（分析化学专业论文）烟酸分子印迹复合膜的制备及其性能研究.pdf

硕七学位论文摘要 摘要 分子印迹膜兼具分子印迹技术和膜分离的特点 其为将特定目标 分子从其结构类似物的混合溶液中分离出来提供了可行且有效的解 决途径 与普通的分离膜相比 具有对特定分子选择性高的优点 与 传统的印迹聚合物相比 具有无需粉碎研磨过程 印迹空穴保留较好 分子识别性能强等特点 分子印迹膜的研究有利于推动膜分离技术的 发展 本研究以烟酸为研究对象 用聚偏氟乙烯微孔滤膜作为支撑 通 过聚合反应对支撑膜进行表面修饰制备了烟酸分子印迹复合膜 实验的主要内容 1 烟酸分子印迹复合膜制备过程中 模板分子与功能单体丙烯酰 胺的配比为1 4 n n 亚甲基双丙烯酰胺作交联剂 紫外光照射1 2 h 引发 聚合反应 用甲醇乙酸 v v 9 1 溶液洗掉聚合物中的模板分子和未 反应的功能单体及交联剂 2 紫外分光光度法研究模板分子与功能单体之间的作用力是氢 键作用 借助扫描电镜对烟酸分子印迹复合膜的表面形态进行分析研 究 表明 实验成功地在微孔滤膜的表面覆盖了一层聚合物制得烟酸 分子印迹复合膜 该膜表面的空穴形状大小规整 而且空穴的分布比 较均匀 3 膜的热稳定和化学稳定性能研究表明 低于6 0 0 c 的热处理 对烟酸分子印迹复合膜截留率的影响较小 用酸碱溶液处理后的膜 其形态基本保持不变 膜的水通量以及对烟酸的截留率稍微有所下 降 4 在烟酸分子印迹复合膜的平衡结合实验中 s c a t c h a r d 图表明 分子印迹复合膜中存在等价的结合位点 其离解常数k d 5 5 5 l o 之 m m o l l l 和最大表观键合常数q m a x 6 1o 岬o l g 一 烟酸分子印迹复 合膜对烟酸的结合量 2 4 2 0 h m o l g j 是烟酰胺的2 3 5 倍 而两者在 非印迹复合膜上的分配系数则相差很少 实验表明 烟酸分子印迹复 合膜对烟酸展现了较高的结合性能 5 烟酸分子印迹复合膜的选择渗透实验中 烟酸透过烟酸分子印 迹复合膜的透过量与渗透速度都远远大于非印迹复合膜 渗透实验进 行7h 烟酸透过分子印迹复合膜的量是0 4 6 5 m o l 锄 是其透过非 硕士学位论文 摘要 印迹复合膜量的3 6 3 倍 6 利用烟酸分子印迹复合膜分离富集维生素片中的烟酸 结果显 示 烟酸分子印迹复合膜对烟酸有较好的结合能力 非印迹复合膜因 其空穴内功能基团的杂乱无章排列 对烟酸的结合能力远远低于分子 印迹复合膜 以烟酰胺作为干扰物 研究烟酸分子印迹复合膜对混合溶液的组 分选择渗透性能 结果表明 模板分子可以被源源不断地从膜的一侧 转移到另一侧 烟酸在膜后得到了充分的浓缩 而非模板分子烟酰胺 通过膜后浓缩的程度较小 有利于烟酸与烟酰胺的分离 该透过机理 符合p i l e t s l y 的 门 模型 关键词分子印迹技术 印迹复合膜 制备 分离性能 烟酸 硕士学位论 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l e c u l a r l yi m p n t e dm e m b r a n e s m i m s p r o v i d eaf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e 印p r o a c ho fs p e c m ct a 玛e tm o l e c u l es e p a r a t i n g 舶mm i x e d s o l u t i o nw i t has i m i l a rs t m c t l l r es u b s t a n c ew h i c hp o s s e s s e do fa d v a n t a g e o fm i ta n dm e m b 啪es 印a r a t i o n c o m p a r e dw i t ho r d i n a r ys e p a r a t i o n m e m b r a n e m i m sh a v e h i 曲s e l e c t i v i t y f o r s p e c i f i c a ls u b s t a n c e c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lm o l e c u l a r i m p r i n t e dp 0 1 y m e r m i m s p r e p 撕n gp r o c e s sd o e s n tn e e ds m a s ha n dh a v eh i g l li m 研n tb i n dc a v 时 h o l dr a t e t h er e s e a r c ho fm i m sf a v o r e dt h ed e v e l o p m e n to fo r d i n a r y m e m b r a n es 印a r a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i s s t l l d y n i c o t i n i ca c i d m o l e c u l a 订yi m p 打n t e dc o m p o s i t e m e