分子印迹法论文

分子印迹法论文（精选7篇）

分子印迹法论文 篇1

摘要：用沉淀聚合方法合成分子印迹聚合物,结果表明MAA∶EDMA∶AIBN=0.077∶0.013∶1(质量比)在60℃下聚合得到白色粉末状固体,效果最佳。通过绿原酸分子印迹聚合物的洗脱曲线,说明印迹聚合物对绿原酸有较好的吸附能力,达到预期效果。

关键词：绿原酸,分子印迹,沉淀聚合法,正交试验

由于分子印迹聚合物(MIPs)[1,2,3,4,5,6]在制备上的预定性、识别性上的专一性等优点,其在复杂混合物体系分离制备上的潜力十分被看好。但这方面上的研究,尤其是在中药化学成分分离纯化上的应用研究还很少。更未见到有绿原酸[7,8]的分子印迹聚合物的报道。因此,进行绿原酸分子印记聚合物的合成及静态吸附性质的研究具有很好的理论意义和应用潜力。本文采用正交试验结合得到了沉淀聚合方法合成绿原酸分子印迹聚合物的最佳工艺条件,并对绿原酸分子印迹聚合物的洗脱做了初步研究,达到预期效果。

1 试验试剂及仪器

绿原酸标准品(110753-200413),中国药品生物制品检定所提供;乙腈(AR),天津福晨化学试剂厂;EDMA(1-800-ACROS-01),New Jersey.USA;MAA(AR 500),成都科龙化工试剂厂;AIBN(AR),成都科龙化工试剂厂;甲醇(AR),重庆川东化工有限公司;乙酸(AR),重庆北碚化学试剂厂。

离心机(80-2台式低速),上海医疗器械厂;超声-微波萃取仪(CW-2000),新拓微波溶样测试技术有限公司;电子天平(MP5002),上海恒平科学仪器有限公司;数字显示显微熔点测定仪(X-6),北京泰克仪器有限公司;电子恒温水浴锅(DZKW-4),北京中兴伟业仪器有限公司;电子分析天平(AR1140),梅特勒-托利多仪器(上海)公司;真空干燥箱(D2F-6020A),北京中兴伟业仪器有限公司;紫外分光光度计(UV-1100),上海美谱达仪器有限公司。

2 沉淀聚合法合成绿原酸分子印迹物

2.1 正交实验选择最佳合成空白分子印迹聚合物的条件

2.1.1 配制溶液

取30.0 mL乙睛和5.0 mL甲醇配制混合溶剂,并以此溶剂作为聚合发应溶剂。取EDMA 3.96 g溶于10.0 mL混合溶液中,得到396 mg/mL EDMA溶液;取21.0 mg AIBN溶于5.0 mL混合溶液中,得到4.2 mg/mL AIBN溶液;取43.0 mg MAA溶于5.0 mL混合溶液中,得到86 mg/mL的MAA溶液。

2.1.2 MAA、EDMA与AIBN比例及温度对聚合反应的影响

MAA(A)、AIBN(B)与EDMA(C)是合成主要因素,它们的比例对合成效果的好坏有重要作用。因温度过高会导致绿原酸分解,而温度过低又会影响合成反应,实验温度设为因素D,因此将这些因素考虑起来设计因素实验。采用L9(34)正交表设计正交实验。

以实验号1为例,依次向玻璃管中加入0.10 mL MAA溶液、2.45 mL混合溶剂,混合均匀,放室温下预聚合5 h后,加入0.32 mL EDMA溶液、0.45 mL AIBN溶液,通氮气15 min,真空下密封,用混合均匀,置于50 ℃水浴中加热,并每隔30 min取出混匀,24 h后取出。将获得的粉末状印迹聚合物,离心分离后,加入乙酸～甲醇(5:1)溶液10 mL,用以抽提模板分子,振荡成悬浊液,超声分散30 min,离心分离后,取出上清液,再次加入乙酸的甲醇溶液,重复上述过程5次,最后,将离心分离得到的聚合物沉淀放入真空干燥器(45 ℃)中真空干燥48 h,得到所需的聚合物,称重。

2.1.3 实验结果及讨论

实验结果为1～9号试管都有白色粉末出现,5号和6号明显较多,2、3、4、7、8、9号试管虽然有产品但较少。3、4、8号试管内溶液因温度较高而成微黄色,产量也降低。综合来说6号产品最优,产量最高,说明当MAA:AIBN:EDMA=0.077:0.013:1(质量比)时聚合反应产生的白色粉末状固体,符合沉淀聚合反应要求,生成的是纳米级微球形沉淀而不是块状印迹聚合物,这种方法不需要在反应体系中另加入稳定剂,所以组分简单,易于操作,而且产品较多,得到的微球聚合物粒径均一且表面干净,不需进行研磨等费力的操作步骤,减少了由这些步骤引起的聚合物的损失,再根据极差分析最佳实验条件为A2B3C1D2,刚好为实验号6,因此应按此条件制备绿原酸分子印迹物。

2.2 绿原酸分子印迹物的制备及模板分子的洗脱

2.2.1 绿原酸分子印迹物的制备

依次向10 mL具塞玻璃管中加入5 mg绿原酸标准品、0.16 mL MAA溶液、2.45 mL混合溶剂,混合均匀,放室温下预聚合5 h 后,加入0.45 mL EDMA溶液、0.55 mL AIBN溶液,通氮气15 min,真空下密封,用混合均匀,置于60 ℃水浴中加热,并每隔30 min取出混匀,24 h后取出。将获得的粉末状印迹聚合物,离心分离后,加入乙酸～甲醇(5:1)溶液10.0 mL,用以抽提模板分子,振荡成悬浊液,超声分散30 min,离心分离后,取出上清液,再次加入乙酸的甲醇溶液,重复上述过程5次,最后,将离心分离得到的聚合物沉淀放入真空干燥器(45 ℃)中真空干燥48 h,得到所需的聚合物,称重。取出的上清液,以乙酸～甲醇(5:1)为参比,测定紫外吸收(326 nm)。

2.2.2 绿原酸印迹聚合物的洗脱次数与吸光度分析

绿原酸印迹聚合物称重为0.1642 g,由此可见按照最优条件制备是正确的。绿原酸印迹聚合物的洗脱次数与吸光度分析如表4。

由印迹聚合物的洗脱曲线看出,洗脱的前3次聚合物中都含有大量的绿原酸,说明印迹聚合物对绿原酸有吸附能力,洗脱至5次左右,绿原酸基本洗脱干净,证明此次实验效果较好。如图1。

3 结 论

本文用沉淀聚合的方法合成了分子印迹聚合物,采用因素设计和正交实验,结果表明MAA:AIBN:EDMA=0.077:0.013:1(质量比)在60 ℃下聚合得到白色粉末状固体。由印迹聚合物的洗脱曲线看出,洗脱的前3次聚合物中都含有大量的绿原酸,说明印迹聚合物对绿原酸有吸附能力。研究了沉淀聚合法制备绿原酸分子印记聚合物的合成基本条件,为绿原酸分子印记聚合物的制备和应用于绿原酸的提取制备及分析打下了基础。

参考文献

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[8]邓良,袁华,喻宗沅.绿原酸的研究进展[J].化学与生物工程,2005(7):4-6.

分子印迹法论文 篇2

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI630A型电化学工作站 (上海辰华仪器有限公司) ;三电极系统:分子印迹膜/玻碳电极为工作电极, 铂丝电极为对电极, 饱和甘汞电极 (SCE) 为参比电极;S-3500N扫描电子显微镜 (日本Hitachi公司) 。壳聚糖 (脱乙酰度≥90%) 购自德国Sigma Aldrich有限公司;敌百虫 (Trichlorfon, AR, 99%) 、Ru (NH3) 6Cl3 (Hexaammineruthenium (III) chloride AR, 99%) 均购自北京迪科马科技有限公司。1.7mmol/L Ru (NH3) 6Cl3的0.1mol/LKCl溶液为背景溶液。

1.2 壳聚糖分子印迹电化学传感器的制备

取一定量壳聚糖固体于稀盐酸溶液中超声30min溶解, 用NaOH溶液调节pH后, 逐滴加入已在饱和KCl溶液中阴离子化16h的敌百虫溶液, 搅拌配制成含敌百虫模版分子的质子化壳聚糖电化学沉积液。将三电极系统移入上述溶液中, 在-1.4V (vs.SCE下同) 下恒电位沉积2min, 用水淋洗, 再将电极浸于2.5%戊二醛溶液中, 20min后取出, 用水迅速淋洗。此电极于0.01mol/L KCl溶液中施加+0.7V电位处理三次, 每次3min, 以除去模板分子, 则制备成壳聚糖分子印迹电化学传感器。在相同条件下, 用不含敌百虫的电化学沉积液制备非印迹电极, 用作对照。

2 结果与讨论

2.1 分子印迹沉积层的形成

如下图所示, 电沉积过程中, 随着电沉积时间的增加, 电极表面沉积层厚度增加, 电极导电能力逐渐降低, 电流响应受到抑制, i-t曲线呈逐步下降趋势。图1a为电极在含阴离子化的敌百虫的壳聚糖溶液中以-1.4V恒电位沉积2min的i-t曲线, 图1b为不含模板分子的i～t曲线。a和b进行比较, 有无模板分子存在, i～t曲线均光滑趋于平缓, 无较大不同, 因此可以推断电沉积过程中, 无电化学活性的敌百虫分子结构没有发生改变, 从而保证了印迹电极识别位点的均匀性。

(a) 包含敌百虫的溶液; (b) 不包含敌百虫的溶液

以循环伏安法 (CV) 对印迹传感器进行表征以考察沉积层的结构, 结果随着扫描圈数的增大, 循环伏安曲线逐渐向外扩张, 至一定程度信号不再增大, 200圈时已经达到稳定不再变化, 且稳定信号与裸电极相比明显降低。表明电极表面形成了相对致密的Tri--CTS沉积层在电势差的驱动下, 探针分子逐步通过膜内三维结构形成的通道和识别孔穴到达玻碳电极表面, 发生还原氧化。而层内互补孔隙的数量是有限且一定的, 故最终电流信号达到稳定值。作为对照, 沉积后电极不经交联直接进行循环伏安扫描, CV图无逐步外扩的过程, 且信号变化与裸电极相比信号变化不明显, 说明沉积后, 经过低浓度戊二醛溶液较短时间的固定化交联, 沉积中聚合物分子可能在玻碳电极表面发生了重组至一个有序网状的空间结构状态的过程, 使膜变得更加致密均匀, 性能更好。

