（应用化学专业论文）基于纳米硅胶表面山奈酚分子印迹聚合物的制备及性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 分子印迹技术 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 是一种制 备对目标化合物 模板分子 具有强亲和力和高选择性的高分子聚合 物材料的新型技术 制备的分子印迹聚合物 m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r s m i p s 在空间结构和功能基的排布上与模板分子高度吻合 从而对模板分子及其结构类似物具有高度选择性和专一性的识别能 力 目前m i t 广泛应用于分离 提纯 催化 传感器等各个领域 发展前景十分广阔 中草药成分复杂 对中草药中活性成分的分离纯化是提高中药制 剂质量和药效的关键 因此 开展从复杂体系中选择性的分离和提纯 有效活性成分的研究具有十分重要的应用价值和现实意义 本文以山 奈酚 k a e m p f e r o l k a e 为模板分子 利用硅胶表面接枝聚合的方 法制备了基于纳米硅胶表面的山奈酚分子印迹聚合物 k a e s m i p 运用傅立叶 红外光谱仪 f t i r 紫外可见光谱仪 u v v i s 热重 分析仪 t g d s c 扫描电镜 s e m 元素分析仪等对其进行了结 构表征 通过光谱法考察了模板分子和功能单体之间的非共价作用 并研究了致孔剂 功能单体种类 反应物料的配比及聚合温度等因素 对聚合物吸附性能的影响 优化了k a e s m i p 的最佳合成条件 采 用静态吸附实验和选择性实验 考察了k a e s m i p 的吸附特性和分 子识别性能 并揭示了k a e s m i p 的印迹 识别 传质和吸附机理 同时 利用本体聚合法制备了山奈酚分子印迹聚合物 1 认e m i p i 江苏大学硕士学位论文 比较了由表面接枝聚合法与本体聚合法制备的印迹聚合物在吸附能 力 印迹效率 吸附速率及分子识别特性上的差异 主要研究结果如下 lk a e s m i p 的最佳制备条件为 以甲醇为溶剂 2 乙烯基吡啶 2 一v p y 为功能单体 二甲基丙烯酸乙二醇酯 e d m a 为交联剂 n k a e n 2 v p y n e d m a 1 8 4 0 硅烷化硅胶用量为功能单体和交 联剂质量的4 0 0 在5 0 下反应6h 后继续在6 0 下聚合2 4h 利 用本体聚合法 以相同溶剂 相同模板分子 功能单体与交联剂配比 反应温度为6 0 条件下 聚合2 4h 制备了k a e m i p 2k a e s m i p 对k a e 具有良好的亲和性 吸附选择性和分子识 别能力 其等温吸附曲线符合l a n g m u i r 吸附等温模型 由s c a t c h a r d 分析知聚合物中有两类不同的结合位点 高亲和力结合位点的离解常 数k d l 0 2 5 6l a m o l m l 最大表观结合量q m 积l 3 3 3 1g m o l g 低亲 和力结合位点的离解常数k d 2 2 3 2 6g m o l m l 最大表观结合量q m a 2 1 6 1 6 3 t m o l g 其表观印迹效率为8 5 5 动力学研究表明在前3 0 m i n 内 k a e s m i p 吸附速率快 4 5m i n 时即可达到饱和吸附 选择 性实验表明 k a e s m i p 对不同底物的分离因子均大于2 具有优良 的分子特异性识别能力 3k a e m i p 对k a e 具有较好的亲和性及吸附选择性 其等温吸 附曲线符合l a n g m u i r 吸附等温模型 进行s c a t c h a r d 分析后得到两类 不同的结合位点 高亲和力结合位点的离解常数k s l o 5 9 4 g m o l m l 最大表观结合量q m 觚1 8 5 1 4g m o l g 低亲和力结合位点 l l 江苏大学硕士学位论文 的离解常数如 2 2 2 2g m o l m l 最大表观结合量q m a x 2 2 4 6 9 1 g m o l g 其表观印迹效率为2 9 1 动力学研究表明在前6 0m i n 内 k a e m i p 吸附速率快 2h 时可达到饱和吸附 选择性实验中 k a e m i p 对不同底物的分离因子均大于1 2 具有良好的分子识别能 力 4 热重 扫描和透射电镜 比表面与元素分析等表征表明 k a e s m i p 是在硅胶微球表面包覆了一层结构疏松多孔状的聚合物 薄层 k a e m i p 是具有多孔结构的蜂窝状物质 都有良好的热稳定 性 5 通过对k a e s m i p 和k a e m i p 的吸附容量 印迹效率 分子识 别能力和吸附速率的比较表明 k a e s m i p 的吸附容量低于 k a e m i p 但其印迹效率远大于k a e m i p k a e s m i pl k a e m i p 对模板分子有更强的特异识别能力 对底物有更快的选择吸附速率 关键词 山奈酚 硅胶 分子印迹 聚合物 吸附 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 i san o v e lt e c h n i q u ef o r p r o