m b r a n e sw e r ed e v e l o p e du s i n gs u r f a c em o d i f i e dp o l m n e r i z a t i o nb v u vi n a d i a t i o ni nt h ep r e s e n c eo fn i c o t i n i ca c i da st e m p l a t e f o l l o w e db ya d 印o s i t i o no fm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp 0 1 y m e rl a y e ro nt h es u r f a c eo f p o l y v i n y l i d e n en u o r i d em i c r 0 6 l 仃a t i o nm e m b r a n e s t h em a i nc o m p o n e n to ft h ee x p e r i m e n t a ls t l j d v 1 d u r i n gt h ep r i 印a l a t i o np r e s so f n i c o t i n i ca c i d m 0 1 e c u l a r l y i m p r i n t e dc o m p o s i t em e m b r a n e s t h ep r o p o n i o n i n go fm 0 1 e c u l a rt e m p l a t e a n d m n c t i o n a lm o n o m e r a c 科l a m i d e w a s l 4 n n 一m e t h y l e n e b i s a c 巧l a m i d e w a sc r o s sl i i l l e r t h ep o l y m 甜z a t i o n r e a c t i o nw a si n i t i a t e db yu vi n a d i a t i o nf o r12 h t h em o l e c u l a rt e m p l a t e i nt h ep o l y m e ra n du n r e a c t e d 如n c t i o n a lm o n o m e ra n dc r o s sl i i 水e rw e r e e l u t e db ym e t h a n o la n da c e t i ca c i d v v 9 1 2 t h ep r e s e n c eo fh y d r o g e nb o n db e t w e e nt e m p l a t ea n dm o n o m e r w a sp r o v e db yu l t r av i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t 嘞t h es u r f a c em o 印h 0 1 0 9 y w e r ea n a l y z e db ym e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e s c a n n e d p i c t u r ei n d i c a t e d t h ee x p e n m e n t sc o v e r e ds u c c e s s 如l l yad e p o s i t i o no f m o l e c u l a r l yi m 砸n t e dp o l y m e r l a y e ro nt h es u 晌c eo fp o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d em i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e s t h es h a p eo fc a v i t yi nm e m b r a n e s w a sr e g u l a t e d a n dt h ed i s t r i b u t i o nw a su n i f o 册 3 t h ei n v e s t i g a t i o no ft h em e m b r a n e s t h e m l a la r r e s ta n dc h e m i c a l l v s t i b l e向n c t i o n s h o w e d t h e i n t e r c 印t i o n i a t i oo fn i c o t i n i ca c i d u l 硕士学位论 m o l e c u l a r l vi m p r i n t e dc o i i l p o s i t em e m b r a n e sw a si n n u e n c e dl e s sw h e n h e a tt r e a t m e n tw a sl o w e rt h a n6 0 0 c t h ep a t t e mo fm e