2.2 电位诱导洗脱模板分子

为了讨论施加一定电位对模版分子的影响, 本文测试了不同电位下, 模版分子的洗脱状况。实验表明, 负电压不能将模板分子洗脱, 可能是由于负电压下引发形成的聚合物对负电位稳定。正电位则可通过改变质子化壳聚糖与阴离子化敌百虫作用的微环境而降低两者之间的结合力, 迫使阴离子化的敌百虫从大分子壳聚糖内部离开。过低的正电位洗脱速度慢耗时长;过高电压则会使聚合膜与玻碳电极之间的结合受到损坏而导致膜脱离电极表面。而实验中于工作电极上施加+0.7V电压, 以洗脱模板分子效果最佳。结果表明处理3次每次3min后, CV图基本不再变化, 模板分子已基本洗脱完全。这可能是由于一定时间内+0.7V电压不足以破坏壳聚糖膜与玻碳电极之间结合性能的, 膜的性质不改变。改变印迹分子与基体之间的作用力后, 阴离子型的敌百虫分子与水结合的驱动力显著大于与质子化的壳聚糖, Tri-溶入水中从而实现了敌百虫模板分子的洗脱。壳聚糖基体中留下了阴离子化敌百虫模板分子的孔穴。阴离子化敌百虫响应后, 识别位点被部分占据, 氯化钌六胺络合物的传质过程受到一定程度的阻碍, 表现出氧化还原电流强度的相对减弱。各电极的表面状态可如图2SEM图表征, 交联并洗脱后电极表面较之于直接晾干或者交联未洗脱的的SEM图疏松。

3 结语

结合电化学手段和分子印迹技术, 制备了可用于敌百虫检测的分子印迹电化学传感器。通过对电极沉积电位、沉积时间、交联时间和洗脱方法等制备条件的考察, 制备出的电化学传感器对目标分子敌百虫电化学响应较好。并通过对电极电化学响应的研究, 初步探讨了电极制备和响应机理。

摘要：采用电位诱导法洗脱制备壳聚糖分子印迹电化学传感器, 洗脱效果良好。

关键词：电位诱导法,壳聚糖,分子印迹,电化学传感器

参考文献

[1]蒋挺大.甲壳素[M].北京:化学工业出版社, 2003:168-194

[2]P.Sorlier, A.Denuziere, C.Viton, A.Domard.Relation between the Dearee of Acetylation and theElectrostatic Properties of Chitin and Chitosan[J].Biomacromolecules, 2001, 2:765-772

分子印迹法论文 篇3

本实验以苯酚为印迹分子,以2-乙烯基吡啶(2-VP)为功能单体,然后采用正交试验设计法,优

化了功能单体的用量,交联剂的用量和致孔溶剂的种类等制备条件,制备了9个苯酚分子印迹聚合物(MIP1-9),并对制备的印迹聚合物的吸附性能进行了研究。在此基础上制备了苯酚分子印迹膜(MIM),考察了其选择性透过性能。结果表明,实验制备的MIP4及MIM具有一定的选择性分离富集苯酚的性能,这为分子印迹技术用于复杂体系中苯酚的分离分析提供了研究基础。

1实验部分

1.1主要仪器和试剂

UV-2401型紫外可见分光光度计(日本岛津);THZ-C恒温振荡器(江苏太仓实验设备厂);Agilent S1200高效液相色谱仪,Agilent ZORBAX SB-C18柱(4.6×250 mm,5 μm)。

苯酚(分析纯,天津市化学试剂三厂);2-乙烯基吡啶(2-VP,分析纯)为美国Acrosorganics公司产品;偶氮二异丁腈(AIBN,分析纯,上海试剂四厂);二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA,分析纯,江州安利化工厂),使用前减压蒸馏除出去阻聚剂;

尼龙微孔滤膜(Nylon-6)购于上海亚东核级树脂有限公司,孔径0.45 μm;色谱纯甲醇(美国Fisher公司)。实验用其它试剂均为分析纯,水为艾柯纯水器UP级水。

1.2分子印迹聚合物及印迹膜的制备

1.2.1正交设计苯酚分子印迹聚合物(MIP)的制备

采用正交试验设计,对苯酚分子印迹聚合物的聚合条件包括功能单体用量、交联剂EGDMA 用量和致孔溶剂种类3个因素各取3个水平,采用L9(34)正交试验设计表进行实验设计,见表1。

*在所有印迹聚合物的合成中,模板分子苯酚的加入量均为1 mmol,致孔溶剂的用量为10 mL,引发剂为AIBN,其用量为功能单体和交联剂物质的量之和的5%。**MIP4为正交优化得到的最佳聚合物。

分别按照表1所确定的聚合反应中需要加入的各物质的种类和数量制备得到苯酚分子印迹聚合物MIP1-9。准确称取一定量的苯酚并分别溶解在30 mL甲醇中,加入功能单体2-VP后,室温下搅拌3 h,使苯酚与2-VP充分作用,再加入适量交联剂EGDMA 和引发剂AIBN。将该混合液转入100 mL的安瓿瓶中,通N2脱氧5～10 min。然后在无氧条件下密封并放入60℃的恒温振荡器中反应24 h,得到固体聚合物。经粉碎、研磨,过0.125 mm(120目)分样筛。用1∶9(体积比)冰乙酸-甲醇溶液索氏提取所得聚合物至馏出液中检测不到印迹分子苯酚,再用甲醇洗至中性,除去过量的H+,最后在真空干燥器中干燥48 h,得到苯酚分子印迹聚合物MIP1-9。

非印迹聚合物(NMIP1-9)的制备,除不加印迹分子苯酚外,制备及处理方法与其相应的MIP一致。

1.2.2苯酚分子印迹膜(MIM)的制备

取1 mmol苯酚溶于10 mL甲醇中,加入6 mmol功能单体2-VP,室温下搅拌反应3 h,再加入40 mmol的EGDMA和20 mg AIBN,超声脱气10 min后,放入载体膜(Nylon-6),浸泡3 min后将该膜放在两块玻璃板之间,60℃下反应24 h,然后除去聚合膜中的模板分子,再用甲醇洗至中性,得到苯酚印迹复合膜MIM,将膜保存于甲醇中备用。非印迹聚合物(NIM)的制备,除不加印迹分子苯酚外,合成及处理方法与其相应的MIM一致。

1.3印迹聚合物的平衡吸附实验

分别称取各印迹聚合物(MIP1-9)和非印迹聚合物(NMIP1-9)20.0 mg于具塞的磨口锥形瓶中,加入10 mL的苯酚溶液(溶于聚合物的相应致孔溶剂中),在恒温振荡器中于室温下振荡5 h,然后过滤,在紫外-可见分光光度计上测定其吸光度,并计算聚合物的平衡吸附量Q和MIP相对于NMIP的印迹因子α[10,11,12]。

1.4印迹膜的渗透实验

将制备的印迹膜置于用塑料制作的且具有螺纹的接口固定于两个完全相同的70 mL的L型玻璃池中间,组成H型透过装置。膜传输横截面的有效直径为1.13 cm,用硅胶垫圈密封保证两池没有渗漏。一池中加入50 mL的含酚工业废水溶液(云南开远解化厂),另一池中加入50 mL纯甲醇,在搅拌器搅拌下每隔1 h取样,HPLC法测定底物中苯酚透过印迹膜的量。

2结果与讨论

2.1印迹聚合物制备条件的正交试验优化

非共价印迹聚合物的印迹程度取决于聚合体系中印迹分子与功能单体分子间的结合程度及聚合后所形成的网状空穴,这与聚合物合成的条件密切相关[13]。本实验通过正交试验设计合成了9个印迹聚合物(MIP1-9)及其相应的非印迹聚合物(NMIP1-9),并进行了平衡吸附实验,测得了各聚合物的平衡吸附量Q及印迹因子α,结果见表2。

*平衡吸收实验条件为:苯酚浓度6×10-4 mol/L,聚合物20.0 mg,吸附液溶剂为相应聚合物的致孔溶剂,总体积10 mL,温度25 ℃,吸附时间5 h。**MIP4为正交优化得到的最佳聚合物。

考虑到印迹因子和吸附量是衡量印迹聚合物性能的主要指标,因此,分别采用选择因子和吸附量为评价指标,用极差分析法对正交试验结果进行了分析,结果见表3和表4。

致孔溶剂不仅影响功能单体与模板分子间非共价键结合的强度,同时也影响到聚合物的形态、吸附性能、稳定性和膨胀性能。由实验结果可见,致孔溶剂种类是影响印迹聚合物印迹因子和吸附量的最主要因素。对于印迹因子而言,最佳的致孔溶剂是体积比为1∶1的氯仿乙腈混合溶剂;对于吸附量而言,最佳的致孔溶剂是氯仿。但以氯仿乙腈混合溶剂作为致孔溶剂时,聚合物的吸附量很小,仅约为其他溶剂体系的15%,而吸附容量过小将影响研究结果的应用价值和可行性。所以实验最终选择氯仿为致孔溶剂。

功能单体用量不足时,难于与印迹分子形成稳定的复合物,而当其用量过多时,则会在聚合物中形成大量的非特异性结合位点,从而降低聚合物的识别能力和选择性。实验结果表明,对于印迹聚合物的印迹因子与吸附量而言,最佳的功能单体用量都是4 mmol。实验选择了模板分子与功能单体的加入物质的量比为1∶4。

交联剂的用量将影响聚合物的网状结构,从而影响聚合物的吸附性能。交联剂用量对印迹因子的影响程度大于对吸附量的影响程度。考虑到在保证一定吸附量的基础上,以印迹聚合物印迹因子作为主要评价标准,因此选择了模板分子与交联剂的加入物质的量比为1∶30。