d u c i n gp o l y m e rm a t e r i a l sw i t hh i g ha f f i n i t ya n ds e l e c t i v i t yf o rt a r g e t c o m p o u n d t e m p l a t e 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 p r e p a r e d b ym i th a v eh i g h l y t a l l i e dw i t ht e m p l a t em o l e c u l ei nt h e s p a t i a l s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n a lg r o u p sa r r a n g e m e n t a sar e s u l t i th a sa c q u i r e d a na b i l i t yo fm e m o r yr e c o g n i t i o nf o rt e m p l a t em o l e c u l e sa n dt h e i r s t r u c t u r a la n a l o g u e sw i t hh i g hs e l e c t i v i t ya n ds p e c i f i c i t y f o ri t ss p e c i f i c n a t u r e m i p sa r ew i d e l yu s e di nt h es e p a r a t i o n p u r i f i c a t i o n c a t a l y s i s s e n s o r sa n do t h e rf i e l d s a n dh a v eg r e a td e v e l o p m e n tp r o s p e c ti nt h e 矗j t l l r e t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e t c m s y s t e mi sc o m p l e x a n dt h e p u r i f i c a t i o no ft h ef u n c t i o no ft c m i st h ek e yt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ff o r m u l a t e dc o m p o u n d t h u s i ti so fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n v a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h es e l e c t i v es e p a r a t i o na n d e x t r a c t io no fe f f e c t i v ef u n c t io n a lf a c t o r sf r o mc o m p l e xt c ms y s t e m i n t h i s p a p e r o n e k i n do ff l a v o n o i d sf u n c t i o n a lf a c t o r so ft c m k a e m p f e r o l k a e w a s u s e da s t e m p l a t e m o l e c u l et o p r e p a r e k a e 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 o nt h es u f a c eo fs i l i c a n a n o p a r t i c l e s k a e s m i p w i t hs u r f a c eg r a f tp o l y m e r i z a t i o n t h e n v 江苏大学硕士学位论文 k a e s m i pw a sc h a r a c t e r i z e d b yf t i r u v v i s t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s t g d s c s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y s e m a n d e l e m e n t a n a l y s i s t h ep r e s e n c eo fn o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n sb e t w e e nt e m p l a t ea n d m o n o m e rw a sv e r i f i e db yu v v i ss p e c t r o m e t r i cd e t e c t i o n t