m b r a n e sw e r e r e m a i nu n c h a n g e a b l ep r i m a r i l ya r e rt r e a t i n gb ym e a n so fa c e t o u sa n d a l k a l i n es o l u t i o n t h ew a t e rf l u xa n di n t e r c e p t i o nr a t i ow e r ed e c r e a s e d s l i g h t l y 4 t h es c a t c h a r do fb a l a n c e dc o m b i n a t i o ne x p e r i m e n to fm 0 1 e c u l a d y i m p r i m e dc o r n p o s i t em e m b r a n e sr e v e a l e d t h e r ew e r ee q u i v a l e n tb i n d i n g s i t e si nt h ei m p 矗n t e dc o m p o s i t em e m b r a n e s t h ed i s s o c i a t i o nc o n s t a n t k d 5 5 5 1 0 也m m o l l 1 a n dt h em a x i m a la p p a r e n tb o n d i n gc o n s t a n t q m a x 6 10 p m 0 1 g a n dt h ec o m b i n i n gq u a n t i t yo fn i c o t i n i ca c i di s 2 4 2 0 l m o l g i tw a s2 0 5t i m eo fn i c o t i n a m i d e t h e nt h e i rp a r t i t i o nr a t i o w e r es i m i l a ri nn o n i m p r i n t e dc o m p o s i t em e m b r a n e s t h ee x p e 五m e n t i n d i c a t e d i m p r i n t e dc o m p o s i t em e m b r a n e s 茧e y 曼a 西p 威建毳随曼 鱼逸d 蛾 幽i i l 弘f o rn i c o t i n i ca c i d 5 t h et r a n s i td o s ea n ds p e e dw h i c hm 0 1 e c u l a r l yi m p r i n t e dc o m p o s i t e m e m b r a n e sf o rn i c o t i n i ca c i dw e r eg r e a t e rf a ra 1 1 da w a yt h a l l n o n i m p r i m e dc o m p o s i t e m e m b r a n e s t h e p e r m e a t i o ne x p e r i m e n t p r o c e e d e d f o r 7 h t h ep 咖e a t i o nq u a n t i t yo fn i c o t i n i ca c i dw a s o 4 6 5 肛m o l c m 2w h i c hw a s3 6 3 t i m eo fn o n i m p r i n t e d c o n l p o s i t e m e m b r a n e s 6 n i c o t i n i ca c i dm o l e c u l a 订yi m p r i m e dc o m p o s i t em e m b r a n e sw e r e u s e dt os 印a r a t ea n dc o n c e n t r a t en i c o t i n i ca c i do fv i t a m i n 缸1 c i c h e t h e r e s u l t d i s p l a y e d t h e m o l e c u l a 订yi m p r i n t e dc o m p o s i t e m e m b r a n e s 麟h 逊氨鲥 b 融l 鹱b i n d i 廷g 聪蜘 a 敷黢f o rn i c o t i n i ca c i d b e c a u s et h e a r r a n g eo f 允n c t i o n a lg r o u p si nc a v i t yw a sd i s o 玛a n i z e d t h ec o m b i n i n g c a p a c i 哆o fn o n i m p r i n t e dc o m p o s i t em e m b r a n e sf o rn i c o t i n i ca c i dw a s l o w e rt h a nm 0 1 e c u l a r l yi m p r i m