分子印迹聚合物制备与应用

高分子印迹技术

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分子印迹聚合物制备与应用

姜忠义

(天津大学化工学院,天津300072)

摘　要:分子印迹作为制备对某一特定的分子(印迹分子或模板分子)具有特异性识别的聚合物的过程,在分离分析、仿生传感器和模拟酶催化等方面具有重要的应用前景。介绍了分子印迹技术的基本原理、分子印迹聚合物的制备和特性、分子印迹技术的应用场合及发展趋势。关键词:分子印迹;分子印迹聚合物;原理;制备;应用中图分类号:TQ050.4+25　　　文献标识码:A文章编号:036726358(2003)0220105204

PreparationandApplicationsPolymers

2yi

(SchoollTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:roachtopreparepolymershavinghighaffinityandselectivitytowardstarget

molecule(immoleculeortemplatemolecule),molecularimprintingtechniquehaspromisingapplica2tionsinseparationandanalysis,biomimeticsensorandenzymaticcatalysis.Thefundamentalprincipleofmolecularimprintingtechnique,preparationandcharacteristicsofmolecularlyimprintedpolymersandap2plicationfieldsanddevelopmenttendencyofmolecularimprintingtechniquearebrieflydiscussed.Keywords:molecularimprinting;molecularlyimprintedpolymers;principle;preparation;application

　　受Fischer的酶2底物相互作用的“锁和钥匙”、

“专一Pauling的抗原2抗体作用学说以及Dickey的性吸附”理论的启发,Wulff[1]和Mosbach[2]等建立

了现代分子印迹技术。分子印迹技术以其简便、通用和高效等特点吸引了化学家的广泛兴趣,基于该技术制备的分子印迹聚合物亲和性和选择性高、稳定性好并在分离分析、仿生传感器和模拟酶催化等方面具有重要的应用前景[3]。1　分子印迹的基本原理

分子印迹技术是将要分离的目标分子与交联剂在聚合物单体溶液中进行聚合制备得到固体介质,然后通过物理或化学手段除去介质中的目标分子,便得到“印迹”下目标分子的空间结构的分子印迹聚合物(MIP)。

目前,根据印迹分子与分子印迹聚合物在聚合过程中相互作用的机理不同,分子印迹技术分为两种基本类型:(1)共价法(预组织法)。主要由Wulff及其同事创立。在此方法中,印迹分子先通过共价键与单体结合,然后交联聚合,聚合后再通过化学途径将共价键断裂而去除印迹分子。使用的共价结合作用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等。其中最具代表性的是硼酸酯。其优点是能够生成相当稳定的三角形的硼酸酯,而在碱性水溶液中或在有氮(NH3、哌啶)存在下则生成四角形的硼酸酯。采用席夫碱的共价键作用也进行了广泛的研究。

由于共价键作用力较强,在印迹分子自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,不适于快速识别,而且识别水平与生物识别相差

收稿日期:2001211226作者简介:姜忠义(1966～),男,博士,教授。研究方向:酶和蛋白质工程,膜和膜过程。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20176039),中石化科技发展基金,天津市科学基金重点项目,教育部科学技术重点项目,教育部骨干教师资助计划资助。

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甚远,因此共价法发展较为缓慢。

(2)非共价法(自组织法)。主要由Mosbach等人创立。在此方法中,印迹分子与功能单体之间预先自组织排列,以非共价键形成多重作用位点,聚合后这种作用保存下来。常用的非共价作用有:氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等,以氢键应用最多。

非共价法所用功能单体量相对于印迹分子大大过量,因而有相当多的结合基团呈无规则分布,但对分离过程影响不大,所以色谱固定相、膜等分离介质的制备可优先考虑非共价法。2　分子印迹聚合物的制备和特性2.1　分子印迹聚合物的制备

分子印迹聚合物的制备通常包括以下步骤。(1)印迹分子与单体发生相互作用测,合理地设计、功能基的单体;

(2)聚合反应

,对单体进行聚合。、乳液聚合、表面印迹等。

(3)印迹分子的去除采用萃取、酸解等手段将占据在识别位点上的绝大部分印迹分子洗脱下来;

(4)后处理在适宜温度下对印迹分子聚合物进行成型加工和真空干燥等后处理。

上述步骤中,印迹分子既能参加聚合反应,又能在聚合反应后容易去除。能满足要求的化合物主要有糖类、氨基酸及其衍生物、蛋白质、核苷酸及衍生物、生物碱、羧酸、二醛、胆固醇、维生素、酶、抗原、神经递质、杀虫剂、除草剂、染料、药物等。

