（分析化学专业论文）纳米基体分子印迹材料的制备及应用.pdf

中文摘要 中文摘要 本论文分为三个部分，包括绪论、 用于牛奶和鸡蛋中磺胺类药物的测定、 样中雌酮的吸附应用。 磺胺甲嗯唑印迹纳米硅球的制备及其应 雌酮印迹碳纳米管的制备及其对环境水 第一章为绪论部分。综述了纳米材料，分子印迹技术以及二氧化硅纳米粒 子的基本理论，介绍了以硅材料为载体分子印迹技术的研究现状。 第二章为磺胺甲嗯唑印迹纳米硅球的制备及其应用于牛奶和鸡蛋中磺胺类 药物的测定。以二氧化硅( s i 0 2 ) 纳米球为载体，分别以磺胺甲嗯唑( s m o ) ，磺 胺嘧啶( s d z ) ，磺胺二甲嘧啶( s m z ) 为模板分子，乙腈为溶剂，丙烯酰胺( a a ) 为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d g m a ) 为交联剂，偶氮二异丁腈( a i b n ) 为引发剂，采用三步升温法制备了三种磺胺类药物的印迹聚合物。所得三种印 迹聚合物对相应的模板分子都有较快的结合速率、较大的吸附容量、较高的印 迹因子和选择性因子。同时使用磺胺甲嚼唑印迹聚合物作为吸附材料，对牛奶 和鸡蛋样品中的s m o 和s d z 进行选择性富集，洗脱后测定，该方法回收率可 达7 4 2 9 2 8 ，准确性较高。 第三章为雌酮印迹碳纳米管的制备及其对环境水样中雌酮的吸附应用。以 包硅碳纳米管( c n t s i 0 2 ) 为载体，雌酮为模板，采用牺牲共价键法制备了碳纳 米管印迹聚合物。所得印迹聚合物比表面积大，对模板分子有较快的结合速率、 较大的吸附容量、较高的印迹因子和选择性因子。该合成方法过程简单，不同 批次间重现性较好。将其用于环境水样中雌酮的吸附，结果显示合成的雌酮印 迹碳纳米管材料选择性吸附效果明显，有良好的应用前景。 关键词：分子印迹技术纳米硅球磺胺类药物碳纳米管雌酮 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h r e ec h a p t e r s ，i n c l u d i n gt h ei n t r o d u c t i o n ，s e p a r a t i o na n d d e t e r m i n a t i o no fs u l f o n a m i d e si nm i l ka n de g g su s i n gs i l i c an a n o p a r t i c l e sm o d i f i e d b ym o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r , m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rc o a t i n gc a r b o n n a n o t u b e sf o ra d s o r p t i o no fe s t r o n ei ne n v i r o n m e n t a lw a t e r i n c h a p t e ro n e ，t h eb a s i st h e o r yo fn a n o m a t e r i a l ，m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d t e c h n o l o g y , s i l i c an a n o p a r t i c l e s i ss u m m a r i z e da n dr e s e a r c hp r o g r e s so fs i l i c am a t r i x u s i n gi nm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n o l o g yi sa l s oi n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o ，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 r s ( m i p s ) w e r ep r e p a r e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gs u l f a m e t h o x a z o l e ( s m o ) ，s u l f a d i a z i n e ( s d z ) ，s u l f a m e t h a z i n e ( s m z ) 嬲t e m p l a t em o l e c u l e ，a c r y l a m i d e ( a a ) 嬲f u n c t i o n a lm o n o m e r , e t h y l e n e g i y c o ld i m e t h a c r y l a t e ( e d g m a ) 硒c r o s s l i n k e ra n da c e t o n i t r i l ea ss o l v e n t 。