综上所述,优化得到的苯酚印迹聚合物MIP4具有相对较好的印迹因子和较大的吸附量,其制备条件为:选用2-VP为功能单体,以氯仿为致孔溶剂,模板分子与功能单体以及交联剂EGDMA的加入物质的量比为1∶4∶30。

2.2 MIP4的吸附特性

参照文献[10,11,12],采用Scatchard方程:Q/C=Qmax/Kd-Q/Kd分析研究了印迹聚合物MIP4与底物的结合特征。按照Scatchard方程,以Q/C对Q作图,得到Scatchard曲线,如图1。可见在整个范围内,聚合物的Scatchard曲线是非线性的,但是将曲线分为两部分后,每部分却有很好的线形关系,这表明在所研究的底物浓度范围内,聚合物主要形成特异性吸附和非特异性吸附两种不同的结合位点,这是大多数印迹聚合物的共同特点[10,11,12]。

平衡吸收实验条件为:聚合物20.0 mg,吸附液溶剂氯仿,总体积10 mL,温度25 ℃,吸附时间5 h。

将图1中的曲线分段按Scatchard方程进行线性拟合,相应的线性拟合方程分别为Q/C=8.71+308.46Q(浓度0.05～0.20 mmol/L,R=0.9873)和Q/C=0.125+0.4178Q(浓度0.20～1.60 mmol/L,R=0.9929)。根据Scatchard方程的斜率和截距分别求得其高亲和及低亲和结合位点的离解常数Kd分别为3.24×10-3 mol/L和2.39 mol/L,最大表观结合位点数Qmax分别为0.028 mg/g和0.30 mg/g。

为了研究印迹聚合物MIP4的吸附平衡时间,在0～6 h范围内研究了吸附平衡时间t对MIP4及NMIP4对苯酚的平衡吸附量Q的影响,得到了其吸附动力学曲线如图2所示。在前3 h内,印迹聚合物的吸附量迅速增加,此后吸附量增加渐缓,3 h后基本达到平衡,这是因为MIP中有大量由苯酚分子印迹所生成的孔穴,有利于苯酚分子从液相迁移到固相,因此吸附实验开始阶段呈现出很快的吸附速度,但随着时间的增加,模板分子的表面空穴被逐渐结合饱和,由于其要向MIP内部传质有一定的位阻,使吸附速度下降,从而吸附量增加渐缓至达到平衡。而NMIP4中没有与模板分子结构相对应的孔穴,因此其吸附作用主要存在非印迹聚合物表面的非特异性吸附,所以很快就达到吸附平衡。

平衡吸收实验条件为:苯酚浓度6×10-4 mol/L,聚合物20.0 mg,吸附液溶剂氯仿,总体积10 mL,温度25 ℃。

2.3MIM的渗透实验

MIM和NIM对含有苯酚的工业废水的渗透动力学实验表明:浑浊的含苯酚废水原液经MIM渗透后,透过液颜色明显变浅,说明大量非苯酚物质未能迅速透过膜,从HPLC图(图3)可见,透过液中苯酚的所占的比例明显上升,显示了一定分离富集苯酚的能力。其渗透动力学曲线与其印迹聚合物的吸附动力学曲线类似,MIM及NIM对苯酚的渗透通量都随着渗透时间的增加逐渐上升,但MIM的渗透通量大于NIM。这是因为非印迹膜中没有模板分子与功能单体形成的预结合体系参与合成,不存在利于苯酚分子通过的印迹通道。而印迹膜在模板分子与功能单体的预聚合作用的影响下,在载体膜表面及内部形成了规则而且与模板分子大小空间相匹配的印迹通道,这样就有助于模板分子渗透通过印迹膜,从而能有效地选择性透过模板分子,达到分离富集目标物的目的。实验结果表明,苯酚印迹复合膜具有从复杂体系中分离富集苯酚的潜能,具有一定的实际意义。

3结论

分子印迹材料的制备与应用 篇4

诺贝尔奖得主Pauling曾经提出过以抗原为模板来合成抗体的理论,虽然这个理论被后来的“克隆选择理论”所推翻,但是Pauling还是为分子印迹学的发展奠定了一定的理论基础。Dickey在1949年制备出硅胶吸附剂时提出来专一性吸附的概念,这个可以视为分子印迹的萌芽,但是在当时以及很长时间以后并没有引起人们的重视[3]。

德国的Wulff研究小组[4]于1972年首次公开报道了人工合成的分子印迹聚合物后,分子印迹学才越来越得到学术界的关注。1993年,瑞典Lund大学的Mosbach研究小组[5]在《Nature》上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后,分子印迹技术随即便成为学术界研究的热点。为了更好的研究分子印迹Lund大学成立了国际分子印迹学会(Society for Molecular Imprinting,SMI)随着分子印迹技术的研究深入和广泛应用,关于分子印迹的国际著名的学术会议也频繁举行,如英国Cardiff大学在2000年7月在举办了第一届分子印迹技术国际会议,两年后在德国马塞召开第二届国际分子印迹学术会议,第三届国际分子印迹学术会议也于2004年在英国Cardi任大学召开,第四届国际分子印迹学术会议于2007年9月在Cardiff大学举行。随着对分子印迹学研究的在分离科学的应用,有关分子印迹的论文数开始急剧上升,仅2010年SCI收录的关于分子印迹的论文已经超过400篇。研究分子印迹学的科研单位也逐渐增多,国际分子印迹协会(SMI)的统计表明[6],全球至少有100个以上的企事业团体和学术科研机构在从事分子印迹聚合物的研究及开发工作。

1 分子印迹技术的基本原理

分子印迹技术通常是采用化学合成的方法,在目标分子(印迹分子、模板)的周围形成一个交联度很高的刚性分子,去掉目标分子(印迹分子、模板)后,在刚性分子空间结构中获得一个结合位点,这个结合位点对仅对于相应的目标分子(印迹分子、模板)具有特异识别作用。

一般情况下通过以下三个步骤来实现分子印迹技术或分子印迹聚合物:

(1)选择合适的功能单体与印迹分子(模板)在一定的条件下反应,生成一种在某种特定条件下可以可逆结合的复合物。

(2)选择合适的交联剂,与(1)中生成的复合物一起反应,生成某种高聚物。交联剂在这个高聚物中起到骨架作用,把Ⅰ中的复合物“冻结”起来。

(3)用溶剂把印迹分子(模板)从高聚物中洗脱出来,这样就在高聚物的骨架上留下一个“预定”的结合位点,这个结合位点仅对于Ⅰ中选用的印迹分子(模板)具有特异性识别作用。这个高聚物就称作是分子印迹聚合物。

这个结合位点是一个具有三维空间结构的空穴,由分子印迹聚合物的实现过程可以看出,结合位点和功能单体的种类都是由印迹分子(模板)的性质和结构决定的。由于不同的印迹分子(模板)具有不同的性质和结构,所以制备出的分子印迹聚合物只能与相应的印迹分子(模板)通过结合位点结合。这样就类似于自然界抗体与抗原、酶与底物等的分子识别原理,也就是说分子印迹聚合物对该分子具有选择结合作用。

与通常的聚合物相比,分子印迹聚合物一般具有如下特点:

(1)选择的功能单体必须具有可以与印迹分子发生作用的功能基,这些功能基与印迹分子可以生成金属键、共价键、氢键等,并且在特定的条件下,生成的复合物与功能单体和印迹分子的结合反应是互逆的。

(2)生成的高聚物要具有较高的交联度,以确保把功能单体固定在高聚物内一个稳定的空间。

2 分子印迹聚合物合成方法的分类

根据功能单体与印迹分子(模板)不同的结合方式,分子印迹聚合物合成方法可以分为共价法、非共价法和半共价法。

2.1 共价法

共价法又称预组织法(precorganization),是由德国的Wulff等于1972年创立[4]。在共价法中,印迹分子(模板)首先与功能单体以共价键的形式形成单体-模板复合物,然后加入交联剂形成高聚物,使用化学方法将单体-模板复合物中的共价键断裂,去除聚合物中的印迹分子(模板),这样就制备出了分子印迹聚合物。该分子印迹聚合物对上述合成过程中使用的印迹分子(模板)具有专一性吸附作用。

使用共价法获得的分子印迹聚合物优点是,在聚合过程中能获得在空间精确排列的结合基团,但是从聚合物中去除印迹分子(模板)的百分比并不高。若能有效地提高印迹分子(模板)去除百分比的话,将会使采用用共价法获得的分子印迹聚合物成为更加优秀的分离功能材料。图1为四种共价法常用的功能单体。

总之,共价法获得的分子印迹聚合物具有作用点稳定、均匀的特点。由于共价键的作用力一般较强,导致印迹分子的结合和解离速度缓慢,而且其分子识别能力、作用力与生物分子之间的识别能力、作用力相差很远,影响了该技术的发展。

2.2 非共价法

非共价法又称自组装法(self-assembly),由瑞典科学家Mosbach及其同事于20世纪80年代首先建立相应的方法。该方法中,功能单体与印迹分子之间自发地有序组织排列,以非共价键自发形成具有多重作用点的单体-模板分子聚合物,然后加入交联剂使这种作用保存下来[7]。非共价键法中涉及的主要非共价键作用有:电荷转移、氢键、金属螯合作用、静电引力、疏水作用等,其中以氢键作用为最多。在印迹形成的过程中,很少出现只是用一种作用力制的分子印迹聚合物的情况,而更多的是多种作用力相互结合,制备的分子印记聚合物具有更多的识别位点,因此有着更强的预定选择性。相对于共价法合成的MIP,这样印迹聚合物的分离能力和选择性更强。

通常在制备分子印迹聚合物时,功能单体与印迹分子的摩尔比值要大于1,这样就会在印迹分子周围形成有更多的非共价键,并增加了印记聚合物对印迹分子的特异识别性,所产生的孔穴具有更好的空间匹配性。非共价法聚合反应一般是在有机溶剂中进行,如:甲醇、乙腈等,这是因为该方法与溶液的极性密切相关。图2所示为几种非共价法常用的功能单体。