e dc o m p o s i t em e m b r a n e s t h es e l e c t i v i t ya n dp e n l l e a t i o nw h i c hm 0 1 e c u l a r l y i m p 五n t e d c o m p o s i t em e m b r a n e st o t h em i x e ds o l u t i o nw e r ei r e s t i g a t e d w i m n i c o t i n a m i d ea sas i m i l a rs t r u c 加r et on i c o t i n i ca c i d t h er e s u l ts h o w e d m o l e c u l a rt e m p l a t ew a st r a n s f e m 耐c o n s t a n t l yf 两ms i d et or e v e r s es i d e t h e nt h e yw e r eb e n e rc o n d e n s e da tt h em e m b r a n e s sb a c k h o w e v e r n i c o t i n 锄i d ew a sw o r s ec o n c e n t r a t e d s oi ti nf a v o ro fs 印a r a t i o nb 酿v e e n n i c o t i n i ca c i da 1 1 dn i c o t i n a m i d e t h ep e n n e a t i o nm e c h a n i s mc o n f o m e dt o j v 硕士学位论 a b s t r a c t p i l e t s k y m o d e l k e y w o r d sm o l e c u l a ri i i p r i n t i n g t e c h n 0 1 0 9 y i m p r i n t e dc o m p o s i t e m e m b r a n e p r e p a r a t i o n s 印a r a t i o n p er f b n n a n c e n i c o t i n i ca c i d v 硕七学位论文第一章综述 第一章综述 分子印迹也叫分子烙印 这一基本思想起源于人们对抗体一抗原和酶一底物的 专一性认识 1 9 4 9 年 d i c k e y 掣1 首先提出了 分子印迹 这一概念 但在很 长一段时间内没有引起人们的重视 直到1 9 7 2 年 w u l f f 等 2 1 首次报道了人工合 成的有机分子印迹聚合物 m o l e c u l a j l yi l l l p r i n t e dp o l y m e r s m i p s 之后 这项技 术才逐渐被人们所认识 1 9 9 3 年m o s b a c hk 3 等人在n 抓船上发表有关茶碱分 子印迹聚合物的报道后 使分子印迹聚合物除了已有的分离和催化的功能以外 又找到了与生物技术息息相关的多种生物传感技术及合成人工抗体等领域的新 应用 进而取得了迅速发展 实现分子印迹通常需要经过三个步骤 1 在一定溶剂中 模板分子与功能单体依靠两者官能团之间的共价或非共 价作用形成模板一单体复合物 2 选择适当的交联剂和引发剂 在光照或水浴加热的条件下引发进行聚合 使模板一单体复合物与交联剂通过自由基发生共聚合 这样就可以在模板分子周 围形成高度交联的刚性聚合物 3 将分子印迹聚合物中的模板分子洗脱或解离出来 这样在分子印迹聚合 物中便留下了与模板分子在大小和形状上相匹配的立体空穴 同时 空穴中包含 了精确固定的 并且与模板分子官能团相互补的由功能单体提供的功能基团 利用分子印迹技术 人们已经合成出2 0 多种化合物的分子印迹聚合物 如 氨基酸及其衍生物 4 甘油酸及其衍生物 染料 5 1 芳酮 多肽 q 等 这些印迹 聚合物主要是用做高效液相色谱中的固定相 分子印迹技术已广泛的应用于各个 领域并获得了较好的收益 1 1 分子印迹聚合物 分子印迹聚合物是利用分子印迹技术制得的 并对模板分子具有特定识别能 力的聚合物 该聚合物对模板分子显示出特异结合性 1 1 1 分子印迹聚合物的表征 分子印迹聚合物的表征到目前还没有一个统一的理论描述 主要原因是 m i p s 在不同的应用领域 可以有不同的表征方法 色谱手性分离和固相萃取应 用中 一般用分离系数位 分离度r s 保留时间t r 结合常数k a 富集系数等 来衡量m i p s 的选择性 还可以采用高效液相色谱 质谱 核磁共振波谱 傅立 硕士学位论文 第一章综述 叶变换一红外光谱和紫外光谱等仪器进行分析 对于m i p s 在化学传感器的应用 中 可以借用各种电化学参数如电流 电容 电导 电压以及各种光学参数和质 量参数如光强度和质量等来表征 在催化应用领域中 主要是以催化效率 反应 速度 结合量等参数来描述m i p s 的催化活性 1 s c a t c h a r d 分析l 7 j s c a t c h a r d 分析可以用于分子印迹聚合物对底物吸附与脱附实验的表征 其 表征方程为s c a t c h a r d 方程 q 底物浓度 