（化学工艺专业论文）分子印迹膜分离手性氨基酸的研究.pdf

中文摘要 手性药物的两个对映体常常具有不同的药理和毒副作用，相似的物化性质使 之成为分离领域最难处理的物系之一，因此，实现手性药物的高效拆分，得到纯 的光学异构体具有十分重要的学术意义和应用价值。本研究将分子印迹技术与膜 分离技术相结合，制备对手性物质具有识别和分离作用的新型有机一无机杂化分 子印迹膜，实现了水相中手性氨基酸和氨基酸类似物的高效拆分。 采用富含羟基和羧基的天然手性聚合物海藻酸钠( s a ) 为功能聚合物，以d 一 苯丙氨酸( d p h e ) 为模板分子，通过相转化法并采用硫酸处理与戊二醛交联两 种后处理方式，制备了d - p h e 分子印迹s a 膜。采用红外光谱( f t i r ) 、扫描电镜 ( s e m ) 、接触角测定等技术对膜的化学组成和结构进行了表征，考察了聚合物浓 度、模板分子含量、原料液中甲醇浓度及热处理温度等因素对d ，l - p h e 混合物拆 分性能的影响。优化条件下s a h ( d ) 和s a - g a ( d ) 两类分子印迹膜的分离因子分别 为1 3 2 和1 4 7 ，戊二醛交联s a 膜的拆分性能优于硫酸处理s a 膜。 以3 一氨丙基三乙氧基硅烷( a p t e s ) 为硅烷前驱体，采用原位溶胶一凝胶法制 备了d - p h e 分子印迹s a - a p t e s 有机一无机杂化膜。采用f t i r 、s e m e d x 及机械 强度测定等技术对膜的物化性质和机械性能进行了表征和分析；采用静态吸附法 对膜的结合容量与吸附选择性进行了测定；考察了a p t e s 含量、模板分子含量、 热处理温度及原料液浓度等因素对膜手性拆分性能的影响。结果表明，分子印迹 s a a p t e s 杂化膜对模板分子的特异吸附能力较空白膜明显提高，分子印迹膜对 模板分子的吸附符合l a n g m u i r 等温吸附模型，分子印迹膜内只存在一类等价的 结合位点，模板分子在印迹膜内的传递符合“优先吸附，优先扩散”机理。分子 印迹s a - a p t e s 杂化膜的分离因子达到2 8 7 ，较好地实现了水相中d ，l - p h e 混合 物的拆分。 考察了d - p h e 分子印迹s a - a p t e s 杂化膜对氨基酸结构类似物( d p h e 和 d - t y r ) 的分离性能，并研究了a p t e s 含量和热处理温度对分离效果的影响。结 果表明，空白膜对d - p h e 和d - t y r 的混合物不具分离性能，而分子印迹s a a p t e s 杂化膜对上述氨基酸结构类似物有较好的识别作用，分离因子达到2 8 6 。 关键词：分子印迹有机一无机杂化膜手性拆分l ，d 一苯丙氨酸d 一酪氨酸 a b s t r a c t t h et w oi s o m e r so fc h i r a ld r u gu s u a l l yh a v ed i f f e r e n tp h a r m a c o l o g ya n dt h e r a p y f u c t i o n s ，w h e r e a si ti st h em o s td i f f i c u l ts y s t e mi ns e p a r a t i o nf i e l db e c a u s et h e i r s i m i l a rc h e m i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s oi ti st h eo b v i o u si m p o r t a n c ei nb o t h s c i e n c ea n da p p l i c a t i o nt oa c h i e v eo p t i c a lr e s o l u t i o na n dg a i nt h ep u r ei s o m e r m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm e m b r a n e s ( m i m s ) ，w h i c hc o m b i n et h ea d v a n t a g e s o f m o l e c u l a ri m p r i n t i n ga n dm e m b r a n et e c h n o l o g y , w i l lp o t e n t i a l l yb e c o m en o v e l s e p a r a t i o nm e d i af o rt h er e c o g n i t i o na n ds e p a r a t i o no fc h i r a ls u b s t a n c e s i nt h i sw o r k , n o v e lo r g a n i c i n o r g a n i ch y b r i dm o l e c u l a ri m p r i n t e dm e m b r a n ew a sp r e p a r e da n di t w a sr e a l