物，这一步相当于分子预组装 过程，然后再交联聚合，使功能基固定在聚合物链上，除去模板分子后，功能基被 留在空穴中。当模板分子重新进入空穴中时，模板分子与功能单体上的功能基不是 以共价键结合，而是以非共价键结合，如同分子自组装1 2 6 l 。 l 。l 。2 分子印迹聚合物的制备 1 1 2 1 模板分子和溶剂的选择 制备非共价型印迹聚合物几乎对模板分子没有限制，碳水化合物、有机胺类、 羧酸类、甾醇类、氨基酸、核酸、蛋白质乃至金属离子均可被用于制备m i p s 。但是 更大分子如细胞【2 7 1 、金属晶体作模板分子，虽有报道，但制备仍有一定困难。一般 地，分子中含有强极性基团的化合物易于制备高效能的m i p s 。由于氢键具有方向性 和饱和性，作用力较强，因此能与功能单体间形成氢键的印迹分子往往能制备高选 择性能的m i p s 。 在m i p s 的制备过程中，反应溶剂对分子间作用力和m i p s 的形态影响很大。所用 溶剂对印迹分子不但应具有较高的溶解度，而且能够促进印迹分子与功能单体问的 相互作用。所以必须根据印迹分子与功能单体间可能的作用力类型选择适宜的溶剂。 一般地，极性强的溶剂会降低印迹分子与功能单体间的结合，特别是干扰氢键的形 成，生成的m i p s 识别性能较差，故应尽可能采用介电常数低的溶剂，如苯、甲苯、 二甲苯、氯仿、二氯甲烷等 2 s - 3 0 。但是，也有作者p 1 墚用乙腈、n ，n 一二甲基甲酰胺、 四氢呋喃、丙酮、乙酸乙酯甚至甲醇，乙醇及醇和水的混合溶液做溶剂合成m i p s ， 此时印迹分子与功能单体主要依靠疏水作用结合。受溶剂影响，m i p s 可能发生溶胀， 致使结合位点的三维结构发生改变，对分析物的识别作用减弱。为避免溶胀效应的 发生，吸附过程中所用的溶剂最好与聚合反应溶剂一致。 1 1 2 2 功能单体的选择 功能单体的选择主要由印迹分子决定，首先它必须能与印迹分子成键，且在反 应中它与交联剂分子处于合适的位置才能使印迹分子恰好镶嵌于其中。常用的共价 单体有：4 一乙烯苯硼酸、4 - 乙烯苯甲醛、4 一乙烯苯胺、4 一乙烯苯酚等。由于硼酸和 邻二醇基团形成的酯键可逆性好，易于形成和断裂，故4 一乙烯基苯硼酸单体在糖类 衍生物异构体分析中占有重要的地位。常用非共价键单体：丙烯酸及其衍生物、亚 甲基丁二酸、4 一乙烯基苯甲酸、2 一丙烯酰胺一2 一甲基一卜丙磺酸、n 一丙烯酰基丙氨酸、 4 - 乙烯基苯乙烯、丙烯酰胺、卜乙烯基眯唑、乙烯基吡啶、2 ，6 一二丙烯酰胺吡啶、 n 一( 4 - 乙烯苄基) 亚氨二乙酸铜等。最常用的功能单体是旷甲基丙烯酸，其分子内除 具有一个碳碳双键外，还具有一个羧基，可以与许多化合物发生作用。 对于制备金属离子印迹聚合物，所用功能单体的一端要含有能与主单体交联共 聚的不饱和双键，面另一端则含有与模板金属离子结合的配位性基团。应用最广泛 的功能单体是羧酸类( 如甲基丙烯酸、丙烯酸、乙烯基苯甲酸) 、烷基磷酸类、以及 杂环弱碱类( 如乙烯基吡啶、乙烯基眯唑) 、氨基二乙酸衍生物以及硅氧烷类等【3 2 ，3 3 1 。 1 1 2 3 交联剂的选择和链引发方式 制备m 球s 目前最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) ，主要是因 为其价格便宜，容易纯化，而且制备的分子印迹聚合物性能稳定。除此之外，n ，n 一 4 亚甲基二丙烯酸胺、n ，n - i ，4 - 亚苯基二丙烯酰胺、3 ，5 一二丙烯酰胺基苯甲酸、二乙 烯苯、l - 二丙烯酰胺基苯丙醇丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯( p e n u ) 、三甲氧基 丙烷三甲基丙烯酸酯( t r i m ) 等也是常用的交联剂。