基于分子印迹聚合物(MIPs)的离子选择电极(ISE)研究进展

1、基于分子印迹聚合物(MIPs)的离子选择电极(ISE)研究进展摘要：分子印迹聚合物对目标化合物具有高选择性，并且具有耐高温、抗酸碱及有机溶剂等优点。分子印迹聚合物在催化、手性分离、固相萃取等众多领域都有广泛的应用。分子印迹聚合物用作传感器材料是分子印迹聚合物近年来的研究热点。本文综合介绍了基于分子印迹技术的离子选择电极的研究进展。关键词：分子印迹；离子选择电极；进展Recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymersAbstract: The molecularly imprinte

2、d polymers have high selectively for target molecule and possessed high thermal and chemical stability. Owning to these advantages, they have applied in many fields such as catalysis, chromatography separation and solid phase extraction. The using of molecularly imprinted polymers as ion selective e

3、lectrode became a hot topic in molecularly imprinted technique in recent years. The recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymers has been reviewed in this paper.Key words: molecularly imprinted polymers; ion selective electrode; progress分子印迹技术是近年发展起来的一门结合高分子化学、材

4、料化学、化学工程及生物化学的交叉学科技术。分子印迹技术来源于生物学中的免疫学，是通过想要选择识别某一种物质而进行聚合反应形成印迹聚合物的方法。通过这种方法制备的聚合物具有很高的辨识能力，能够精确的按照分子结构有效的选择出相应的印迹分子，也就是目标分子物质。而生成的这种聚合物即使在强酸、强碱的作用下，也不会失去效应；在高温高压以及较恶劣环境中仍保持其高的选择识别能力，稳定性基本没有变化。该种方法是选用目标物质作为模板，通过功能单体、交联剂的作用，从而获得结构与目标分子相匹配的分子印迹聚合物。近年来分子印迹技术发展十分迅速，在催化 Visnjuvski A, Schomacher R, Yilma

5、z E. Catalysis of a diels-alder cycliaddition with differently fabricated molecularly imprinted polymersJ. Catal. Commun., 2005, 6: 601-6.、手性分离 Meng ZH. Wang QH, Zhu DG, et al. Fabrication of new modified electrode and its application in detection of nitriteJ. J. Membr. Sci., 2007, 25: 340-9.、固相萃取 L

6、ü Yk, Wang LM, Yang L, et al. Synthesis and application of molecularly imprinted poly(methacrylic acid)-silica hybrid composite material for selective solid-phase extraction and high-performance liquid chromatography determination of oxytetracycline residues in milkJ. J. Chromatogr. A, 2012, 12

7、27: 48-53- Zheng YQ, Liu YH, Guo HB, et al. Molecularly imprinted solid-phase extraction for determination of tilmicosin in feed using high performance liquid chromatographyJ. Anal. Chim. Acta, 2011, 690(2): 269-274. Du W, Fu Q, Zhao G, et al. Dummy-template molecularly imprinted solid phase extract

8、ion for selective analysis of ractopamine in porkJ. Food Chem., 2013, 139: 24-30. He CY, Long YY, Pan JL, et al. Application of molecularly imprinted polymers to solid-phase extraction of analytes from real samplesJ. J. Biochem. Bioph. Methods, 2007, 70: 133-50.、食品 Sun Xl, He XW, Zhang YK, et al. De

9、termination of tetracyclines in food samples by molecularly imprinted monolithic column coupling with high performance liquid chromatographyJ. Talanta, 2009, 79: 926-34.、膜分离 郭亚楠. 环丙沙星分子印迹膜的制备及其电化学检测体系研究D. 杭州: 浙江大学, 2012.、生物酶模拟 Lü YK, Zhao MG, Zhang D, et al. Enrofloxacin-imprinted monolithic HP

10、LC columns synthesized by in situ copolymerization for chromatographic separationJ. J. Liq. Chromatogr. Related Technol., 2011, 34: 705-18.以及传感器 Guerreiro JRL, Sales MGF, Moreira FTC, et al. Selective recognition in potentiometric transduction of amoxicillin by molecularly imprinted materialsJ. Eur.