i z e di na q u e o u ss o l u t i o nt oe f f i c i e n t l ys e p a r a t ei s o m e r i cc o m p o u n da n d s t r u c t u r ea n a l o g so fa m i n oa c i d s m _ 1 m sw e r ep r e p a r e du s i n gd - p h e n y l a l a n i n e ( d p h e ) a st e m p l a t e ，s o d i u m a l g i n a t e ( s a ) w i t hl a r g en u m b e r so fc a r b o x y lg r o u p sa n dh y d r o x y lg r o u p sa s a m u l t i f u n c t i o n a lp o l y m e ra n db u l km e m b r a n em a t r i x 。f i r s t l y , m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d a n dc o n t r o ls am e m b r a n e sw e r ep r e p a r e db yp h a s ec o n v e r s i o nm e t h o dt o g e t h e rw i t h a q u e o u ss u l f u r i ca c i d t r e a t m e n to r g l u t a r a l d c h y d e c o r s s l i n lt h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n , s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo ft h ea l g i n i ca c i dm e m b r a n e sw e r eo b t a i n e d b yf t - i r ，s e ma n dc o n t a c ta n g l e ，t h ee f f e c to fm u l t i f u n c t i o n a lp o l y m e rc o n t e n t ， t e m p l a t ec o n t e n t m e t h a n o lc o n c e n t r a t i o ni nf e e da n dh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo n t h ea b i l i t yo fm e m b r a n e sf o rc h i r a lr e s o l u t i o no fd ，l p h ea q u e o u sm i x t u r e sw e r e i n v e s t i g a t e d t h em o s to p t i m i z e ds e p a r a t i o nf a c t o r sw e r e1 3 2a n d1 4 7o fs a - h ( d 1 a n ds a - g a ( d ) m e m b r a n e ，r e s p e c t i v e l y t h ee n a n t i o s e l e c t i v i t yo ft h em e m b r a n e s c r o s s l i n k e db yg l u t a r a l d e h y d ew e r eb e t t e rt h a nt h o s eb ys u l f u r i ca c i dt r e a t m e n t s e c o n d l y , d p h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e d a n dc o n t r o ls o d i u ma l g i n a t ea n d 3 - a m i n o p r o p y l - t r i e t h o x y s i l a n e ( s a a p t e s ) h y b r i dm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e db ya s i m p l es o l g e lp r o c e s si na q u e o u ss y s t e m t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p h y s i c a l s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i dm e m b r a n e sw e r ec h a r a c t e r i z e db y f t - i r , s e m - e d xa n dm e c h a n i c a ls t r e s s - s t r a i nt e s t t h eb i n d i n gc a p a c i t y a n d s e l e c t i v i t yo ft h em e m b r a n e sw e r eo b t a i n e db yb i n d i n ge x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so f a p t e sc o n t e n t , t e m p l a t ec o n t e n t ，f e e dc o n c e n t r a t i o na n dh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e o nt h ec h i r a lr e s o l u t i o na b i l i t yo ft h em e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tm o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds a a p t e sh y b r i dm e m b r a n e ss h o w e do b v i o u s i m p r o v e ds p e c i f i ca d s o r p t i o ns e l e c t i v i t yt o w a r d st e m p l a t e sc o m p a r e dw i t hc o n t r o l m e m b r a n e s ，a n dt h ea d s o r p t i o ni s o t h e r mw a sa c c o r d e dw i t hl a n g m u i ri s o t h e r m a l a d s o r p t i o n t h et r a n s p o r to fd - p h e n y l a n a l i n et h r o u g hm i m sf i tt h em e c h a n i s mo f “p r e f e r e n t i a ls o r p t i o n ，p r e f e r e n t i a lp e r m e a t i o n ”，a n dt h e r ew a so n l yak i n do fb o n d i n g l o c u sa n a l y s i s e db ys c a t c h a r d t h em a x i m u ms e p a r a t i o nf a c t o ra c h i e v e di nt h i ss t u d y w a sa b o u t2 8 7 f i n a l l y , d p h ea n dd - t y r i s o nw e r es e p a r a t e db yd - - p h em o l e c u l a r l yi m p r i n t e d a n dc o n t r o ls a - a p t e s h y b r i dm e m b r a n e si na q u e o u ss y s t e m t h ee f f e c t so fa p t e s c o n t e n ta n dh e a t - t r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo nt h es e p a r a t i o na b i l i t yo ft h em e m b r a n e s w e r ei n v e s t i g a t e d d - p h ea n dd t y r i s o nw e r e e f f e c t i v e l ys e p a r a t e db yd - p h e m o l e c u l a r l yi m p r i n t e ds a - a p t e sh y b r i dm e m b r a n e s ，a n dt h em a x i m u ms e p a r a t i o n f a c t o ra c h i e v e di nt h i ss t u d yw a sa b o u t2 8 6 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 g ，o r g a n i c - i n o r g a n i ch y b r i dm e m b r a n e ，c h i r a l r e s o l u t i o n ，l ，d - p h e n y l a l a n i n e ，d - t y r i s o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：屯姚 签字日期：叩 年多月圹同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：岛物他 签字日期叩年5 月f 厂日 导师签名：冥( 粤、 签字嗍砷年多月，7 同 前言 在自然界中，手性是一种普遍现象，构成生命活动基础的大分子如蛋白质、 多糖、核酸等几乎全是手性的，人工合成产品中也存在大量的手性物质。