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摘要 纳米量子点及其表面分子印迹材料应用于化学发光分析 摘要 分子印迹聚合物( m i p ) 是通过化学手段人工合成的高分子仿生材料， 它是将功能单体在模板分子( 目标分子，又称印迹分子) 的存在下交联聚 合，然后洗脱除去模板分子。这样制得的聚合物，在立体空穴和作用位点 上与模板分子具有互补的结构，又具有模板分子可回收重复使用的优点， 因此在分子识别中有着特殊的选择性和良好的应用前景。本论文中我们使 用不同的分子印迹合成手段合成分子印迹聚合物，对环境样品中的痕量对 硝基酚进行富集分离，然后与化学发光等分析手段对富集的对硝基酚进行 测定分析。主要工作及研究如下： 1 首先综述了分子印迹的发展史、分子印迹的基本原理以及制备方 法，然后总结了分子印迹技术的优缺点，并对其未来的发展做出了展望。 2 合成了不同种类的锰掺杂硫化锌量子点并将它们应用到高碘酸钠 双氧水的化学发光体系中，研究了不同种类的纳米量子点对化学发光体系 的影响。实验结果表明，纳米量子点的尺寸效用，表面是否存在壳的保护 以及表面稳定剂的类型都会影响其对化学发光体系的作用。同时还用高能 量截止滤光片对化学发光光谱进行了研究和分析，对该体系的化学发光机 理做出合理的推测。 3 分子印迹技术是在复杂样品中分离目标分子的一项令人满意的技 术。基于锰掺杂的硫化锌量子点合成了以对硝基酚为模板分子的表面分子 1 印迹聚合物，该分子印迹聚合物对模板分子对硝基酚有着选择性的荧光响 应。将合成的表面分子印迹聚合物应用到高碘酸钠双氧水化学发光体系 中，结合了分子印迹聚合物的高选择性与化学发光的高灵敏度。该化学发 光方法的线性范围为o 1 - 4 0g m 而检出限为7 6n m 。该方法应用于实际样 品分析中，回收率在9 1 9 6 之间。 4 采用本体聚合和表面印迹的两种方法分别合成了分子印迹聚合 物，并对其性质进行了表征。通过静态吸附实验，测定了分子印迹聚合物 的吸附曲线以及吸附动力学。通过对实验数据的对比，我们发现表面分子 印迹聚合物相对于本体印迹聚合物具有传质效率快，非特异性吸附小等优 点。 关键词：分子印迹技术，化学发光，对硝基酚，纳米量子点 目录 a p p l i c a t i o no fq u a n t u md o t sa n d i t ss u r f a c ei m p r i n t i n g o o t oc h e m i l u m i n e s c e n c ea n a l y t i c a m e t h o d o l y m e r se m i l u m i n e s c e n c ea n ac a lmt o a b s t r a c t 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 ) a r ec h e m i c a l l ys y s t h e t i c f u n c t i o n a lp o l y m e r i cm a t e r i a l st h a th a v eb i o m i m i cp r o p e r t i e s t h ei m p r i n t i n g p r o c e s s i s p e r f o r m e db yc o p o l y m e r i s i n g f u n c t i o n a la n dc r o s s - l i n k i n g m o n o m e r si nt h ep r e s e n c eo fat e m p l a t em o l e c u l e t h es u b s e q u e n tr e m o v a lo f t h ei m p r i n tm o l e c u l er e v e a l sb i n d i n gs i t e si nt h ep o l y m e rn e t w o r k , w h i c ha r e c o m p l e m e n t a r yt ot h et e m p l a t ei ns i z ea n ds h a p e t h a ta l l o w st h eh i 曲l y s p e c i f i cr e b i n d i n go ft h et e m p l a t e i nt h i st h e s i s ，w eu s ed i f f e r e n tm e t h o d s t o s y n t h e s i z e t h em o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r st o s e p a r a t e t h e t e m p l a t e ( 4 一n i t r o p h e n 0 1 ) f r o mt h ee n v i r o n m e n ts a m p l e sa n dd e t e r m i n et h ea m o u n tb y c h e m i l u m i n e