u s i n gt h e t h r e em a j o rc a l e f a c t i v es t e p si n v o v e di nt h ei m p r i n t i n gs y n t h e s i sa tt h es u r f a c eo f s i l i c an a n o p a r t i c l e s t h ei m p r i n t e dp o l y m e rc o a t i n gs i l i c an a n o p a r t i c l e se x h i b i t e d s e l e c t i v i t y , h i 曲c a p a c i t ya n df a s tk i n e t i c st ou p t a k et e m p l a t em o l e c u l ea n da p p l i e d t o t h ed e t e r m i n a t i o no fs d za n ds m oi nm i l ka n de g g ss a m p l e s t h em e a nr e c o v e r i e s o fs d za n ds m ow e r eb e t w e e n7 4 2 a n d9 2 8 i nc h a p t e rt h r e e ，w ep r e p a r e dc n t s i 0 2b yc o a t i n gc a b o nn a n o t u b e sw i t h s i l i c a 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 r s ( c n t e s t - s im i p ) w e r ep r e p a r e du s i n g as e m i - c o v a l e n ti m p r i n t i n gs t r a t e g ya tt h es u r f a c eo fc n t s i 0 2 c a b o nn a n o t u b e s f u n c t i o n a l i z e db ym o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e re x h i b i t e ds e l e c t i v i t y , h i 曲c a p a c i t y a n df a s tk i n e t i c st ou p t a k et e m p l a t em o l e c u l e t h es y n t h e t i c a lp r o c e s si ss i m p l ea n d t h ed i f f e r e n tb a t c h e so fc n t e s t s im 口s h o w e dg o o dr e p r o d u c i b i l i t yi nb i n d i n g t e m p l a t e c n t e s t - s im i ps h o w e dp o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o rt h ea d s o r p t i o no f e s t r o n ei ne n v i r o n m e n t a lw a t e r k e y w o r d s ：s i l i c an a n o p a r t i c l e s ；s u l f o n a m i d e s ；c a b o nn a n o t u b e s ；e s t r o n e ； m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dt e c h n o l o g y u 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：南游宦 矽7 年r 月1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：南脚证 冲，年r 月乡1 日 南开大学学位论文电子版授权使用- i , h , 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直珏太堂图立焦苤王堡在：焦旦堂僮途塞的笪堡处鎏! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文 在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名：高粒鼹 学号： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米材料概述 1 1 1 纳米材料的定义 所谓纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度( 1 n r n 1 0 0 n m ) 调制的各种固体超细材料。