研究发现 3 4 , 3 5 ，使用三个或三个 以上乙烯基的交联剂如删制得的m i p s 在用于h p l c 时有更好的柱容量、选择性和 分离度。 m i p s 制备过程中的聚合反应是通过自由基引发的，般以偶氮二异丁腈( a i b n ) 或偶氮二异庚腈( a b 、n ) 为引发剂。常用的引发方式有光照、加热、加压、电合成 等。低温光引发应用最为普遍，其中又以紫外光的能量适中而应用最多。熟引发也 较为常见，但此法对热不稳定的化合物不适用。 1 1 2 4 制备方法 分子印迹聚合物的制备主要有以下几种方法： ( 1 ) 本体聚合 本体聚合是最常用的方法，主要步骤是先将模板分子，功能单体混和于有机溶 剂中得到均一溶液，振荡一段时间让其充分结合后，加入交联剂和引发剂，通氮除 氧，然后密封反应装置，经过热引发或光引发( 一般2 4 h ) 得到块状聚合物。将聚合 物粉碎，研磨，过筛后获得合适大小的颗粒，再经过洗脱除去模板分子，真空干燥 后备用。该法制备的模板聚合物对模板底物有良好的识别特性。而且合成操作条件 易于控制，实验装置简单，便于普及，迄今仍为制备m i p s 的主要方法i 蚓。但此法需 经过粉碎、筛选等处理手续。粉碎过程产生不规则粒子和大量超细粒子，粒子的不 规则性影响m i p s 的选择性和柱效，超细粒子使色谱柱压明显升高甚至堵塞色谱柱， 因此装柱前必须经反复沉降倾析除去，手续费时、繁琐，而可用的粒子一般低于制 各总量的5 0 t 3 7 ，3 8 1 。这些问题促使分子印迹技术的研究进一步深入，以便获得更满 意的技术取代本体聚合。 ( 2 ) 原位聚合 原位聚合法是在色谱柱上或管内直接合成m i p s 固定相的方法。该法简单、直接， 且可以获得较好的柱体结构，有助于降低柱压降。同时由于孔径分布均匀、比表面 积相应增大，可用于识别的位点数量多，有利于提高柱效和改变分子识别中的选择 性1 3 9 4 2 1 。邹汉法等对原位聚合法制备高效液相色谱分子印迹手性柱作了较为详尽的 综述。何锡文研究小组采用原位聚合方法制各了连续棒状的m p s 。s c h w e i t z 等f 4 3 ，卅 采用此方法在毛细管中获得连续单分散的手性色谱固定相。原位分子印迹技术处于 刚刚起步阶段，但已经展现了用于手性物质分离的潜力，是一种很有发展前途的印 迹技术。 ( 3 ) 悬浮聚合 所谓悬浮聚合，就是在悬浮液中进行的聚合，将溶解有功能单体和引发剂的有 机相和溶解有稳定剂的水相经过高速搅拌，使其形成悬浊液。聚合在每一个小的有 机液滴中进行，从而获得粒径较为均一的聚合物颗粒。m a y e s 和m o s b a c h l 4 5 】对悬浮聚 合应用于m i t 进行了系统的研究，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含氟的表面活 性剂作为稳定剂，直接制得聚合物微球。这种方法可以控制微粒的大小和粒径分布， 但不利于模板分子的识别。为得到单分散性较好的m i p s 微球，h o s o y a 蜘等发展了 多步溶胀悬浮聚合法。该方法的特点是，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，这更能够满足诸如酶模拟等实际应用环境的要求，同时产 物的规整性和单分散性也很好。 “) 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于沉淀。反应开始时引发剂分解产生自由基，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，又相互聚结而形成聚合物粒子，这些聚合物粒子通过捕捉低聚物和单体最终形 成高交联度的微球形聚合物。