s c e n c em e t h o d t h et h e s i si sd i v i d e db yf o u rc h a p t e r s ，a s d e s c r i b e db e l o w ： 1 t h ed e v e l o p i n gh i s t o r y ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm o l e c u l a r l yi m p r i n t i n g t e c h n i q u ea n dt h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e sw e r ef i r s t l yr e v i e w e d t h e nw e s u m m a r i z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h em e t h o d st h a tb eu s e dt o i 北京化工大学硕士学位论文 s y n t h e s i z et h em o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r sa n dh a v eao u t l o o ko ft h e d e v e l o p m e n ti nm 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 2 i nt h i sw o r k , d i f f e r e n tt y p e so f m n d o p e dz n sq d sw e r ep r e p a r e da n d a p p l i e dt ot h es t u d yo ft h ec h e m i l u m i n e s c e n c er e a c t i o no fh y d r o g e np e r o x i d e a n dp e r i o d a t e t h ee f f e c t so ft h es i z eo f n a n o p a r t i c l e s ，s h e l lp r o t e c t i o na n dt h e s t a b i l i z i n ga g e n t so nc h e m i l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yw e r es t u d i e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h es i z eo fq u a n t u md o t sw a sn o tt h eo n l yf a c t o rt oe n h a n c et h e i n t e n s i t yo fc h e m i l u m i n e s c e n c es y s t e m d i f f e r e n ts t a b i l i z i n ga g e n t sa n dt h e s i l i c af i l mp r o t e c t i o nw i l la l s oi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h eq u a n t u md o t s i l lt h ec h e m i l u m i n e s c e n c er e a c t i o n ac l s p e c t r u mw a se x a m i n e db yu s i n ga s e r i e so fh i g h - - e n e r g yc u t - o f fo p t i c a lf i l t e r sa n dap o s s i b l em e c h a n i s mo ft h e c lw a sa l s op r o p o s e d 3 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 ) d e m o n s t r a t e sap r o m i s i n gw a y t os e p a r a t et h et a i l o ra n a l y t e sf r o mc o m p l e xm a t r i x i nt h i sc h a p t e r , m n d o p e d z n sq u a n t u m d o t s ( q d s ) c a p p e db y am o l e c u l ei m p r i n t i n gp o l y m e r ( m i p ) w a s s y n t h e s i z e d t h er e s u l t ss h o w e dah i g hs e l e c t i v i t yo ft h em i p c a