93吕林松doc.pdf

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1、1/10 分子印迹聚合物的研究现状与展望吕林松 是利用分子印迹技术制备的具有与模板分子在空间结构和结合位点上完全匹配的高分子聚合物。1972 年Wulff 研究小组首次成功制备出 MIP,其在固相和固相微萃取2、色谱柱分离3、传感器4以及催化等方面的研究和应用得到了很好的发展。80 年代后非共价型模板聚合物的出现,尤其是 1993 年Mosbach 等人有关茶碱分子印迹聚合物的研究报道,使这一技术在生物传感器、人工抗体模拟及色谱固相分离等方面有了新的发展,并由此使其成为化学和生物学交叉的新兴领域之一,得到世界注目并2/10 迅速发展。MIP 的制备方法通常有本体聚合5、沉淀聚合6、表面印迹7、

2、溶胶凝胶8、两步溶胀9等方法。洗脱模板分子后的聚合物具有对印迹分子亲和性和选择性高、适应性广、稳定性好、寿命长等优点。MIP 对模板分子具有专一的识别作用,与其他的分子识别材料相比,MIP 有三大特点:一是预定性(predetermination,即它可以根据不同的目的制备不同的MIP,以满足各种不同的需要。二是识别性(recognition,即MIP 是按照模板分子定做的,可专一地识别模板分子。三是实用性 ,即它可以与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比拟,且由于它是由化学合成的方法制备的,因此又有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能力,从而表现出高度的稳定性和长

3、的使用寿命。目前,全世界至少有 10 多个国家的一百多个以上的学术机构和企事业团体在从事 MIP 的研究和开发。1分子印迹聚合物的制备原理和制备过程1.1 制备原理MIP 的制备原理主要有以下几种:(1 预组装方式(共价键法。在此方法中,印迹分子先共价结合到功能单体上,然后聚合,聚合后再打开共价键去除印迹分子。但由于共价作用一般较强,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，不适合于快速识别,并且识别作用机理与生物识别相差甚远,3/10 因此这种方法发展缓慢。(2 自组装方式(非共价键法 。在此方法中印迹分子与功能单体之间预先自组织排列,以非共价键如氢键作用、静电作用、

4、-作用、疏水作用、金属-配体作用、电荷转移等超分子作用形成多点相互作用,聚合后这种作用保存下来。由于自组装方式使用超分子作用制备仿生模型,其分子识别机理类似于天然生物分子,因此是分子印迹技术的研究热点,发展很快。(3 将共价作用与非共价作用相结合,应用于制备 MIP。1.2 制备过程MIP 的制备一般包括以下 3个步骤:(1 在一定溶剂(也称致孔剂 中,模板分子(TemplateMolecule,也称印迹分子、底物 与功能单体(Functional Monomer 依靠官能团之间的共 或非共价(Noncovalent 作用形成主客体配合物(Hostguestcomplex 。制备共价键型 MI

5、P 通常使用的功能单体是含有乙烯基的硼酸、醛、胺、酚和二醇以及含有硼酸酯的硅烷化合物等。非共价型 MIP 使用的单体有丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、亚甲基丁二酸、丙烯酰胺等。最常用的功能单体是-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,可以以离子键与胺发生作用,也可以以氢键与酰胺、氨基甲酸酯和羧基化合物发生作用。(2 加入交联剂(Crosslinker ,通过引发剂(Initiator 引发进行光或热聚合,使主客体配合物与交联剂通过自由基共聚合在模板分子周围形成高交联的刚性聚合物。制备MIP 4/10 最常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA,主要是因为其价格便宜,容

6、易纯化,而且制备的分子印迹聚合物性能稳定。(3 将聚合物中的印迹分子洗脱(extraction 或解离(dissociation 出来,这样在聚合物中便留下了与模板分子大小和形状相匹配的立体孔穴,同时孔穴中包含了精确排列的与模板分子官能团相互补的由功能单体提供的功能基团。这便赋予该聚合物特异的“记忆”功能,即类似生物自然的识别系统。2 分子印迹技术的理论模型研究分子印迹技术的研究大多是通过试错法进行的,相关的理论研究还在完善之中,但已有以下的成果展现102.1 动力学研究Whitcombe 等人对用分子自组装方式制备的,具有两个结合位点的MIP,从化学热力学的角度研究了其制备和应用时的化学平衡

7、过程。他们在一定假设基础上提出以下等式:M T M =K2TM(1 K-结合常数；T-模板分子浓度；M-模板分子-单体复合浓度。其假设如下:(1 两个功能单体与模板分子的反应能力是相同的。(2 两个功能单体与模板分子的结合过程是分别独立的。这个等式可以用来计5/10 算当模板分子与结合位点的结合达到平衡时TM 和MT M 的平衡浓度。在以上等式的基础上进一步简化模型则有下式:N=Ns+Nns=P(K2*L*MTM-K*L*(M0 2 MTM 式可以预测分子印迹聚合物的选择性大小。其中:K 值可以用主-客体软件计算出来。其他相应的值可以通过色谱、光谱、NRM 等实验得出。据报道,Whitcomb

8、e 已用上述两个公式对 Mosboch 等人的一些工作进行了计算,计算结果与实验结果基本一致。2.2 热力学研究对于分子印记技术的热力学研究也已开始,Page 和Jencks 首先进行了这方面的工作,Wiffiams 及其同事在前人研究的基础上提出了以下观点:Gbmd=Gt-f+Gr+Gr+Gmb+Gp-Gcent-GwdGbmd-物时自由能的改变。Gt-f-动和转动时自由能的改变。6/10 Gr-板分子转动受限引起的自由能的改变。Gr-作用力引起的自由能的改变。Gmb-动自由能的改变。Gp-加反应的所有基团自由能的改变的总和。Gcent-象逆转引起的自由能的改变。Gwd-华力引起的自由能的改