q m a 一q k d q 底物吸附量 p g 聚合物加入量 g k d 代表结合位点的离解常数 q 代表分子印迹聚合物对底物的结合量 o m a 代表最大表观结合量 根据s c a t c h a r d 方程可计算最大表观结合量q m a 由此制作评价分子印迹 聚合物结合性质的s c a t c h a r d 图 然后根据s c a t c h a r d 图可判断结合位点的数目 2 l a l l 鲫u i rf r e u d l i c h 等温吸附分析1 8 l 狮g m u i rf r e u d l i c h 等温吸附分析也可以用于分子印迹聚合物对底物吸附与 脱附实验的表征 其表征方程如下 b l 呵t a f m 1 n t f m m 不均匀常数 i n 1 均匀 m 1 不均匀 b 结合平衡浓度 n t 总结合位点 f 和结合常数k 有关 k a y 由l 锄g m l 血f r e u d l i c h 等温吸附方程可以计算模板分子和功能单体两者之间 的作用位点和结合常数 分析结合位点的均匀度等 1 1 2 分子印迹聚合物与模板分子的结合方式 分子印迹聚合物与模板分子的结合作用主要由空穴内的功能基团与模板分 子间的相互作用决定 在制备分子印迹聚合物的过程中 对功能基团有以下几个 要求 第一 模板分子与功能基团之间要有足够强的键合作用 保证聚合过程中 把模板分子固定住 交联后功能基团按照确定的空间位置固定排列 第二 印迹 聚合物的模板分子要尽可能地完全除去 因为残留的模板分子会降低分子印迹聚 合物的印迹效率 第三 功能基团与模板分子的相互作用要尽可能地快 同时 还要具有很好的可逆性 这样分子印迹聚合物才能多次反复使用 对于第一个要 求 希望结合作用有较高的活化能 但是对于后面两个要求 则希望有较低的活 化能 因而 实际选材中要从这两方面综合考虑 2 硕士学位论文第一章综述 一 共价型分子印迹 共价法主要由w u l f f 9 j 组创立 首先模板分子与功能单体通过可逆的共价 作用形成模板 单体复合物 然后加入交联剂和引发剂交联聚合 再通过可逆的 化学作用 如水解 洗脱模板分子 分子印迹聚合物对模板分子的识别过程是利 用模板分子与印迹聚合物识别空穴中的功能单体的可逆化学反应 该方法的优点 是能够获得在空间精确固定排列的功能基团 识别位点均匀 此外模板分子与功 能单体是按照特定的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位点 这种方法的缺点是制 备过程较复杂 可供选择的模板分子和功能单体较少 应用面窄 模板分子的洗 脱和识别速度较慢 常用于共价分子印迹的模板分子有硼酸酯 希夫碱 缩醛酮 竺 l o 1 3 口o 图卜1 共价型分子印迹的示例 f i g u r el l1 1 1 e 懿锄p l eo fc 0 v a l tb o n dm 0 1 e c i l l a ri m n t i n g 二 非共价型分子印迹 非共价法是由m o s b a c h 1 4 及其同事在上世纪八十年代发展起来的一种方法 该方法在合成时利用分子间作用力 如氢键 离子对作用 偶极一偶极相互作用 范德华力及疏水作用等形成模板一功能单体复合物 在识别过程中同样是利用这 些作用力 该方法的优点是制备过程比较简单 并且供选择的功能单体和模板分 子较多 模板分子的识别和洗脱速度较快 这种方法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 因此要形成稳定的模板一 单体复合物 常常需要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 功能基团还随意地分布在聚合物的其它部 位 这将增大分子印迹聚合物的非特异性吸附 降低其选择性 此外 模板分子 3 硕士学位论文 第一章综述 与功能单体通过分子问作用力形成模板一功能单体复合物过程是一个动态平衡 形成的复合物中模板分子与功能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 l 凝r 图卜2 非共价型分子印迹胆固醇的示例 f i g l l 鹏1 2n ee a l t l p l eo f n o n c o v a l e i l tb o n dm o l e c u l 盯i 1 i l p r j h t i n g 三 半共价分子印迹 这种方法在合成时采用的是共价的方法 在识别时利用的是非共价的方法 比如含羟基的模板分子与甲基丙烯酸成酯后再交联聚合 用水解的方式将模板分 子洗脱后即得到分子印迹聚合物 然后利用模板分子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 这种方法的缺点是用水解的方式 洗脱模板分子不是一件容易的事 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 这点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 发明了一种新的半共价分子印迹技术 称为 牺牲空间法 1 5 首先用碳酸二酯键将模板分子胆固醇与功能单体4 一乙烯苯酚结合起来 形 成含有模板的共价模板一单体衍生物 1 6 j 交联聚合后 通过水解的方式断裂碳酸 