p p e d m n d o p e dz n sq d st o w a r d st h et e m p l a t em o l e c u l e ( 4 - n i t r o p h e n 0 1 ) b yq d s f l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g t h ea p p l i c a t i o no f m i p c a p p e dm n d o p e dz n sq d s t oc h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) s y s t e mw a sa l s oc a r r i e do u ti no b rw o r k t h i s a p p l i c a t i o nc o m b i n e st h eg o o ds e l e c t i v i t yo fm i tw i t ht h eh i g hs e n s i t i v i t yo f c l t h el i n e a rr a n g eo ft h i sc l s y s t e mi sf r o mo 1t o4 0 州a n dt h el i m i to f d e t e c t i o n ( l o d ) f o r4 - n i t r o p h e n o li nt h ew a t e rc a nr e a c h7 6n m t h em e t h o d i v 目录 w a sa l s ou s e dt oa n a l y s i so ft h er e a lw a t e rs a m p l e sa n dt h er e c o v e r i e sw e r e w i t h i nt h er a n g eo f 9 1 t o9 6 4 i nt h i sc h a p t e r , w ec o m p a r e dt h eb u l ka n ds u r f a c ei m p r i n t i n gm e t h o d s t os y n t h e s i z et h em o l e c u l a ri m p r i n t i n gp o l y m e r sa n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o n e x p e r i m e n t sa r ea l s oc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so b t a i n e di nb a t c h b i n d i n ge x p e r i m e n t s ，w ec a l ls e et h a tt h es u r f a c ei m p r i n t i n gp o l y m e r sh a v e m o r ea c c e s s i b l es i t e s ，f a s tm a s st r a n s f e ra n db i n d i n gk i n e t i c s 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 gt e c h n i q u e ，c h e m i l u m i n e s c e n c e , 4 一n i t r o p h e n o l ，q u a n t u md o t s v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：壶】显逝 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 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北京化工大 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磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在鱼年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：墨0 显也 日期： 望f ! ：堇：兰z 导师签名： 砼a 日期：亟 ! ：! z 第一章 1 1 分子印迹技术概述 第一章绪论 1 1 1 分子印迹技术的产生与发展 通过分子问作用力来对分子进行识别的概念很早以前已就被提出来，但是分子印 迹聚合物的应用却是在最近几十年才发展起来的f l 】。早在2 0 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 就相继提出了一种当抗原入侵生物体从而产生抗体的理论。随后 在2 0 世纪4 0 年代，诺贝尔奖获得者p a u l i n g 对上述理论作了进一步的阐述【2 1 。