（生物医学工程专业论文）分子印迹聚合物的制备及其在色谱分离中的应用.pdf

a b s t r a c t 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 ) a nn o v e lp o l y m e r i cm a t e r i a l sw i t h a r t i f i c i a l r e c e p t o r - l i k eb i n d i n gs i t ef o rs p e c i f i ct e m p l a t e so na c c o u n to f t h e i rh i g hr e c o g n i t i o na b i l i t y , s t a b l e m e c h a n i ca n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，m i p sh a v ef a v o r a b l ep r o s p e c ti na 、“d er a n g eo f a p p l i c a t i o n ss u c h 笛c h r o m a t o g r a p h i c p 删i o t i s o l i d - p h a s ee x t r a c t i o n , s e l o r sc o m p o n e n t s ， m i m i ce 1 1 z y m ec a t a l y s t sa n dm e m b e rs e p a r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a p p l i c a t i o n so fm i p si n s e p a r a t i o no fq u l n o l o n e sa n dt h i n - l a y e rc h r o m a t o g r a p h yw e r ei n v e s t i g a t e d , t h eh n 朗f a c 廿o n s b e t w c c r lt e m p l a t ea n dv a r i o u sf u n c t i o n a lm o n o m e r sw e r es t u d i e da n dn o v e ls u r f a c ei m 两n t e d m i c r o s p h e r e sw i t hb o t hs a t i s f y i n gk i n e t i cp r o p e r t i e sa n dd e s i r e dp a r t i c l em o r p h o l o g i e sw c i i g s y n t h e s i z e d t h em a i nw o r i 【so f t h i sd i s s e r t a t i o na 他p r e s e n t e da sf o l l o w s ： m l p sw i t hh i g hs e l e c t i v i t yf o rl - p a z u f l o x a c i nw e r ep r e p a r e d e f f e c t so fm o n o m e ra r l u l t r a v i o l e t ( u v ) s p 仉l n lo fl - p a z u f l o x a c i nw e r ei n v e s t i g a t e dt od e t e r m i n et h eb i n d i n gc o n s t a n t a n ds t o i c h i o m e t r i cr a t i ob e t w e e nt h et e m p l a t ea n dm o n o m e r t h eb i n d i n gc h a r a c t e r i s t i co fm i p s w a ss t u d i e dt h r o u g hb i n d i n ge x p e r i m e n t sa n ds c a t o h a r da n a l y s e s t h em i p sw a su s e da s s t a t i o n a r yp h a s eo fh i g hp e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) t oe v a l u a t ei t sr e c o g n i t i o n a b i l i t ya n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ei n f l u e n c eo f p hv a l u e ，r a t i oo f b u f f e ra n do r g a n i cs o l v o n t i nt h em o