h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n ts y n t h e t i cc o n d i t i o n s p o r o g e n f u n c t i o n a lm o n o m e r r e a c t a n t r a t i o p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e e t c o nr e c o g n i t i o np r o p e r t i e so f p o l y m e r sw a si n v e s t i g a t e dt oo p t i m i z et h es y n t h e t i cc o n d i t i o n s t h e a d s o r p t i o na b i l i t y a n d m o l e c u l a r l ys e l e c t i v i t y o fk a e s m i pw e r e e v a l u a t e db ys t a t i ce q u i l i b r i u ma d s o r p t i o na n ds e l e c t i v e e x p e r i m e n t s a n dt h ei m p r i n t i n g r e c o g n i t i o n m a s st r a n s f e ra n da d s o r p t i o nm e c h a n i s m o fp o l y m e r sw e r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e k a e m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d p o l y m e r sw e r ep r e p a r e db yt h eb u l kp o l y m e r i z a t i o nw i t ht h eo p t i m u m c o n d i t i o n sa n dt h et w ok i n d si m p r i n t e dm a t e r i a lw e r ec o m p a r e di nt h e a d s o r p t i o nc a p a c i t y e f f i c i e n c y a d s o r p t i o n r a t ea n dm o l e c u l a r r e c o g n i t i o n t h em a i nf i n d i n g sg a i n e da r ea sf o l l o w s 1as e r i e so fk a e s m i pw e r es y n t h e s i z e db yg r a f tp o l y m e r i z a t i o n o nt h es u r f a c eo fs i l i c an a n o p a r t i c l e s o p t i m u mc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s m e t h a n o la sp o r o g e n 2 v i n y l p y r i d i n e 2 v p y a sf u n c t i o n a lm o n o m e r e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h y la c r y l a t e e d m a a sc r o s s l i n k e r n k a e n 2 v p y n e d m a 1 8 4 0 t h eq u a l i t yo fs i l a n i z e ds i l i c ap a r t i c l e sa st h ea m o u n to f m o n o m e r s4 0 0 t h er e a c t i o na t5 0 cf o r6ht oc o n t i n u ep o l y m e r i z a t i o n 江苏大学硕士学位论文 a t6 0 cf o r2 4h k a e m i pw a sp r e p a r e db yb u l kp o l y m e r i z a t i o ni nt h e s a m es o l v e n t m o n o m e r s r a t i oa n dp o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f6 0 2 f o r2 4h 2t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tk a e s m i pe x h i b i t e dg o o da d s o r p t i o n a f f i n i t y e x c e l l e n ts e l e c t i v i t ya n dm