在1 9 4 9 年d i c k e y 首先提出的“专一性吸附这一概念，被人们认为是“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。1 9 7 2 年k i e f e r 和w u l l f 研究组 分别报道了采用分子印迹技术合成有机聚合物，是分子印迹聚合物的最早的应用【3 4 1 。从此以后，分子印迹技术开始了迅猛的发展，并在分离提纯( 色谱，毛细管色谱， 固相萃取，膜分离) ，微型反应器，模拟酶，免疫剂抗体分析，催化剂，生物和化学 类传感器等各个方面显示出广泛的应用前景 s - 7 1 。随着分子印迹技术的迅速发展，终于 与1 9 9 9 年召开了首次国际分子印迹技术讨论会，并且成立了分子印迹技术协会 ( s m i ) 。 1 1 2 分子印迹技术的原理以及分类 分子印迹技术的基本原理可以如下表述，通过分子间作用力在模板分子周围组装 交联聚合物的模型；当模板分子被移除以后，能够与模板分子互补的特异性识别位点 就保留在聚合物模型中，从而能对模板分子进行特异性识别。通常来说，合成分子印 迹聚合物包含下面三个步骤：( 1 ) 模板分子和功能单体之间的预组装，( 2 ) 加入交 联剂进行聚合反应，( 3 ) 将模板分子从分子印迹聚合物中洗脱下来。合成出来的分 子印迹聚合物可以在苛刻的物理环境下长时间保持性能的稳定，不会改变其对模板分 子的特异性吸附的功能【8 , 9 1 。分子印迹技术的原理及主要合成过程见图1 1 。 北京化工大学硕士毕业论文 x i 伪铀l 髓ti a n - i n t i 避 a 口嘲鼬矗 坼皤涮函 。竺o 白h - 棚旧融湘 t t t t e t t t e t b 也翻疆 燃 监。 姐，。) 垒。 嘲u 、 墨= = = 暑警tl 图1 分子印迹聚合物共价结合与非共价结合的两种途径 f i g 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fc o v a l e n t l ya n dn o n - c o v a l e n t l ym o l e c u l a ri m p r i n t i n g 分子印迹聚合物的合成方法按照模板分子与功能单体之间的作用力不同可以分 为三类： ( 1 ) 共价印迹法，也称为预组装法，由德国教授w u l f f 于1 9 9 5 年首先提出【1 0 1 。 在该方法中，模板分子与功能单体之间通过硼酸酯，乙缩醛，缩酮，二硫键以及席夫 碱等共价键作用，然后交联聚合合成分子印迹聚合物，随后采用强极性溶剂将此共价 键破坏，将模板分子洗脱，即形成了具有与模板分子空间形状高度互补的空腔的分子 印迹聚合物。该聚合物由于作用力为共价键，故具有高亲和性和高选择性。但由于共 价键的作用力比较强，可逆性比较差，给模板分子的洗脱增加了难度，容易产生模板 分子的残留。 ( 2 ) 非共价印迹法，也称为自组装法，由瑞典教授m o s b a c h 于1 9 9 4 年首先提出 i l l 】。在该方法中，模板分子与功能单体主要通过氢键，疏水作用，离子键，金属离子 螯合作用和范德华力等非共价键作用力结合，加入交联剂后进行聚合形成分子印迹聚 合物，通过洗脱模板分子后，聚合物内部的空穴结构大小和作用位点依旧保留，可以 对模板分子进行特异性的识别。这种方法广泛应用于各种小分子和大分子特别是蛋白 质的印迹。但由于该方法在合成过程中需要加入过量的功能单体来保证印迹效果，故 可能产生较强的非特异性吸附。 ( 3 ) 半共价印迹法主要是针对共价印迹和非公价印迹的缺点而由w h i t c o m b e 教 授于1 9 9 5 年提出并发展起来的一种方法【1 2 】。该方法的特点是在组装过程中主要依靠 共价作用力，而形成的聚合物与目标分子重新键连，依靠的主要是非共价作用力，这 2 匡。匡 燮型 呲?o 第一章 样既可以克服共价印迹法洗脱困难的问题，又可以减少分子印迹聚合物的非特异性吸 附。 在所有分子印迹过程中，模板分子都起到了至关重要的作用。模板分子决定了分 子印迹过程中所采用的功能单体的类型。但非常遗憾的是，由于种种原因并不是所有 的分子都可以直接作为模板分子进行印迹。选定的模板分子必须在自由基聚合的条件 下保持化学惰性，因此，那些在聚合条件下能够参与自由基反应或者由于其他原因不 稳定的分子不能作为模板分子进行印迹。在选择模板分子的时候我们应该注意以下几 个问题：( 1 ) 该分子是否具有能发生聚合反应的基团，( 2 ) 该分子是否具有能够抑 制或减缓自由基聚合反应的官能团，( 3 ) 该分子在适度的高温或紫外光照射下能否 稳定存在( 例如，采用偶氮二异丁腈作为引发剂温度应该控制在6 0 1 2 ) 功能单体是在模板分子洗脱后，能在分子印迹聚合物特异性选择空腔中留下作用 位点的主要因素。在分子印迹技术当中，功能单体的选择是至关重要的。单体的选择 主要由印迹分子所决定，它首先必须能与分子印迹分子成键，且在合成过程中，它能 够与交联剂分子处于合适的位置，使印迹分子能够恰好镶嵌其中。常用的共价单体主 要有含有乙烯基的硼酸或二醇以硼酸酯的硅烷混合物等。常用的非公价键单体主要有 羧酸类( 甲基丙烯酸，甲基丙烯酸酯，三氟甲基丙烯酸，三氟甲基丙烯酸酯，乙烯基 苯甲酸等) 、磺酸类、杂环弱碱( 乙烯基吡啶、乙烯基咪唑等) 。 在分子印迹聚合物中，交联剂主要有三方面的作用。