b i l ep h a s e ，c o n c e n t r a t i o no f s a m p l eo nt h er e s o l u t i o no f m i pw e r ed i s c u s s e d t h i n - l a y e rc h r o m a t o g r a p h y ( t l c ) u s i n gm i p sa sc h j _ r a ls t a t i o n a r yp h a s e s ( c s p s ) w a s a p p l i e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no f e n t i o m a r so f m a n d e l i ca c i da n di t sd e r i v a t i v e s i np r e p a r a t i o no f m i p s l - m a n d e l i ca c i d , l - 2 - c h l o r o m a n d e l i ca c i da n dl - 4 - c h l o r o m a n d e l i ca c i dw e r ee m p l o y e d t e m p l a t e sr e s p e c t i v e l y t h ei n t e r a c t i o nd e t 3 e c nt e m p l a t ea n dm o n o m e rw e ”r e s e a r c h e db yu v a n di n f r a r e d ( i r ) s p e c t r u m t h ec a v i t i e sa n dm o r p h o l o g i e so fm i p s 笛w e l la 5b l a n kp o l y m e rw e q l e c h a r a c t e r i z e db ys c a n n i n ge l e c t r i cm i c r o s c o p y ( s e m ) a n dl i q u i dn i t r o g a na b s o r p t i o n f u r t h e r m o r e ， t h ec s p sw e e d o p t e dt or e s o l v et h er a c e m a t e so f t e m p l a t ed e r i v a t i v e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f t h ea n a l y t e sa n dc h i r a lr e c o g n i t i o no f t h ec s p sw e r ea l s oi n v e s t i g a i e d m i p sw i t hs - n a p r o x e na st e m p l a t ew e q l p r e p a r e du s i n gd i f f e r e n tf u n c t i o n a lm o n o m e r s t h e 眦戌i c t i o n sb e 竹v e e ns - n a p r o x e na n df u n c t i o n a lm o n o m a sw e 佗s t u d i e db yu va n di rs p e c t r u m t h ep o s s i b l ec o m p l e x e sf o r m e db ys - n a p m x e na n dd i f f e r e n tm o n o m e r sw e ms i m u l a t e db y h y p c r e h e m t oc a l c u l a t et h eb i n d i n ge n e r g i e so f s e l f - a s s e m b l yt h eb i n d i n gc a p a b i l i t yo f m l p sw a s d i s c u s s e dt h r o u g hb i n d i n ge x p e r i m e n t sa n ds c a b b a r da n a l y s e s ，a n dt h er e t e n t i o na n dr e s o l u t i o n a b i l i t i e so fm i p sc h i r a ls t a t i o n a r yp h a s ew e r ec o m p a r e db ym l p sb a s e dt l c t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h er e s u l t so f m o l e c u l a rm o d e l l i n gb e