11、 Food Res.Technol., 2011, 232: 39-50.等领域均有广泛的应用。分子印迹传感器已成功应用于药物 张成博, 李兆周, 侯玉泽, 等. 分子印迹技术在药物残留检测中的应用J. 食品科学, 2014, 35: 323-8.、糖类 Andersen WC, Turnipseed SB, Karbiwnyk CM, Determination and confirmation of melamine residues in catfish, trout, tilapia, salmon, and shrimp by liquid chromatography with t

12、andem mass spectrometryJ, J. Agric. Food Chem. 2008, 56: 4340-7.、核酸及其衍生物 Tanya PD, Vladimir MM, Mathias U. Impedometric herbicide chemosensors based on molecularly imprinted polymersJ, Anal. Chim. Acta, 2001, 435: 157-62.、蛋白质 Ulyanova YV, Blackwell AE, Minteer SD. Poly(methylene green) employed as m

13、olecularly imprinted polymer matrix for electrochemical sensingJ, Analyst, 2006, 131: 257-61.、有毒物质 Safari A, Rashidi HR, Agabozorg L. Increasing the octane number of gasoline using functionalized carbon nanotubeJ, Appl. Surf. Sci. 2010, 256: 3472-9.、除草剂 Li HF, Xie CG, Fu XC. Electrochemiluminescence

14、 sensor for sulfonylurea herbicide with molecular imprinting core-shell nanoparticles/chitosan composite film modified glassy carbon electrodeJ. Sens. Actuators, B, 2013, 181: 858-66.、等的分离和检测。分子印迹电化学传感器也因具有选择性高、成本小、检出限低、物理尺寸可调、易自动化等优点，在环境控制、生物标记、在线质量监控以及食物的检测等相关领域倍受关注。1分子印迹聚合物1.1基本原理分子印迹技术的基本原理是选择合适

15、的功能单体与印迹分子相结合形成分子印迹聚合物，然后洗脱掉印迹分子，再利用分子印迹聚合物上的结合位点选择、识别、记忆目标分子。分子印迹技术形成的分子印迹聚合物具有良好的空间三维形态，印迹分子的脱离也并不影响作用位点的结合能力，脱离掉印迹分子的聚合物的形态是与目标物质相匹配的、具有空间位点的立体三维构型，其空间结构稳定。而利用分子印迹技术合成分子印迹聚合物的材料主要有印迹分子、功能单体、交联剂、溶剂等。分子印迹技术的作用方法是：在一定的溶剂中加入印迹分子、功能单体，在交联剂、引发剂的作用下，印迹分子与功能单体以共价键或者非共价键等形式形成结合位点，发生聚合反应，形成分子印迹聚合物，然后利用一些手段

16、洗脱掉分子印迹聚合物中的印迹分子，从而形成具有结合位点的空穴结构。因此使用分子印迹的技术利用此空穴结构可以进行重新的选择、记忆、识别印迹分子（图1）。图1 分子印迹过程示意图MIPs相对于非分子印迹聚合物( NIPs) 对模板分子之所以具有特异的识别性能。根本原因就是MIPs具有和印记分子在形状、功能基团完全互补的三维空穴以其相匹配的结合位点。这一步形成关键在于模板分子和功能单体通过共价和非共价作用形成的主客体配合物。然而共价作用因只有极少的模板分子和合适的功能单体才能适用，以致限制了它的应用范围。相反非共价键印迹聚合物因其在理论上对模板分子的形状，尺寸和化学特性没有严格限制，故其具有非常广泛

17、的应用范围。非共价键作用包括有：氢键、静电力、疏水作用、范德华力、金属螯合作用、电荷转移等。Asanuma H Asanuma H,Akiyama T,Kajiya K, et al. Molecular imprinting of cyclodextrinin water for the recognition of nanometer-scaled guestsJ. Anal. Chim. Acta, 2001, 435: 25-33.制备了水相中对环糊精的分子印迹聚合物，发现印迹效果取决于模板分子疏水区域的大小、空穴的尺寸以及化学基团之间相互作用的强度。Pavel D Pavel D,

18、Lagowski J. Computationally designed monomers and polymers for molecular imprinting of theophylline and its derivativesJ. Part. Polymer, 2005, 46: 7528-42.制备了茶碱分子印迹聚合物，结果发现静电力在分子印迹聚合物聚合的过程中起着重要的作用。 Chen DM Chen DM, Fu Q,Du W, et al. Preparation and evaluation ofmonolithic molecularly imprinted stati

19、onary phase for S-naproxenJ. J. Phar. Anal., 2011, 1 :26-31.认为结合位点和基底之间氢键的形成在有机流动相中对分子的识别具有非常重要的作用，静电力和疏水键的作用在水流动相中对分子的识别同样扮演着重要的角色分子印迹技术从兴起至今广泛的应用于小分子的特异性识别，近几年许多研究者将目光转移到大分子模板上，如蛋白质 Kan XW, Xing ZL,Zhu AH, et al. Molecularly imprinted polymers based electrochemical sensor for bovine hemoglobin rec

20、ognitionJ. Sens. Actuators, B, 2012,168: 395-401., Soleimani M, Ghaderi S, Afshar MG, et al. Synthesis of molecularly imprinted polymer as asorbent for solid phase extraction of bovine albumin from whey,milk,urine and seruJ. Microchem. J., 2012,100:1-7.。1.2制备方法MIPs对所要检测的模板分子具有特定的识别能力，特别是在和模板分子结构相似的混