首先，交联剂在控制聚合物 形态中起到非常重要的作用，通过改变交联剂的性质以及加入量，可以合成出溶胶状， 大孔或微孔的分子印迹聚合物。第二，交联剂需要固定分子印迹聚合物中的特异性选 择位点。最后，交联剂需要保持聚合物良好的机械稳定性。从聚合反应的角度上来看， 合成分子印迹聚合物中应选择更高交联度的交联剂，这样可以保证分子印迹聚合物的 多孔性和良好的机械稳定性。因此，我们在合成中一般需要选择交联度超过8 0 的 交联剂。现在有大量的交联剂可以在分子印迹技术中使用，其中的很多交联剂已经商 业化，并且有一部分交联剂由于能够与模板分子相作用，可以在分子印迹过程中同时 起到功能单体和交联剂的作用。其中应用比较广泛的交联剂包括二元交联剂乙二醇二 甲基丙烯酸酯( e g d m a ) ，三元交联剂三甲基丙烷三甲基丙烯酸酯，四元交联剂季 戊四醇四丙烯酸酯等。 在分子印迹过程中，溶剂也称为致孔剂，是分子印迹聚合物成为多孔结构的主要 因素，并且用来溶解所有的反应物质，如模板分子、功能单体、交联剂和引发剂【1 3 1 。 改变溶剂的加入量，可以控制分子印迹聚合物的形态和总吸附容量。同时，选择合适 的溶剂可以提供更好的孔隙形状以及高效的表面积。随着致孔剂用量的增加，分子印 迹聚合物的总吸附容量也增加。溶剂在非公价分子印迹过程中，还必须不能破坏模板 分子和功能单体之间的分子间作用力，因此，一般需要选择非极性的溶剂，如甲苯， 四氯甲苯等【悼1 6 i 。 3 北京化工大学硕士毕业论文 从原理上来说，所有能够引发自由基聚合反应方法都可以用来作为分子印迹过程 中的引发方法。但是具体的引发方法需要我们根据实际情况去选择。例如，如果模板 分子光学或热力学不稳定，我们就不能选择光引发或热引发的方法。而如果模板分子 与功能单体之间是通过氢键作用，那么低温引发法更加适合。现在常用的引发剂主要 包括偶氮二异丁腈( a i b n ) 或偶氮二异庚腈。 1 1 3 分子印迹聚合物的制备方法 分子印迹聚合物制备方法主要围绕着两个问题展开，一是对材料的性能加以改善 ( 如提高交换容量、提高材料韧性) ，以适应大规模生产和应用的需要；另一方面是 在极性溶剂，如水溶液体系中进行分子印迹，这样可以解决对水溶性分子，如生物大 分子的印迹问题，扩大分子印迹技术的应用领域。 迄今为止，分子印迹聚合物主要有以下几种制备方法： ( 1 ) 本体聚合( b u l kp o l y m e r i z a t i o n ) 【1 。7 1 8 j 本体聚合是最常用和最早使用的聚合方法，是将模板分子、功能单体、交联剂和 引发剂按照一定比例溶解在溶剂中，超声脱气并且通入氮气除氧，经热引发( 6 0 ) 或u v 照射引发聚合2 4 小时，得到块状聚合物，经过粉碎、研磨、过筛，获得合适 粒径的分子印迹聚合物颗粒。然后洗脱除去模板分子，经真空干燥即可使用。该方法 制备的分子印迹聚合物对模板分子具有很好的特异性识别能力，合成操作方法简便易 于控制，实验装置简单，至今仍是分子印迹聚合物的主要制备方法。 本体聚合方法虽然较简单，但通常存在以下几个缺点： 处理过程复杂。研磨过程中会不可避免地产生一些不规则粒子和相当多的过 细粒子，这些过细粒子需要经过过筛去除，因而费时、费力且产量低( 小于5 0 ) 。 规则粒子的柱效率较低。 大规模生产有困难。 由于网络的交联度很高，模板分子去除困难。 印迹位点在合成过程中被包埋在聚合物内部，使得其利用率低，因此本体聚 合的分子印迹聚合物吸附量较低。 本体聚合方法合成的分子聚合物除分子识别性质外，调节聚合物的其他性能 是非常困难的，所以该方法制备出来的分子印迹聚合物一般只能用于痕量物质的检 测，限制了在其他领域的应用。 ( 2 ) 原位聚合( s i t up o l y m e r i z a t i o n ) 1 9 , 2 0 】 4 第一章 针对本体聚合方法的上述缺点，s e v e e 和f r e c h e t 发展了一种在色谱柱中直接聚合 的原位聚合方法，可以直接获得可使用的分子印迹色谱柱，大大简化了色谱固定相的 合成。由于其直接简单的特点，具有很强的实用性。m a t s u i 等人采用原位聚合法在液 相色谱中直接制的了连续棒状分子印迹聚合物分离介质，使用前只需进行洗涤，对位 置异构体有较好的分离效果，但柱效和分辨率仍不够高。分散原位聚合技术也成功用 于熔融石英毛细管中固定相的制备。毛细管中的固定相的原位聚合可以通过低温紫外 光引发，也可以通过热引发，可用于毛细管电色谱。 ( 3 ) 乳液聚合( e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ) 1 2 1 z 2 j 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介质。日 本学者报道了一种金属离子印迹的聚合物凝胶，这种方法需要使用一种既带有可与客 体形成配合物的端基，又可聚合的表面活性剂单体。u e z u 等首次报道了水油水乳液 体系制备微球的方法。聚合体系由带有功能基的主体、乳化剂、共聚单体等组成。合 成的分子印迹聚合物的粒子粒度可控制在l 肛1 0 0i n n ，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是它可以在极性环境中印迹分子。 ( 4 ) 悬浮聚合( s u s p e n s i o np o l y m e r i z a t i o n ) 【2 3 刁7 】 悬浮聚合是制备聚合物微球的较简单和常用的方法，最先由m a y e s 2 8 】提出。该方 法是在液态全氟烃中形成非公价键印迹聚合物乳液，采用氟化的表面活性剂或含氟的 表面活性聚合物作为分散剂，得到稳定分散的功能单体、模板分子、交联剂、致孔剂 的乳液液滴，经升温或光照引发制备分子印迹聚合物微球，其内部包埋的模板分子通 过洗脱以后，在聚合物微球上留下与模板分子形状相似且能够特异性识别模板分子的 空腔，进而实现对目标分子的特异性识别。该方法可以使用水和高极性溶剂作为分散 剂，克服了水和高极性溶剂破坏功能单体和模板分子之间相互作用，干扰聚合物对模 板分子识别的问题。全氟烃无毒、易处理。缺点是易燃、价格昂贵，使用后要蒸馏重 复使用。 ( 5 ) 表面印迹( s u r f a c ei m p r i n t i n gp o l y m e r i z a t i o n ) 【2 1 】 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基质的机械稳定性，并可以通过基质的本身性能的调节来适应 应用的要求。首次有关印迹硅胶的报道是1 9 4 9 年d i c k e y 以染料甲基橙作为印迹分子， 酸化硅酸盐溶液形成了染料印迹胶体。从此，揭开了表面印迹的序幕，此后表面印迹 技术迅猛的发展起来。表面印迹方法大多是基于硅胶基质，主要有沉积法、牺牲骨架 法、接枝共聚法、溶胶凝胶法、固定模板法等。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位点，这是表面印迹技术优于其他聚 合方法的一个方面。另外，表面印迹的方法还可以单独改变载体粒子的交联度或孔结 5 北京化工大学硕士毕业论文 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。用该方法获得的材料 用于色谱柱和固相萃取柱中，具有低压高流速的优点。 1 。2 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用 与常规和传统的分离或分析介质相比，基于分子识别的分子印迹聚合物的突出特 点是对被分离物质或分析物具有特异选择性，并且分子印迹聚合物具有良好的物理化 学稳定性，能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等，易于制备和保存，能够实现工 业化大规模生产。在分离提纯( 色谱，毛细管电泳，固相萃取( s p e ) ，膜分离) ， 微型反应器，模拟酶，免疫剂抗体分析，催化剂，生物和化学类传感器等多个方面显 示出广泛的应用前景。 1 2 1 色谱分析和色谱分离 分子印迹色谱技术( m o l e c u l a ri m p r i n t i n gc h r o m a t o g r a p h y ) 是分子印迹聚合物最主 要的用途。分子印迹聚合物可以用来作为色谱柱的固定相，色谱分离前处理分析( 如 固相萃取填料) ，还能够与高效液相色谱或毛细管电泳等分析手段相结合进行手性物 质的分离。在以上的应用中，分子印迹聚合物的作用和免疫色谱中的免疫吸附剂的作 用相类似，下面将详细阐述其在各方面的应用。 固相萃取 固相萃取技术( s p e ) 广泛的应用于分离或富集过程中。作为固相萃取吸附剂主 要应具有能够在较大p h 范围中大量吸附痕量的目标组分；定量吸附和洗脱；具有较 快的吸附和解析的动力学；易于再生；高的吸附容量；良好的机械和化学性能。分子 印迹聚合物由于其高亲和性、特异性识别、稳定性高等特点f 3 2 1 ，在在线和离线固相萃 取技术中得到了广泛的应用，其中应用最为普遍得就是作为固相萃取小住填料用于高 效液相色谱的柱前预处理和作为毛细管电泳的填充柱的固定相进行在线分析。 离线固相萃取技术是在实际工作中应用比较多的一种技术，操作过程主要包括活 化、上样、淋洗和洗脱四个过程。主要应用于农药、药物、金属离子和环境污染物的 分离和富集。z h a n g 等以已烯雌酚( d e s ) 为模板分子，3 氨基丙基三乙氧基硅烷 ( a p t e s ) 为功能单体，四乙氧基正硅脂( t e o s ) 为交联剂，用表面印迹的方法在 硅胶机制上合成了印迹聚合物，并对其进行了表征。并且对制备的分子印迹聚合物萃 取柱进行上样，淋洗和洗脱条件的优化。采用分子印迹聚合物萃取柱对真实样品中的 d e s 进行分离富集并使用高效液相色谱测定，回收率可以达到8 7 5 嘣”1 。 6 第一章 s e l l e r g r e n 等【3 4 j 最早将分子印迹聚合物应用于在线的高效液相色谱的柱前处理富 集柱，在线的分离和富集尿液中的一种抗艾滋病药物喷他咪。分子印迹聚合物作为固 定相与高效液相色谱联用，提高了分析的效率，简化了洗脱的程序，但需要大量的分 子印迹聚合物做固定相，而其中有些分子印迹聚合物的模板分子昂贵并不易得到，因 此限制了其在在线分析中的应用。 手性分离 手性物质进入生物体内与生物分子作用后，就会表现出不同的生物活性与毒理性 质。