s i d e ss p c c u a le v a l u a t i o na n dt h er e c o g n i t i o na b i l i t y o f m i p sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dm i c r o s p h e m s ( m i m s ) o fd - m a n d e l i ca c i dw e r es y n t h e s i z e di nt h i s s t i l d yc h l o r o m e t h y l a t e dp o l y s t y r e n eb e a d ss y n t h e s i z e db yp r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o nw e r e m o d i f i e dw i t hi n i t i a t o rt r a n s f e ra g e n tt e r m i n a t o r ( i n i f e r t e r ) a n ds u b s e q u e n t l yu s e d s u p p o r t sf o r p h o t o - g r a r i n go fam o l e c u l a r l yt m p r i 慨lp o l y m e r 埘t h ep o l y m e r sw mc 嘶吲鲥z e db y 佩 s p c c u m me l e m e n t a la n dt h e r m o - g r a v i m e t r i ca n a l y s i st ot e s t i f yt h ef o r m a t i o no fp o l y m e rl a y e ro n p o l y s t y r e n es u p p o r t sa n dt h et h e r m a ls t a b i l i t yo fm i m s s e mw a sa d o p t e dt ov e r i f yt h e m o n o - d i s p c r s e dd e g r e ea n ds p h e r i c i t yo fi v i p $ p a n i c l e s t h ep r e p a r e d 删s 哪e v a l u a t e da s s t a t i o n a r yp h a s e si nh p l ca n de x h i b i t e dac o n s i d e r a b l ec a p a b i l i t yo fc h i l a ls e p a r a t i o nb e b v t e m p l a t ea n di t se n a m i o m e r 1 e y w o r d s ：m o l e c u l a r l y 蚰呻t e d p o l y m e r s ，p r e p a r a t i o n , c h r o m a t o g r a p h i cs e p a r a 慨 t h i n - l a y e rc h r o m a t o g r a p h y , s u r f a c ep h o b g r a f l i n g i h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获碍东南大学或其它教育机构 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豹说明并表示了谢意。 研究生签名：三型生日期：业富， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本入所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。赊在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理 第一章绪论 第一章绪论 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 ) 最早起源于p o l y a k o v d 、组1 9 3 1 年 的发现：一种新方法制备的硅胶颗粒对制备过程中的添加剂苯、甲苯或二甲苯具有较高的吸 附容量uj 。但是他们的发现没有引起足够的重视。与此同时，在免疫学的研究领域，b r e i n l 、 h a u r o w i t z 和m u d d l 2 1 就抗体形成的多样性提出一种抗体产生的理论，4 0 年代p a u i i n g 对上述理 论作出进一步的阐述例，提出了以抗原为模板合成抗体的诱导理论( i n s t r u c t i v e t h e o r y ) 即 抗原进入人机体后，蛋白质或多肽链以抗原为模板进行分子自组装和折叠形成抗体。