手性物 质的两个对映体具有不同的药理和药毒作用，很多情况下只有一个对映体能很好 地发挥预期的药理作用，另一个对映体则活性很低或者没有活性，甚至活性相反 或者会引起严重的副作用。因而，基于手性药物的有效性和安全性，对手性物质 进行拆分得到纯的光学异构体具有十分重要的意义。由于它们的化学、物理性质 非常相似，手性物质的拆分曾被认为是化合物分离领域最困难的工作之一，寻找 和发展更加准确可靠的手性拆分方法已成为当今的重要前沿课题。 分子印迹技术是制备对特定目标分子具有预定选择性的高分子化合物一分 子印迹聚合物的技术，分子印迹聚合物因为其特有的“预订”的高手性选择性， 而在手性分离方面有良好应用前景。另一方面，膜分离技术因其便于连续操作、 易于放大、能耗低、能量利用率高等优点，在医药、食品和化工等各行业都已涉 及或希望应用膜分离技术。分子识别功能高分子膜是近十几年来，发展起来的一 个崭新的研究领域，它是将制备手性高分子聚合物的分子印迹技术应用到膜的制 备中，使所制备的膜具有对特定小分子进行识别的功能。分子识别功能高分子膜 的制备，开拓了分子印迹技术的一个新的应用领域，为开发新型功能膜材料打开 了新思路。 氨基酸是重要的生命活性物质，大多具有手性异构体，某些不同类型的氨基 酸在结构上也非常相似，将分子印迹膜技术应用于氨基酸的分离具有重要应用价 值，为生物分子的印迹及走向规模化奠定基础。 目前，很多研究学者采取用分子印迹的技术分离氨基酸，大多是在有机溶剂 中对氨基酸类物质先衍生后分离。基于非共价作用的m i p 的制备及识别大多是 在非水体系中进行，因为在水性( 或极性) 体系下进行印迹，强极性溶剂( 尤其 是水) 会大大削弱模板分子与聚合物的相互作用，从而使聚合物的选择性大大降 低，甚至消失。但天然的分子识别系统却大多是在水环境中进行的，许多生物分 子在有机溶剂中不溶或者失活。因此，如何在水溶液中制备m i p 并进行识别是 研究者们的一个深切愿望。 本研究旨在制备出一种可以较好地维持印迹位点的分子印迹膜，从而较好地 实现水相中无需衍生的氨基酸的分离。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 手性物质的分离 1 1 1 手性物质 第一章文献综述 分子结构互为镜像但是又不能互相重合的两个化合物称为对映体，它们间彼 此不能重合的性质称为手性。手性分子由于具有不对称性而普遍表现出旋光性， 即能将入射偏振光平面旋转一定的角度。两个对映体的等物质的量的混合物叫做 外消旋体或混旋体。 手性是自然界的本质属性之一，生物体内大分子( 如蛋白质、多糖、核酸和 酶等) 几乎全是手性的，这些大分子在体内往往具有重要的生理功能。目前所用 的药物多为有机小分子，很大一部分也具有手性，它们主要通过与体内酶、核酸 等大分子中固有的结合位点产生诱导契合，通过各种酶的识别和选择性，选择与 之相匹配的药物的立体结构。比如人体里的氨基酸都是左旋的，只有与左旋的氨 基酸才能合成蛋白质。因此，往往消旋药物中的一个对映体往往能很好地与手性 大分子契合而发挥预期的药理作用，另一个对映体则不能很好地契合而成为无效 对映体或与其他大分子契合而产生不同的药理作用和具有毒副作用。例如，1 9 5 7 年生产，1 9 6 1 年被禁止使用的镇静剂酞咪多啶酮，发现它的( s ) 异构体具有强烈 的致畸作用。据统计，现在药物中，有6 0 以上具有一个或多个手性中心。手 性物质，特别是手性药物在性能( 药效) 上的差异促使人们对单一异构体的需求越 来越迫切。1 9 9 2 年，美国食品与药物管理局规定，今后在新药的使用说明中必 须明确量化每种对映异构体的药效作用和毒理作用，并且当新药的两种对映异构 体有明显的药效和毒理作用差异时，必须以光学纯的药品形式上市。手性药物不 仅具有技术含量高，疗效好，副作用小的优点，而且与刨制新药相比，开发手性 药物研究相对要风险小、周期短、耗资少、成果大。这使得开发手性药物不仅具 有重大的科学价值，同时也蕴藏着巨大的经济效益，同时，基于手性药物的有效 性和安全性，对手性物质进行拆分得到纯的光学异构体具有十分重要的意义，寻 找和发展更加准确可靠的手性拆分方法已成为当今的重要前沿课题。 1 1 2 手性物质的分离方法 由于手性物质的物理化学性质极其相似，分离起来难度很大，曾经被认为是 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 化合物分离领域最困难的工作之一。目前，单一异构体物质的获得除了通过天然 来源、手性源合成及不对称合成外，主要是通过对外消旋体进行拆分得到的。用 于外消旋体拆分的方法主要包括：直接结晶拆分法、化学拆分法、酶拆分法、萃 取拆分法、色谱拆分法、膜拆分法等。 1 1 2 1 直接结晶拆分法 直接结晶拆分法是最早被使用的拆分方法，包括晶体机械拆分法、手性溶剂 结晶法和接种晶体析解法。