o l e c u l a rr e c o g n i t i o nt o w a r dt h e t e m p l a t em o l e c u l ek a e i t sa d s o r p t i o ni s o t h e r mw a si n l i n ew i t ht h e l a n g m u i ri s o t h e r m s c a t c h a r da n a l y s i s r e v e a l e dt h a tt w oc l a s s e so f b i n d i n gs i t e sw e r ef o r m e di nt h ek a e s m i et h ed i s s o c i a t i o nc o n s t a n t s o fh i g ha f f i n i t yb i n d i n gs i t e s 凰1 a n ds a t u r a t i o nb i n d i n gs i t e s q m 觚1 w e r ee s t i m a t e dt ob eo 2 5 6g m o l m la n d3 3 31 p m o l g r e s p e c t i v e l y k d 2 a n d 绋a 2o fl o wa f f i n i t yb i n d i n gs i t e sw e r e2 3 2 6g m o l m la n d16 16 3 g m o l g r e s p e c t i v e l y t h ea p p a r e n ti m p r i n t i n ge f f i c i e n c yw a s8 5 5 a d s o r p t i o nk i n e t i c ss t u d ys h o w e dt h a tk a e s m i pa d s o r b e dq u i c k l yi n t h ef i r s t3 0m i n u t e s a n dr e a c h e ds a t u r a t i o na d s o r p t i o nq u i c k l ya t4 5m i n t h er e s u l t so fs e l e c t i v i t ys t u d ys h o w e dt h a tt h es e l e c t i v i t yc o e f f i c i e n ti s m o r et h a n2f o rk a ew i t hr e s p e c tt ot h ec o m p e t i t i o ns p e c i e s 3k a e m i pe x h i b i t e d g o o da d s o r p t i o na f f i n i t y a n ds e l e c t i v i t y t o w a r dk a e a n di t sa d s o r p t i o nc u r v ew a si nl i n ew i t ht h el a n g m u i r i s o t h e r m s c a t c h a r da n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt w oc l a s s e so fb i n d i n gs i t e s w e r ef o r m e di nt h ek a e m i rt h ed i s s o c i a t i o nc o n s t a n t so fh i g ha f f i n i t y b i n d i n gs i t e s 心1 a n ds a t u r a t i o nb i n d i n gs i t e s o m a x i w e r ee s t i m a t e dt o b eo 5 9 4g m o l m la n d8 514p m o l g r e s p e c t i v e l y k d 2a n dq m a x 2o fl o w v i l 江苏大学硕士学位论文 a f f i n i t yb i n d i n g s i t e sw e r e2 2 2 2 g m o l m l a n d2 4 6 91 g m o l g r e s p e c t i v e l y t h ea p p a r e n ti m p r i n t i n ge f f i c i e n c yw a s2 9 1 a d s o r p t i o n k i n e t i c ss t u d ys h o w e dt h a tk a e m i pa d s o r b e dq u i c k l yi nt h ef i r s t6 0r a i n a n dr e a c h e ds a t u r a t i o na d s o r p t i o nq u i c k l ya t2h t h er e s u l t so fs e l e c t i v i t y s t u d ys h o w