虽然该 学说已经被克隆选择理论( c l o n es e l e c t i o nt h e o r y ) 所否定，但上述工作开创了生物印迹 ( b i o - i m p f i n f i n g ) 的概念，为分子印迹的发展奠定了一定的理论基础。 化学家们由此受到启发，将该理论应用到无机体系中，1 9 4 9 年d i c k e ，1 采用与叫y a l ( o v 相似的方法，以染料甲基橙作为模板分子，酸化硅酸盐溶液得到染料印迹胶体，干燥并洗去 模板分子后得到了对甲基橙的吸附能力比乙基橙高2 倍的吸附材料，而用乙基橙作模板分子， 结果正好相反。随后的二十多年，分子印迹的研究一直都以硅胶材料为主。直到1 9 7 2 年w u l f f 和r d o t 5 , 6 1 各自独立在高分子聚合物上成功地实现了印迹过程，才开创分子印迹技术的新纪 元。w u t f l 阵的研究工作主要集中在共价印迹聚合物领域，在催化领域取得了一定的进展， 但是由于共价印迹聚合物吸附和脱附的动力学过程较慢，限制了其应用范围。1 9 8 4 f f ， m o s b a c h 将模板分子与功能单体间的非共价作用引入到分子印迹聚合物的合成1 7 】，使得印迹 聚合物的合成更加简便，特别是1 9 9 3 年该小组在：t q a t u r e 上发表有关茶碱分子印迹聚合物4 l 的 研究报告后，分子印迹技术的应用范围大大拓展，除了原有的分离和催化领域外，在生物传 感器、合成人工抗体等领域也成为新的发展方向 基于分子印迹的三大特点：构效预定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、特异识别性( s p e c i f i c r e c o g n i t i o n ) 和广泛实用性( p r - , l e t i c a b i l i t y ) 以及分子印迹聚合物良好的稳定性和机械强度， 分子印迹技术将有望在许多领域，如亲和色谱固定相、固相萃取、传感器、模拟抗体、模拟 酶催化，临床药物分析、膜分离等l g - z 0 1 杰- 面有广泛的应用前景。 1 1 分子印迹技术基本概念和原理 分子印迹技术的基本思想是源于人们对抗体一抗原识别或酶对底物作用的专一性的认 识，即抗体对抗原( 酶对底物) 的选择性来源于两者具有有利于彼此相互作用的空间匹配 结构( “锁与钥匙”理论) 。而分子印迹技术则通过人工的方法合成与目标分子( 模板分 子) 结构匹配的高分子化合物一分子印迹聚合物( 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 ) ， 模板分子与可聚合的功能单体通过共价键或非共价键方式形成主一客体配合物，然后通过大 东南大学博士学位论文 量交联剂聚合将其结构固定在聚合物网络中。通过一定的方法把模板分子脱去，这样就在 高分子共聚物中存在着记录模板分子形状和大小的空穴，且功能基团在空穴中的精确排列 与模板分子相匹配( 图1 1 ) 。这个三维空穴的空间结构是由功能单体的种类和模板分子的结 构和性质所决定的。由于用不同的模板分子制备的m i p s 具有不同的结构和性质，所以一种 印迹聚合物只能与一种分子结合，也就是说印迹聚合物对模板分子表现出特效的选择性和 识别能力 蔫裂翟口呻 一j 圃蓄囱 倒i 1 分子印迹过程示意田 f i g1 1s c h 口n a t i cr e p r e s e n m i o n o f m o l e c u l a r i m p r i n t i n g 制各m s 的功能单体上有可与模板分子相互作用的结合基团，这些结合基团应尽可能 满足下列要求：( 1 ) 与模板分子的结合要尽可能的强，这样才能在聚合过程中能牢固地把 模板分子固定住，同时也使结合基团在印迹空穴中能够按确定的空间位置固定排列。( 2 ) 生成聚合物后。模板分子要能尽可能完全除去。( 3 ) 结合基团与底物之间要能良好地相互 作用，这一过程应尽可能快速和可逆性好以便用于色谱分离或催化。对于第一个要求， 希望有高的结合常数，但是过高的结合常数对后两个要求不利。因此m i p s 制备中的功能 单体应根据需要进行设计与选择。 1 2 分子印迹技术的分类 根据模板分子与功能单体之间的作用机理，m i p s 的制备方法可以分为分子预组织法 ( p r e - o r g a n i z a t i o n )分子自组装法( s e l f - a s s e m b l i n g ) ( 图1 2 ) 。前者是指单体和模板分子之 间形成可逆性共价键结合，后者是指通过单体和模板分子在溶液中通过非共价作用( 如静电 力、自泳作用力、氢键及金属配位健等) 自发形成功能单体一模援分子复合物。 第一章绪论 圈i 2 分子印迹聚合物制备方法分类 f i g 1 2 ，s o r t so f p m p a r a t i o nm e t h o do f m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o 研n e r 1 2 1 分子预组织法 模扳预组装方法在聚合前要将模板分子与功能单体通过可逆共价键结合( 硼酸酯、席夫 碱、缩醛酮、酯和螯合键作用) 衍生化形成模板单 奉【2 1 。