分子印迹性能表征与仪器

分子印迹性能表征与仪器第1页，共30页，2023年，2月20日，星期三性能表征用的仪器介绍仪器使用实例学习要点：分子印迹技术的基础知识第2页，共30页，2023年，2月20日，星期三2023/4/3一、分子印迹的基础知识1、分子印迹技术

分子印迹技术（Molecularlyimprintingtechnology,MIT)是当前发展高选择性材料的主要方法之一。其原理是模仿自然界抗原-抗体反应机理，在聚合物材料中引入分子识别位点，制备在空间和结合位点上与特定目标分子相匹配的、具有特定预定选择性的高分子化合物—分子印迹聚合物（Molecularlyimprintedpolymer,MIP）。第3页，共30页，2023年，2月20日，星期三2023/4/3理想的MIPs具有一下几个特点：(1)预定性

根据不同的目的制备不同的MIP，以满足各种不同的需要。(2)选择性——识别作用

MIP按照模板分子定做制备，可专一地识别印迹分子。(3)实用性

MIP兼备生物识别和化学识别的优点。具有抗恶劣环境，选择性高，稳定性好，机械强度高，制备简单等特点，但也存在制备材料价格昂贵、难以获得等缺点。第4页，共30页，2023年，2月20日，星期三2023/4/32、合成MITs基本原理分子印迹就是将模板分子与功能单体通过共价、非共价或金属协同作用形成预聚合物。在交联剂的作用下功能单体发生聚合，将模板分子固定在聚合物中。最后脱除模板分子，即聚合物材料上留下与模板分子在大小、形状和官能团的方向上都互补的空穴结构。空穴不仅保留了与模板分子化学结构互补的官能团的有序排列，也维持了它的整个空间构象，所以当材料再次遇到模板分子时，可发生特异性的结合。

(1)

功能单体——印迹分子——结合

(2)

交联剂——固定

(3)

脱去——印迹分子第5页，共30页，2023年，2月20日，星期三2023/4/3Pre－arrangementExtraction⒈⒉⒊⒋⒌Polymerization第6页，共30页，2023年，2月20日，星期三2023/4/3MIP化学仿生传感器——器件

MIPs传感器兼备生物传感器和化学传感器的优点，是未来传感器发展的方向。对映体及异构体的分离——色谱

MIP与酶相比不受各种恶劣环境因素的影响，又具有与酶相似的专一性和选择性。目前有关MIPs的文献一半以上都是有关手性及异构体分离的。临床药物分析——医药

由于许多药物都是具有手性活性的超分子化合物，而MIP正好可以为这些手性药物定做模板。模拟酶催化——催化

分子印迹技术则是设计新型人工模拟酶材料的最有效手段之一。3、MIP的应用第7页，共30页，2023年，2月20日，星期三二、分子印迹所用仪器色谱固定相、手性分离和固相萃取应用一般用分离因子α、分离度Rs、保留时间tR、结合常数、离解常数、富集系数等来表征；化学传感器的应用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；催化应用领域以催化效率、反应速度、结合量等参数来描述MIPs的催化活性。分子印迹的表征到目前还没有统一。主要原因是因为MIP的应用范围很广泛，在不同的应用领域，可以有不同的表征方法。一般的表征所用的仪器有：紫外-可见分光光度计荧光分光光度计核磁共振仪红外光谱仪、电镜（TEM或SEM）热重XRD等第8页，共30页，2023年，2月20日，星期三

紫外-可见分光光度计三、仪器使用实例第9页，共30页，2023年，2月20日，星期三基本组成

generalprocess光源单色器样品室检测器显示

可见光或紫外线照射某些物质，分子中价电子能吸收辐射，并且产生能级跃迁，而产生可见紫外吸收光谱。基于物质对光的选择性吸收的特性而建立分光光度法或称吸收光谱法的分析方法。它是以朗伯—比耳定律为基础。在研究MIP的过程中，主要利用紫外-可见分光光度计测量待测物质的浓度，以了解所需要的信息及结论，如筛选MIP的合成条件。第10页，共30页，2023年，2月20日，星期三实例——渗漏实验从NIP（非印迹聚合物）中选出几种常见的功能单体的非印迹聚合物。通过渗漏实验对4-NP（对硝基苯酚）、AOHCl(金胺O）、IBA(吲哚丁酸）、TA（色胺）分子印迹聚合物所需单体进行筛选。实验步骤甲醇:乙酸(v:v=9:1)洗去残留物，然后用甲醇洗去乙酸。用3mL上样溶剂活化SPE柱1mL模板分子溶液（1mL/min逐次上样），测定滤液吸光度第11页，共30页，2023年，2月20日，星期三甲醇溶液在MIP与NIP上渗漏曲线及浓度对键合量的影响实验步骤

每次测定值与上样体积分数作图得Breakthrough

曲线，渗漏量50%处所对应的总体积即聚合物对模板分子的最大吸附体积，根据总体积及浓度计算各聚合物的最大吸附量计算分析物的含量。第12页，共30页，2023年，2月20日，星期三

荧光分光光度计第13页，共30页，2023年，2月20日，星期三分子荧光光度法原理：分子发光分析法是基于被测物质的基态分子吸收能量被激发到较高电子能态后，再返回基态过程中，以发射辐射的方式释放能量，通过测量辐射光的强度对被测物质进行定量测定的一类分析方法。荧光定量分析原理：由荧光发生机理可知，溶液荧光强度和该溶液的吸光强度及荧光效率成正比：根据朗伯比尔定律：对稀溶液，kbc<0.02时，用标曲测c。第14页，共30页，2023年，2月20日，星期三