e dt h a tt h es e l e c t i v i t yc o e f f i c i e n ti sm o r et h a n1 2f o rk a e w i t hr e s p e c tt ot h ec o m p e t i t i o ns p e c i e s 4t h er e s u l t so ft g d s c s e m t e m s p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n d e l e m e n ta n a l y s i ss h o w e dt h a tk a e s m i pw a sap o l y m e rl a y e rw i t hl o o s e s t r u c t u r ec o a t e do nt h es u r f a c eo fs i l i c an a n o p a r t i c l e s a n dk a e m i pw a s p o r o u sp o l y m e r s t h et w ok i n d si m p r i n t e dm a t e r i a l sa l lh a dg o o dt h e r m a l s t a b i l i t y 5t h er e s u l t so fa d s o r p t i o n c a p a c i t y i m p r i n t i n ge f f i c i e n c y m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n da d s o r p t i o nr a t es h o w e dt h a tk a e s m i ph a d l o w e ra d s o r p t i o nc a p a c i t yb u tm u c hh i g h e ri m p r i n t i n ge f f i c i e n c yt h a n k a e m i e c o m p a r e d w i t hk a e m i p k a e s m i ph a de x c e l l e n t m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n df a s ta d s o r p t i o nr a t e k e yw o r d s k a e m p f e r o l s i l i c an a n o p a r t i c l e s 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 a d s o r p t i o n v l l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校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 允许论文被查阅和借阅 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 本学位论文属于 保密口 在 年解密后适用本授权书 不保密口 学位论文作者签名 年月 日 指导教师签名 贸影一宅 年月 日 独创性声明 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 除文中已注明引用的内容以外 本论 文不包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 均己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 学位论文作者签名 日期 年月 江苏大学硕士学位论文 1 1 分子印迹技术概述 第一章绪论弟一早珀y 匕 分子印迹技术 m o l e c u l a ri m p r i n t i n gt e c h n i q u e m i t 又称为分子烙印技术 由德国的w u l f f 等 i 提出 是指将目标分子即模板分子与具有某些特定官能团的 小分子单体以共价键 非共价键或半共价键作用结合 在交联剂 引发剂作用下 聚合 而后从聚合物中将模板分子洗脱出来 得到对模板分子具有固定的特异性 识别位点的聚合物的技术 因此被形象的描绘为制造识别 分子钥匙 的 人工 锁 的技术 它将高分子科学 材料科学 生物化学 化学工程等学科有机的结 合在一起 形成了基于超分子化学和高分子化学的分子印迹学 这种具有特异性 识别位点的高度交联的聚合物称为分子印迹聚合物 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 1 1 1 分子印迹技术的基本原理 分子印迹技术的实现通常包括以下过程 1 在适当的溶剂中 具有特定功能基团的功能单体通过与模板分子间的 相互作用与模板分子形成稳定的单体 模板分子复合物 2 加入过量的交联剂与引发剂 对这种单体一模板分子复合物进行聚合 从而使功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固定下来 3 