前两种由于效率低下及适用范围狭窄，实际应用很少； 第三种是目前应用比较广泛的拆分方法，主要是利用化合物的消旋异构体在一定 温度下较外消旋体的溶解度小、易析出的性质，在外消旋体的热饱和溶液中加入 某一种旋光异构体作为晶种，适当冷却，诱使与晶种相同的异构体先行析出，交 替的加入两种对映体晶种，从而达到分离的目的。这种结晶拆分法已经应用在大 规模生产氯霉素、薄荷糖及甲基多巴等手性药物上，但在生产过程中为了使外消 旋混合物饱和，通常只能间歇生产，另外拆分过程中容易产生夹带析出现象，因 而不能很好的保证光学纯度。 1 1 2 2 化学拆分法 化学拆分法是一种经常用于外消旋体拆分的方法。经典的化学拆分是利用光 学活性的有机酸或碱与对映异构体作用形成非对映异构体衍生物( 或盐) ，通过分 步结晶而分离，然后再用无机酸或碱分解，从而获得有光学活性的产物。由于必 须使被拆分化合物变为酸或碱，这种方法在被拆分化合物类型上受到了很大的限 制。二十世纪八十年代，日本化学家t o d a 发明了一种新的化学拆分法包结拆分 法。它是用手性主体拆分剂，通过弱相互作用( 氢键、丌一丌堆积、范德华力等) ， 选择性地与客体分子中的一个对映异构体形成超分子化合物包结络合物结 晶析出来，从而实现对映体的分离。包结拆分法的条件温和，收率高，操作和分 离简单，手性主体回收容易，符合绿色的要求，这种方法具有良好的工业应用前 景。 1 1 2 3 酶拆分法 近年来，利用酶的高度立体选择性进行外消旋体的拆分已成为制备手性药物 的重要途径。由于酶本身就是一个手性催化剂，它对底物的构型往往有严格的要 求，能选择性的作用于一种对映异构体而对另外的异构体则不起作用，从而起到 拆分的作用。由于酶法拆分的效率高、选择性高、反应条件也较为温和，且酶无 毒，易降解，不会造成环境污染，使酶法拆分外消旋体成为理想的选择，具有很 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 好的应用前景。但酶易失活的缺点仍是目前阻碍其实际应用的主要瓶颈。 1 1 2 3 色谱拆分法 从7 0 年代开始，特别是近些年来，液相色谱( h p l c ) 在手性研究中取得了令 人瞩目的进展。它在拆分对映体时通常有3 种方法：一是利用手性试剂与被拆分 物进行衍生化反应生成非对映异构体，从而可被传统的非手性h p l c 所拆分；二是 在流动相中加入手性添加剂，利用非手性固定相h p l c 进行拆分；三是利用手性固 定相( c h i r a ls t a t i o n a r yp h a s e s 简称c s p s ) 的h p l c 进行拆分。其中，最简便和最有效 的方法是c s p s h p l c 法。c s p s h p l c 法之所以能拆分对映体，是因为在c s p s 与外 消旋体相互作用时，其中一个对映体与c s p s 生成不稳定的短暂的对映体复合物， 造成在柱淋洗时保留时间不同，从而达到拆分的目的。 高效液相色谱法是拆分对映体的非常有效的方法，但此方法由于成本高，不 适合大规模制备。 1 1 2 4 膜拆分法 膜分离是一种近几年刚发展的节能技术，从连续性和能量有效的观点出发， 通过手性膜拆分对映体是非常吸引人的。对于消旋药物的分离，膜操作的两种基 本类型：用手性选择性膜直接分离，或非手性选择性膜辅助手性拆分剂形成不对 称的复合膜操作【2 】。通常对拆分膜的分类是以膜的状态分为固体膜和液膜两种。 液膜分离手性物质的原理是在手性分离过程中，液膜对某一对映异构体药物有比 其他对映体更强的亲和力，基于选择性萃取的原理达到对消旋体拆分的目的，传 递的驱动力来自对映异构体在膜两侧的浓度差。在各种手性拆分液膜中，选择性 比较好的是使用流动载体的液体膜方法，选择的种类和程度取决于所使用的载体 分子( 手性选择体) 的性质。 由于液膜的主要缺点是一个相当长时间的不稳定性。近几年来，手性药物膜 分离的另一个新发展是手性固体膜即手性选择性高分子膜的发展。手性选择性高 分子膜通常是由一个表面带有手性选择性薄层的非选择性多孔支撑组成，这种 高分子膜需要高的比表面积，低的物质转运阻力，好的机械强度和旋光性识别能 力。分离机制涉及要分离的对映异构体和膜表层的高分子矩阵的特定的选择性相 互作用，如果一步不能得到想要的光学纯度的物质，膜单元的层叠很易于获得想 要纯度的物质。渗透性和选择性决定手性膜的性能。用于消旋体药物拆分的手性 固体膜的种类很多，可分为天然膜和合成分子膜两大类。 1 ) 天然高分子膜，包括聚氨基酸膜、抗体膜、聚糖膜、基于酶的聚合物膜、 环糊精膜和b s a 膜。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 ) 合成高分子膜，包括分子印迹高分子膜、纤维素衍生物固体膜和聚电介质 高多层膜。其中，分子印迹高分子膜是近十几年来，随着分子识别聚合物的发展 而发展起来的一个崭新的研究领域【3 】，它是将制备手性高分子聚合物的分子印迹 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 ) 应用到膜的制备中，使所制备的膜具有对特 定小分子进行识别的功能。分子识别功能高分子膜的制备，开拓了分子印迹技术 的一个新的应用领域，为开发新型功能膜材料打开了新思路。