l ，再用过量交联剂聚合得到高交联 高分子，然后通过水解等条件使得模板分子与聚合物问的共价键断裂，释放出模板分子产生 共价型印迹聚合物。该方法能在聚合中获得在空间精确排列的结合基团，通过互补共价键选 择性地结合模板分子，结合常数大，选择性好。但是在分子预组织或识别过程中，共价结合， 和离解速度慢，短时间内难以达到热力学平衡，不适合基于快速识别的应用领域。对用于催 化剂的零合物来说，其内部结合基团的方向和空穴中起催化作用的活性基团极为重要，聚合 完成后9 0 - 9 5 的模板分子可以从交联网络中除去。 p 6 1 x 田i 3 模板预组装方法的应用实例 f 培13a p p l i c a t i o ne x a m p l co f 呻l a 罅p m _ o 瑁锄【i z c da p p r o a c h w u l 礴叫l 于1 9 7 7 年首次报道了共价型m i p s 的合成，如图1 3 所示，他们以4 一苯基- a - d - 甘露糖苷为模板分子，以4 一乙烯苯硼酸为功能性单体，利用糖的两个羟基基团和硼酸基团 在苯溶液中通过酯化合成4 一苯基阻甘露糖苷一2 3 6 - 二- c 卜( 4 一乙烯苯硼酸醋) 将该硼 东南大学博士学位论文 酸酯与甲基丙烯酸甲酯和大量交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯进行自由基聚合可产生大孔聚 合物，产物内的硼酸酯采用1 ：1 的乙醇水混合物水解除去4 一苯基口- 肌甘露糖苷便可获得具 有与手性模板分子匹配的结合位点的印迹聚合物。 类似地，许多二醇类化合物可用作模板和4 一乙烯苯硼酸通过酯化结合，然后聚合生成 印迹聚合物。以手性甘油酸酯或丙二醇m 1 为模板分子，制备的印迹聚合物空穴中即使只含 有一个硼酸结合基团，对外消旋体也有明显的分离能力口6 】，而含有两个硼酸基团的印迹聚 合物则呈现出很高的选择性。但并不是印迹空穴中共价结合作用越多就越有利。研究结果 表明，聚合物空穴中含有三个硼酸基团或者三个其他种类的共价结合基团均导致较低的分 离能力田铡，其主要原因是这类印迹聚合物的结合位点与底物的结合和解离速度很慢。 w u l 刮、组就硼酸基团的柔性对其印迹聚合物的分离特性的影响也进行了研究 3 0 i 。结果发 现，孔穴中硼酸基团的柔性增加，其对光学异构体的选择性降低。 除了硼酸酯以外，采用席夫碱的共价键作用的分子印迹体系也得到了广泛的研究【3 1 1 。 醛类化合物可以和胺反应生成席夫碱( s c h i f f b a s e ) ，这一反应易于发生，并几乎可以定量 进行。醛基可以置于键合点上键合胺类化合物，也同样可以将胺基布置在键合点上识别醛 基化合物。因为平衡常数较高，基于席夫碱的共价作用适用于m i p s 和底物的结合过程，但 对于要求快速的色谱分离等过程来说平衡速度过慢。使用适当的分子内的邻近基团活化可 使平衡速度大大增加田j 。 缩醛酮的共价作用也可以用于分子印迹，将醛和酮的化合物和l 3 一二醇化合物反应，可 以得到乙缩醛和缩酮。s h e a 等p m 利用缩酮引入结合基团，羰基基团之间不同距离的二酮用 可聚合的二醇处理，然后除去模板分子所得的印迹聚合物用二酮重新处理时对其原来所用 的模板有很高的选择性。 分子预组织法需要可逆的共价结合，由于可以采用的可逆共价作用体系数目较少，因此 共价分子印迹体系发展较缓慢。 1 2 2 分子自组装法 分子自组装法制备m i p s 步骤要比共价印迹简单的多。模板分子与功能单体在溶液中通 过氢键、静电相互作用、金属配位和疏水作用等非共价键作用形成主一客体复合物，然后这 种溶液状态下的自组装复合物通过大量交联剂聚合将其固定在聚合物网络结构中，除去模 板分子后即得到非共价型印迹聚合物。 图1 4 为m o s b a c h 等州采用自组装方法合成茶碱印迹聚合物的实例。首先茶碱分子与功能 单体甲基丙烯酸在惰性溶剂中自组装成主一客体复合物，然后以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交 联剂，通过自由基聚合成刚性聚合物。反复洗涤除去模板分子后聚合物中留下对模板分子 有高度专性的结合位点，这些结合位点通过氢键作用优先再结合模板分子，可用于茶碱 分子的识别 4 第一章绪论 弗+ 气 圈1 4 模扳自组装方法的应用实倒 f 嘻1 4 a p p l i c a t i o ne x a m p l e o f t e m p l a t es e l f - a s s m b l ya p p r o a c h 任何类型的非共价作用，都可以有效地用于分子印迹。其中以氢键虽适宜作精确的分 子识别这是由于氢键强烈依赖与单体和模扳分子二者间的距离和方向州。应当注意的是， 氢键的形成可以看成是酸碱相互作用的结果，因而会受两组分p k 值影响。当二者酸性或碱 性很强的时候，两者由于离子化( 去质子) 主要形成静电相互作用。如果两者的酸碱性适 当，质子将处在酸和碱之间，此时氢键作用就成为主要的作用形式。当然。如果二者的酸 碱性都很弱的话，其问的作用力也会较弱，不利于分子印迹的效果。 目前比较常用的氢键作用是以羧酸作为给体或吡啶作为受体的氢键。