通过一定的物理或化学方法把模板分子从聚合物中除去 这样 在高 聚物中就留下了一个与模板分子在空间结构上完全匹配的三维空穴 在合适的条 件下 这个三维空穴可以重新与模板分子结合 即对模板分子具有专一性识别作 用 分子印迹过程如图1 1 所示 江苏大学硕士学位论文 厶 卣幽 a 卣越 图1 1 分子印迹过程示意图 f i g 1 1i l l u s t r a t i o no f m o l e c u l a ri m p r i n t i n g 1 1 2 分子印迹技术的分类 按照功能单体与模板分子结合方式的不同 分子印迹技术一般分为两种方 法 分子自组装和分子预组装法 1 1 2 1 分子自组装法 分子自组装法即非共价键法 4 是功能单体与模板分子在溶液中以疏水作 用 氢键 静电作用 金属螯合作用 电荷转移以及范德华力等 5 6 1 较弱的作用 力相互作用 自发形成具有多重作用位点的单体 模板分子复合物 经交联聚合 形成高分子聚合物 然后经洗脱液抽提移走模板分子 洗脱后形成的空穴依然保 留了与模板分子的这种相互作用 在非共价键法制备印迹聚合物中常用的功能单体包括丙烯酸 甲基丙烯酸 三氟甲基丙烯酸 4 乙烯基吡啶 丙烯酰胺 2 一乙烯基吡啶 4 一乙烯基苯甲酸 甲基丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸乙酯 亚甲基丁二酸 2 6 二丙烯酰胺吡啶等 非共价键法由于利用了超分子作用 作用力较弱 为除去模板分子带来了方 便 且其分子识别机理类似于天然生物分子 发展很快 值得注意的是 在制备 分子印迹聚合物及利用其进行分离纯化的过程中 只使用一种非共价键作用制得 的分子印迹聚合物的选择性较低 使用多种非共价键作用制得的分子印迹聚合物 则具有较高的选择性和分子识别能力 1 1 2 2 分子预组装法 2 a 墨 一 江苏大学硕士学位论文 分子预组装法即共价键法 7 1 是聚合之前模板分子和功能单体形成可逆的共 价键型化合物 通过交联剂交联形成高分子聚合物后 再通过化学途径使共价键 断裂 从而除去模板分子 这样便在高分子聚合物中形成了可以识别模板分子的 结合位点 通常使用的与模板分子以共价键作用结合的功能单体有 硼酸酯 缩醛酮和 螯合物等 3 其中硼酸酯最具代表性 具有相当稳定的三角形结构 在碱性水溶 液中或氮 n h 3 哌啶 存在下则生成四角形的硼酸酯 8 1 这种结构的硼酸酯能 与二醇很快的达到作用平衡 利用共价键作用制备的印迹聚合物 能够在空间上形成固定的可精确识别模 板分子的作用基团 对于应用于催化功能的印迹聚合物 其内部结合基团的方向 与空穴中起催化作用的活性基团极为重要 因此 常利用共价键法制备具有催化 作用的印迹功能材料 共价键法由于共价键的作用较强 模板分子在聚合物中很难完全除去 而且 在印迹分子预组装或识别过程中结合和解离速度慢 难以达到热力学平衡 不适 合快速识别 识别作用机理和生物识别相差甚远 因此发展相对缓慢 半共价键法是结合了上述两种方法发展起来的一种新的所谓的杂化印迹 9 1 的方法 这种方法首先让模板分子与功能单体以共价键结合 加入交联剂和引发 剂进行聚合 然后破坏共价键来洗脱除去模板分子 而在使用该m i p s 进行结合 性实验时 m i p s 与待测分子之间以非共价键相互作用结合 这种m i p s 既具有共 价键分子印迹聚合物亲和专一性的优点又具有非共价键分子印迹聚合物操作条 件温和的优点 半共价键法通常情况下在聚合过程中可以使用多种功能单体 使得印迹聚合 物有更好的分子识别能力 但无法减少在共价键聚合过程中较为复杂的化学合成 步骤 1 1 3 分子印迹技术的发展概况 分子印迹技术起源于免疫学的发展 2 0 世纪4 0 年代 著名的诺贝尔奖获得 者p a u l i n gl f 2 1 提出了以抗原为模板来合成抗体的理论 为分子印迹的发展奠定了 一定的理论基础 激发了人们对生物分子天然识别模拟研究的浓厚兴趣 1 9 7 2 年 w u l f f 小组 1 成功的制备出对糖类化合物有较高选择性的共价键型分子印迹 江苏大学硕士学位论文 聚合物 1 9 9 3 年 m o s b a c h l 3 等在 n a t u r e 上发表了有关茶碱分子印迹聚合物 的研究报道 分别提出了利用共价键和非共价键合成分子印迹聚合物 从而推动 了分子印迹技术的蓬勃发展 1 9 9 7 年在瑞典l u n d 大学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 p r i n t i n g s m i 其致力于分子印迹科学与技术的 全面发展 c o m m i a e dt oe x c e l l e n c ei na l la s p e c t so fm o l e c u l a ri m p r i n t i n gs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 根据s m i 的统计 目前全世界至少有1 0 0 个以上的学术机构和企 事业团体在从事分子印迹技术的研究及开发工作 1 2 分子印迹聚合物的制备 分子印迹聚合物能够选择性的识别模板分子或其类似物 主要是因为在除去 聚合物中的模板分子后 高度交联的聚合物中留下了空间大小和构型都与模板分 子匹配的具有多重位点的空穴 因此 在制备m i p s 上 