它包括零维的原子团簇( 几十个原子的聚集体) 和 纳米微粒，一维调制的纳米多层膜，二维调制的纳米微粒膜( 涂层) 以及三维调 制的纳米相材料【1 1 。 目前，国际上将处于l n m 1 0 0 n m 尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体 以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料，其中包括金属、非金属、有机、 无机和生物等多种粉末材料。纳米材料是2 0 世纪8 0 年代才发展起来的新型材 料，被美国材料学会誉为2 1 世纪最有前途的材料”。 1 1 2 纳米材料的分类 纳米材料按其结构可以分为4 类 2 】：( 1 ) 零维纳米材料( 如纳米颗粒，原 子团簇等) ；( 2 ) 一维纳米材料( 具有纤维结构，如纳米丝，纳米棒，纳米管等) ： ( 3 ) 二维纳米材料( 具有层状结构，如超薄膜，多层膜等) ；( 4 ) 三维纳米材 料( 纳米相材料) 。 1 1 3 纳米材料的特性 由于纳米材料晶粒极小，表面积特大，在晶粒表面无序排列的原子百分数 远远大于晶态材料表面原子所占的百分数，导致了纳米材料具有传统固体所不 具备的许多特殊性质。 1 1 3 1 表面效应 表面效应是指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大 后所引起的性质上的变化。随着纳米晶粒的减小，表面原子百分数迅速增加。 因为表面原子所处环境与内部原子不同，比表面积大，原子配位数不足，存在 未饱和键，导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性， 】 第一章绪论 特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。 1 1 3 2 小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相 干长度、穿透深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被 破坏，声、光、力、热、电、磁、内压、化学活性等与普通粒子相比均有很大 变化，这就是纳米粒子的小尺寸效应。 1 1 3 3 量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变成 分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动，纳米微粒的声、光、电、磁、热以 及超导性与宏观特性有着显著的不同，称为量子尺寸效应。在纳米材料中处于 分立能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高度光学非 线性、特异性催化和光催化性等。 1 1 3 4 宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时， 该粒子仍能穿过势垒。后来人们发现了一些宏观量( 如微颗粒的磁化强度、量 子相干器件中的磁通量及电荷等) 也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的 势垒而产生变化，故称之为宏观的量子隧道效应。 1 1 3 5 介电限域效应 介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强 的现象，这种介电增强通常称为介电限局，主要来源于微粒表面和内部局域强 的增强。当介质的折射率与微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这 就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增强称为介 电限域。 1 1 4 纳米材料的化学制备方法 1 1 4 1 化学气相沉淀法 ， 化学气相沉积法是利用挥发性金属化合物蒸汽的化学反应来合成所需物 质。由于气相中的粒子成核及生长的空间增大，制得的产物微粒细小，形貌均 2 一 第一章绪论 一，具有良好的分散性；而制备常常在封闭容器中进行，保证了粒子具有更高 的纯度，有利于合成高熔点无机化合物微粒。 1 1 4 2 沉淀法 沉淀法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是使溶液中 的金属阳离子直接与沉淀剂发生化学反应而形成沉淀物。均匀沉淀法是在金属 盐溶液中加入沉淀剂溶液时不断搅拌，使沉淀剂在溶液中缓慢生成，消除了沉 淀剂的不均匀性。共沉淀法是在混合的金属盐溶液中添加沉淀剂，即得到几种 组分均匀的溶液，再进行热分解。共沉淀法的特点是简单易行，但纯度低，颗 粒半径大，适合制备氧化物。 1 1 4 3 水热合成法 在高压釜里的高温高压反应环境中，用水作为反应介质，使得通常难溶或 不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个优点，一是其相对 低的温度；二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。 