m a t s u i 等嘲使用 莠去律( a z r a z i n e ) 为模板，甲基丙烯酸为功能单体，获得了很高选择性的m i p s 。模板分子 中的两种胺基分别与两个甲基丙烯酸形成独立的相互作用，使得两者配合生成平面的八元 环。当有两个或多个功能单体于模板同时发生作用最终的产物将十分稳定，得到的印迹 效果也将十分明显。 第二种有效的非共价键作用是静电相互作用。静电相互作用的形成，仅仅是与电荷间 的距离有关，而与方向无关。这种球形对称的势能，对于精确的分子识别不利，但静电相 互作用在极性溶剂中印迹作用较好。s e l l c g l 等l 以甲基丙烯酸作为功能性单体对l 一苯 丙氨酰替苯胺进行分子印迹，并对静电作用对选择性的影响作了详细的研究，发现这种作 用的强度与甲基丙烯酸和苯丙氨酰替苯胺的p k a ，溶液的p h 值有关，有时还与竞争性离子 的存在有关。但是只有一种静电作用会导致获得低选择性的印迹聚合物，可以通过和其他 相互作用( 如氢键) 的结合来加强静电相互作用的选择性 金属离子和配体之间所形成的某些配位键用于非共价印迹也是相当稳定的。金属配位 键与其他非共价作用相比具有独特的优点：( 1 ) 金届配位键比氢键和范德华力要强；q ) 这 种作用力在水一醇体系中比较稳定；( 3 ) 金属配位键的预组织性比其它作用力好。此外这 5 东南丈学博士学位论文 类键的强度可通过实验条件来控制，聚合反应时有固定的相互作用，不需要过量的结合基 团。通过将可聚合的乙烯基连接到配体上，与金属配合形成可作为功能单体的金属配合物， 再与模板分子( 配体) 结合，然后经聚合反应使整个配合物固定在聚合物中，除去模板后 的聚合物就可以再通过配位结合识别模扳分子。马向霞等3 s 以2 ，2 联吡啶为模板分子，将 其与4 一乙烯吡啶( 4 - v p ) 和c o ( a t ) 2 形成四面体型的三元配合物，c o ( a c h 和2 。2 - 联吡啶可以 形成l ：l 配合物且被印迹在4 - v p 和乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物的母体中( 图1 5 ) 。当清洗 去c o ( a c h 和2 , 2 l 。联吡啶后，三元配合物所形成的互补立体空间对模板分子2 2 l 一联吡啶具有 比采用其他非共价作用的m i p s 更高的选择性。 吣矗一麓 p d n 斟洲o n 图1 5 金属配位分子印迹过程示意图 f i g 1 5s c k 咖i cf c l 玳懈i 蛐o f t h em o l u l a ri 呷 而n gp r o e 2 s sb ym “t a lc o o t d f n 州o r ti t t t * r a c t i o n 1 2 3 牺牲空间法 w h i t e c o m b e 等p g 人将共价印迹制各的优点和非共价印迹快速键合的特点结合起来发展 了一种称之为。牺牲空间法( s a c r i f i c i a ls p a c e rm e t h o d ) ”的分子印迹技术。模板分子与功能 单体以共价键的形式形成单体一模板分子复合物，这一步相当于分子预组织过程，然后交联 聚合，使功能基固定在聚合物链上除去模板分子后功能基团留在空穴中。当模板分子 重新进入空穴中时，模板分子与功能单体上的功能基不是以共价键结合，而是以非共价键 结合。图1 6 是牺牲空间法的实例，4 乙烯苯基碳酸酯作为功能单体通过共价作用与模板分 子胆固醇形成复合物，交联聚合后使功能基团固定在聚合物链上。然后碳酸酯在碱性条件 下水解，共价键完全裂解并释放出二氧化碳，此时印迹聚合物上便产生了一个非共价型的 分子识别位点，识别位点上的酚基可以通过氢键进行分子识别。p i l e 嘲一删等人也发展了一 种分子自组装和分子预组织相结合制备硅酸m i p s 的方法：首先使硅酸和乙烯基苯基硼酸发 生酯化反应形成分子复合物，然后该复合物与另一功能单体烯丙基胺加交联剂甲基丙烯酸 6 蒜 第一章绪论 乙撑酯后发生共聚反应形成硅酸分子印迹聚合物，最后脱去硅酸。当硅酸分子重新进入聚 合物空穴后，两种功能单体都以非共价键与硅酸分子结合。 人彤呶 够 十一卟 图1 6 牺牲空间法示意图 f i e - 1 6s c h a r 叫c r 卸l a l i o n s a c , r i f i c i a ls p a c 口m e t h o d 1 2 4 共价印迹和非共价印迹的比较 如上所述，根据功能单体和模板分子之间的作用力不同。存在着两种不同形式的分 子印迹方法，共价分子印迹法和非共价分子印迹法，二者都有各自的缺点和优势。非共 价分子印迹与共价分子印迹比较具有以下的优点：( 1 ) 方法简单，不需合成模援分子 和功能单体的键合物； ( 2 ) 模板分子和功能单体间的作用较弱，可以在温和的条件下 将模板分子从聚合物中除去；( 3 ) 聚合物与模板分子的可逆性结合很快其分子识别 过程更接近于天然的分子识别系统，如酶和底物、抗体和抗原等。非共价作用也有它的 局限性： ( 1 ) 由于模板分子和功能单体间的作用较弱，因此在聚合前，往往加入过量 的功能单体以利于与模板分子形成复合物，导致出现非特异结合位点，降低m i p s 的选 择能力。