与共价法相比,非共价法操作方便、简单易行,在非共价法中印迹分子与单体之间的作用力较弱,容易去除印迹分子,不会出现共价法中模板不能以高百分比去除的现象。非共价法制的印迹聚合物亲和性和选择性都比较高,可供选择的功能单体也很广泛,是目前应用最多的方法。由于非共价键分子之间的作用力没有共价键强,而且比较稳定的复合体系可以使聚合物具备较高的选择性和较大浓度的识别位点,因此,选择合适的功能单体与印迹分子产生较强的相互作用力是必要的[8]。

2.3 半共价法

半共价法是续共价法和非共价法之后新近发展起来的分子印迹技术,1995年Vulfson等[9]有发展了一种称之为“牺牲空间法”(sacrificial spacer method)的分子印迹方法,这种方法综合了共价法和非共价法。

首先将功能单体和印迹分子以共价键的形式形成单体-模板复合物,然后加入交联剂,形成高聚物,除去印迹分子后就形成了印迹聚合物。当印迹分子再一次与印迹聚合物结合时,则是以非共价的形式结合在一起。

1996年,Piletsky等[10]也发展了一种共价法与非共价法相结合的分子印迹聚合物制备技术:以乙烯基苯基硼酸和乙烯基胺作为功能单体,硅酸作为印迹分子,甲基丙烯酸亚乙基脂作为交联剂制备出分子印迹聚合物,在反应生成印迹高聚物阶段是共价作用,而在印迹分子被洗脱后重新吸附阶段是非共价力作用。

3 分子印迹材料的构成与影响因素

Wulff等[11]认为一种理想的分子印迹聚合物应该具有一下性质:

(1)有合适的交联剂来保证聚合物的结构具有一定的刚性,这样结合位点的三维结构和互补的官能团能与模板准确定位。

(2)聚合物要具有一定的柔韧性,以保证分子印迹吸附过程中的动力学平衡。

(3)结合位点的可接近性,聚合物内要有足够大的比表面积,提高识别过程的效率。

(4)分子印迹聚合物还要具备一定的机械稳定性和热稳定性,以保证聚合物在不同的工作条件下和环境中使用。

在分子印迹聚合物的合成过程中一般要用到:模板化合物、功能单体、交联剂、致孔剂、溶剂、引发剂等。根据不同的印迹分子(模板)选择适合该印迹分子的功能单体、交联剂、致孔剂、溶剂、引发剂等使得制备的印迹聚合物具备上面四种特性。

3.1 模板

模板,即目标分子或印迹分子,是指通过分子印迹过程所要获得或者分离的物质。根据目前已发表的论文,可作为模板分子被用于分子印迹研究的物质已经有很多种,从简单的单个金属离子到复杂的蛋白质都可以作为模板用于分子印迹研究,但是从模板的种类上来看,结构复杂的大分子物质更多的被研究人员选择为模板,这是因为这些物质本身具有复杂的结构,使得MIP更容易识别其空间结构和多种分子力作用位点。而对于结构简单的金属离子而言,因其空间结构简单、作用位点单一使其在分子印迹技术方面的应用较为困难,这也是金属离子印迹很少被研究和被报道的主要原因。

3.2 功能单体

功能单体通常在印迹聚合物合成的过程中首先与模板反应生成复合物,然后在一定条件下通过聚合反应生成聚合物。模板分子的结构决定着功能单体的种类及用量。在聚合之前或聚合反应过程中,功能单体与模板分子形成的模板一单体复合物越稳定,制得的印迹聚合物中高选择性识别位点就越多,亲和性和选择性则越强。

共价型印迹聚合物合成后共价键必须能够断裂,这就限制了其功能单体的开发和使用,因而种类比非共价型聚合物的种类少。一般使用的功能单体包括含有乙烯基的苯硼酸、苯酚、苯甲醛和苯胺等以及含硼酸酯的硅烷混合物。其中硼酸和相邻二醇形成的酯键可逆性好,易于形成和断裂,在糖类衍生物印迹中占有重要地位。

非共价型印迹聚合物使用的功能单体种类很多,主要有中性的丙烯酰胺等,羧酸类的丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸等。其中最为常用的功能单体是甲基丙烯酸。在实际应用过程中也可以同时使用两种不同类型的功能单体,以此来增加印迹分子与功能单体之间作用力的种类和强度,提高MIP的选择性。目前常用的交联剂有乙二醇二甲基丙烯酸酯(Ethylene dimethacrylate,EDMA)、三甲醇基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETRA)、二乙烯基苯(DVB)等,其中应用最为广泛的是EDMA。

3.3 交联剂

交联剂可以使模板-功能单体复合物交联为一体,并保证识别位点空间形状的稳定性。选用交联度更高的交联剂或增加交联剂用量可以确保识别位点的三维空间结构稳定,提高印迹聚合物对模板分子的特异性识别性能。但是,过高的交联度的会导致印迹聚合物内部传质困难,增加目标分子到达识别位点的难度,使的吸附量减小。另外,交联度过高也不利于模板分子的洗脱。

3.4 引发剂

引发剂,反应过程中加入引发剂促使反应发生。一般研究中常用的引发剂是偶氮二异丁氰。

3.5 致孔剂

致孔剂作用是使最后生成的聚合物中形成很多蜂窝状的通透小孔,从而使分子印迹聚合物具有很大的内表面积,便于印迹分子在吸附过程中接近结合位点与印迹聚合物结合。致孔剂的极性、介电常数、质子化作用及络合作用等对印迹反应有很大影响,致孔剂的极性直接影响到模板与单体之间非共价键力的强弱,某些致孔剂与底物形成氢键等弱的相互作用,这会影响到底物与功能基的反应活性,这种作用在非共价法中尤为显著。

3.6 溶剂

溶剂的极性、介电常数、质化作用等对分子印迹材料合成反应有很大的影响,溶剂不仅要保证能溶解印迹分子和功能单体,还要求对模板分子与功能单体之间的相互作用干扰小。在开始要使用溶剂作为载体保障完成反应,反应结束时使用溶剂冲掉未反应的残余试剂以及聚合物上的模板,这样就制成了分子印迹聚合物。这个聚合物对上述印迹分子(模板)有专一性吸附吸附作用,并且可用重复使用。分子印迹聚合物如果采用原位聚合法,使之聚合在色谱柱中,并采用溶剂冲掉未反应的残余试剂、模板后得到的分离材料就是分子印迹整体柱。

4 分子印迹聚合物的制备方法

自从分子印迹技术研究快速发展起来以来,对分子印迹的研究逐渐深入,分子印迹的制备新方法不断涌现。有关分子印迹聚合物制备方法的研究主要集中在两点:(1)扩大分子印迹技术的应用领域,即增强其广适性;(2)对印迹材料的性能加以改善,以适应大规模生产和实际应用的需要。

迄今为止,分子印迹聚合物的制备方法主要有以下几种:

4.1 本位聚合

这种方法是制备分子印迹聚合物的传统方法。即将印迹分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂按照一定比例在适当的溶剂中密闭后反应,得到块状聚合物,经机械研磨、过筛,取一定粒径范围的颗粒制备成分离装置。该方法具有实验条件易于满足、装置简便、容易普及。但其后处理过程较为繁琐,其中研磨会损坏结合位点,另外印迹分子包埋过深不易洗出,是一种费时、费力、产率较低的制备方法[12]。

4.2 原位聚合

针对本位聚合法的不足,Matsul等[13]建立了一种在色谱柱中直接聚合的原位聚合的方法,并首次报道了在不锈钢柱管内原位聚合制备分子印迹整体柱,以L-和D-苯丙氨酸为模板分子时,分离因子分别为1.7和1.4。这种方法是将模板分子、功能单体、交联剂、引发剂等溶解后装入空的毛细管柱或者液相色谱柱中直接进行聚合反应。原位聚合制备方法的优点是不需要研磨、过筛等繁杂过程,具有制备直接、简单、实用性较强的优势。但是这种方法有时会存在柱压高、流速慢、选择性差等缺点,在一定程度上限制了其在实际分离中的应用,但利用适当比例的致孔剂,采用梯度洗脱等方法,可以克服上述的缺陷。

4.3 沉淀聚合

这是一种非均相溶液聚合的方法,首先将模板分子、功能单体交联剂、致孔剂等试剂溶于有机溶液中,然后把溶液转移到水中,并不停的搅拌,使之形成乳化液,最后加入引发剂进行交联聚合反应。这种方法制备出的微球形状统一,粒径容易控制。这种方法最成功之处在于可以针对水溶性分子制备印迹材料。Uezu等[14]在1994年首次报道了水-油-水乳液体系制备微球的方法,聚合体系由带有功能基的主体、乳化剂、共聚单体等组成。功能性主体是两性物质,与印迹分子在乳浊液的界面上形成配合物,并且在反应过程中保持稳定。聚合反应完成后,配位作用被固定下来。

4.4 悬浮聚合

采用全氟化碳液体作为悬浮介质,替代传统的有机溶剂—水悬浮介质,从而消除了非共价印迹中存在的不稳定的预组织体。全氟烃具有无毒、易处理的特点;缺点是易燃、价格昂贵,通常须使用蒸馏回收重复使用[15]。

4.5 表面印迹

这种方法是通过对硅胶等一些粒子的表面进行修饰制备分子印迹聚合物材料。通常是通过修饰使硅胶的粒子的表面带有活性基团,如:烯键、氨基等,从而能与聚合物键合到一起。这种方法最大的优点是可以利用基质粒子的机械稳定性,并且通过对粒子本身性能的调节来适应应用的需要。Li等[16]利用表面印迹技术,采用多糖和溶胶凝胶法合成制成的一种有机-无机杂化离子印迹吸附剂,这种吸附剂以硅胶为载体,可以从水溶液中选择分离二价镉离子。