21、合物存在的情况下，尤其对目标分子表现出强的识别能力这是因为在合适的致孔剂中通过聚合功能单体和交联剂会在模板分子周围形成高度交联的三维矩阵，然后将模板分子洗脱后形成对模板分子具有识别位点的空穴 Dai JD, Pan JM, Xu LC, et al. Preparationof molecularly imprinted nanoparticles with super paramagnetic susceptibility through atom transfer radical emulsion polymerization for the selective recognition o

22、f tetracycline from aqueous mediumJ. J. Hazard. Mater., 2012, 205: 179-88., Trotta F, Drioli E, Baggiani C, et al. Molecular imprinted polymeric membrane for naringin recognitioJ.J. Membr. Sci., 2002, 201: 77-84.。印迹聚合物的制备方法通常包括以下几种：本体聚合法 Lei JD, Tan TW. Enantioselective separation of naproxen and in

23、vestigation of affinity chromatography model using molecular imprintingJ. Biochem. Eng. J., 2002, 11: 175-9.、溶胀聚合法 Huai LF, Yang M, LiuJ, et al. Synthesis and characterization of molecularly imprinted polymer microspheres for recognition of chlorpyrifosJ. Chin. J. Appl. Chem .,2009, 26: 1144-8.、悬浮聚合

24、法 Zhang LY, Cheng GX, FuC. Molecular selectivity of tyrosine-imprinted polymers prepared by seed swelling and suspension polymerizationJ. Polym. Int., 2002, 51: 687-92.、沉淀聚合法 Beltran A, Marcé RM, Cormack PAG, et al. Synthesis by precipitation polymerization of molecularly imprinted polymer micr

25、ospheres for the selective extraction of carbamazepine and oxcarbaze pine from human urineJ. J. Chromatogr. A, 2009,1216: 2248-53.、表面印迹法 Wang YT, Zhang ZQ, Jain V, et al. Potentiometric sensors based on surface molecular imprinting: Detection of cancer biomarkers and virusesJ. Sens. Actuators, B, 20

26、10,146: 381-7.等，各种方法的制备工艺及特点见表1。表1 分子印迹聚合物的主要制备方法制备方法制备工艺特点本体聚合法将模板分子功能单体交联剂和引发剂按一定比例溶于惰性溶剂中，置于玻璃或石英瓶中在光照或热引发下进行聚合，再经粉碎研磨过筛等获得所需粒径的MIPs。制备方法简单，实验操作简单，但后处理过程复杂、所得颗粒聚合物颗粒形状不规则，印迹位点在研磨过程中会有所破坏，应用性能较差。溶胀聚合法先采用悬浮聚合或乳液聚合法合成粒径较小的微球，然后以此微球为种球，用致孔剂模板分子功能单体和交联剂进行溶胀，使颗粒长大，再进行聚合。用相同种球改变聚合功能单体，可以制得直径相同表面性质不同的微球

27、产物规整性好单分散性好，但制备过程繁琐，周期长，不适用于溶于水的模板分子。悬浮聚合法将有机单体分散成小液滴，悬浮在水中进行聚合，反应体系一般由水、稳定剂、疏水性单体和疏水性引发剂构成。制备方法简单，但水相反应体系会影响非共价印迹聚合物的特性，进而影响其识别性能。沉淀聚合法模板分子、功能单体、交联剂和引发剂在有机溶剂中先形成线型和分支低聚物，然后从介质中析出相互碰撞形成聚合物离子，最终形成高度交联的微球聚合物。成本低、制备简单、产率高，反应体系不需要加入稳定剂，该法在粘性相对小的溶剂中才能得到合适的粒径分布。表面印迹法模板分子的水相和功能单体的有机相接触形成水相/有机相，加入交联剂聚合，形成识别

28、位点在聚合物表面的产物。模板分子易洗脱，易重新结合，但模板分子与配合物的配位常数要适中。2分子印迹传感器的工作原理生物传感器是由识别元件和信号转换器构成，识别元件的主要任务是绑定目标分子并进行特异性识别 Kochkodan V, Hilal N, Melnik V, et al. Selective recognition of organic pollutants inaqueous solutions with composite imprinted membranesJ. Adv. Colloid Interface Sci., 2010, 159: 180-8.，信号转换器就是将感受到

29、的物理信号或化学信号转换成可输出的信号。分子印迹传感器就是将MIPs作为识别原件同传感器技术结合起来而发展起来的一项技术。 决定生物传感器成本和操作复杂性的关键因素是识别元件，这些识别原件通常包括酶抗体和DNA等生物大分子，在对目标分子识别过程中这些分子具有很高的选择性能，然而它们通常需要低温保护严格的操作条件且稳定性非常差制作成本较高，从而限制其效用，特别对便携式系统而言 Barrios CA, Carrasco S, Francesca M, et al. Molecularly imprinted polymer for label-free integrated optical wav