9、变。这个公式是比较完善的,不仅考虑到基团的专一性反应,而且考虑到了空间匹配对选择性的作用。但是这个公式过于复杂,在特定条件下可以进行简化。例如:分子较小时,=Gwd 可以忽略。在非极性溶剂中进行实验,=Gr 可以忽略等等。但是,有些计算结果与实验数据之间有较大的误差,因此有待进一步研究。3 分子印迹聚合物的应用及展望3.1 分子印迹聚合物的应用分子印迹聚合物以其优良的性能在生物、化学、医学等方面得到广泛的应用。3.1.1 用于化学仿生传感器化学或生物传感器是由分子识别元件和信号转换器(如电极、光极、场效应晶体管、压电晶体、热敏电阻等 所组成。近几十年来,生物传感器以其突出的灵敏度和特异性引起了

10、广泛的关注,使传感器技术的研究不断升温。与生物识别元件相比,分子印迹聚合物具有专一性强,稳定性好,不需使用动物,可大规模生产等优7/10 点。目前用 MIP 膜传感器测定的对象有氨基酸衍生物、吗啡、除草剂、有机溶剂、神经毒剂水解产物、金属离子等11印迹聚合物作为传感器的敏感部件,然后通过各种电、热、光、质等手段转换成可测信号,可定量分析各种小分子有机化合物。3.1.2 用于农残分析国外有人以用阿特拉津为模板的分子印迹聚合物,对氯代三嗪类除草剂进行富集提取,取得较好的效果(提取效率 74%77%。还有人利用特丁津印迹聚合物对环境水和底泥样品中的微量氯代三嗪类农药(去异丙基阿特拉津、去乙基阿特拉津

11、、西玛三嗪、阿特拉津、扑灭津、特丁津 进行选择性富集,除扑灭津外(回收率为53%,有的三嗪类化合物回收率都高于80%,表明该聚合物具有较高的选择性。3.1.3 用于色谱固定相MIP 最广泛的研究领域之一是利用它的特异识别性去分离混合物。其使用的印迹分子范围广阔,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,并用于HPLC、T LC 和CE 分离中。孙慧等合成了氧氟沙星MIP 作为固定相分离和测定氟喹诺酮类药物,结果表明,其对氧氟沙星和氟喹诺酮类药物有较好选择性,化学环境耐受能力好,是一种良好的分离富集材料128/10 3.1.4 其他方面应用分子印

12、迹技术还广泛应用于天然抗体模拟、药物控制释放等方面。MIP 模拟天然抗体具有很大的优越性。不需实验动物和免疫技术,可耐酸、碱、高温、高压环境及有机溶剂,且可回收多次利用。MIP 可以吸收大量与印迹分子结构相似的物质,可以被用来作为一种反应性控制释放载体。有人通过实验,初步提出了药物控制释放机理,以某种印迹分子为模板制得的印迹高聚物载着一定量的与该种印迹分子结构相似的药物分子,这种聚合物在该印迹分子存在的溶液中可以加速药物分子的释放。可以想象,这种吸附有药物分子的高聚物进入人体后,如果人体内存有该种印迹分子,则其会同药物分子对高聚物产生竞争性吸附,从而导致药物分子的逐步释放。当然,该高聚物应是可

13、体内降解的。3.2 分子印迹技术的展望分子印迹聚合物的出现为解决分析、分离过程中的选择性提供了一条有效的途径。随着印迹技术研究的不断深入和应用领域的不断扩展,我们可以看到分子印迹技术有着广阔的前景。但分子印迹技术应用还存在很多问题,主要体现在:(1 制备MIP 需要大量纯净模板分子,而这些模板分子大部分都较昂贵。(2 多数MIP 的制备仅局限在低极性的溶剂中,对于那些难溶或具有生物活性的物质则不适用,目前,虽有在极性溶剂中合成 MIP 的报道,但亲合性、选择性不高。(3 可用于分子印迹聚合物的功能单体种类不多,主要还是甲基丙烯酸类和丙烯酰胺类。因此,今后分子印迹聚合物9/10 的研究将主要围绕

14、三个方面:一是在水溶液体系中合成。二是开发新的功能单体。三是改进材料,尽量使之适应规模化生产和大范围应用。【参考 文 献】1 史瑞雪,郭成海,皱小红等.分子印迹技术研究进展 J.化学进展,2002.14(3:182.2 X G Hu,Y L Hu,G K Li.J.Chromatogr.A,2007,1147(1:1-9 3 A Naphtali,A P David,H Donna.J.Am.Chem.Soc.,2007,129(6:1680-1689.4 T Kirsi,V L Inger,M A Will em.Biosensors and Bioelectronics,2007,22(6

15、:912-919.5 G Vlatakis,L I Andersson,R Muller et al.Nature,1993,361,645-647.6 姚伟,高志贤,房彦军等.化工进展,2007,26(6:869-877.7 杜振霞,李文霞,付志峰.化工新型材料,2005,33(7:38-40.8 吕运开,严秀平.分析化学,2005,33(2:254-260.9 K Hosoya,K Yoshizako,N Tanakaetal.Chem.Lett.,1994,23(8:1437 1438.10 史瑞雪,郭成海,皱小红等.分子印迹技术研究进展 J.化10/10 学进展,2002.14(3:182 11 徐伟箭,罗鹏,张正华.基于分子印迹技术的仿生化学传感器 J.高分子材料科学与工程,2002,18(6:16 12 孙慧,董襄朝,吕宪禹等.色谱M,2003,21.