该方法不需要在反应体系中加入稳定剂，所以组分更 简单，更易于操作，且不需对产物进行研磨，减少了由这些步骤引起的聚合物的损 失。其缺点是对溶剂的粘性要求高，只有在粘性较小的溶剂中才能实现理想的粒径 分布。 m o s b a c h 4 s , 例等人在原有的技术基础之上，采用一种制备简单，成本低，产率 和印迹效果也很好的沉淀聚合法，并分别以e g d m a 和t r i m 为交联剂、甲基丙烯酸 ( m a a ) 为功能单体、二氯甲烷或乙腈为溶剂制备了平均粒径分别为0 3 “r n 和0 2 9 m 的s m l p s ，并印迹了茶碱和雌二醇。 ( 5 ) 表面印迹聚合 表面印迹技术可用于制备识别金属离子和其他亲水性化合物的印迹聚合物。以 6 印迹金属离子为例，将金属离子与功能单体形成配合物，然后将它通过缩合聚合引 入到硅胶表面，除去金属离子后，在硅胶表面上就留下了可识别该金属离子的位点。 而用于识别有机化合物的m i p s 是将模板分子与金属离子形成配合物，再使该金属离 子与另一可聚合的功能单体形成配合物，然后将此配合物接枝共聚到其他球形聚合 物( 如苯乙烯树脂) 的表面上，除去模板分子后，在球形聚合物的表面上留下结合位 点。在这一方面y o s h i d a 和g o t o 等做了大量的工作，制备了许多高亲和性和高选择性 的m i p s t 5 0 - 5 3 1 。表面印迹技术主要有两个优点：首先模板分子可被完全洗脱下来，而 不会被包在聚合物结构中，从而提高了洗脱率和结合容量。其次由于结合位点处于 聚合物的表面，在重新结合时，模板分子不需要进入聚合物的刚性结构中，对于结 合动力学非常有利，大大缩短了结合达到平衡的时间。 ( 6 ) 膜制备技术 b l i p s 膜可以用作分离材料或化学传感器的基本材料，因而在实际应用中有很广 阔的前景。m i p s 膜的制备主要有三种方法：( 1 ) 在材料表面直接将单体共聚成薄膜。 如s h e , a 5 4 ) 等以弘乙基腺嘌岭为模板分子，以m a a 为功能单体，e g d m a 为交联剂， 将反应混合物的二甲基甲酸胺溶液涂在硅烷化的玻璃切片上，在6 0 7 0 及氮气保护 下反应得到聚合物膜。用甲醇洗去模板分子，在一个h 型双层液池中进行传输实验， 结果表明腺嘌呤的流通量明显大于胞嘧啶和胸腺嘧啶，说明此聚合物膜能识别模板 分子( 2 ) 先将单体共聚后再成膜。如y o s m k a w a 等嘲使用m 叔丁氧羰酰l 色氨酸 ( b o c - l t r p ) 或n 一乙酰- l 色氨酸( a c l t r p ) 为模板分子，将含有四肽衍生物为结合基 团的聚合物溶于四氢肤喃中，把该混合液倒入圆底的培养皿中，溶剂挥发后获得 m i p s ( 3 ) 相转移法( p h a i n v e 塔i ) 如h y w a n g 和t k o h a y a s h i w 5 7 l 采用相 转化技术用丙烯睛和丙烯酸的共聚物制备了茶碱( t h e o p h y l l i n e ) 印迹的聚合物膜。他 们把共聚物和茶碱溶于二甲基亚砜中，将此溶液铺于玻璃片上形成1 0 0 p r o 厚的液膜， 放入水中，聚合物聚集形成固体聚合物膜，用0 1 的甲醇除去模板分子后，此膜优 先结合模板分子茶碱，而对结构类似的咖啡因几乎不结合，显示出对模板分子的选 择性，而且其结合能力与膜中丙烯酸单元的含量有密切关系。 1 1 3 分子印迹聚合物的应用 1 1 3 1 分离 7 ( 1 ) 手性分离 手性分离是分子印迹研究中最活跃的领域。随着有机化学的深入研究，人们发 现并合成出了越来越多的手性物质，而且这些物质在日常生活中如医药、农业等方 面具有广泛的应用。