5 分子印迹聚合物的应用

与常规的分离或分析用的色谱固定相比较,分子印迹聚合物的突出特点是对被分离物或分析物具有高度的选择性,同时还具有良好的物理化学稳定性,能够耐受高温、高压、酸碱、有机溶剂等,容易保存,制备简单,易于实现规模化制备,因而得到比较广泛的应用。近年来分子印迹聚合物在外消旋化合物的手性拆分(chiral separation)、固相萃取(SPE)、药物分析、环境分析等多个方面有广泛的应用[17,18]。

5.1 手性化合物的拆分

目前国际上临床使用的合成药物中,手性药物占40%,而87%以上的手性药物是以外消旋体的形式出售的。随着对手性药物药理活性研究的不断深入,人们已经开始重视手性药物对映体生理作用和代谢过程的差别。1992年美国食品和药物管理局(FDA)要求今后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的技术提出了新的要求。目前尽管已有直接的手性合成、酶拆分和其它一些分离技术,但这些方法都面临一些急需解决的问题。

基于MIP的特异性识别能力,可将其作为HPLC的固定相分离手性和非手性药物。由于MIP和印迹分子在几何形状上互补且在分子间存在较强的相互作用力,所以与普通的手性固定相相比,以某一对映体作为印迹分子制备的MIP对它具有较强的保留,因此以MIP作为固定相用于HPLC拆分手性化合物,不仅可以完全分离对映体,还可以预测其洗脱顺序。

至今,利用分子印迹技术进行手性拆分的研究进展迅速。有关MIP的文献一半以上都是报导对映体或异构体的分离,而且其拆分方法不仅仅局限于HPLC,其范围已扩大到薄层色谱(TLC)、超临界流体色谱(SFC)和CEC等领域[19,20]。

5.2 环境样品的分析

环境样品具有组成复杂、污染物浓度低的特点,因此在分析过程中需要将环境样品进行分离富集,同时对检测方法的灵敏度要求较高。而分子印迹聚合物能够在复杂的体系中识别目标化合物,具有很强的专性吸附作用,能够很好地将待分析污染物从复杂的环境体系中分离出来;同时分子印迹利用其特异性,能够将待分析污染物从低浓度的环境体系中吸附到聚合物中,即具有较强的富集能力。分子印迹可以在如极谱、GC、GC-MS、HPLC、HPLC-MS、CE等分析技术中使用,在环境监测领域有很大的发展空间[21],其中大部分与HPLC联用。

5.3 固相萃取

由于MIP具有从复杂样品中选择性地吸附印迹分子或与其结构相近的某一化合物的能力,因此它非常适合用作固相萃取剂来分离富集复杂样品中的痕量分析物,可以克服医药、生物及环境样品体系复杂、预处理繁琐等不利因素,为样品的采集和分析提供了极大方便。胡树国等[22]以扑热息痛为印迹分子、丙烯酰胺为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂合成了棒状的印迹聚合物,将其装于固相萃取柱中,通过优化清洗、洗脱条件,使扑热息痛与非那西丁、对叔丁基苯酚在柱上得到了很好的分离。郭洪声等[23]用头孢氨苄为模板分子制备了固相萃取剂,可监测头孢氨苄在人体、尿液中的浓度。张立永等[24]以西咪替丁为印迹分子,制备了分子印迹聚合物微球,将其用作固相萃取剂的测试结果表明,对西咪替丁有较好的特异选择性能,当以苯丙氨酸为竞争分子时,分离因子可达1.75,且该MIPMS呈现出较好的再生性。

5.4 分子印迹技术在生物领域中的应用

除了氨基酸、单糖等生物小分子外,蛋白质是最早被用于MIT的生物大分子。已经报道的被用于分子印迹方法的蛋白质有牛血色素、牛血清蛋白[25]、肌酸激酶[26]、溶解酵素[27]等。2004年,Slinchenko等[28]首次在硅烷化的载玻片表面合成了DNA分子印迹聚合物。Ogiso等[29]制备了针对特异性DNA片断的分子印迹聚合物凝胶,实现了对单个碱基突变进行识别与分离。模板分子甚至可以是整个生物细胞。酵母细胞[30]甚至很柔软的血红细胞也可以被印迹[31]。

6 展望

由于分子印迹技术具有以下几个特点:预定性、特异识别性、重复性强以及广泛的实用性[32],因此进入21世纪以来分子印迹技术更是快速地发展起来。我国开始从事分子印迹学研究还不足15年,主要涉及天然药物中有效成分的分离、手性药物的拆分、污染物分析、仿生传感器等方面的研究。目前,分子印迹技术在手性化合物的拆分(chiral separation)、仿生传感器(biomimetic sensor)、固相萃取(solid-phase extraction,SPE)、抗体模拟(antibody mimics)、酶催化模拟(enzyme mimics)以及控释药物(controledrelease drugs)等领域[33,34,35,36,37]得到了广泛的重视和应用,新的合成方法和应用技术也在不断地涌现。

摘要：分子印迹技术(molecularly imprinted technique,MIT)来源于免疫学、生物化学,是模拟生物体内抗体与抗原、酶与底物等分子之间的识别过程,是合成对某一种分子具有专一识别性的聚合物的方法。本文对分子印迹材料的合成方法——共价法、非共价法和半共价法等进行了综述,并介绍了分子印迹材料与技术在分析化学与生物领域的应用。

分子印迹微球的合成吸附性能研究 篇5

1 实验部分

1.1 原料

阿司匹林 (Asp) 、丙烯酰胺 (AM) 均为化学纯, 环氧氯丙烷、偶氮二异丁腈 (AIBN) 、聚乙二醇6000、N-N亚甲基双丙烯酰胺 (MBAM) 均为化学纯, 天津大茂化学试剂有限公司;β-环糊精 (β-CD) (化学纯) , 上海伯奥生物科技有限公司;实验所用到的溶剂均为分析纯, 未经纯化直接使用。

1.2 印迹聚合物微球的制备

1.2.1 P (AAsp) 和P (NAAsp) 的制备[5,6]

称取0.1830g (1mmol) Asp溶于50mL去离子水中, 加入0.2843g的AM (4mmol) , 反应液于振荡器上振荡6h后再加入3g的MBAM (20mmol) 继续振荡12h后转入250mL的反应瓶中, 加入含有2滴span80的环己烷50mL, 搅拌超声30min, 最后加入60mg的AIBN充分混合后, 通N2脱O220min, 密封, 放入恒温水浴箱中, 60℃反应12h, 生成聚合物微球。用V甲醇∶V乙酸=9∶1作溶剂, 索氏提取及超声波助提取, 洗脱模板分子Asp、未能聚合的功能单体AM及交联剂MBAM, 直至在洗脱液中检测不到Asp分子为止。30℃真空干燥24h, 制得以AM为功能单体的Asp印迹聚合物微球—P (AAsp) 。P (NAAsp) 微球的制备中, 除不加Asp外, 其余步骤按照制备P (AAsp) 微球一样操作, 制备非印迹聚合物。

1.2.2 P (βAsp) 和P (NβAsp) 的制备[7,8,9,10]

三口反应瓶中, 加入20mL的20%NaoH溶液、8gβ-CD和0.32g Asp搅拌使其完全溶解。在室温于氮气保护的条件下, 向反应液中缓慢滴加8g环氧氯丙烷, 滴加完毕后于室温继续反应1.5h, 再加入含有1.0g乳化剂[mspan80∶mtween20=3∶1]的煤油40mL, 快速搅拌5min后升温至60℃反应6h。反应完成后, 反应液依次用蒸馏水、无水乙醇洗涤3次后真空干燥, 即得P (βAsp) 微球。用V甲醇∶V乙酸=9∶1作溶剂, 索氏提取及超声波助提取纯化。P (NβAsp) 微球的制备除不加Asp外, 其余步骤相同。

1.3 表征及性能测试

1.3.1 标准曲线绘制

烧杯中称入0.1830g的Asp后加入少量氯仿进行溶解, 溶解后的溶液在容量瓶中定容至1000mL, 计算后得到浓度数值为1mmol/L。将1mmol/L的Asp的氯仿溶液稀释至浓度分别为0.05、0.10、0.20、0.25、0.40和0.50mmol/L。选用280nm的波长进行扫描测定吸光度A, 数据见表1。依据表1绘制的C-A曲线采用线性拟合方法得到C-A的线性方程。印迹微球吸附性能均采用该线性方程计算吸附液中残留的Asp浓度。

[注:根据表1数据作C-A图, 线性拟合后得到的回归方程为:A=1.58173C+0.00652, 相关系数为r=0.9994]

1.3.2 吸附性能测定

磨口瓶中称入20mg的印迹微球、5mL不同浓度的AspCHCl3液 (0.5~6.5mL) , 再用氯仿定容至10mL并恒温振荡12h后过滤。收集滤液并定容至10mL, 用紫外光分光光度计测定溶液的吸光度值 (波长280nm, 3次测定结果平均值) , 通过C-A标准曲线计算得到浓度C, 再按下式计算平衡吸附液中游离Asp的浓度。

式 (1) 中, △c—吸附前后溶液浓度变化, mmol/L;V—吸附液的体积, L;m—聚合物总质量, g;

将测定得到的溶液中Asp浓度△c结果代入式1, 计算得到聚合物对Asp的结合量Q (μmol/g) 。

[1-洗脱前;2-洗脱后]

根据Q值绘制Asp与印迹微球的结合等温线与Scatchard图, 并评价印迹聚合物的性质。

根据静态平衡吸附量计算静态分配系数和分离因子并以此评价分子识别性能的好坏。

红外表征:将干燥的洗脱后印迹微球和洗脱前印迹微球以及非印迹微球等采用KBr压片法制样。

2 结果与讨论

2.1 P (AAsp) 的红外谱图分析

图1所示为P (AAsp) 洗脱前后红外吸收光谱。P (AAsp) 在洗脱前 (曲线1) , 854cm-1为隶属于Asp分子中苯环上CH的面外变形振动、1320~1450cm-1之间苯环的4个较弱的吸收峰为Asp上苯环的骨架震动, 3068cm-1为Asp苯环上CH的伸缩振动;1647cm-1处为聚丙烯酰胺的C=O吸收峰, 这主要是由于Asp与AM功能单体形成了分子间氢键, 进一步导致C=O吸收峰向低波长方向移动;1533cm-1为受分子间氢键左右影响红移的C=C双键的特征吸收峰;而3417cm-1宽而强的吸收峰是Asp的-OH与聚丙烯酰胺分子中-NH2共同作用而形成的。