选择合适的功能单体 交联剂 聚合条件 洗脱条件和制备方法是获得良好专一性分子识别能力的关键 1 2 1 分子印迹聚合物的印迹过程 1 2 1 1 确定模板分子 一般的 分子中含有强极性基团的化合物能够制备得到高效能的分子印迹聚 合物 因此 在分子印迹中 模板分子一般应具有与适当的功能单体发生作用的 化学官能团 如羧基 氨基等 且模板分子所含的官能基团越多越好 目前模板 分子的研究很广泛 主要有糖类 氨基酸及其衍生物 核酸及其衍生物 生物碱 蛋白质 杀虫剂 除草剂及药物等 1 2 1 2 功能单体的选择 功能单体的选择主要由模板分子决定 根据模板分子的性质以及它与功能单 体作用力的大小预测 合理的选择带有能与模板分子发生作用的功能基团的功能 单体 首先功能单体必须能与模板分子成键 而且二者的相互作用力要适中 否 则 可能会由于作用力过大而难以完全除去模扳分子 过小则会使聚合物对模板 分子的选择识别效率过低 另一方面 功能单体还必须与交联剂具有很好的共聚 性能 如果交联剂发生自聚则产生不具有识别基团的印迹空穴而没有分子识别作 用 而功能单体的自聚会由于其交联度太低而不能形成具有刚性强度的印迹空 穴 因此 只有二者形成的共聚体才有可能形成具有分子识别特性的印迹聚合物 4 江苏大学硕士学位论文 在非共价键分子印迹聚合物制备过程中 功能单体与模板分子之间主要是靠 氢键 静电作用 离子作用 金属螯合作用及范德华力等作用相结合 常用的功 能单体结构见图1 2 目前 应用最广泛的功能单体是甲基丙烯酸 m a a 可 以离子键与氨基发生作用 也可和酰胺 氨基甲酸酯和羰基化合物产生氢键作用 因此m a a 可与许多含有氨基 脂肪醇 脂肪氨等基团的模板分子相结合 其印 迹聚合物具有高效的选择性和结合能力 氢键是各类分子之间最普遍的非共价键 作用 因而在非极性或弱极性的溶剂中利用m a a 与各类模板分子的作用进行分 子识别的研究具有广阔的应用前景 0 0 l j 姒 h 矿佣 丙烯酸 a a 甲基丙烯酸 m a a 甲基丙烯酸甲酯 m m a 三氟甲基丙烯酸 沁 史h 地佣 4 乙烯摹吡啶 4 v p y 2 一乙烯基吡啶 2 v p y 4 乙烯基苯甲酸乌头二酸 图1 2 常见功能单体 f i g 1 2c h e m i c a ls t r u c t u r eo ff u n c t i o n a lm o n o m e r s 由于m 1 t 的应用对象已经由小分子化合物扩展到了生物大分子 许多生物 大分子如蛋白质等都带有不同的功能基团 因此 功能单体的选择就不再仅限于 一种 可以选择多种功能单体参与到一种模板分子的印迹聚合物的制备中f 1 0 选用多个功能单体的优点是聚合物与模板分子的作用力较强 聚合物的专一识别 能力好 但在选择多种功能单体的时候要注意避免功能单体之间产生较强的作用 力 对提高m i p s 的性能很不利 在非共价键分子印迹过程中 功能单体与模板的结合处于动态平衡 囚此需 要研究模板与单体之间的化学计量比来预测聚合物选择性识别位点的位置和数 量 常用的分析手段有 紫外 可见分光光度法 u v v i s 红外光谱法 f t i r 核磁共振法 n m r x 射线光电子能谱 x p s 1 2 1 和计算机模拟计算等 其 中u v 法是最常用也是最简便的方法 而分子建模软件可以大大简化实验过程 提高工作效率 为了有利于形成稳定的模板 功能单体复合物 通常需要加入过 江苏大学硕士学位论文 量的功能单体 而过量的功能单体使得印迹聚合物中的功能基团任意分布 因此 在印迹聚合物中形成大量非选择性或弱选择性的结合位点 印迹聚合物的特异识 别能力降低 因此 功能单体与模板分子的量比最终需要经过实验确定 1 2 1 3 交联剂的选择 交联剂在制备印迹聚合物过程中起到了非常重要的作用 它控制着聚合物的 形态 印迹位点的稳定性及聚合物的机械性能 首先交联剂必须与模板分子 功 能单体复合物聚合形成具有空间特定构型的稳定刚性结构的空穴 通常情况下 为了达到这一目的 采用相对大量的交联剂参与聚合过程 而为了保证把模板分 子能够从印迹空穴中除去 还必须使得交联后的聚合物结构具有一定的柔性 同 时也是分子识别过程中目标分子能够扩散进入印迹空穴的必要条件 因此 在制 备聚合物时 需要的交联度一般为7 0 9 0 交联剂的种类受到了限制 同时 考虑到在预聚体系中交联剂的溶解性 又进一步减少了对交联剂的选择范围 一 o o 妙删o n h k oo n 儿n 八n 八 乙二醇二甲基丙烯酸酯 n n 1 4 二亚苯基丙烯酰胺n d q 二亚甲基丙烯酰胺 o n 八 k o o h o 丫吣 o n 八 筵 o 彤 季戊四醇三丙烯酸酯 三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 图1 3 常用交联剂 f i g 1 3c h e m i c a ls t r u c t u r eo fc r o s s l i n k e r 常用的交联剂结构如图1 3 所示 根据交联剂中所含的乙烯基数目 可以分 为二元交联剂 三元交联剂和四元交联剂 交联剂分子中含有的乙烯基数目直接 决定了单位重量分子印迹聚合物中可交联的功能单体的数目和交联度 单位重量 分子印迹聚合物中交联的功能单体的数目越多 模板分子印迹形成的识别空穴越 多 应用于h p l c 时的柱容量越大 分子印迹聚合物的交联度越大 