1 1 4 4 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是指一些易水解的金属化合物( 无机盐或金属醇盐) ，在饱和 条件下经水解和缩聚等化学反应首先制得溶胶，继而将溶胶转为凝胶，再经热 处理而成为氧化物或其它化合物固体的方法。由于前驱体的混合是在溶液中进 行，短时间就可以达到纳米级甚至分子级，在微观结构可调材料制备方面显示 出独特的优势，具有反应物种多、产物颗粒均一、过程易控制等特点。 1 1 4 5 微乳液法 微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀 的乳液，从乳液中析出固相，这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在 一个微小的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，又避免了颗粒之间进一步团聚。 微乳液法实验装置简单，能耗低，操作容易；所得纳米粒子粒径分布窄，且单 分散性、界面性和稳定性好；与其它方法相比具有粒径易于控制、适应面广等 优点。 一3 第一章绪论 1 2 分子印迹技术概述 1 2 1 分子印迹技术的起源和概述 分子印迹属于超分子化学中的主客体化学范畴，是源于高分子化学、生物 化学、材料化学和分析化学等学科的- r 7 交叉学科 3 捌。分子印迹技术，是制备 对特定目标分子( 模板分子也称印迹分子) 具有特异预定选择性的高分子化合 物一分子印迹聚合物的技术 1 0 。1 1 1 。它也被形象地描述成制备“分子钥匙”和“人 工锁”的技术。 分子印迹的产生源于免疫学。早在2 0 世纪4 0 年代，p a u l i n g 就提出了抗体 的生成理论，认为抗原进入机体后，蛋白质或多肽链以抗原决定部位为模板进 行分子自组装和链的折叠，最终形成抗体。后来，p a u l i n g 的理论被“克隆选择 理论”所推翻，但还是为分子印迹的发展奠定了一定的理论基础 12 1 。1 9 4 9 年， d i c k e y 首先提出了“专一性吸附”这一概念，可以视为“分子印迹”的萌芽，但是 在很长一段时间内没有引起人们足够的重视【l3 1 。直到1 9 7 2 年，德国h e i n r i c h h e i n e 大学的w u l f f 研究小组首次报道了人工合成分子印迹聚合物之后，分子印 迹才逐步被人们所认识【1 4 1 。1 9 9 3 年，瑞典l u n d 大学的m o s b a c h 研究小组在 ( ( n a t u r e ) ) 上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，分子印迹技术得到了 蓬勃的发展，成为国内外研究的热削1 5 】。 分子印迹技术之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点：构效预定 性，特异识别性和广泛实用性。基于该技术制各的印迹聚合物具有亲合性和选 择性高，抗恶劣环境的能力强，稳定性高和使用寿命长等优点，因此，它在许 多领域如色谱分析中对映异构体的分离1 6 彩】、化学仿生传感器 2 4 - 2 8 1 、模拟酶催 化【2 9 。3 1 】、临床药物分析【9 ，13 1 、膜分离和固相萃取等领域 3 2 - - 4 2 1 都展现了良好的应用 前景。 1 2 2 分子印迹技术的原理 在印迹分子存在的条件下，将带有特殊官能团的单体与大量的基质单体进 行模板聚合反应。由于印迹分子的存在，在聚合过程中，单体分子本身所带的 官能团会根据与印迹分子相互作用的需要，调整并形成特定的空间构象，得到 高度交联的聚合物。聚合结束后通过洗脱等方法除去聚合物上结合的印迹分子， 聚合物主体上就形成了与印迹分子空间匹配的具有多重作用位点的空穴。这种 4 第章绪论 印迹聚合物对印迹分了及其它与印迹分子结构相似的客体分子具有较高的特异 性结台能力，类似于酶一底物的“钥匙一锁”相互作用，依赖于印迹聚合物和客 体分子大小及形状的匹配。图11 为分子印迹原理示意图。 c r o s s l i n k r e m o v e i t e m p l a t e 罔l1 分子印迹原理示意圈 f i b l1 s c h e m e f 打m c t h e o qo f m o l e c u l a r i m d n n t e d t e c h m q u e 如图1 l 所示分子印迹技术的原理：模板分于与功能单体在合适分散介质中 依靠相互作用力，如共价键、氢键、离子键、范德华力、疏水作用以及空间位 阻效应等形成可逆结合的复合物：再加入交联剂，在光、热、电场等作用以 及引发剂和致孔剂辅助下形成既具有一定刚性叉具有一定柔性的多i l 三维立体 功能材料，并且将模板分子有规律的包在其中；合成后，用一定方法把模板分 子去除，即可获得与模板分子互补有特异识别功能的三维孔穴该孔穴可特异 丘卜 茄曝 第一章绪论 性识别模板分子。 1 2 3 分子印迹技术的分类 分子印迹技术按制备和识别过程中印迹分子与功能单体的作用形式分为共 价型分子印迹、半共价型分子印迹、非共价型分子印迹和金属离子配位型分子 印迹。 1 2 3 1共价型分子印迹 这种方法中，首先模板分子与功能单体通过可逆的共价作用形成含有功能 单体的模板衍生物，然后加入交联剂交联聚合，再通过可逆的化学作用( 如水 解) 除去模板分子。