洗脱模板分子Asp后 (曲线2) , 在其红外谱图中明显可见隶属于模板分子的苯环的所有特征峰 (854、1320~1450、3068cm-1) 均消失;此外, 在3313cm-1和3421cm-1处出现了聚丙烯胺分子中-NH2的2个分裂峰。同时, 在洗脱模板分子后, 由于模板分子与功能单体之间氢键的消失, 相应的C=O键也由曲线1的1647cm-1移动到1653cm-1。

总之, 由图1分析可见, Asp与AM功能单体之间形成了氢键, 经索氏抽提器后能得到纯净的印迹微球。

[1-洗脱前;2-洗脱后;3-P (NβAsp) ]

2.2 P (βAsp) 的红外谱图分析

图2为以β-CD为功能单体的P (βAsp) 分子印迹微球在洗脱Asp前后的红外谱图。由图中曲线1可见, 1034cm-1处高强度宽峰为β-CD与环氧氯丙烷交联后形成的C-O-C的不对称伸缩振动吸收峰;3446cm-1为β-CD与环氧氯丙烷交联后剩余的部分羟基的特征吸收峰, 这表明交联度并非100%。并且, 由于β-CD与Asp及自身氢键的形成导致其向低波数发生了红移。

图2中曲线2为以β-CD为功能单体制备的Asp-MIP进行洗脱后得到的微球的红外谱图。由该曲线可见, 隶属于β-CD与环氧氯丙烷交联后形成的聚合物上的羟基特征吸收峰由曲线1的3446cm-1移动到3419cm-1, 这主要是由于曲线1代表的样品是未洗脱Asp的P (βAsp) , 且Asp上的羟基与β-CD上的羟基部分的形成了氢键, 这将导致β-CD分子间氢键的形成减少;而洗脱Asp后 (曲线2) , β-CD更多的是自身分子间氢键的形成, 且相应键能高于与Asp形成的氢键, 因此-OH的特征吸收峰向更低的方向移动。

曲线3是β-CD未与Asp作用得到P (NβAsp) , 与曲线2的谱图几乎是一致的, 这表明P (βAsp) 经索氏抽提器洗脱后, 模板分子基本被洗脱完全。

2.3 平衡结合性能评价

分子印迹技术中功能单体的选择非常重要, 不同的功能单体吸附效果存在一定差异。本研究比较了AM和β-CD作为功能单体对分子印迹聚合物吸附性能的影响, 评价了MIP系列聚合物的平衡结合性能。

系列分子印迹聚合物对底物的吸附结果见表2, 无论以AM还是β-CD为功能单体, 以Asp为模板的MIP对Asp的吸附量明显大于不含模板的NMIP对Asp的吸附量, 表现出较好的选择性。

由图3可知, 聚合物对Asp的吸附量随浓度而增加, 表明两者对阿司匹林有特异性吸附, 但P (βAsp) 对阿司匹林的的吸附量略高于P (AAsp) 。

分子印迹研究工作中常用Scatchard模型来评价MIP对底物的结合特性, 本文将P (AAsp) 和P (βAsp) 结合等温线图3进行了Scatchard分析, 考察了MIP对Asp的结合情况。Scatchard方程如下所示:

式 (2) 中, cAsp—吸附液中Asp的平衡浓度;Qmax—结合位点的最大表观结合量;Kd—结合位点的平衡离解常数。做图4。由图4可知, P (AAsp) 的图的两拟合部分曲线则分别呈现较好的线性关系, 表明在所研究的浓度范围内, P (AAsp) 对Asp存在两类不等价的结合位点。对图4中的两段线性相对较好的部分再进行拟合, 得到2个拟合线性方程 (方程1, 2) :

由线性方程的斜率和截距分别可以计算出P (AAsp) 的高亲和力的结合位点的Kd=0.155033×10-3mol/L, Qmax=235μmol/g, 低亲和力的结合位点的Kd=1.63×10-3mol/L, Qmax=620μmol/g。

由图4知, P (βAsp) 的曲线也呈现明显的非线性关系, 与图4同样方法得到的2个拟合线性方程3、4:

由线性方程的斜率和截距分别可以计算出P (βAsp) 的高亲和力的结合位点的Kd=0.14307×10-3mol/L, Qmax=284.7μmol/g, 低亲和力的结合位点的Kd=1.30×10-3mol/L, Qmax=702.7μmol/通过分析图3可知, P (βAsp) 相对P (AAsp) 对Asp具有更好的吸附性能, 即Scatchard模型分析 (图4、5) 也表明, 对于Asp而言, β-CD是一种更好的功能单体。

3 结论

(1) AM和β-CD都可以作为MIP分子印迹材料的功能单体, AM与Asp之间相互作用以氢键为主;而β-CD与Asp有可能存在氢键和包结两种作用形式。

(2) P (AAsp) 和P (βAsp) 两种聚合物微球均对Asp保留了印迹效应, 2种MIP均存在2种不同亲和力的结合位点, 但P (βAsp) 对Asp的结合性能与P (AAsp) 相比更强。

参考文献

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分子印迹技术在农药检测中的应用 篇6

农药和除草剂在农业生产上广泛使用,但由于过量和不当使用,对大气、土壤和水体造成污染。随着人们环保意识、安全意识的不断加强,农药残留问题也越来越受到人们的关注,因此需要高选择性、廉价、稳定性好的检测方法。近些年,分子印迹固相萃取技术(molecular imprinting solid phase extraction,MISPE)和分子印迹感应器在农药检测中受到越来越多的关注,这两项技术特别适合于在复杂和微量试样中农药进行检测。本文介绍分子印迹固相萃取技术和分子印迹传感器在农药检测中的应用。

1 分子印迹固相萃取在农药检测方面的应用

固相萃取是农药残留分析常用的样品处理与富集方法。固相萃取是一种将液固萃取和柱色谱技术相结合发展起来的试样预处理技术,将分离与富集融为一体,具有操作简单,分离效果好,易于自动化,消耗溶剂少,回收率高等优点[6],但往往选择性较差,缺乏分离专一性,而分子印迹聚合物对目标分子有较高的选择性[7],利用MIPs的分子识别能力,固相萃取刚好弥补该缺陷。

李小红等[8]用甲胺磷(O,S-二甲基硫代磷酰胺,MAP)为印迹分子,α-甲基丙烯酸为功能单体和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为交联剂,通过悬浮聚合法制备甲胺磷分子印迹聚合物(MIP)微球,并用该聚合物进行牛奶中甲胺磷残留的固相萃取研究。实验结果:在结构相似物乙酰甲胺磷和水胺硫磷为竞争底物存在下,MIP对甲胺磷有良好的吸附识别能力,能够用于甲胺磷的富集,印迹分子的固相萃取回收率达96.4%。梁小云等[9]采用分子印迹技术,以丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,在甲醇溶液中合成吡虫啉[1-(6-氯-3-吡啶甲基)-N-硝基-2-咪唑啉亚胺]分子印迹聚合物。聚合物的选择性可以用静态分配系数Kd=56.82,选择性因子α=1.00和印迹常数IF=4.34 (imprinted polymer)以10%的乙酸-甲醇作为洗脱剂,前2 mL的回收率达到将近90%,到第3 mL回收率达到100%。高会云等[10]以甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯在氯仿中合成莠去津(atrazine,又名阿特拉津,2-氯-4-乙氨基-6-异丙氨基-1,3,5-三嗪)分子印迹聚合物,制备分子印迹固相萃取柱,用于水样中莠去津的分离和富集,分子印迹固相萃取柱(MIP-SPE)对莠去津的富集倍数达82倍。方法的线性范围为1～200μg/L检出限(3S/N)为0.5μg/L,对10μg/L和100μg/L莠去津的加标回收率分别为96.0%和97.2%,相对标准偏差(n=6)分别为1.8%和3.1%。陈小明等[11]用甲磺隆为模板分子,4-乙烯基吡啶为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂合成甲磺隆分子印迹聚合物,用该固相萃取柱预处理泥土以及水体样品,用高效液相色谱法测定样品中甲磺隆、氯磺隆、苯磺隆和噻吩磺隆4种磺酰脲类除草剂的含量,结果表明在0.1～20mg/L的范围内线性关系良好,4种磺酰脲类除草剂的检出限分别为土样中2.2～4.8μg/kg和水样中0.26～0.47μg/L;相对标准偏差分别为土样1.34%～7.79%和水样中0.81%～5.79%;4种除草剂的回收率分别为土样中79.90%～103.51%和水样中89.30%～102.93%。Mena M.L.[12]用抗蚜威(二甲基-2-(二甲氨基-5,6-甲基-4-嘧啶氨基甲酸酯)为印迹模板分子,丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,氯仿作为溶剂,合成抗蚜威分子印迹聚合物,并用聚合物对水样中的残留的抗蚜威进行固相萃取,用差分脉冲伏安法进行检测,对水样中抗蚜威检测限度为71.5μg/L。Turiel E[13]以甲基丙烯酸(MAA),偶氮二异丁腈(引发剂)和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)制备扑灭津(2-氯-4,6-二异丙胺基-1,3,5-三氮苯)分子印迹聚合物,自来水、地下水、土壤和玉米的样品经分子印迹固相萃取之后,回收率分别达到94%、96%、103%和91%。自来水和地下水样品经固相萃取-分子印迹固相萃取-胶束电动色谱法(SPE-MISPE-MEKC)测定,扑灭津的检测限为75 ng/L。

*MAA:甲基丙烯酸为功能单体;TMPTA:三羟甲基丙烷三丙烯酸酯;EDMA:乙二醇二甲基丙烯酸酯;AA:丙烯酸;AM:丙烯酰胺,AMPS:2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸;BisAA:N,N’-亚甲基双丙烯酰胺;SPE:固相萃取