30、e guide bio( mimetic) sensorsJ. Sens. Actuators, B, 2012,161:607-14.。因此研究出灵敏度高、选择性好、具有一定寿命而且再生能力好的化学传感器成为化学研究者们努力的目标。MIPs具有许多与天然受体相同的特点，在极端的物理和化学(热有机溶剂酸和碱)条件下稳定性好，机械强度高，成本低和可重复使用等性能，被视为理想的化学受体 Guerreiro JRL, Freitas V, Sales MGF. New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the select

31、ive recognition of ChlortetracyclineJ. Microchem. J., 2011,97:173-81.。MIPs的出现成功地弥补了生物识别元件的不足，从而MIPs生物传感器取代传统传感器成为必然的趋势，为环境监测药物分析基因检测和生命科学的发展提供了强大的支撑。分子印迹传感器根据转换器的测量原理不同，分为光学传感器、电化学传感器、质量式传感器和热学传感器。目前，分子印迹聚合物主要应用于光学传感器和电化学传感器两类中。3分子印迹电位式传感器的应用各种各样基于分子印迹聚合物的化学传感器被制备，电位式传感器作为电化学传感器的一个分支同样受到了关注，是常用并行之有效

32、的方法，具有非常好的应用前景不像基于其他传感技术的传感器，电位式传感器不需要模板分子通过膜电极来产生膜电位 Blanco-López MC, Lobo-Castanón MJ, Miranda-Ordieres AJ, et al. Electrochemical sensors based on molecularly imprinted polymersJ. TrAC, Trends Anal. Chem., 2004, 23: 36 48.。Liang RN等 Liang RN, Zhang RM, Qin W. Potentiometric sensor based

33、 on molecularly imprinted polymer for determination of melamine in milkJ. Sens. Actuators, B, 2009, 141: 544-50.人结合了流动分析系统，成功制备了检测牛奶中三聚氰胺的离子选择性电极分子印迹聚合物膜电位式传感器。该传感器可以在较高离子干扰下可快速检测目标分子 三聚氰胺非常容易质子化，通过测量离子选择性电极的电势从而达到检测质子化三聚氰胺的目的。整个分析过程(包括预处理阶段)仅不到15分钟，检测限为6.0×10-6 mol L-1。Tonelli D等 Tonelli D, Ba

34、llarin B, Guadagnini L, et al. Anovel potentiometric sensor for L-ascorbic acid based on molecularly imprinted polypyrroleJ. Electrochim. Acta, 2011, 56: 7149-54.制备了一种新型的对L-抗坏血酸有良好选择性和亲和性的电位式膜传感器。采用修饰过的玻碳电极制成PPy膜，再进行氧化处理提高了传感器的稳定性。该电位式膜传感器已成功应用在食品和制药样品中对抗坏血酸的测定，回收率近100% 。Liang RN等 Liang RN, Gao Q, Q

35、inW. Potentiometric sensor based on molecularly imprinted polymers for rapid determination of clenbuterol in pig urineJ. Chin. J. Anal. Chem., 2012, 40: 354-8.采用沉淀聚合法制备了以盐酸克伦特罗(瘦肉精)为模板的电位式膜传感器质子化的克伦特罗浓度在1.0×10-7 1.0×10-4 M内，该膜电极显示出近Nernstian效应，检测限为7.0×10-4 M。 该电位式传感器已成功应用于猪尿中瘦肉精的检测，回收

36、率在98 107 %，整个分析时间不到3 min。 高奇等 高奇, 梁荣宁, 秦伟. 莠去津分子印迹聚合物的合成及其在低检出限离子选择性电极中的应用研究J, 化学与生物工程, 2014, 31: 45-54.以莠去津为模板分子采用沉淀聚合法制备了莠去津分子印迹聚合物，并将其作为离子载体制备了低检出限莠去津分子印迹聚合物膜离子选择性电极。优化的电极膜组分质量分数为PVC30.1 %、o-NPOE60.8 %、NaTF-PB1.5 %、MIP7.6 %，筛选适宜的内充液为0.01 mol L-1 NaCl溶液制得的电极在1.0×10-7 1.0×10-3 mol L-1的浓度范围内对莠去津离子呈能斯特响应响应斜率为53.9 mV decade-1，检出限为1.0×10-8 mol L-1。该电极具有良好的选择性和稳定性，已成功应用于自来水中莠去津的测定。Alizadeh T Alizadeh T, Akhoundian M Anovel poten