但手性物质与其对映体不能应用普通的分离方法如过滤、萃取、 精馏等进行，只能寻求新的方法。分子印迹技术的出现，为解决这一问题提供了一 条新的途径。如k 咖p e 等口柳以4 一乙烯基吡啶为单体和双甲基丙烯酸亚乙酯共聚， e g d m a 为交联剂，制得的m i p s 色谱固定相能成功地从外消旋体中分离出了一种非 甾醇类抗感染药s 一蔡普生，其分离效果明显高于使用常规固定相色谱分离防删。 ( 2 ) 固相萃取 m i p s 具有特效选择性和亲和性，直接用作固相萃取剂，可减少样品预处理的麻 烦，为样品的采集、富集和分析提供了方便。可用于医药、食品和环境样品等痕量 物质的分析。s e l l e r g r e n 等 6 1 1 最早将m i p s 应用于固相萃取，在线富集了尿液中的一种 抗艾滋病药物。周杰等吲将合成的甲氧苄啶棒状聚合物装于色谱柱中，在色谱柱的 入口和出口分别接于输液泵和紫外检测器，对样品的富集回收率在9 0 以上。 j o d l b a u e r 等嘟1 选取褐黄曲霉素a 的3 种相似物( 自己合成) 为模板，并以自己合成的两 个新功能单体和两个辅助功能单体为单体，合成了8 个印迹聚合物和6 个非印迹聚合 物，对十几种褐黄曲霉素a 相似物进行识别，很好地分析了基团以及分子大小变化 对吸附量和选择性的影响。 ( 3 ) 膜分离 分子印迹聚合物制备的分离膜为分子印迹走向规模化开辟了道路。这种分离膜 不仅具有处理量大、易放大的特点，而且对目标分子的特异吸附具有高选择性、高 收率的优点。将m i p s 应用于膜分离的物质有氨基酸及其衍生物、肽、除草剂等。 1 1 3 2 传感器 m i p s 用作传感器的敏感材料是分子印逊技术的一个重要研究方向。我们把这种 以c l i p s 为敏感材料的传感器件称为分子印迹聚合物传感器。分子印迹聚合物敏感材 料与近年来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， 不易被生物降解所破坏，可多次重复使用，易于保存等优点嘲。而且，较生物材料 易得，可以用标准的化学方法合成出来。因此，m i p s 有希望成为取代生物材料的理 想替代品。m i p $ 所具有的优势使其作为识别元件，特别适合于传感器技术。根据转 s 换器的测量原理不同，传感器可分为电化学式( 包括电位型、电导型、电流型) 、光 学式、质量式和热学式。目前，m i f s 主要应用在前3 类传感器中。自1 9 8 7 年t a b u s h i 嫡5 】 首次用m i p s 作为敏感材料，对维生素进行了测定以来，m i p s 传感器引起了人们极大 的兴趣，在国外己成为传感器研究领域的一个新热点。 1 1 3 3 模拟酶催化 化学模拟酶催化剂与天然的生物酶催化剂相比，表现出高度的稳定性和长的使 用寿命，并且具有抗恶劣环境的能力。由于m i p s 内的孔穴类似于酶活性中心，因此 具有模拟酶催化作用。通过选用适当的模板和功能单体在孔穴内可以制定出与底物 结合的结合位点和起催化作用的活性基团，这些基团以最佳取向在空间进行确定排 列。m i t 是设计新型模拟酶材料的最有效手段之一陋6 7 1 。如果用催化反应中的过渡 态类似物作为模板【嘲，则能制备出与有催化活性的抗体类似的有效催化剂，这种催 化剂的优点是制备容易，稳定性好m o r i h a r a 等1 6 9 分别以( r ) 和 ( s ) - n b c n z y l - a - m e t h y l b e n z y l - a m i n e 模板在硅胶表而形成了一个分子印迹的空穴， 这种材料对苯甲酸的乙酰基有催化转移功能。 