识别过程中仍然是利用模板与聚合物识别空穴中的功能单 体间的可逆化学反应。这种方法的优点是能获得在空间精确固定排列的结合基 团；识别位点均匀；此外模板与功能单体是按特定化学计量比形成化合物后再 聚合，因此不存在过量的功能单体，这就大大地减小了印迹聚合物中非特异性 的识别作用。该法的缺点是制备过程复杂；可供选择的模板和功能单体较少， 应用面窄；模板的洗脱和识别速度较慢。常用于共价分子印迹的作用形式是硼 酸酯 14 1 、希夫碱【4 3 】、缩醛酮 删等。 1 2 3 2 半共价型分子印迹 这种方法在合成时采用的是共价的方法，而在识别时利用的是非共价的方 法。如含羟基的模板与甲基丙烯酸单体成酯后再交联聚合，用水解的方式将模 板除去后即得到模板的印迹聚合物，然后利用模板的羟基与聚合物中印迹位点 的羧基间的氢键作用对模板分子发生识别作用【4 5 1 。这种方法的缺点是用水解的 方式除掉模板不是一件容易的事；此外在空间距离的要求上，羧基和羟基形成 酯与羧基和羟基形成氢键有很大的不同，这对识别过程明显不利。为克服这些 不利因素，w h i t c o m b e 4 6 】发明了一种新的半共价分子印迹技术，称为“牺牲空间 法”。首先用碳酸二酯键将模板分子胆固醇与功能单体4 乙烯苯酚结合起来，形 成含有模板的共价单体衍生物，交联聚合后，通过水解的方式断裂碳酸二酯键， 这样在除去模板的同时，碳酸酯中的羰基作为牺牲空间以c 0 2 的形式同时被除 去，留下的空间恰好适合模板的醇羟基与聚合物识别位点的苯酚羟基间的氢键 作用，因而可以通过非共价作用对模板进行识别。用这种方法也成功地得到了 去甲替林【4 7 1 、睾丸酮【4 8 】、2 ，6 二异丙基苯酚【4 9 】的印迹聚合物。该法继承了共 6 第一章绪论 价法中识别位点均一、非特异性的键合作用少等优点；同时又具有非共价法中 识别速度快的优点。与传统的非共价法相比，该法得到的分子印迹聚合物选择 性方面有所提高【4 7 1 ，柱效及柱容量也有明显的改善 5 0 1 。 1 2 3 3 非共价型分子印迹 非共价法是由m o s b a c h 及其同事在上世纪八十年代发展起来的一种方法。 该法在合成时利用分子间作用力如氢键、离子对作用、偶极偶极相互作用、范 德华力及疏水相互作用等形成模板功能单体复合物，在识别过程中同样是利用 这些作用力。该法的优点是制备过程比较简单，且可供选择的单体和模板较多， 印迹分子的识别和洗脱速度较快，因此是目前分子印迹技术中主要采用的方法。 与共价键相比，分子间作用力相对较弱，因此要形成稳定的单体模板复合物， 常常需加入过量的功能单体，其结果是除了在分子印迹聚合物的识别位点有功 能单体的功能基团外，功能基也随意地分布在聚合物的其它部位，这必将增大 分子印迹聚合物的非特异性吸附，使其选择性下降。此外，模板与功能单体通 过分子间作用力形成模板功能单体复合物过程是动态平衡的，形成的复合物中 模板与单体的配比也不是单一的( 类似于络合物的多级解离平衡) ，从而导致印 迹聚合物中识别位点的不均一性。 1 2 3 4 金属离子配位型分子印迹 由于氢键等分子间作用力相对较弱，因此大多数分子印迹聚合物只在非极 性或弱极性有机溶剂中有识别作用。生物体内的分子识别作用则都是在水性介 质中发生的。因此制备在水性介质中具有高选择性的分子印迹聚合物一直是科 学工作者努力的目标。将金属离子的配位作用引入分子印迹技术中为实现印迹 聚合物在极性介质中的识别提供了一种方法。在金属离子印迹中，金属离子的 作用有两种情况：一种是金属离子本身作为模板 5 u ；另一种情况是金属离子作 为媒介，通过配位作用将模板分子与功能单体结合起来形成模板单体复合物后 再交联聚合【5 2 巧4 1 。 1 2 4 分子印迹技术的应用 与传统常用方法相比，分子印迹技术可实现目的组分的分离检测，选择性 高，适用范围广，易于工业化生产，稳定性好。因此应用十分广泛。 7 第一章绪论 1 2 4 1 色谱固定相 分子印迹聚合物最重要的用途就是作为色谱固定相用于分离领域。其作为 色谱固定相最大的优点是可预测选择性，通常分离因子在1 5 5 之间，目前研究 成果中印迹分子范围比较广阔，无论是小分子( 氨基酸、药品和碳氢化合物) ， 还是大分子( 如蛋白质) ，都已经被用于各种印迹技术中。分子印迹聚合物作 为色谱固定相应用于拆分外消旋体。1 9 8 6 年w u l f f 等利用共价法成功地制备出 聚苯乙烯m i p ，分离了苯基甘露吡喃糖苷对映体【5 5 】。此外在非手性分子的识别分 离方面也有了新的进展。s h e a k 等使用9 乙基腺嘌呤为模板制得的印迹聚合物用 于h p l c 固定相，对模板分子选择性极高，类似于经过多步制得的低分子量的受 体的选择性。m o s b a c h 等 5 6 】制备出分离n 乙酰基l 苯丙酰基l 色氨酸甲酯的 m 口，其分离系数达到1 7 8 。p e t c u 掣，7 】通过分子印迹方法建立了血液中2 ，6 二异 丙基苯酚简便快速和准确的色谱测定方法。目前，m p 作为色谱固定相分离的 物质包括氨基酸及其衍生物、肽、甾醇、杀虫剂、胺类物质和糖及其衍生物等。 1 2 4 2 生物传感器 特殊识别现象在传感器技术中扮演着重要的角色。