关于分子印迹膜材 料将会在后面的内容中详细介绍。 1 2 分子印迹技术 1 2 1 分子印迹技术的概述 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 ) 也叫分子模板技术 ( m o l e c u l a rt e m p l a t et e c h n i q u e ，m t t ) ，是制备对特定目标分子( 模板分子也称印迹 分子) 具有特定预定选择性的高分子化合物一分子印迹聚合物的技术。 分子印迹技术起源于免疫学。2 0 世纪3 0 年代早期，b r e i n l ，ha u r o w i t z 和m u d d 研究发现，抗体在遇到其异型生物质抗原( x e n o b i o t i ca n t i g e n s ) 时会产生多变性的 特点【4 】。2 0 世纪4 0 年代，由著名的诺贝尔奖获得者p a u l i n g 【5 1 总结，并把抗体形 成的多变性归结为是由于抗原的作用而诱导抗体多肤链的三维构型发生变化造 成的。 作为p a u l i n g 有关抗体理论的演绎，人们开始想到用这种理念来合成分离基 质。在后来的几十年中。s c a t e r d 在这方面作了一些尝试。但直到二十世纪七、八 十年代，现代分子印迹技术才有了真正的突破。特别是、u l l f 等【6 】在共价型分子印 迹技术和m o s b a c h 【7 】在非共价型分子印迹技术上的开拓性工作的开展，分子印迹 技术领域才得到了蓬勃的发展。1 9 9 7 年，分子印迹协会( s o c i e t yo fm o l e c u l a r i m p r i n t i n g ，s m i ) t 式成立。2 0 0 0 年国际性的关于分子印迹技术的专题讨论会首 次召开，这标志着分子印迹技术己经成为新世纪最为热门的技术之一。m i p 之所 以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点：预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、识别性 ( r e c o g n i t i o n ) 和实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。预定性决定了人们可以根据不同的目的制 各不同的m i p ，以满足各种不同的需要：识别性是因为m i p 是根据印迹分子 ( i m p r i n t e dm o l e c u l e ) 定做的，它具有特殊的分子结构和官能团，能选择性地识别 印迹分子；实用性表现在它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，具有抗恶劣环境的能力，表现出高度的稳定性和长的使用寿命， 且制备过程简单。由于m i p 具有如上这些优点，它在许多领域都展现出良好的应 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 用前景4 】。 1 2 2 分子印迹技术的原理 分子印迹技术的核心是制备分子印迹聚合物( m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r s 。 m i p s ) ，分子印迹的基本过程如图1 1 所示：印迹分子( 又称模板分子) 同具有官能 团的功能单体相互作用，在交联剂的作用下形成了具有大孔、网状的聚合物，通 过溶剂洗脱或在一定条件水解除去印迹分子，聚合物中就形成了与印迹分子空间 匹配的具有多重作用点的空穴。当印迹分子进入m i p $ 之后，就会与这些识别位 点相互作用，其结构和功能基团均和“空穴 相匹配；而非印迹分子则因为体积 大小和功能基团不匹配而不能有效地进入“空穴”，从而对之不具有特殊的识别 作用。显然“空穴中作用位点越多，作用部分性质和类型越广泛，则m i p s 与 印迹分子之问的亲和性和选择性就越高。印迹分子及其结构类似物在m i p s 上表 现出较强的亲和作用，保留能力强；相反其他化合物亲和能力和保留能力均较差。 这样的空穴可以与待分离混合物中的印迹分子进行特异性的亲和作用，从而达到 分离、纯化等目的。 图l 1 分子印迹过程示意图 f i g 1 1t h ep r o c e s so f m o l e c u l a ri m p r i n t i n ga p p r o a c h 根据印迹分子与功能单体之间形成配合物时作用力的性质，分子印迹聚合物 的制备过程分为共价键作用和非共价键作用两种，也有人将共价作用和非共价作 用相结合【1 5 】，应用于制备m i p 。 ( 1 ) 共价法 共价法，又称预组织法，是由w u l l f 等人【6 】创立的。在此方法中，功能单体与 模板分子间首先通过可逆共价键形成单体一模板分子复合物，然后交联聚合，聚 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 合物形成后再通过一定方法使模板分子同聚合物间共价键断裂，释放出模板分子 形成共价型印迹聚合物，其结构中具有与模板分子空间构型互补且可通过共价键 结合的基体，可选择性的结合模板分子。 