1 2 金属离子印迹聚合物 金属离子印迹聚合物( m e t a li o n - i m p r i n t e dp o l y m e r s ) ，是指以金属离子为模扳 利用分子印迹技术制备的对模板金属离子有选择性吸附的高分子功能材料。国内也 被称为金属离子铸型聚合物删。第一种金属离子印迹聚合物是由k a b a n o v 和n i s h i d e 研究小组制各的旧。该小组首先将能与金属离子相配合的功能单体制成线形聚合物， 然后与金属离子形成络合物，与骨架单体交联聚合形成金属离子印迹聚合物，通过 酸洗等后处理去除印迹离子，即得到金属离子印迹聚合物。实验结果表明，与未印 迹聚合物相比，印迹聚合物对印迹金属离子的选择性明显提高。由这一成功的工作 开始，许多金属离子包括过渡金属离子、重金属离子以及金属络合物，如c u 2 + 、z n 2 + 、 n i 2 + 、c 0 2 + 、c d 2 + 、f e ”、c a ，、镧系元素、对乙烯基苯甲酸与p b 2 十的络合物等，均 已成功地用于分子印迹聚合物的制备 金属离子印迹技术是分子印迹技术研究的一个分支方向，是与有机分子印迹技 术一同发展起来的交叉学科。影响金属离子印迹效应的主要有以下几个因素【_ ”】：( 1 ) 配体与金属离子之间特异的反应性；( 2 ) 金属离子的配位几何构形和配位数；( 3 ) 金 9 属离子的电荷数；“) 金属离子的尺寸大小。 1 2 1 过渡金属离子作为模板分子 目前，关于过渡金属离子作为模板分子的研究报道较多。近年来，在这一方面 土耳其的s a y 等人作了大量的研究工作，制备了许多金属离子印迹聚合物并用于实际 样品的测定。该小组采用分散聚合技术在聚乙烯醇( p v a ) 的分散液中制备t n i 2 + 印迹 聚合物微球 7 2 1 。他们将先期合成的甲基丙烯酰缩组氨酸( m a l l ) - n i 2 + 配合物溶于乙 醇中，与e g d m a 单体、引发剂a i b n 混合，分散聚合后，制得n i ”印迹聚合物微球， 用甲醇、水洗涤后，再用e d t a 洗脱掉印迹的n j 2 + 模板。n i 2 + 印迹和未印迹聚合物微 球x c n i 2 + ，c l l 2 + ，z n 2 + ，c 0 2 + 的吸附选择性表现出明显的印迹效应。 该小组还制备了c u 2 + 印迹聚合物3 2 7 3 , 7 4 1 ，如他们以m a h c u 2 + 作为金属螯合单 体，采用悬浮聚合法制备了m a h c u s + - p a r a o x o n ( 对氧磷) 金属印迹聚合物，用于有机 磷杀虫剂的降解。印迹聚合物被多次使用后催化活性仅降低了1 7 ，不仅降低了成 本还提高了稳定性。最近他们又报道了甲基汞印迹聚合物 7 5 1 ，即采用分散聚合技术 在p v a 的分散液中制备了甲基汞一甲基丙烯酰基一( l ) 一半胱氨酸( m m - m a c ) 印迹 聚合物。研究表明，与h 9 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 、和c d 2 + 相比，印迹聚合物对甲基汞的吸附 量和选择性明显较高。另外，该小组还研究报道了f e 3 邯6 1 、c d 2 + i 7 7 1 等离子印迹聚合 物。 y o s h i f u m i 等f 7 叼用表面活性剂型功能单体乙烯基癸酸，分别采用乳液聚合和悬浮 聚合法制备c u 2 + 印迹聚合物并进行对比研究。经过吸附实验发现，由于粒径小，比 表面积大，每克乳液聚合所得树脂吸附金属离子的数量比悬浮聚合所得树脂高出 5 0 一1 0 0 倍。尽管吸附量不同，但其选择性是相似的。无论哪种方法制备的印迹聚合 物，均比相应未印