化学或生物传感器，都 是由识别元件和与其紧密接触的转换器组成的，它将对分析物产生的应答信号 转变成输出信号。关于环境监测、生物医疗、食品分析等的传感器都是将生物 分子( 如酶、抗体) 作为其特异识别元件。由于生物分子物理化学稳定性差， 因此生物传感器的实用化和商品化受到了很大的限制，这导致了人造受体得到 广泛重视。分子印迹系统的有利之处在于其识别位点是“特制的”，并且同时 引入了固相聚合支撑物。正是考虑到m i p 有非常高的特异性及物理化学稳定性， 科学家们在这一方面作了大量尝试。 1 9 9 1 年，m o s b a c h 5 8 等人首次将印迹与传感器技术结合起来，利用m i p 作为 识别元件，制备出生物传感器并申请了专利，后来陆续有人报道了关于氨基联 苯、吗啡、荞去津等的m i p 传感器的研究。目前利用分子印迹聚合物生产的传感 器已用于实际测定中，并且可望用于光学传感器。d i c k e r t 等将分子印迹技术同 荧光光谱技术相结合，发展了一种用于检测水中多环芳烃的灵敏的化学传感器。 他们还将分子印迹聚合物薄膜同一些通用型的质量换能器如石英微量天平以及 表面声波结合在一起，用于分子印迹传感器。 8 第一章绪论 1 2 4 3 临床药物分析 配体结合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，但使用抗体操作很 不方便，而且费用高，因此a n d e r s s o n 等用m 口来模拟抗体的结合位点，分析血 液中药物的浓度。所得结果与用免疫分析得到的结果相比较，表明m i p 具有同抗 体相似的选择性结合能力和交叉反应分布，性能稳定、易制备，因而m i p 用于临 床分析的前景十分看好。 1 2 4 4 分子印迹膜 k o b a y a s h i 等采用相转化技术制备了茶碱的分子印迹聚合物薄膜。这个薄膜 是丙烯腈、丙烯酸的共聚物。通过吸附实验发现，茶碱的吸附量远大于咖啡因， 这表明在相转化过程中，分子印迹聚合物记录了茶碱分子的形状。通过对薄膜 的表征，发现了茶碱仁【5 9 】和共聚物间相互作用的证据。y o s h i k a w a f l l j 备了四肽h a s p ( o c h e x ) - h e a s p ( o c h e x ) 一g l u ( o b z l ) 一c h 3 的分子印迹聚合物薄膜，通过n - d l - a c t r y p t o p h a n 的电渗析实验发现该薄膜对异构体有选择性。s h e a 等研究了能 选择性地透过某些天然分子的分子印迹聚合物薄膜。 1 2 4 5 抗体和受体模拟物 印迹聚合物被研究的另一个应用领域是它作为抗体和受体模拟物的适用 性。研究发现，m i p 具有类似于抗体或受体的高度特异识别性，因此可被用来代 替抗体而用于免疫测定中，1 9 9 3 年，v l a t a k i s 6 0 】等人首次在这一领域作了报道， 他们用支气管扩张药品茶碱和安神药安定制得的印迹聚合物显示出惊人的专一 识别性，通过竞争性放射免疫测定发现，m d 的相关识别结构是不存在的或远低 于印迹分子，但它们的交叉反应同单克隆抗体一致。由于分子印迹聚合物物理 化学性质稳定，保证了识别性质的高度稳定性。m o s b a c h 等人用印迹聚合物代替 抗体在放射免疫测定中检测药物中的吗啡、茶碱等。但值得注意的是某些天然 抗体的印迹聚合物是难以获得的，如免疫抑制性药品和小分子非免疫性物质。 对于小分子化合物，通常需连接一个载体分子，但这样可能会导致抗原性质发 生相当大的变化，1 9 9 8 年，h a u p t 6 1 】等人曾在2 ，4 二氯乙酸的印迹聚合物的测定 中提及这一问题。 9 第一章绪论 1 2 4 6 固相萃取 s d l e r g r 锄r 6 2 】首次报道了将分子印迹聚合物用于固相萃取，近年来，相继有 一些报道出现【6 3 ，这种方法可用于样品的制备中，如医药、食品和环境分析样 品的制备。通常，样品的制备都包括溶剂萃取，由于分子印迹的出现，这可以 用固相萃取代替，并且可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分析物。由于印 迹聚合物既可在有机溶剂中使用，又可在水溶液中使用，故与其它萃取过程相 比，显示出独特的优点。 1 3 纳米二氧化硅( s i 0 2 ) 与分子印迹技术 1 3 1 纳米s i 0 2 的表面化学修饰 纳米s i 0 2 呈三维网状结构，表面存在大量的不饱和残键和不同状态的羟基 ( 如图1 2 所示) ，这使得纳米s i 0 2 表面能高，处于热力学非稳定状态，具有很 高的化学活性。利用这一特殊性质，可以使多种物质接枝到纳米s i 0 2 颗粒表面， 改善颗粒表面状态，实现对其的化学修饰。同时修饰物还可以将不同的有机官 能团引到纳米s i 0 2 颗粒表面，使其功能化。 图1 2 纳米s i 0 2 表面形态示意图 f i g1 2 s c h e m ef o rt h ee x t e r n a lf o r mo fs i 0 2 1 3 1 1 硅烷偶联剂对s i 0 2 的表面修饰 有机硅烷偶联剂是纳米s i 0 2 众多表面修饰剂中最为常用的一种。