2 在化学传感器方面的应用

传感器[18]由识别元件和信号转换器组成。分子印迹聚合物具有和天然有分子识别系统相似的选择性和亲合力,以分子印迹聚合物为识别元件,结合不同种类转换器[19,20]而制得的分子印迹传感器(Molecular Imprinted Polymer Sensors),具有较高的选择性、灵敏度和耐受性,稳定性好,不受酸、碱、热、压力或有机相处理的影响,且可多次重复使用,因而在传感器研究领域受到较大关注。

赵钧等[21]人,以邻氨基酚(OAP)为聚合单体,异丙隆(isoproturon,N,N-二甲基-N′-4-异丙基苯基脲)为模板分子,在弱酸(pH 5.5)条件下,采用电聚合法在金电极上制备邻氨基酚异丙隆分子印迹膜电化学传感器。以K3Fe(CN)6为印迹电极和底液间的探针,建立一种检测除草剂异丙隆的方法。该传感器对异丙隆具有良好的选择性和敏感度,异丙隆浓度在1.0×10-7～4.0×10-4mol/L范围内与K3Fe(CN)6还原峰电流减少量呈线性关系;检出限为2.95×10-8 mol/L。对农田水中异丙隆含量进行测定,回收率为99.0%～102.0%。刘瑛等[22]人用分子印迹技术,采用易于成膜、且膜厚易于控制的电化学聚合方法,以邻苯二胺为功能单体、三氯生(2,4,4'-三氯-2-羟基二苯醚)为模板,用循环伏安法在玻碳电极表面合成性能稳定的三氯生分子印迹聚合膜传感器,故采用K4Fe(CN)6做为电化学探针,用方波伏安法对此印迹传感器进行分析应用研究,结果表明,相对峰电流与三氯生浓度在2.0×10-8～4.5×10-6mol/L间呈线性关系。三氯生分子印迹膜对酚类化合物表现出较好的选择性。在自来水中加入浓度为1.0×10-6mol/L的三氯生做为样品做回收实验,5次实验的回收率在101%～109%之间。使用过后的电极在NaOH溶液中过夜浸泡除去三氯生模板,即可重复使用。张雁等[23]用对硫磷模板分子、四丁基高氯酸铵为支持电解质和邻氨基硫酚的二氯甲烷的聚合液中,采用电聚合的方法,在金电极上制备以对硫磷为模板分子的自组装邻氨基硫酚分子印迹膜传感器。循环伏安法用于电化学检测,当富集时间为10 min,磷酸盐缓冲溶液的pH=6.8时,在1.0×10-45.0×10-7mol/L浓度范围内与对硫磷还原峰电流成良好的线性关系,检测下限为210×10-7mol/L。用分子印迹膜传感器对实际样品进行分析,回收率为98.0%～104%。相对于非印迹聚合物,该传感器对对硫磷的吸附能力显著增大,对与对硫磷相近似的化合物如甲基对硫磷、对氧磷、辛硫磷和氧乐果、硝基苯及邻、间、对硝基苯酚及硝基苯的吸附选择性实验表明,对硫磷分子印迹聚合物对对硫磷有较大的吸附性能和高度的选择性。

徐洁等[24]利用分子印迹技术,以敌百虫[trichlorphon,o,o-二甲基-(2,2,2-三-1-羟基乙基)磷酸酯]为模板分子,循环伏安法制备分子印迹膜,作为识别元件沉积在压电石英晶体铂电极表面制成敌百虫压电传感器,检测限为1.0×10-9mol/L。敌百虫的浓度在5.0×10-9～1.0×10-7mol/L范围内,对敌百虫的响应值具有线性关系。传感器的响应速度非常快,最初响应时间仅为10s,到达平衡时间为13min,其选择性因子为16.6。Southard Glen E.等[25]人利用可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合方法,制备以二硫代苯甲酸酯取代的三(β-二酮)铕(Ⅲ)配合物作为检测物的发光结合位点,频哪基甲基磷酸酯(PMP)的MIPs,其检出限低于10-9。Agostino等[26]合成莠去津分子印迹聚合物膜电压传感器,检测农药莠去津,在pH低于1.8的酸性溶液中,检测范围达到3×10-5～1×10-3mol/L,响应时间低于10s。Prada等[7]把合成的苯胺甲嘧啶[4-氨基-N-(4,6-二甲基-2-嘧啶),SMZ]分子印迹物结合到用Nafion (一种全氟化高分子聚合物磺酸盐阳离子交换剂)涂层修饰的玻碳电极(GCE)上,通过MIPs对牛奶中极低浓度的苯胺甲嘧啶残留进行富集,然后用方波氧化伏安法对苯胺甲嘧啶进行定量检测,检测限达到6.8×10-9mol/1(1.9μg/L)。宋巍巍等[28]采用分子印迹技术和电化学聚合物法,在弱酸条件下,以琥珀酸氯霉素为模板分子,邻苯二胺为功能单体,用循环伏安法合成稳定的琥珀酸氯霉素分子印迹膜电化学传感器,印迹膜对琥珀酸氯霉素分子有良好的响应,琥珀酸氯霉素还原峰电流值与测试液琥珀氯霉素浓度存在一定线性关系。

3 展望

综上所述,鉴于农药检测样品的浓度低、组分复杂且易变化,因而其检测对技术的要求越来越高。而分子印迹聚合物本身具有的灵敏度高、专一性强、稳定性好等优点,使其在农药检测应用方面有着非常广阔前景。随着印迹技术的发展,具有高度专一性,且价格低廉的分子印迹固相萃取和印迹传感器将成为农药分析的新手段。

摘要：分子印迹技术是指制备对某一特定目标分子具有特异预定选择性的聚合物的化学合成技术。分子印迹聚合物在固相萃取和传感器研究已经成为当前农药检测领域的热点之一。本文综述分子印迹聚合物在固相萃取和传感器研究检测农药的应用现状及发展趋势。

分子印迹法论文 篇7

关键词：光子晶体,光子带隙,分子印迹技术,水凝胶,化学传感器

自1987年 Yablonovitch[1]和John[2]各自独立提出“光子晶体(Photonic crystals)”的概念以来,光子晶体由于其对光波的调制作用而在物理、化学等各领域受到了极大的关注。

光子晶体是由两种以上具有不同介电常数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的具有有序结构的材料,其所具有的光子带隙结构可以对光的传播方向进行有效调控[1,2]。如果将响应性材料组装到光子晶体结构中,则所形成的光子晶体的带隙结构对外界环境的变化具有响应性,因而被称为响应性光子晶体[3,4,5,6,7]。自1997年Asher等开发了新型的光子晶体化学智能传感材料以来[8],响应不同外界环境(化学[3]、物理[9]、生物[10,11,12]等)的光子晶体材料的研究工作逐渐地展开。响应性光子晶体主要利用了光子晶体能够产生布拉格(Bragg)衍射的性质,光子晶体的衍射波长遵从布拉格方程(mλ=2ndsinθ),衍射条件表明:光的入射角θ和材料折射系数n一定时,衍射波长λ正比于晶格间距d,即外界环境变化导致的晶格间距的任何变化都会引起布拉格衍射峰的移动。

目前,凝胶光子晶体是响应性光子晶体的研究热点[13],这种结合了胶体晶体与智能水凝胶的环境敏感性特性的凝胶光子晶体能对环境变化做出快速灵敏的响应,引起水凝胶体积的膨胀或收缩或者相的转变,进而引起光子晶体光子带隙的变化,使布拉格衍射峰发生位移。宏观上可通过衍射峰的位移或颜色变化对其响应性进行评价,其中颜色变化最为直观,可以被人的裸眼观察到。这种具有自表达能力的响应性光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得了巨大进展[13]。然而,这些响应性光子晶体的缺陷依然明显,如在设计一个对特定目标具有传感性能的材料时,都要嫁接入一种特殊的识别单元以便形成专一的识别(如冠醚对金属离子的识别[8]、苯硼酸对葡萄糖的识别[8]、抗体对抗原的识别[10]等),但并不是每一个分子都有这样成熟的识别单元与之相匹配,因此加大了制备的难度,大大限制了该材料的应用范围。为了解决这个缺陷,Hu等[14]将分子印迹引入到光子晶体的骨架结构中,构建了一种新的具有高度专一性和敏感性且能够快速自表达的分子印迹聚合物,使得响应性光子晶体的应用范围大大拓展。

1 分子印迹光子晶体水凝胶传感器的原理

分子印迹技术是制备对某一特定目标分子具有特异选择性聚合物的过程[15]。由于其构效预定性、特异识别性和广泛适用性的特点,该技术在色谱分离、固相萃取、膜分离、仿生传感、催化、人工酶与人工受体等领域得到了广泛的研究和应用[16,17,18,19,20]。但是,分子的识别和分离通常基于大块的聚合物,其本身固有的长扩散路径以及印迹微腔的不足等导致响应时间较长且灵敏度较低。虽然Mosbach和Sellergren通过在多孔的硅支架上多层印迹模板分子克服了传统的大块分子印迹聚合物的缺陷[18,21],但是在利用传统的分子印迹聚合物进行分析时,目标分子必须具有光学特性或者被赋予电学活性以便产生可读的光学或电学信号,因此多数被分析物需要被修饰或者标记。另外,通常还需要附加额外的转换器把目标分子的结合情况通过物理化学的响应(质量、电、光等的改变)翻译成可读的信号。基于此,研究出一种不通过标识目标分子而能够直接对其进行定量检测并且具有很高灵敏度的分子印迹膜就显得尤为必要。

Hu等[14]结合分子印迹与光子晶体两种技术构建了一种性能优异、具有普适性和自表达特性的新型化学传感器,制备过程如图1所示。首先,采用胶体晶体模板法制备出具有布拉格衍射的光子晶体(图1(a)),然后,以光子晶体为模板利用光聚合的方法制备出目标分子印迹聚合物(图1(b)),接着,除去光子晶体模板以及印迹模板分子,得到具有目标分子传感功能的性能优异的薄膜(图1(c))。由光子晶体模板产生的特殊的三维有序孔结构(反蛋白石结构)可以与可见光强烈地相互作用,产生Bragg衍射,而衍射峰的位置可以通过水凝胶在识别过程中的晶格常数的变化进行调控,因此这种新型的水凝胶薄膜可以直接把分子识别的化学信号转化为可读的光信号。