二酯键 在除去模板分子时 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 留下的空间刚好适合模板分子的羧基与识别位点的苯酚羟基间的氢键作 用 所以可以通过非共价作用对模板分子进行识别 这种方法继承了共价法中识 别位点均一 非特异性的键合作用少等优点 同时还有非印迹法中识别速度快的 优点 与传统的非印迹法相比 这种方法得到的分子印迹聚合物选择性方面有很 好的提高 柱效及柱容量也有明显的改善 4 硕士学位论文 第一章综述 四 金属离子配位印迹 由于氢键等分子间作用力相对较弱 所以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 然而 生物体内的分子识别作用都是在水性介 质中发生的 因此 制备在水性介质中对模板分子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到分子印迹技术中 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 1 7 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一单体复 合物后再交联聚合 1 8 1 9 1 1 2 分子印迹膜 分子印迹膜是应用分子印迹技术人工合成对模板分子具有专一识别能力的 新型分离膜 它是通过在膜的制备过程中引入模板分子 使得膜材料对模板分子 具有分子记忆与识别作用 1 2 1 分子印迹膜的分类 根据分子印迹聚合物膜制备方法的不同 p e t e r 掣2 0 将分子印迹聚合物膜分 为三种类型 1 分子印迹填充膜 将纳米级的分子印迹聚合物填充在两块过滤板之间 根 据它对模板分子的结合情况评价印迹聚合物的识别性能 2 1 2 2 1 由于在块状分子印 迹聚合物粉碎 研磨过程中 形态和结构会发生改变 影响到分子印迹聚合物的 识别能力 因此这种膜很少用 2 分子印迹整体膜 此类膜是将分子印迹聚合物自身作为支撑体制作的一 类分子印迹整体膜 因此具有稳定性好 应用比较方便的优点 但是 这种膜一 般性脆并且易碎 聚合时需加入交联剂 以改变其柔韧性和力学性能 2 3 3 分子印迹复合膜 将分子印迹聚合物镀在多孔支撑膜表面 所制备的复 合分子印迹膜既有一定的柔韧性 又不会影响印迹膜对模板分子的识别选择性 砒8 1 可以通过优化分子印迹层的形态和结构提高和改善印迹膜的功能 因为具 有超滤或微滤支撑层 所以可制得大通量和高选择性的分子印迹复合膜 近年来 分子印迹复合膜受到人们的广泛关注 5 硕士学位论文 第一章综述 1 2 2 分子印迹膜的特点 分子印迹膜兼具分子印迹技术与膜分离技术的特点 近年来 已发展为分子 印迹技术领域研究的一个热点 这主要是因为它具有以下优点 1 膜分离技术因为便于连续操作 易于放大 能耗低 能量利用率高等优 点 被看作是一种 绿色化学 的典型 在医药 食品 化工和农业等领域的分 离 分析与制备过程中都已经涉及或希望应用膜分离技术 2 目前的商业用膜 比如超滤 微滤及反渗透膜等 都无法实现单个物质 的选择性分离 然而 分子印迹聚合物膜是可以将特定目标分子从其结构类似物 的混合物中分离出来的一种可行且有效的解决途径 3 分子印迹膜具有分子特异识别能力的同时 比一般生物材料性质更稳定 抗恶劣环境能力更强 在传感器领域和生物活性材料领域具有很大的应用前景 4 同传统棒状或块状的分子印迹聚合物相比 分子印迹膜具有不需要研磨 过筛等繁琐的制备过程 扩散阻力小 易于应用等独特的优点 1 2 3 分子印迹膜的识别机理 空穴内结合位点对模板分子的识别是分子印迹膜内物质传递的主导力量 h a t t 耐掣2 9 以肌酸苷为模板分子制得了分子印迹复合膜 发现该膜对肌酸苷的 传递速率是咖啡因的1 2 5 倍 而两种物质在分子印迹膜内的透过速率相同 说 明结合位点对分子印迹膜内的传质影响起着主导作用 j o s l l i 等 3 0 借助扫描电镜 证实了在分子印迹膜上存在大量的 空穴 这些 空穴 保留了模板分子的形 状 大小和空间位置等信息 只有模板分子才能进入 空穴 空穴 只对模板 分子具有结合选择性 这样结合后再经过洗脱 就可以实现模板分子与其他分子 的分离 该识别过程可用图1 3 进行描述 6 硕士学位论文第一章综述 图卜3 分子印迹膜的识别过程 f i g u r el 3 n l er e c o 印i t i o np r o c 骼so f m o l e c i l l a l l yi m p 而n t e dm 锄b 啪e s 1 2 4 分子印迹膜的传质机理 根据模板分子在分子印迹膜中不同的传递方式 u l b r i c h t 3 l 把分子印迹膜的 传质机理分成两类 类是溶解 扩散机理 也就是模板分子与结合位点相互作 用 被牢牢地结合住 与结合位点没有作用的其他分子则顺利扩散到分子印迹膜 的另一侧 另一类是p i l e t s k y 的 门 模型 3 2 就是在浓度梯度的作用下 模板 分子和非模板分子都有向低浓度方向扩散的可能 但是不被识别的非模板分子的 扩散受到膜孔结构的阻挡 只有模板分子和结合位点互相作用 从一个结合位点 移动到另一个结合位点 最终通过分子印迹膜 这被形象地称之为 门 模型 一 溶解 扩散机理 砌c t 等 3 3 采用溶解 扩散机理 