有机硅烷偶 联剂种类很多，但结构大体相似，其通式可表示为( r o ) 3s i r ，其中r o 代表烷氧 基团，r 代表不同的有机官能团。硅烷偶联剂对纳米s i 0 2 的修饰分为两个步骤： 首先是偶联剂烷氧基团的水解，生成硅羟基；然后生成的硅羟基与纳米s i 0 2 表面 的羟基或其他活性结构缩合成硅氧键，从而使偶联剂接枝在纳米颗粒表面。接 1 0 第一章绪论 枝到纳米s i 0 2 颗粒表面的官能团r 具有反应活性，是纳米颗粒表面功能化的成 分。 毋伟等【6 4 , 6 5 1 在用硅烷偶联剂通过溶胶凝胶法对s i 0 2 修饰的研究中提出：硅 烷偶联剂的有机部分代替纳米s i 0 2 表面的硅羟基而实现二者间的连接，偶联剂使 s i 0 2 粒径变小，分散更加均匀。硅烷偶联剂与纳米颗粒间形成新的化学键，以保 证二者间稳定的结合，这在许多工作中都有证明 6 硒8 1 。 偶联剂对纳米s i 0 2 的表面修饰，可以有效改善纳米颗粒在聚合物中的分散性 6 9 - 7 1 】。优异的分散性会对s i 0 2 在聚合物基体中的形态产生定的影响。经过修 饰的纳米s i 0 2 ，在聚合物中以更规则的球形或链状存在，未经修饰的纳米s i 0 2 则 更倾向于网状或凝胶状 7 2 】。聚合物有些带有较强的极性，选择与聚合物材料极 性相似的偶联剂修饰s i 0 2 颗粒，更有利于纳米颗粒在基体中的均匀分散和复合材 料性能的提甜7 3 】。 1 3 1 2 聚合物对纳米s i 0 2 的表面修饰 聚合物对纳米s i 0 2 修饰是通过聚合反应或高分子反应，在纳米粒子表面包覆 聚合物层来完成的。用聚合物修饰纳米颗粒更有利于提高修饰后的纳米颗粒与 聚合物基体的相容性，提高二者之间的结合力。 用聚合物对纳米s i 0 2 表面修饰的方法有两种，第一种是将纳米s i 0 2 颗粒分散 到单体中，然后引发聚合反应，使高分子链与s i 0 2 接枝生长，生成聚合物包覆的 s i 0 2 纳米颗粒。r u a n - 等 7 4 j 将s i 0 2 纳米颗粒与丙烯酸丁酯单体在丫射线照射下引发 聚合反应，使聚丙烯酸丁酯接枝至l j s i 0 2 表面，形成聚丙烯酸丁酯修饰的纳米s i 0 2 ， 并用作聚丙烯的改性填料。z h a n g 等 7 5 】用相似的方法合成了聚苯乙烯、聚甲基丙 烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯和聚丙烯酸丁酯修饰的s i 0 2 纳米颗粒。另一种方法 是将已生成的聚合物链通过适当的方法接枝到纳米颗粒表面，实现对其表面修 饰。v o r o n o v 等【1 7 6 】研究了用聚乙烯基吡咯烷酮通过机械球磨法对s i 0 2 表面修饰， 并证明了修饰剂与纳米颗粒的化学键相连接。 1 3 1 3 其他物质对纳米s i 0 2 的表面修饰 除上述物质以外，还有很多物质可以用作纳米s i 0 2 的表面修饰剂，这些物质 需要满足带有能与s i 0 2 表面活性羟基形成较为稳定结合力的官能团的条件，如 c o o h 、- n c o 和c h 2 c h o 等，以保证修饰的稳定性。t a n g 等 7 7 】和d i n g 等【7 8 1 在 第一章绪论 各自的工作中都用油酸修饰纳米s i 0 2 ，修饰剂以稳定的化学键与纳米颗粒连接， 同时油酸上带有的c = c 又为s i 0 2 提供了表面功能化的基团。此外，乙烯基吡啶 7 9 】 丙烯基缩水甘油醚【8 0 3 和对乙烯基苯磺酰肼【8 1 1 等用作纳米s i 0 2 表面修饰剂的工作 都有报道。 1 3 2s i 0 2 为壳层包裹纳米粒子 二氧化硅是一种无毒、无味、无污染的无机材料，并且具有良好的亲水性 和稳定性；在反应的过程中，s i 0 2 胶体形貌可控，沉积过程易控，且其前驱体廉 价易得；同时s i 0 2 具有许多优异的性质：透光性、化学惰性、生物兼容性等；s i 0 2 的这些特性可以保持核层材料原有的物理、化学性质基本不变。因此，s i 0 2 是一 种优良的壳层材料。 1 3 2 1 二氧化硅包裹磁性纳米粒子 由于磁性纳米粒子( f e 、c o 、f e 3 0 4 等各种铁氧体化合物) 具有高比表面积、 高比表面能，以及粒子各向异性的偶极矩作用，因此很容易团聚，有些磁性粒 子女l l f e 、f e 3 0 4 很容易被氧化，从而导致粒子发生聚集和沉淀，不能形成稳定的 分散体系，使其在生物医学中的应用受到了限制。用二氧化硅对磁性纳米粒子 表面进行修饰可以阻止粒子团聚【8 2 】和增强其稳定性f 8 3 】，为磁性微球进行表面生 物修饰及其在生物医学中的应用提供了重要保障。 1 9 9 2 年，o h m o r i l 8 4 j 等利用传统的s t 6 b e r 方法( 碱催化水解法) ，用正硅酸 7 , 酯( t e o s ) 在2 丙醇溶液中水解，经过优化条件，在链子状的c 【一f e 2 0 3 粒子外直 接覆盖了一层厚度均匀的二氧化硅。 2 0 0 3 年，v e s t a l 等【8 5 悃反相微乳液法以c o f e 2 0 4 、m b f e 2 0 4 纳米粒子为核 层材料，通过反相微乳液法制备具有核壳结构的s i 0 2 c o f e 2 0 4 、s i 0 2 m b f e 2 0 4 复合磁性纳米粒子。