( 2 ) 模板分子与功能单体处于动态平衡，导致复合物没有严格的计量关系， 聚合物中形成了对模板分子具有不同亲和力的作用位点。因为非共价p s 作用位点的 差异性与抗体的多抗性( p o l y c l o n a l i t y ) 相似，所以也称为印迹聚合物的多抗性1 4 ”。当以 非共价方法制备的v l p $ 用作色谱的固定相时，样品的色谱峰会有严重的拖尾。通过选 择合适的单体模板比例、致孔剂以及引发条件使模板分子和功能单体的动态平衡有利 于复合物的形成和稳定，可以限制聚合过程中产生的多抗性。另外，采用一种类似在合 成硅胶键合相时采用的封尾技术，来掩蔽m ) s 中的结合能力较小的非选择性位点也可 大大提高m a p s 的选择性( 4 2 l 。( 3 ) 聚合过程的条件必须仔细加以选择，使混合物中非共 价复合物最大程度地稳定存在。离子键和疏水作用等分子间作用力可用于大部分的化合 物，但它们的方向性较弱，因此其专一性较差。利用n m 作用和氢键作用，在许多情况 7 东南大学博士学位论文 下可以提供一个很好的折中方案。氢键或许有更大的利用范围尤其是它可以通过多重 氢键提供专一性很高的结合作用 共价分子印迹的优点是：( 1 ) 单体和模板分子之间的复合物十分稳定，能获得在 空间精确固定捧布的结合基团。共价m i p s 其作用位点比较均匀，具有单抗性 ( m o n o c l o n a l i t y ) 。( 2 ) 共价键限制性强即它只对特定的功能基团具有专一的结合作 用，共价键一般有较强的方向性，因此从理论上说共价结合的方法能产生高选择性的印 迹聚合物。( 3 ) 由于共价作用的稳定性，印迹聚合物可以在较宽的条件下( 高温、高 或低p h 值、高极性溶剂) 进行制各。但共价印迹也有着明显的缺点：( 1 ) 由于涉及键 的形成和断裂的过程，模板分子或其类似物分子的重新结合和释出动力学过程较慢，这 对于要求快速结合的过程( 如色谱) 是不利的。( 2 ) 要求模板分子和功能单体之间的作 用为可逆共价键，使得模板分子和功能单体的选择受到限制( 3 ) 单体一模板复合物的 制备困难( 4 ) 某些情况下共价键的断裂会使印迹效果变差。 选用何种m i p $ 可以根据需要而定。如果要制备用以分析目的的色谱材料，一般优 先考虑非共价作用，因为过量的结合基团对分离过程不利影响较小。对催化应用来说， 空穴中结合基团和起催化作用的活性基团的方向极为重要，因此在这种情况下共价结合 作用较为有利 1 3 分子印迹聚合物的聚合体系 1 3 1 功能单体的选择 几乎所有种类的聚合反应：自由基聚合、阴离子或阳离子聚合以及缩合聚合等都可以 用于m i p s 的制备中，但是要求在聚合过程中能够保证体系中包括模板分子、功能单体和交 联剂等所形成的印迹保持完好。在共价分子印迹法中通常使用的功能单体有含乙烯基的硼 酸，醛、胺、酚和二醇以及含有硼酸酯的硅烷混合物等，如4 一乙烯苯硼酸、4 - 乙烯苯胺和 4 一乙烯苯酚。由于硼酸和相邻二醇基团形成的酯键可逆性好易于形成和断裂，所以4 - 乙 烯基苯硼酸单体在糖类衍生物异构体分析中占有重要地位。 常用的非共价分子印迹功能单体主要有羧酸类( 丙烯酸、甲基丙烯酸( m a a ) 、三氟甲 基丙烯酸、乙烯基苯甲酸、亚甲基丁二酸等) 、磺酸类( 2 一丙烯酰胺- 2 - 甲基一卜丙磺酸) 、杂 环弱碱( 乙烯基毗啶、乙烯基咪唑) ，其它的还有甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯 酰胺及n 一( 4 一乙烯苄基) 亚氨基二乙酸铜等。甲基丙烯酸是自组装方法中通用的有潜力的功 能单体，因为它既能提供离子作用也能形成氢键作用，使其印迹聚合物有高选择性和结合 能力采用三氟甲基丙烯酸作为功能单体的时候，三氟甲基具有强烈的吸电子效应，单体的 8 第一章绪论 酸性较强，更适于碱性化合物的分子印迹口5 删。其他较为常用的还有乙烯基吡啶和丙烯酰胺 ( a m ) 等 疹o h m y l i c a c l d 久。删z 勺 人弋l 以m m e 曲y l m e b a y l t t e 办q l d 自w 陆i 蛔k 枷叫砷 n 一工二g n 唧姊h “衅工唧h d o 啊q 血 图1 7 常用功能单体 f i g 1 7f t m c t i o n a lm o 加删j nr e f e r e n c e s 功能单体的设计和优化是印迹聚合物研究中的一个重要内容。t a n a b e 等采用2 ，6 - - 丙烯 酰胺吡啶作为功能单体可以和模板分子巴比妥酸盐形成多重氢键 4 4 1 。a s a n t l r l a 等嗍在d m s o 溶液中以争环糊精作单体，将模板分子包结起来，再用二异氰酸交联固化。s p i v a k d , 组合成 出一系列同时具备功能单体和交联剂功能的新型化合物，只需采用一种新化合物就可以取代 传统意义上的功能单体以及交联剂【”】。由于不用选择功能单体和交联剂的种类并且不用优 化模板、功能单体和交联剂的比例，可以极大地缩短合成条件的优化时间，简化工艺，节约 成本。采用新化合物合成的尼古丁以及多种氨基酸衍生物的m i p s 相比传统m a m e g d m a 联 合单体制备的m l p s 具有更加良好的手性识别效果。 