对分子印迹膜用于手性化合物的拆分的传质 机理进行了研究 该机理的模型示意图由图1 4 可见 灌 霪 灌 灌 震 灌 霪 灞 图1 4 分子印迹膜传质机理溶解一扩散模型 f i g u r e1 4m a s s 心锄s f 矗m e c h 锄i s ms 0 1 u t i o n 叫d i f f h s i o nm o d e lo fm o l e c u l a ri m p d n t i n g m 锄b 啪e 7 h 噜 一t 0 譬 一 警警 0 以 一 硕士学位论文 第一章综述 研究结果表明分子印迹膜的选择性与扩散 吸附有关系 它们之间的量化关 系可以用下式表示 p e s e d e 式中 p e 为渗透率 d e 为扩散系统 s e 为吸附系数 e 表示对映体 吸附系数可表示 为 s e c m c b 式中 c m 为平衡时膜中流体浓度 c b 为主体流的浓度 那么渗透选择性为 qd l d p d p l s d s d l q l 8ad l d 式中 a 巩 8 为扩散选择性 q 玑l 5 为吸附选择性 说明分子印迹膜对手性化合物的选择 性是扩散和吸附两种作用的统一 二 p i l e t 曲 门 模型 s e l l 唧等 3 4 研究表明 在形成分子印迹聚合物的同时形成了许多 空穴 而且 空穴 之间有通道相连 通道的直径与 空穴 的大小相近 因此通道能 起到拦截非模板分子通过的作用 图1 5 p i l e t s k y 等 3 2 认为 在复合层内 只有 尺寸较小的模板分子可以通过通道 与 空穴 内的作用位点相互作用被识别 而结构不同的其他分子难以通过内部通道 因而不被识别 利用分子印迹复合膜 分离层的这一特性 模板分子可以被源源不断地从膜一侧转移到膜另一侧 而非 模板分子则不会通过膜 杨座国掣3 5 1 从p i l e t s b 提出的 门 模型出发 提出了 针对p i l e t s k y 门 模型的分子印迹复合中空纤维膜传质的数学模型 将模板分 子在分子印迹膜内的传质简化为膜中带反应的扩散 非模板分子的传质视为无反 应的扩散 由于扩散行为不同 分子印迹复合膜只对模板分子具有识别选择性 模拟结果表明模板分子在膜后得到了充分的浓缩 非模板分子通过膜后浓缩的程 度较小 分子印迹复合膜对模板分子与非模板分子的分离因子为2 1 与实验值 接近 8 硕士学位论文 第一章综述 图卜5 分子印迹膜传质机理 门 模型 f i g l l r e1 5 m a l s s 们n s f 打m e c h a n i s m d o o r m o d e lo fm o l e c u l a ri m p 打n t i n gm 锄b r a n e 1 2 5 分子印迹膜的分离机理 在分子印迹膜中 能够与结合位点发生键合作用的分子在通过分子印迹膜时 是选择性的传递 从而实现膜分离的过程 通过研究分子印迹膜的透过性质 可以得到如下结论 1 在分子印迹膜中 具有只与模板分子的大小和形状相匹配的孔穴形成的通道 而其它的非模板分子 则不能或很难通过该印迹膜 2 由于在分子印迹膜的空穴中存在可与模板分子 的官能团相作用的功能基团 模板分子与这些功能基团的作用将会延缓模板分子 通过印迹膜的速率 3 6 1 因此 为了优化分子印迹膜的功能 控制膜上的印迹位 点是关键 同时 还需要创造具有良好形态的空穴 1 2 6 分子印迹膜的制备方法 分子印迹膜的常用制备方法有相转化法 电化学法和表面修饰法 相转化法 常用于制备分子印迹整体膜 电化学法适用于传感器敏感膜的制备 而表面修饰 法是制备分子印迹复合膜的有利方法 一 相转化法 1 干相转化法 将一定量的模板分子 成膜材料溶于适当的致孔剂中 将铸膜液刮涂在适当 的支撑体上 比如玻璃 保持一定温度下 让溶剂在惰性气氛中蒸发 得到的聚 合物膜经过进一步干燥后 采用适当的溶剂进行洗脱用以除去模板分子 就得到 分子印迹膜 y 6 s h i k a w a 等 3 7 4 3 1 采用干相转化方法制备了一系列的用于手性物质 分离的分子印迹膜 相转化法是直接在聚合物材料中引入识别位点 不需要自由 9 硕士学位论文 第一章综述 基聚合 聚合物膜结构是在模板分子存在下在其聚合物溶液中形成的 印迹过程 形成了分子识别位点以及与识别空穴相连的渗入通道 该通道具有拦截非模板分 子通过的作用 此技术的优点是可供选择的聚合物种类多 并且当模板分子发生 改变时 只需要更换模板分子即可获得新的分子识别材料 2 湿相转化法 首先制备含有模板分子 成膜材料以及适当添加剂的高分子铸膜液 将铸膜 液刮涂在支撑体上 将其浸入含有非溶剂的凝固浴中 一段时间后 聚合物膜就 从中沉淀析出 然后采用适当的溶剂洗脱除去模板分子 就得到有模板分子特定 构型的分子印迹膜 k 0 b 删等 4 4 舶 用茶碱作为模板分子 利用丙烯腈和丙烯 酸的共聚物为成膜材料制备了具有分子识别特性的分子印迹膜 研究结果表明 湿相转化法制备的分子印迹膜为不对称结构 包含一层致密表层与一层多孔支撑 亚层 u 1 b 订d l t 等 明以罗明简为模板分子 利用湿相转化方法制备了醋酸纤维素 磺化聚砜共混分子印迹膜 还围绕改善膜的结构 提高膜的渗透性及吸附容量 就溶剂 混合组成与相容性 致孔剂 整体聚合物浓度等成膜条件展开了最优化 研究 二 电化学方法 电化学方法制备分子印迹膜 具有速度快 直接成膜等优点 该方法适用于 