共价法的优点是能获得在空间精确固定排列的结合基团，但由于共价作用一 般较强，形成的复合物较稳定，因而洗脱较困难，且在识别过程中，结合和解离 的速度较慢，难于达到热力学平衡，不适于快速识别，另外能形成可逆性共价键 的化合物有限，识别机理与生物识别也相差甚远，因此限制了这一方法的发展与 应用。 ( 2 ) 非共价法 非共价型也称作自组装型( s e l f - a s s e m b l i n g ) ，印迹分子和功能单体通过非共价 作用( 如氢键作用、静电引力、金属鳌合、电荷转移、范德华力和疏水作用等) 形 成超分子复合物。利用自由基聚合原理形成高度交联的共聚物，然后抽提出印迹 分子，当印迹分子再次进入聚合物网络时，就会通过非共价作用与结合位点再结 合。 m o s b a c h 经过一系列的优化工作，结果表明单体与印迹分子的摩尔比至少应 该为4 ：1 时，m i p 完全能达到与共价键作用制得的产物同样性能1 1 6 , 1 7 】。利用最多 的共价键作用是氢键，但研究发现如果在印迹和后续的分离过程中只有一种氢键 作用时，其分离的效果往往不佳；而如果在印迹过程中既有氢键，又有其他物理 或化学作用时，所得印迹聚合物的选择性要高的多【l 卜1 9 】。 非共价法合成m i p s 操作起来比较简便，亲和性和选择性较高，类似于抗体， 可供选择的功能单体更为广泛，可以使用多种单体同时印迹，合成方法多种多样， 极大地拓宽了m i p s 的应用范围。目前应用最多的是非共价型m i p s 。 除了上述两种基本类型外，还有的学者利用共价与非共价方法的各自优点， 巧妙的将这两种方法结合起来，实现混合型分子印迹。 1 2 3 分子印迹聚合物的应用 同天然及通过其它途径合成出来的分子识别材料相比，m i p 具有三大特点： ( 1 ) 构效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) ；( 2 ) 特异识别性( s p e c i f i cr e c o g n i t i o n ) ；( 3 ) 广泛实用性( p r a c t i c a b i l i t y ) 。同时，m i p 还表现出高度的稳定性、长期的使用寿命、 良好的耐受苛刻环境能力等优点，因而在色谱分离、仿生传感、药物分析、手性 化合物分离等诸多领域得到了广泛的开发与应用。 1 2 3 i 色谱分离 m i p s 最早的应用是在色谱领域，而且至今仍然是一个比较活跃的领域。m i p s 7 - ， 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 在分离对映异构体方面具有其独到之处。不仅本体聚合得到的棒状聚合物经研磨 筛分后可以填装到色谱柱中用于分离，微球形的m i p s 因粒径均匀更适合作为液 相色谱的固定相。 m o s b a c h 等最先制备了t e r t b o c l p h e 的m 妒，并将其填装进色谱柱中进行色 谱分离【2 们。他们还研究了色谱流动相组成和交联度对m i p s 对映体分离的影响( y u ， c ；m o s b a c h k j c h r o m a t o g r a a j c hr o m a t o g r a 2 0 0 0 ，8 8 8 ，6 3 ) 。后来他们又制 备t n a c l p h e t r p o m e 的m i p 色谱固定相，其分离因子达到1 7 8 t 2 1 1 ，这充分表 明m i p 具有良好的手性识别能力。不过这类固定相最大的缺憾是由于位点分布不 均匀而导致柱效低，新的聚合及分析技术的发展及其他色谱技术的引入有望使其 逐步得到解决。 1 2 3 2 仿生传感器 由于m i p s 对模板分子的识别具有专一性，而且稳定性能好，因此其膜和高 分子聚合物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 于识别氨基酸、除草剂、有机溶剂、神经毒剂、金属离子等多种物质。通常识别 元件是以膜的形式通过适当的方式固定于转换器表面。郭洪声等2 2 ，2 3 1 用抗菌药物 甲氧苄氨嘧啶为模板分子，制备了对甲氧苄氨嘧啶具有特异选择性的分子模板聚 合物膜，其方法是将分子印迹聚合物合成在聚四氟乙烯膜上，制备出的分子印迹 聚合物膜传感器对甲氧苄氨嘧啶具有高选择性和亲和性。史瑞雪等【2 4 】也报道了一 种用电化学方法制备分子印迹聚合物膜的方法，并用该膜结合叉指电极构成的传 感器对其模板分子进行了检测，得到了良好的响应。 1 2 3 3 农残检测 农药残留检测属于微量或超微量分析，必须采用高灵敏度的检测仪器才能实 现。此外，由于农药品种多，化学结构和性质各异，因此对农残检测技术有更高 的要求。 s e r g e y e v a 等 2 5 】以m a a 为功能单体，制备了莠去津印迹的m i p 膜。利用该膜 结合电导传感器用于残留莠去津的检测，表现出高度的选择性与敏感性，检测极 限达5 n m o l l ，连续使用6 个月性能保持不变。d e l a n e y 等t 2 6 】采用接枝共聚技术制 备了敌草净印迹的聚丙烯膜，并首次结合化学传感器用于农残检测，收到了较好 的效果。