其印迹空穴 的空间稳定性就越好 对模板分子的特异手性识别能力就越强 选择性也越高 1 3 1 4 1 最广泛使用的是带有两个乙烯基的乙二醇二甲基丙烯酸酯 e d m a 它 在聚合反应中可以形成稳定的网状高聚物 保证了m i p s 在进行分子识别时保持 6 江苏大学硕士学位论文 刚性结构 而且价格便宜 容易纯化 而带有三个乙烯基的三元交联剂与二元交 联剂相比 在保证相同交联度的情况下 其用量可比二元交联剂大量减少 更多 的研究 1 5 1 6 表明三元交联剂能够比二元和四元交联剂更易形成稳定的高聚物 分 子识别位点更加规整 有序 从而有更高的选择性 更大的结合容量和更好的回 收效率 因此 三元交联剂具有更广阔的研究前景 1 2 1 4 溶剂 致孔剂 的选择 在印迹聚合物制备过程中 不仅需要参与聚合反应的各类反应物必须溶解在 溶剂中 而且还需要溶剂在聚合发生时作为致孔剂 使聚合物具有孔状结构 以 便于形成识别位点 由于溶剂的种类和用量会影响模板分子与功能单体之间的相 互作用和聚合物的比表面积 孔径分布及孔容等孔结构参数 因此 选取溶剂时 应尽可能减小它在聚合过程中的不利影响 一般说来 极性强的溶剂会减弱模板 分子与功能单体间的相互作用 溶剂的极性越大 制备的m i p s 的分子识别能力 就越弱 因此应该尽可能选择低介电常数的溶剂 同时 由于聚合物的形貌也会 受到溶剂的影响 所以 进行分子识别的溶剂最好与聚合用的溶剂相一致 1 7 目前 常用的致孔剂一般是非极性或弱极性的有机溶剂 如二氯甲烷 氯仿 甲苯 苯 乙腈等 由于在弱极性或非极性溶剂环境中制备的印迹聚合物的使用 环境一般只能限定在非水环境中 而在实际应用中 包括药物分析 仿生模拟 生物传感器等方面的应用中 大多数模板分子都是水溶性的 因此 研究极性环 境 尤其是水相中的m i p s 的制备 具有重要的意义 近几年来 在极性溶剂中 的印迹工作已有所开展 1 8 2 2 1 也取得了一定的成果 如何丹凤等 2 3 在甲醇 水混 合体系中 以2 乙烯基吡啶为功能单体印迹了对羟基苯甲酸 并通过高效液相色 谱评价 确定其印迹聚合物作为固定相具有良好的分离效果 1 2 1 5 引发方式的选择 m i p s 制备过程中聚合反应的发生是通过自由基引发的 一般以偶氮二异丁 腈和偶氮二异庚腈为引发剂 常用的引发方式有光照 加热 辐射 加压 电合 成等 低温光引剧2 4 通常使用高压汞灯或紫外灯的2 5 4n m 或3 6 5n m 波长的光 一般在低于室温时引发聚合 有助于模板分子和功能单体生成更加稳定的复合 物 具有普遍适用性 热引发较常见 但只对热稳定物质适用 引发剂的用量在 定程度上也影响m i p s 的分子识别能力 分布均匀的引发剂可使聚合反应平稳 江苏大学硕士学位论文 进行 有利于功能单体 模板分子复合物与交联剂聚合充分形成识别性能良好的 m l p s 大量的引发剂虽然使聚合反应在短时间内完成 但过快的聚合速度可能 使m i p s 内部的有效聚合减少 甚至功能单体或交联剂自身发生聚合 从而减弱 了印迹聚合物的分子识别能力 引发剂过少则会使聚合时间延长 不利于模板分 子的固定 从而也降低了聚合物的识别特性 一般的 引发剂的用量是功能单体 和交联剂总量的1 左右 2 5 2 6 此外 也有人尝试利用y 射线辐射 2 7 和高压技术 2 8 1 引发聚合 l 2 1 6 模板分子的去除 一般采用索式提取器反复回流萃取去除聚合物中的模板分子 常用的洗脱液 有乙腈 乙腈 乙酸 水 甲醇 乙酸等强极性溶液 以便彻底除去模板分子 此 外还有热处理 超临界萃取 微波辅助溶剂萃取等方法1 2 9 综上所述 由于在不同的应用领域要求制备的m i p s 不同 所以在实际操作 中要综合分析各种条件 选择最佳的合成条件 1 2 2 分子印迹聚合物的制备方法 1 2 2 1 本体聚合 目前大多数分子印迹聚合物的制备是采用本体聚合 3 0 3 i b u l k p o l y m e r i z a t i o n 的方法 这种方法是将模板分子 功能单体 交联剂和引发剂 按一定的比例溶解在极性较小的溶剂中 超声脱气并充入氮气除氧后 密封 经 热引发或紫外光照射引发聚合一定时间 得到块状聚合物 经粉碎 研磨 过筛 后获得颗粒均匀大小合适的聚合物微粒 然后用极性较大的溶液洗脱除去模板分 子 真空干燥后就得到分子印迹聚合物 此方法制备的m l p s 对模板分子有良好 的选择识别特性 合成操作条件容易控制 实验装置简单 是制备m l p s 的主要 方法 本体聚合也存在很大的缺点 通过该方法制得的块状聚合物需要粉碎研磨过 筛等繁琐的处理过程 在此过程中 难免会破坏聚合物中的印迹空穴 破坏了识 别位点 而且得到的颗粒聚合物形状不规则 要除去过细粒子 不仅更加费时费 力 降低了产率 也进一步降低了m l p s 对底物的吸附能力 利用率低 难以进 行规模化生产 1 2 2 2 原位聚合 江苏大学硕士学位论文 原位聚合是一种将模板分子 功能单体 交联剂 致孔剂和溶剂放在某些管 柱中或固体表面上直接聚合的方法 3 2 磷 这种聚合方法是在色谱柱内一步完成 避免了封管聚合 粉碎 过筛 沉降等繁琐的过程 大大简化了实验操作 且一 旦聚合反应条件适当 制备色谱柱的成功率非常高 3 6 但是 聚合反应程度却 难以控制 若聚合时间过长 合成的聚合物太致密使色谱柱的动力学性质差 柱 压高 流速慢 聚合时间太短 合成的聚