Goldman等采用均相荧光免疫分析,检测了土壤和水中环境样品里TNT

的含量。这种检测方法是基于:TNT同荧光标记的TNT类似物竞争结合抗-TNT,当TNT

与抗-TNT

结合后,使得体系荧光发射强度下降。第15页，共30页，2023年，2月20日，星期三核磁共振波谱法（NMR）具有核磁性质的原子核(或称磁性核或自旋核)，在高强磁场的作用下，吸收射频辐射，引起核自旋能级的跃迁所产生的波谱，叫核磁共振波谱。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在谱图上出现的位置也不同，各类氢原子的这种差异被称为化学位移。

第16页，共30页，2023年，2月20日，星期三

为了进一步确认聚合物和印迹分子之间的氢键作用,测定了β-CD以及β-CD和印迹分子NG混合溶液的1HNMR谱。β-CDδ3～4为腔内质子的峰位移,δ4～6为羟基上的质子峰位移。比较图5a和5b,发现存在印迹分子NG

时,β-CD

上质子的化学位移都有变化。腔内质子峰向高场移动(δ减小),这是由于印迹分子部分基团穿入β-CD,使β-CD腔内的电子云密度增大;而羟基上的质子峰移向低场(δ增大),这是由于β-CD上的羟基与印迹分子NG形成了氢键,使羟基上的质子周围电子云密度降低第17页，共30页，2023年，2月20日，星期三

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射能量后，引起分子的振动和转动能级变化发生跃迁，这种跃迁总是发生在红外光区，因此称为红外光谱（InfraredSpectra，IR）。基本原理产生红外吸收的条件(1)

辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；(2)辐射与物质间有相互偶合作用。对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。非对称分子：有偶极矩，红外活性。红外光谱表征第18页，共30页，2023年，2月20日，星期三傅里叶变换红外吸收光谱(FT-IR)

FT-IR的工作原理

检测器迈克尔逊干涉仪吸收池数据处理仪器控制光源傅里叶变换红外吸收光谱图干涉图干涉图第19页，共30页，2023年，2月20日，星期三傅里叶变换红外（FTIR）技术可以用于检测分子结构的变化。在分子印迹技术中，一般是检测氢键的变化值。

一般的分子印迹预聚合体系，功能单体和模板分子通过氢键发生作用，通过FTIR检测氢键给体（羟基和氨基等）和氢键受体（羰基等）的伸缩振动，来判断氢键的大小和强弱。

然而，溶剂的存在会干扰络合物的特征吸收，因此必须选择极性相对较小的，对氢键无干扰的溶剂。第20页，共30页，2023年，2月20日，星期三第21页，共30页，2023年，2月20日，星期三为了证明产物中有预测的官能团，用红外光谱对产物Fe3O4、Fe3O4/KH570，Fe3O4/SiO2/MPS/MIPs经行了研究。根据ZouYonh-Li等人的报道，通过红外可以很明显的看到变化。在Fe3O4的红外谱图上，583cm-1

Fe—O键的伸缩振动。在另外两个谱图上也有同样的吸收。

和Fe3O4相比，Fe3O4/KH570和Fe3O4/SiO2/MPS/MIPs的吸收峰强度很弱。

表明在Fe3O4的表面包覆了一层薄的聚合物，进而清晰的表明和Fe3O4的聚合反应是成功的。和Fe3O4的谱图相比，Fe3O4/KH570在1718cm-1处有—COOH的特征吸收峰，说明通过硅烷化反应使KH570成功的接枝在Fe3O4纳米颗粒的表面。

在Fe3O4/SiO2/MPS/MIPs谱图中，EGDMA中的C—O键的伸缩振动吸收峰在1258cm-1处，AIBN中的C—N键的伸缩振动吸收峰在1158cm-1处，—CH3和—CH2中C—H键的剪式振动的特征吸收峰分别为2987cm-1和2956cm-1。C=N键的伸缩振动的特征峰是1601cm-1和1558cm-1，C=C键的吸收峰在1456cm-1处。第22页，共30页，2023年，2月20日，星期三电子显微镜

电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元。电镜主要分为两大类：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）可以达到原子级的分辨率——0.1

nm。

电镜的表征手段已经是观察形貌的最佳方法

，也是最为直观的表征方法。很多重要的数据可以直观的观测到。

第23页，共30页，2023年，2月20日，星期三一般利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜研究分子印迹聚合物的形貌、颗粒大小等。

如图所示，印迹聚合物是近似球形的微粒，直径在400～500nm，TEM图显示聚合物为核壳结构。（a，b为扫描电子显微镜图像，c，d为透射电子显微镜图像）第24页，共30页，2023年，2月20日，星期三第25页，共30页，2023年，2月20日，星期三a.Fe3O4透射电子显微镜图像b.Fe3O4@MIPs透射电子显微镜图像可以通过透射电镜明显的观测到包覆上MIP之后，Fe3O4的形貌方法有明显的变化。直观的观察到包覆MIP非常成功。第26页，共30页，2023年，2月20日，星期三X射线粉末衍射及技术(XRD)基本理论

1913年英国物理学家布拉格父子在劳厄发现的基础上，不仅成功的测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格定律2dsinθ=nλ式中λ为X射线的波长，衍射的级数n为任何正整数。当X射线以掠角θ（入射角的余角，又称为布拉格角）入射到某一具有d点阵平面间距的原子面上时，在满足布拉格方程时，会在反射方向上获得一组因叠加而加强的衍射线。第27页，共30页，2023年，2月20日，星期三应用物相鉴定

Ⅰ定性

（每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，对照图谱）Ⅱ定量（衍射线的强度随物相的质量或含量成正比）晶胞参数的确