目前m i p 膜在这方面的应用对象还仅限于一些除草剂如莠去津、扑灭通、 敌草净等，应用范围有待进一步拓宽。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 4 在手性化合物分离方面的应用 由于分子印迹膜具有分子水平上的专一性识别，同时具有m i p s 良好的操作稳 定性及识别性质，不受酸、碱、热、有机溶剂等各种环境因素影响的特点，决定 了分子印迹膜在手性分离方面的应用。i z u m i 等【2 7 】以b o c l 一色氨酸为印迹分 子，将其引入到四肽衍生物中，然后经过处理制备成手性分子印迹膜。这种膜对 b o c l 一色氨酸具有较高的吸附选择性。y o s h i k a w a 2 8 j 将z 型谷氨酸保护剂 ( z d g l u ，z l g l u ) 与乙酸纤维素( c a ) 结合制成了分子印迹选择性识别膜。实验 结果表明，d g l u 优先通过在z d g l u 分子印迹膜中，而在以z l g l u 为印迹分子 的c a 膜中，l g i u 贝j j 优先通过。两种方式中g l u 与其相应的分子识别位点之间的 亲和常数达到3 1 x 1 0 。3 l t o o l 。y o s h i k a w a 等【2 9 】又利用三肽衍生物为模板制备新型 分子印迹膜，用于d ，l t r p l 拘手性拆分。m a h e w k r t o z 掣3 0 】则利用9 乙基腺嘌呤 为模板分子，以m a a 为功能单体，采用n ，n 二甲基甲酰胺为溶剂，在硅烷化的玻 璃表面印迹成膜，用甲醇洗脱掉模板分子后，将其用于分离腺嘌呤、胞嘌呤和胸 腺嘌呤，发现对腺嘌呤的识别能力远大于后者。姜忠义等【”】利用l 苯丙氨酸作为 模板分子，以壳聚糖为功能聚合物，实现了在水相中分离非衍生的苯丙氨酸异构 体，并研究出印迹分子在膜中的传递机理“优先吸附，优先扩散”。 表1 1 分子印迹膜在手性拆分中的应用举例 t a b l el 一1a p p l i c a t i o n so f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rm e m b r a n e si nc h i r a ls e p a r a t i o n 印迹分子功能单体分离因子qi j文献 b o c - l - t r pe q k l - r e s i n 2 3 2 b o c l - t r p d i d e r e s i n6 3 3 b o c - l - t r p e e e r e s i n5 3 4 b o c t r p d l d e r e s i n5 9 3 5 a c - l = t r p e f f l e s i n6 8 3 6 b o c d - t r p e 2 k r e s i n 1 4 3 7 b o c - d - t r p( d e ) 2 k r e s i n 2 3 7 b o c - d t r p ( i d e ) 2 k - r e s i n 3 4 3 7 b o c - d - t r p ( d i d e ) 2 k - r e s i n 4 6 3 7 z d g l u c a2 3 3 8 c b z l - t y r m a a3 4 3 9 其中： b o c - t r p ：叔丁氧羰基一色氨酸，a c t r p ：乙酰一色氨酸，z - g l u ：苄酯 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 基谷氨酸，c b z t y r ：苄氧基羰基酪氨酸，m a a ：甲基丙烯酸，e q k l - r e s i n 、 d i d e r e s i n 等是指含不同寡肽残基衍生物的树脂。 1 3 分子印迹膜 分子印迹膜( m i m ) 的研究最早开始于2 0 世纪9 0 年代，有报道通过光聚合的方 法在溶剂中将3 ，5 环腺苷酸分子印迹聚合物接枝到聚偏氟乙烯超滤膜表面，制 备出了对3 ，5 环腺苷酸分子具有识别特性的分子印迹膜。这种将m i p s 对特定 印迹分子的专一识别性与膜分离的操作简单、易于连续化、条件温和等特点结合 起来，制备对特定印迹分子具有高选择性、大通量的分子印迹膜【删的研究取得了 不断的发展。这是因为：( 1 ) 膜分离技术便于连续操作、易于放大、能耗低、 能量利用率高，通常被看作是“绿色化学”的典型，在医药、食品、化工和农业等 各行业的分离、分析与制备过程中都已涉及或者希望应用膜分离技术；( 2 ) 目 前的商售膜如超滤、微滤及反渗透膜等都无法实现单个物质的选择性分离，而 m 口膜为将特定目标分子从其结构类似物的混合物中分离出来提供了可行且有 效的解决途径；( 3 ) m i p 膜在具有分子特异识别能力的同时，比一般生物材料 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 ) 同传统粒子型m i p 相比，m i p 膜具有不需要研磨等繁琐的制备过程， 扩散阻力小，易于应用等独特的优点。正是由于m i p 膜兼具分子印迹与膜技术的 特点，引起了人们广泛的兴趣。 1 3 1 分子印迹膜材料的选择依据 m i p 对目标分子的识别