1 3 2 交联剂的选择 在分子印迹聚合体系中，交联剂主要体现三种功能：( 1 ) 交联剂对聚合体形态的控制 起着非常重要的作用( 2 ) 它能保证印迹结合位点的稳定性。( 3 ) 它对聚合物的机械稳定 性存在着影响。高交联度能保证聚合物的机械稳定性，一般交联剂的用量在8 0 以上嗍。 为了实现分子印迹，交联剂的聚合反应能力应与功能单体相似，如果一方占有优势的 话，共聚反应将不能充分完成。通过选择适当的交联剂可以使得功能基团均匀地分布于聚 合物网络中。聚合体系中交联剂和功能单体的比例也很重要，如果比例过小则结合位点问 9 lqj 。 j l 至 东南大学博士学位论文 相距太近而互相干扰，如果比例过大将会破坏体系的印迹效率，特别是交联剂表现出具有 和功能单体或模板分子间存在相互作用的情况。乙二醇二甲基丙烯酸酯( e g d m a ) 和二乙 烯苯( d v b ) 是有机相中制备m i p s 常用的交联剂卧卅，在水相中则常用n n ，亚甲基双丙烯 酰胺【5 5 5 6 】。含有三个或四个乙烯基团的交联剂也得到了广泛研究，结果表明选用季戊四醇 三丙烯酸醢( p e t r a ) 和三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯( t r i m ) 制备的m i p s 对氨基酸衍 生物和肽的选择性及柱容量均高于以e g d m a 为交联剂制备的m i p s ”7 ”，分子印迹常用交 联剂如图1 8 。 u i m m h y l p r o p a n e 口i m 咄o 恤o r i m ) 1 3 3 引发剂的选择 图1 , 8 常用交联剂 f i g 1 8 c 加s s l 缸l o c 侣i n 北矗口l s 勺l z , 4 - d i v i n y i b e m c ( d v b ) 以丙烯酸衍生物和二乙烯苯为单体的m i p s 一般可以通过偶氮引发剂的热分解引发自由 基聚合制各，常用的偶氮引发剂有2 2 偶氮二异丁腈( a i b n ) 和2 , 2 偶氮二( 2 ，4 二甲基 戊腈) ( a b d v ) 。a b d v 的热解温度比a i b n 低，可以在4 0 c t b i 发聚合反应p ”。在某些情 况下，由于功能单体和模板分子的复合物在高温下不稳定，可以采用低温光引发的方法引发 聚合反应。常用的光引发剂包括苯甲酮、安息香酸乙酯和2 , 4 , o - 三甲基苯甲酰苯基磷酸乙醋 等。偶氮类引发剂也可以在低温下紫外光照引发聚合反应并且制得的印迹聚合物具有比热 聚合更高的分离效率【椰】。如果单体本身能够充分吸收紫外光产生自由基，则聚合反应可以 在没有引发剂的条件下进行。在低温下，偶氮引发剂2 , 2 偶氮二环己腈( a b c h c ) 的溶解 性能要好于a i b n ，因此更有利于低温光引发1 6 i 。其他常用的热引发剂还包括一些有机过 氧化物，如过氧化苯甲酰和过氧化月桂酰等，以及一些无机的水溶性引发剂：过硫酸铵和过 硫酸钾等 1 3 4 溶剂的选择 溶剂是聚合反应过程的介质相同时也是影响印迹过程和聚合物物理性质( 孔结构、孔 径分布、溶涨性能和形态等) 的一个重要因素邮j 。溶剂的另一个作用是能分散聚合反应中 1 0 第一章绪论 释放的热量。在共价印迹体系中，溶剂只要能溶解体系中的所有组分就可以应用。但是在非 共价印迹体系中，溶剂的某些性质对单体和模板间的相互作用有很大的影响，如溶剂的极性、 介电常数、质子化作用及络合作用等，因而这些因素也影响印迹聚合物对底物的选择性和亲 和力的 6 4 j 。分子自组装是通过一些弱相互作用实现的，如果模板分子与溶剂形成氢键或其 他类型的键，就很难再与聚合物功能基团发生作用。所以自组装印迹聚合物的制备都是在非 极性有机溶剂中( 如氯仿、甲苯) 或中等极性的乙腈中进行的。最近关于在极性溶剂如四氢 呋喃、甲醇中进行印迹过程也有一些报道1 6 5 舯】。在这些体系中除了氢键和静电作用外，还有 诸如疏水作用、电荷转移、范德华力和m 相互作用等作为识别过程中的推动力。因为受到 溶剂的限制，许多化合物不适合分子印迹，因此对极性溶剂中分子印迹和识别的研究将大大 扩展分子印迹技术的应用范围。 此外，聚合物的形态也受溶剂的影响。溶剂可以使聚合物发生溶胀，聚合物的溶胀对以 共价印迹法和非共价印迹法制备的m i p s 的影响是不同的。对于以共价印迹法制备的聚合物 来说，除去模板分子后在溶剂中会发生溶胀，当聚合物重新与模板分子结合后，聚合物的体 积会减小，甚至减小到原来的体积p ”，说明分子预组织印迹聚合物中功能基团与模板分子 之间的作用力强于溶剂与聚合物链的作用力。对于非共价印迹方法制各的m i p s 来说，则不 存在这种体积减小的现象这也可以作为溶剂对分子自组装比对于分子预组织方法影响较大 的直接证据之一。非共价印迹聚合物溶胀现象会导致结合位点三维结构的变化，造成弱的相 互作用。一般在结合时所用溶剂最好与聚合用溶剂相同，以避免任何溶胀的问题 1 3 5 聚合引发方式 m 口s 的制各技术和常规聚合方法的差异就在于聚合过程不能减弱或破坏功能单体和模 板分子间的结合作用，以保证合成的m i p s 具有