传感器敏感膜的制备 常用的成膜方法如压膜法 原位聚合法 还有旋涂等技术 制成的印迹膜 其厚度多在微米以上 并且均匀性较差 难以重复 极大的影响 传感器的灵敏度 电化学方法常见的有三种 恒电流法 恒电位法和循环伏安法 恒电流法的 特点 成膜速度较快 但沉积颗粒较为粗大 循环伏安法及恒电位法的速度相对 较慢 但是循环伏安法容易导致膜的过度氧化 聚合物的共轭结构极易遭到破坏 从而破坏了聚合物膜的导电性 恒电位法对印迹膜的影响较小 因为电位恒定 印迹膜的掺杂度几乎是恒定的 印迹膜的生长也就更均匀 左言军等 4 8 j 应用电 化学方法制备了沙林印迹聚邻苯二胺纳米膜 得到的印迹膜厚度约2 0 n m 印迹 膜的表面呈 石林 状 具有疏松多孔结构 实验表明 印迹膜对沙林气体具有 较高的气敏性 选择性高达2 2 抗干扰能力强 灵敏度至少可以达到1 1 0 一 比同种材质的微米膜灵敏度 5 x 1 0 4 更高 具有良好的应用前景 史瑞雪等 4 9 也运用电化学方法制备了甲基磷酸二甲酯印迹的分子印迹膜 对聚合条件进行了 优化选择 并且用该分子印迹膜结合叉指电极构成的传感器对模板分子进行了检 测 得到了良好的选择性响应性能 三 表面修饰法 膜表面修饰法 也就是在模板分子存在下 对已经通量优化的商业膜 如微 1 0 硕士学位论文 第一章综述 孔滤膜 进行表面修饰 让其具有分子印迹功能 具体方法是可以通过光照或热 引发在膜表面接枝共聚 其优点如下 模板分子用量减少 传质阻力降低 印迹 位点的可及性大大提高 结合位点容量增大 并有望实现生物大分子在水溶液环 境中的印迹和识别 为大规模分子印迹过程及应用提供可能性 跏 表面修饰法 主要有以下四种途径 1 利用具有光活性基团的商业膜 如聚砜膜 含光敏感性二硫代胺基甲酸 酯聚丙烯腈膜等 将商业膜浸入含有模板分子及功能单体的溶液中 采用紫外光 引发进行光接枝共聚 洗去膜表面未反应的功能单体后 再用适当的溶剂进行反 复清洗以除去膜表面印迹聚合物内的模板分子 即得到表面修饰的分子印迹复合 膜 w 缸g 等 5 l 首次利用此种方法制备了表面修饰的分子印迹膜 该方法反应时 间较长 得到的印迹膜具有带大孔的不对称孔形且渗透性低 所以不适用于亲和 膜分离 2 对于接枝共聚 采用能够发生 夺氢反应 的光引发剂 首先是在膜 的表面浸涂这种光引发剂 然后把涂有光引发剂的膜浸入含有模板分子 功能单 体的溶液中 通过光接枝共聚 模板分子和功能单体经过聚合后以共价键的形式 同膜相连 这样就在膜表面形成分子印迹薄层 洗去膜表面未反应的功能单体后 再用适当的溶剂除去薄层内的模板分子 p i l e t s k v 掣5 2 采用这种方法 以苯甲酮 为光引发剂 聚丙烯膜为支撑膜 2 一丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸作为功能单体 制备了对模板分子具有很高的特异性和较高水通量 4 5 9 l m 之 h 1 l p a 1 的分子 印迹膜 3 利用旷分裂光引发剂 支撑膜的修饰仍然采用光引发方式进行 具体过 程同上述方法类似 但是支撑膜表面对光引发产生的自由基保持 惰性 也就 是支撑膜不参与发生化学反应 因而该修饰过程可以认为是分子印迹聚合物薄层 在基膜上的 沉积 过程 比较而言 该方法应用范围较为普遍 原则上 任何 膜材料都可以应用这种方法进行表面修饰 k o c h k o d a l l 等 5 3 利用该方法在聚偏氟 乙烯微孔滤膜表面沉积敌草净印迹的分子印迹聚合物薄层 成功地实现了分子 印迹复合膜的制备 用于水溶液中敌草净的选择性分离富集 实验结果表明 该 分子印迹膜对敌草净具有很高的特异选择性和水通量 4 5 9 l m 五 h 1 k p a 1 他 们还就影响膜表面修饰度及膜性能的因素进行了研究 5 4 5 5 4 在多孔商业膜上通过光引发油包水乳液聚合得方式实现表面修饰 其过 程主要有三个步骤 制备含有模板分子与功能单体的油包水乳液 把溶有模板 分子的水溶液与含有功能单体的油溶液混合并进行超声波振荡处理 经乳化稳定 剂等添加剂的处理后就得到油包水乳液 光引发聚合 移除乳液上层的有机溶 剂后 将膜浸入该乳液中一段时间 用紫外光照射引发聚合 膜表面形成交联涂 硕士学位论文 第一章综述 层 模板分子的去除 用适当溶剂洗涤该膜 h 锄等 5 川首次报道了这种表面修 饰方法 他们以茶多酚为模板分子 油酸和三氟甲基丙烯酸为功能单体 通过乳 液聚合在聚丙烯微孔膜表面形成分子识别位点 该分子印迹膜对茶多酚和茶碱的 分离因子a 1 1 吲c a f 达到5 7 可以用于水溶液环境 并且具有很高的稳定性 在 保存个月后其选择性不变 1 2 7 分子印迹膜的应用 一 在传感器方面的应用 5 1 生物传感器因为具有出色的灵敏度以及高度的选择性而被广泛关注 然而 这种设备具有难以储存和不稳定的缺点 由于它们的识别性能是基于脆弱的生物 体 酶或抗体 因此 生物传感器难以得到更大规模的应用 因为分子印迹聚合 物对模板分子的具有专一性识别 而且稳定性能好 因此该印迹膜适合作为灵敏 度较高的传感器 目前 已被用作传感器的敏感部件 用于氨基酸 除草剂 有 机溶剂 神经毒剂 金属离子等多种物质的识别 通常识别元件是以印迹膜的形 式通过适当的方式固定在转换器的表面 郭洪声等以抗菌药物甲氧苄氨嘧啶作为模板分子 制备了对甲氧苄氨嘧啶具 有特异识别性能的分子印迹聚合物膜