同样，在有生命体参与的环境化学过程中，残留对映体比率、代谢速率、毒性往 往有所不同，有时甚至会表现出完全不同的毒性毒理、富集特性、致死率、对酶的抑 制、内分泌干扰、“三致”效应等【3 5 1 。因此对手性物质的分离引起了人们的广泛关注， 分子印迹技术由于其良好的分子识别性，在手性分离中得到了广泛的应用。“等以甲 基丙烯酸为功能单体，氨基安替比林为模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂， 合成了分子印迹聚合物，并将其填充到液相色谱柱中作为高效液相色谱的固定相，在 溶剂条件为甲醇：异丙醇= 2 ：8 条件下分离了2 种结构类似物氨基安替比林和氨基比林 3 6 1 o 膜分离 分子印迹聚合物应用于膜分离技术主要用来分离氨基酸及其衍生物、肽、除草剂 等。分子印迹分离膜主要具有处理量高，容易放大，对目标分子具有很高的吸附选择 性和容量等优点，可以很好的走向规模化和商业化生产。l e h m a n n 等【3 7 】开发出一种新 型的复合膜，把印迹纳米粒子高的比表面积和选择性与膜的支撑作用结合起来，该类分 离膜不仅具有处理量高，容易放大等特点，而且对目标分子具有很高的吸附选择性和 容量。 1 2 2 传感器 在传感器中，当目标分子与吸附位点产生作用时就会有信号产生，从而检测器捕 获，静儿对目标分子的含量性质进行分析和测定。传感器的设计原理一般是目标分子 具有一些特殊性质或者是目标分子与环境中的物质相互作用过程中而使系统中的一 种或几种物理化学参数发生变化，进而进行测定。传感器可以快速对目标分子产生响 应，并且不受目标分子的性质的影响，具有很广泛的应用前景。自t a b u s h i 首次用分 子印迹聚合物作为传感器材料对维生素进行分析检测以来，分子印迹聚合物传感器越 来越受到了研究者的重视，对它的研究如雨后春笋蓬勃发展【3 8 4 2 l 。现阶段分子印迹聚 合物传感器根据检测手段不同主要分为三种类型：电化学式、光学式和质量式【4 3 1 。 7 北京化工大学硕士毕业论文 1 9 9 4 年，m o s b a c h 等【l l 】人报道了最早的完整的基于分子印迹聚合物的电容传感 器。该传感器是用苯基丙氨酸苯胺的分子印迹聚合物膜作为其敏感材料，当目标分子 进去敏感材料后，该传感器的电容就会发生变化，并且电容的变化和目标分子的量存 在定量关系，因此可以通过测定该装置的电容变化来对目标分子进行定量的检测。最 近，p a n a s y u k 等在金的表面上结合了一层苯酚的分子印迹聚合物膜，也可以很好的通 过电容的变化测定目标分子的含量。 最近几年，基于分子印迹聚合物的质量敏感化学传感器也得到了突飞猛进的发 展，如表面声波( s a w ) 振荡器、石英晶体微振荡器( q c m ) 和l o v e w a v e 振荡器逐 渐成为研究的热点。 此外，也可以根据分子印迹结合分析物后其光学性能和电导率的改变来进行对目 标分子的定量测定。如在两电极间加入分子印迹聚合物的膜，当该分子印迹聚合物膜 与模板分子相结合，就会引起两电极间电导率的变化，通过计算电导率的变化，就可 以定量测定模板分子的含量。 在分子印迹聚合物传感器的设计中主要要考虑以下三个问题： 开发能对结合过程进行检测并将其转化为可以处理的信号( 如电信号) 的高 灵敏的转换器。 制备高性能的分子印迹聚合物，在检测条件下能够实现模板与被分析物的作 用并且具有良好的亲和力和选择性。 将分子印迹聚合物与信号转换器完美的结合在一起。 现在分子印迹传感器正在向着高灵敏度、可批量生产、成本低、小型化和多传感 组的方向发展。在化学药品的生产、医药及药理研究、环境、国防和深海及太空探测 中，具有良好应用前景。 1 2 3 催化 分子印迹聚合物同样可以起到催化反应的作用，其主要原理如下，以所要催化的 反应的过渡态分子的类似物作为模板分子，合成分子印迹聚合物。当加入合成的分子 印迹聚合物，可以于过渡态分子作用，从而使其稳定，进而能够降低反应活化能，提高 反应产率。根据上述原理，可以利用产物分子做模板形成印迹聚合物，加入到合成该 分子的反应中，合成出的分子通过吸附作用脱离反应体系，从而使反应产物浓度降低， 使反应向生成目标分子的方向移动，提高目标分子的产率，达到指导产物合成的效果。 分子印迹聚合物在模拟酶的应用中，不但具有良好的结构选择性，而且能够加速水解 过程，为合成反应效率的提高提供新的途径脚闱。 8 第一章 1 2 4 免疫分析 分子印迹聚合物应用于免疫分析中，可以克服抗体受环境影响比较大，再生性能 差，不易得到和制备过程依赖于动物等缺点。v k a t a k i s 等1 4 6 将分子印迹聚合物应用于 放射免疫分析，对镇定剂安定和茶碱进行分析，得到了很好的结果。然而，免疫分析 通常是在水溶液的条件下进行，而在水溶液的极性条件下，会减弱分子印迹聚合物中 识别位点与目标分子的相互作用如氢键作用，进而影响其特异性选择。如果减小水溶 液的含量，又会导致酶标物种酶的活性降低，如何能够选择合适的分析条件，是分子 印迹免疫分析方法所面临的严峻挑战。 1 3 分子印迹技术存在的问题以及展望 分子印迹技术的应用在近些年来引起了学者的越来越大的兴趣，在不久的将来， 分子印迹聚合物可以作为人工抗体，生物化学传感器和高选择性的固相萃取填料而得 到广泛的应用，其在分子识别的方面已经表现出了得天独厚的优越性，但是分子印迹 技术的研究仍然不够深入，存在着很多急需要解决的问题。 ( 1 ) 分子印迹技术已应用于化学传感器，从而需要更灵敏的检测方法和装置用 来作为检测手段来测定分子印迹聚合物上的目标分子的含量，相信新的检测方法的引 入一定会大大促进分子印迹化学传感器方面的应用。 ( 2 ) 分子印迹技术在特殊分离领域还需要更深入的研究。简化色谱分离的过程， 使一些化合物，特别是手性化合物无需经过衍生化就直接进行分离，将具有重要的实 际意义。 ( 3 ) 在分析方面仍然还有许多新的应用需要进一步的开拓。 ( 4 ) 生物高分子，如蛋白质、糖蛋白和细菌的引入作为模板是分子印迹技术在 将来的主要发展方向，但是需要克服许多困难，如模板分子的泄漏，较低的传质效率， 偏小的吸容量和非特异性吸附等。随着研究的进一步深入，我们非常有信心研究者们 可以克服这些困难，寻找到更好的印迹方法来应用于更广泛的领域中。 9 北京化工大学硕士毕业论文 第二章纳米量子点的表面效应对双氧水一高碘酸钠化学发光体 系的影响 2 1 前言 半导体纳米材料也被称作纳米量子点，再过去二十年中，由于其依赖于尺寸的光 学性质，高比表面积和量子效应等特点，越来越来受到研究人员的重视【4 7 4 9 】。纳米量 子点已经由于其优秀的发光性质已经被应用于光电二极管阵列、生物光学传感器等方 面 5 0 - 5 2 。而纳米量子点的发光性质主要通过光激发和电子激发两种方式激发来检测 5 3 - 5 s o 近些年，化学发光技术作为一种优秀的分析方法得到迅猛的发展，最近，有报道 纳米量子点被应用于化学发光体系中使得化学发光体系的发光强度增科5 6 1 。纳米量子 点在化学发光体系中可以起到催化剂、还原剂、发光体和能量接受中间体的作用。许 多研究人员报道了他们在纳米量子点应用到化学发光体系中的进展【5 7 侧。如c u i 等将 不同尺寸的金纳米量子点应用到光泽精碘化钾和鲁米诺双氧水化学发光体系并且发 现金纳米量子点可以明显增强化学发光体系的发光强度【6 1 , 翻。l i 等报道了碲化镉纳米 量子点可以直接被一些强氧化剂如双氧水和高锰酸钾氧化，产生化学发光【6 3 1 。因此， 研究纳米量子点在化学发光体系中的行为是一项非常有意义的工作。 然而，在已经报道的有关纳米量子点应用于化学发光体系的研究中，纳米量子点 被当做一个整体加入到化学发光体系中，而并没有考虑到纳米量子点的表面效应对量 子点行为的影响。大部分的研究人员都将精力主要集中于纳米量子点的尺寸，而忽略 其他一些影响因素。诚然，纳米量子点的尺寸是影响量子点的非常重要的因素，然而 不去考虑其他因素的影响，显然不够全面和严谨【删。在我们的试验中，我们合成了一 系列的不同类型的锰掺杂的硫化锌纳米量子点，并将其应用到高碘酸钠双氧水化学发 光体系。对不同类型量子点对化学发光体系增强的效果不同进行分析，并推测其可能 的发光机理。 2 2 实验部分 l o 第二章 2 2 1 试剂和材料 试验中所有采用的试剂均为分析纯化学试剂。四乙氧基正硅脂( t e o s ) ， m n c l 2 4 h 2 0 ，n a 2 s 9 h 2 0 ，巯基乙醇( m p a ) ，双氧水( 3 0 ) ，高碘酸钠和z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 购买于北京化学试剂厂( 中国，北京) 。半胱氨酸购买于上海振翔化学研究所( 中国， 上海) 。z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 和m n c l 2 4 h 2 0 的储备液配制在纯净水中备用。n a 2 s 9 h 2 0 ， 巯基乙醇和双氧水的溶液现用现配。其他在试验中使用的试剂均为分析纯化学试剂。 2 2 2 仪器 x 射线衍射谱图是在德国布鲁克公司的d 8 高级x 射线衍射仪用铜片为背景获得。 红外光谱的实验是在美国p e 公司的p e r k i n e l m e r1 0 0 红外光谱仪上进行的。透射电子 显微镜的照片是从日本j e o l 公司的j e m 1 2 0 0 e x 电镜仪器上获得。所有的荧光检测 试验都是在日本日立公司的f l - 7 0 0 0 上进行的。紫外试验都是使用日本日立公司的 u v - 3 9 0 0 紫外可见分光光度仪。透射电镜的样品超声分散于乙醇溶液中并滴在附着碳 膜的铜片上制备而成。静态化学发光试验在有中国科学院生命物理所的超微弱化学发 光分析仪中进行。流动化学发光信号由l u m i f l o wl f 8 0 0 检测器检测，流动的液体由 蠕动泵带动。 2 2 3 纳米量子点的合成 不同类型的锰掺杂的硫化锌纳米量子点的合成方法参照以前报道过的合成方法 稍加变动【6 5 , 6 6 。在试验中，5m l 0 1m 的z n ( n 0 3 ) 2 溶液，1 5m l o 0 1m 的m n c l 2 溶 液以及2 0m l0 1m 的m p a 或半胱氨酸溶液混合后，用水稀释到4 5 5m l 。该混合溶 液通入氮气除氧3 0r a i n ，随后将4 5i i l lo 1m 硫化钠溶液直接加入到混合溶液中振荡 1 5r a i n ，锰掺杂的硫化锌量子点前驱体形成。然后将悬浮液放入6 0 的恒温箱中， 通过不同的加热时间得到不同尺寸的