沈鹤柏等 8 6 】采用两步法实现s i 0 2 对q f e 2 0 3 的包裹，通过3 巯基丙基三甲氧基硅烷( m p t s ) 的偶联作用在磁性复合粒子表面连接上 o l i g o d n a ，并采用表面激光拉曼光谱对d n a 在复合粒子表面的键合情况进行了 研究。 磁性氧化物由于粒子表面有氧原子，容易与二氧化硅结合形成二氧化硅包 裹层。但是磁性金属粒子表面没有与二氧化硅结合的化学键，包裹比较困难， 因此需要对金属粒子表面改性。 1 2 第一章绪论 y o s h i o 等【明在氮气保护下，用硼氢化钠在以柠檬酸作为分散剂的溶液中制 备出c o 溶胶，然后向溶胶中加入含有硅烷偶联齐u ( a e s ) 和t e o s 的乙醇溶液制备 出了分散性好、核壳结构的s i 0 2 c o 纳米复合粒子，再对复合粒子进行煅烧处理， 结果发现复合粒子中无定形的c o 经过4 0 0 。c 或者5 0 0 c 煅烧会结晶形成金属c o 而 不是氧化钴，这是由于s i 0 2 壳层的存在阻止了煅烧过程中c o 的氧化。 二氧化硅磁性复合纳米粒子兼具磁性纳米粒子优异的磁性和二氧化硅的生 物相容性、稳定性，在生物医学方面有着广泛的应用，如蛋白质$ 1 d n a 的分离 8 8 , 8 9 、磁流体磁热疗法治疗肿瘤 啊、药物载体等。 1 3 2 2 二氧化硅包裹量子点 半导体纳米晶( 量子点) 具有特殊的光学、光化学、电学及非线性光学性质。 为了获得稳定、高效的光学性能，可以在半导体纳米材料的表面包覆无机壳层。 通过无杌物包覆在半导体纳米颗粒外部，形成核壳型纳米复合微粒，壳层的修 饰作用可极大地增强半导体纳米颗粒的稳定性【9 2 】。 1 9 9 4 年a s h e r 掣邺j 首次报道 c d s s i 0 2 复合物的制备。他们利用微乳液法在 c d s 纳米粒子表面包覆s i 0 2 壳层。2 0 0 1 年，g e r i o n 等畔】在核壳型半导体量子点 c d s e z n s ； b 部吸附t o p o 偶联剂，通过t e o s 水解在c d s e 亿n s 外面包覆了一层二 氧化硅。二氧化硅胶体外壳具有较好的生物兼容性，并且容易通过在其表面连 接亲水、亲油或其它基团而使微球功能化，可以与有机、生物分子相结合。包 覆二氧化硅壳层，提高了半导体量子点的稳定性和生物兼容性。2 0 0 4 年，n a n n 等【9 5 】利用类似的方法在核壳型半导体量子点c d s e z n s 外部包覆了一层二氧化 硅。2 0 0 4 年，c h a n g 等 9 6 制备了单分散的c d s e z n s 纳米晶，并将其包埋在二氧化 硅壳层中，制备成单分散的复合微球。他们将复合微球注入到老鼠体内作为成 像标示物，进行了活体成像研究。该纳米复合粒子水溶性好，稳定性高，大小 均一，其抗光漂白性能大大增强。在生物、医药以及诊断等多个领域具有广泛 的应用前景。 1 3 2 3 二氧化硅包裹贵金属 金、银等贵金属由于其表面惰性，很难形成包裹的复合纳米粒子。早在1 9 9 6 年，m u l v a n e y 和l i z m a r z a n 等t 9 7 1 用硅烷偶联剂作表面活性剂，以柠檬酸作稳定 剂在金纳米粒子表面接枝硅氧基团，使其易与硅氧离子缩合。用活性硅溶液在 1 3 第一章绪论 其表面沉积一薄层二氧化硅。这种方法是人们研究最多的一种包裹形式。2 0 0 0 年，h a r d i k a r 掣9 8 】研究发现：在某些条件下，不对粒子表面进行预处理，用s t 6 b e r 方法也可以得到二氧化硅覆盖的银纳米粒子。 1 9 9 9 年，a d a i r 和其合作者利用反相( w o ) 微乳液法制备t a g 纳米颗粒。 并且利用同一乳液液滴为反应介质，在a g 纳米颗粒表面包覆了一层二氧化硅 【嗍。m a r t i n o 等【1 0 0 1 用同样的方法制备了包埋a u 纳米颗粒的核壳型纳米复合材 料。这些纳米复合粒子具有许多不同于单组分胶体粒子的独特的光、电、磁、 催化等物理与化学性质，因而已得到广泛的关注。 1 j 3 硅胶表面分子印迹 1 3 3 1 硅球载体印迹小分子 传统m i p 粒子制备过程中，粒子的形态结构以及结合位点的识别性能同时受 到诸如溶剂、功能单体等因素的影响；而且欲得到所期望的形态结构所需的条 件往往与获得高识别性位点的条件不一致。表面分子印迹是指在固体表面进行 印迹聚合的技术，其最初来源于硅胶的表面处理与衍生。硅胶表面具有大孔结 构，而且表面含有大量的s i o 键可用于表面接枝，可以根据实际需要选择合适粒 径、孔径分布均匀的硅胶作为载体，制备分子印迹聚合物复合粒子。通过在形 状规则的粒子表面形成m 口薄层，可制备出高产率、窄分布的复合粒子，该过程 无需磨碎和筛分，因此避免了材料的浪费。由于所制备的分子印迹聚合物上的 结合位点大部分处于表面印迹薄层之中，可以很大程度地减少“包埋”现象，提高 聚合物对模板分子的可接近性，加速识别动力学。 目前，以硅胶为载体的核壳型分子印迹聚合物渐渐地成为表面印迹的新宠。 c h a n g 等 1 0 l 】把模板分子雌激素酮经由热可逆共价键连接到功能单体上，通过逐 步聚合得到可溶性的聚酰胺酸，然后用传统的聚合物溶液涂层方法，在预先氨 基化( 提高表