单体的选择主要由印迹分子决定,它首先必须能与印迹分子成键,且在反应中它与交联剂分子处于合适的位置才能使印迹分子恰好镶嵌于其中。常用的共价单体有:42乙烯苯硼酸、42乙烯苯甲醛、42乙烯苯胺、42乙烯苯酚等。常用非共价键单体:丙烯酸及其衍生物、亚甲基丁二酸、42乙烯基苯甲酸、22丙烯酰胺222甲基212丙磺酸、42N2丙烯酰基丙氨酸、乙烯基苯乙烯、丙烯酰胺。12乙烯基咪唑、乙烯基吡啶、2,62二丙烯酰胺吡啶、N2(42乙烯苄基)亚氨二乙酸铜等。

影响聚合反应的因素很多,如浓度、温度、光照、溶剂的种类及溶剂的极性等。一般来说,低温下单体

与印迹分子能形成更加有序、稳定的聚合物,且选择

性更好。由于非共价作用的强弱强烈地依赖于溶液的极性,故非共价方式一般在有机溶液如氯仿、甲苯中进行,而共价方式一般在极性较强的水、醇等溶液中进行。

为清楚理解上述过程,在此举一个例子加以说明。Mosbach等[4]在制备对茶碱有特异结合的分子印迹聚合物时,将4.7g茶碱、9g甲基丙烯酸和93.5g甲基丙烯酸乙二醇酯溶于250mL氯仿中。真空脱气5min后加入0.1g偶氮二异丁腈引发聚合,60°聚合物经机械研磨后,过筛。取C水浴反应24h。25Λm左右的粒状产物,,除去茶

碱,然后干燥,。2.[]

:

)迹空穴的空间构型和互补官能团的位置;

(2)其空间结构具有一定的柔韧性以确保亲和动力学能尽快达到平衡;

(3)亲和位点容易接近;

(4)机械稳定性,以使分子印迹聚合物可以在高压下应用;

(5)热稳定性

目前,制备出的分子印迹聚合物不少具有很好的物理和化学稳定性:抵抗很强的机械作用力;能耐高温、高压;能抵抗酸、碱、高浓度离子及有机溶剂的作用;在很复杂的化学环境中能保持稳定[6,7]。文献表明,分子烙印聚合物反复使用100次之后印迹能力也未发生衰减;保存8个月之后其性能不发生改变[8,9]。

3　分子印迹技术的应用3.1　分离

3.1.1　手性分离

自1992年,FDA就明确要求凡是新的光学活性药物都必须把光学异构体分离出来,分别测定其药物动力学和毒理学的各项指标。这就给分离对映异构体技术的改进提出了新的要求。目前尽管已有手性合成、酶法拆分等技术,但分子印迹技术在分离对映异构体方面有其独到之处。

目前有关分子印迹技术的文献报道50%以上以手性分离研究对象,涉及的分离过程主要有色谱分离和电泳分离[10],瑞典Lund大学的Mosbach课题组[11,12]开展了不少领先性的工作。3.1.2　膜分离

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将MIPs应用于膜分离的物质有氨基酸及其衍生物、肽、除草剂等。

[13]

Kobayashi等采用相转化法制备了茶碱的

分子印迹聚合物制成的传感器已经用于除草剂、糖类、核酸和氨基酸及其衍生物、医药、毒素、溶剂和蒸汽等的检测。

[22]

Mosbach等将印迹与传感器技术结合起来,

该薄膜是丙烯腈、丙烯酸的共聚物。吸附MIP薄膜。

实验发现,茶碱的吸附量远大于咖啡因,这表明在相

转化的过程中,MIP“记忆”下了茶碱分子的形状。对薄膜的表征,提供了茶碱和共聚物间相互作用的证据。

[14]

Yoshikawa制备了四肽H2Asp(OCHEX)2Ile2Asp(OCHEX)2Glu(Obzl)2CH3的MIP薄膜,通过N2DL2Ac2Tryptophan的电渗析实验发现该薄膜对L异构体有选择性。Shea等[15]则研究了能选择性地透过某些天然分子的MIP薄膜。

基于分子印迹技术制备的分离膜为分子印迹技术走向规模化和商业化树立了很好的示范。该类分离膜不仅具有处理量高,容易放大等特点,标分子具有很高的吸附选择性和容量[16,17]。3.1.3　固相萃取

制备。,由于分子印迹的出现,,并且可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分析物。由于印迹聚合物既可在有机溶剂中使用,又可在水溶液中使用,故与其他萃取过程相比,具有独特的优点。

自从Sellergren[18]首次报道了将MIPs用于固相萃取后,这方面的报道便相继出现较多,主要化合物有22氨基吡啶、苯达松、吲哚232乙醇、S2萘普生、尼古丁、萘心安、三嗪类、沙玛尔丁、它莫西芬等。采用悬浮聚合的方法制得了球形的MIP,用于水中提取三嗪类除草剂中的西玛三嗪(simazine),西玛三嗪可被浓缩56倍,回收率达Takeuchi等

91%。Andersson[20]也研制了一种用于固相萃取的MIP。Stanker

[19]

利用MIP作为识别元件,制备出生物传感器并申请了专利,后来陆续有人报道了关于氨基联苯、吗啡、莠去津等的MIP传感器的研究。目前利用分子印迹聚合物生产的传感器已用于实际测定中,并且可望用于光学传感器。

Dickert等将分子印迹技术同荧光光谱技术相结合,发展了一种用于检测水中多环芳烃的灵敏的化学传感器。他们还将MIP3.3,化学家们试图制备出与酶的催化性能相近的化学催化剂,但取得的进展极其缓慢。分子印迹技术的出现,使这一状况大为改观[23]。Sarhan以吡多醛为印迹分子,用42乙烯基咔唑为单体制备出分子印迹高聚物,它促进了氨基酸衍生物的质子转移。应用聚乙烯咔唑作为印迹聚合物能促进模板分子的酯水解能力。由于过渡态能促进产物的形成,所以印迹过渡态类似物成为最普遍的制备模拟酶的方法。此外,分子印迹在酶的活性调控也将具有重要作用[24]。

综述了分子印迹的纳米级催化材料的性能及研究情况。Morihara等分别以(R)和(S)2N2

2benzyl2Αmethylbenzylamine为模板在硅胶表面形

成了一个分子印迹的空穴,这种材料对苯甲酸的乙酰基有催化转移功能。当手性的印迹分子重新结合到有关的空穴上后,催化活性消失。这说明空穴的手性识别来源于用于印迹空间结构。

最近的一个例子是四氯噻吩与马来酸酐之间的Diels2Alder反应,制得的MIP催化了这一反应,迄

Davis

[25]

等研制的MIP可从牛肝中富集除

草剂莠去津,使得HPLC的精度得到提高,检测限

[21]

达5×10-9。

另外,由于MIPs的良好特性,它在极端环境(有机溶剂、有毒、强酸强碱、高温高压等)分离过程将显现出不可比拟的优势。3.2　传感器

生物传感器虽然具有极高的灵敏度和特异性,但由于用作分子识别元件的生物活性组分极易变性失活,传感器制作成本高,可供使用的生物活性组分的种类有限,从而限制了其大规模的应用。如果能将MIP用作分子识别元件就会使传感器在保持较高的选择性和灵敏度的同时,耐受性提高,寿命延长。

今为止,还未曾发现天然酶能催化这一反应,在这一反应中,MIP之所以具有催化作用是由于其过渡状态的生成降低了活化能,并排除了副产物SO2,这样,产品抑制物被大大降低了。4　结语

目前,分子印迹技术仍然存在许多问题有待于进一步解决。

首先是分子印迹过程和分子识别过程的机理和表征问题,尽管有不少研究者在这方面作过努力,但结合位点的作用机理、聚合物的形态和传质机理仍

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然不够清楚。如何从分子水平上更好地理解分子印迹过程和识别过程,仍需开展大量工作。其次,目前使用的功能单体、交联剂和聚合方法都有很大的经验性质和局限性,具体表现在:功能单体的种类太少以至于不能满足某些分子识别的要求,这就使得分子印迹技术远远不能满足实际应用的需要;目前分子印迹聚合物大多只能在有机相中进行聚合和应用,而天然的分子识别系统大多是在水溶液中进行的;目前能用于分子印迹的大多是小分子,而有关大分子的报道的成功实例较少。

可以相信,随着化学、生命科学、材料科学和分析技术等的不断发展,分子印迹技术将会在化学及其相关领域得到日益广泛的应用。参考文献:

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子成份(质量分数,%)为Co:95.69、平均粒P:4.31。径为37.0nm。在正己烷中存在软团聚,团聚体平均尺寸为65.0nm。形态为:六方密排Co,平均晶粒尺寸为14.8nm。

说明:本论文的部分实验工作由深圳大学理学院化学系99级本科

生陈文苑、陈柏青完成。

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