这种“智能分子印迹薄膜”是由相互连通的三维有序大孔凝胶结构组成的,而且大孔的壁结构中含有大量的具有分子识别特性的“纳米腔”结构。其具有如下优点:(1)反蛋白石结构的高面积/体积比使传感器具有高度的灵敏性;(2)相互连通的固体骨架和相互连通的孔结构体系的双连续性有利于目标分子在材料中的传输,赋予了传感器薄膜快速响应的特点;(3)分子印迹技术的引进在光子晶体凝胶壁中构筑了在空间形状、大小以及作用位点与目标分子相匹配的纳米孔穴,赋予了传感器高的选择性,满足定性分析的需要;(4)不再需要对每一种目标分子寻找专门的识别单元,大大拓展了传感材料的应用范围;(5)纳米孔穴的分子识别过程可直接通过有序大孔的光衍射信号表达出来,不需要任何标记技术,甚至可以用裸眼观察到其颜色变化,并且具有定量分析的能力;(6)利用非共价性氢键制备分子印迹时,其具有可再生的特性,并具有良好的重现性。因此,这种特殊的二级孔结构非常适合用于设计各种物质的传感器,并且已经在药物、农药残留、蛋白质检测以及手性识别方面得到了实际应用。

2 分子印迹光子晶体水凝胶传感器的应用进展

2.1 在药物分析中的应用

Hu等[14]以甲基丙烯酸为功能单体制备了能区分识别多巴胺对映体(D, L-dopa)的分子印迹光子晶体水凝胶。如图2所示,印迹了L-dopa的光子晶体在L-dopa的溶液中其衍射波有较大程度的蓝移(图2(A)),而在D-dopa的溶液中蓝移程度很小(图2(B))。从图3中可以看出,L-dopa分子印迹光子晶体水凝胶在10mmol/L的L-dopa溶液中颜色能从绿色变为蓝色,而在同浓度的D-dopa溶液中颜色没有变化,因此提供了一种通过直观颜色变化就能识别手性分子的检测手段。并且,这种对映体识别的灵敏度很高,检出限达到了0.01mmol/L,而响应时间仅为20s。

Hu等[22]又进一步分别制备出麻黄碱和伪麻黄碱的分子印迹光子晶体水凝胶,为非对映异构体的识别提供了快速灵敏简便的方法。该传感器薄膜随着溶液分子浓度的增加,其衍射峰出现红移,且衍射峰处于可见光区,肉眼可见其颜色变化,检测限达到了10-16 mol/L,对其异构体没有响应。该传感器响应速度很快,30s左右就达到了吸附平衡。这种专一、灵敏的传感器成功用于了添加麻黄碱和伪麻黄碱尿液的检测,表现出良好的抗干扰能力,并可用于实际生物样品的检测。

Hu等[22]还制备了以茶碱为模板分子的分子印迹光子晶体水凝胶,通过对具有相似分子结构的茶碱和咖啡因一系列浓度的缓冲溶液进行响应性测定,发现茶碱印迹水凝胶衍射峰随茶碱浓度的增加而红移,而在咖啡因溶液中不移动,说明了茶碱印迹水凝胶对茶碱分子具有相当高的识别能力,并具有很强的抗干扰能力。同时,该传感器的衍射峰位移也处于可见光区,肉眼可见其颜色变化(图4),对茶碱的检测灵敏度达到了10-16 mol/L。该传感器响应速度很快,30s左右就达到了吸附平衡。另外,该传感器成功用于了添加茶碱尿液样品的检测,证明了这种传感器薄膜具有良好的抗干扰性能,显示了其在实际中的应用前景。

李志良[23]以丙烯酰胺为功能单体,在水相中制备了印迹烟酰胺光子晶体水凝胶,并研究了烟酰胺印迹水凝胶的响应性情况。他对与印迹分子烟酰胺结构相似或与印迹分子有相同官能团的烟酸和丙烯酰胺溶液的响应性进行了测试,结果表明,在相同检测条件下,烟酰胺光子晶体水凝胶在烟酸和丙烯酰胺溶液中反射峰红移程度极小,而在烟酰胺溶液中红移程度很大,随浓度变化可从蓝光区红移到红光区,跨过了整个可见光区(图5),表明其对印迹分子烟酰胺具有很高的专一性和灵敏度。该传感器对烟酰胺溶液的响应速度很快,25s时反射峰就接近最大值,在50s左右反射峰不再随时间的延长而变化,达到极限值。并且,该传感器能多次重复使用,在响应达到饱和后脱解掉印迹分子能完全恢复到响应之前的水平,且多次重复之后,水凝胶的物理状态没有变化。

2.2 在毒物分析中的应用

Wu等[24]以除草剂莠去津为模板分子制备了分子印迹光子晶体水凝胶,并研究了莠去津印迹水凝胶的响应性情况。结果表明,当选择丙烯酸时比以甲基丙烯酸为单体制备的光子晶体水凝胶对莠去津有更高的响应程度。当将印迹水凝胶置于10-12mol/L的莠去津磷酸缓冲液中时,衍射峰红移了13nm;置于10-6mol/L的莠去津磷酸缓冲液中时,衍射峰从水溶液中的448nm红移到620nm,红移超过了170nm。当莠去津磷酸缓冲液浓度在10-12～10-6mol/L范围内时,该传感器的衍射峰波长几乎覆盖了整个可见光区,随着目标物浓度的变化,可实现从蓝色到红色的转变,并据此制作了比色卡,可对未知待测液进行半定量分析(图6)。该传感器灵敏度高,对莠去津的最低检测限可以达到10-16mol/L,优于目前文献中报道的最低检测浓度,同时,响应时间仅为20s左右,远远优于其他检测方法。在研究中,他们以具有相似分子结构的莠灭净、扑草净等为竞争物,发现衍射峰的位置几乎没有变化,说明分子印迹聚合物具有较高的分子识别性能。

2.3 在生物分析中的应用

胆酸是由肝实质细胞分泌的一种重要的生物分子,对生物体健康情况有着指示作用,对动物体内胆酸的准确、有效的监控可以用作相关疾病的检测指示。Wu等[25]以甲基丙烯酸为功能单体,以胆酸为印迹分子,通过聚合制备出印迹胆酸的水凝胶光子晶体。结果表明,随着胆酸浓度的增大,该光子晶体的衍射峰出现蓝移,衍射峰处于可见光区,肉眼可见其颜色变化;并且该印迹光子晶体对与胆酸具有相似结构的分子(去氢胆酸、去氧胆酸)有很好的区分能力;该传感器对胆酸分子的最低检测限可达到10-12mol/L,优于目前已经报道的各类检测器,响应时间在1min以内,可以满足快速分析的要求。并且,利用非共价性氢键制备的分子印迹薄膜,具有可再生的特性,该分子印迹薄膜循环使用5次后,检测的标准偏差在4%以内,表现出良好的可重复利用性。

实时快速监测糖尿病人的血糖对控制病情非常重要,而快速、持续、无创的血糖监测技术是目前研究的热门课题。孟子晖等[26]以聚甲基丙烯酸甲酯微球阵列为光子晶体模板,以葡萄糖为印迹模板,N-异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯为混合功能单体,并加入4-乙烯基苯硼酸识别基,以N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂制备出葡萄糖检测用分子印迹光子晶体传感器。该材料对葡萄糖响应速度快,选择性高,印迹聚合物对葡萄糖吸附量在3min时即达到3.2mg/g,在同等条件下,该吸附量是其他类似物吸附量的2倍以上。随着葡萄糖浓度由0mol/L增加到0.02mol/L,葡萄糖分子印迹光子晶体的衍射波长发生150nm 的红移,表现出良好的传感特性(图7)。此材料为葡萄糖检测提供了新思路,有望用于人体泪液或尿液中葡萄糖浓度的检测,实现非侵入式的检测手段。

Hu等[27]采用表面分子印迹技术首次制备了生物大分子印迹的光子晶体水凝胶,将牛血清白蛋白表面包裹一层蔗糖后,用旋涂法将其吸附于SiO2光子晶体模板上,并以甲基丙烯酸作为功能单体聚合,去除模板制得反蛋白石结构光子晶体水凝胶,再将此水凝胶放入NaOH/NaClO溶液中并用乙酸溶液反复清洗以去除牛血清白蛋白,得到牛血清白蛋白分子印迹光子晶体水凝胶。该传感器薄膜随着溶液分子浓度的增加,其衍射峰出现红移,衍射峰处于可见光区,肉眼可见其颜色变化(图8)。这种材料对于特定蛋白质分子具有响应性,而对于其他分子如卵蛋白以及溶菌酶等则不具备响应性。该传感器的检测灵敏度达到了1ng/mL,检测浓度范围为1ng/mL～10mg/mL。

Zhao等[28]采用表面分子印迹技术制备了印迹牛血红蛋白的球状光子晶体水凝胶。结果表明,当牛血红蛋白溶液的质量浓度增大到10mg/mL时,光子晶体的衍射峰红移了13.5nm,虽然红移程度很低,但还是有较高的灵敏性,检测限能达到1ng/mL。而该印迹光子晶体水凝胶在牛血清白蛋白及辣根过氧化物酶溶液中,其衍射峰几乎没有位移,表明其优越的分子识别能力。为了验证该技术的应用能力,该课题组继而制备了牛血清白蛋白、辣根过氧化物酶以及人血红蛋白分子印迹球状光子晶体水凝胶,这些传感器均表现出较高的分子识别能力及抗干扰能力(图9)。该传感器灵敏、专一、快速,为临床诊断提供了一种全新的检测技术。

3 展望

近年来,光子晶体由于自身对光波的调制作用成为国内外研究的一大热点,也已经取得了很大的进展。许多课题组利用光子晶体的布拉格衍射性质结合凝胶对外界刺激的膨胀收缩特性制备出一系列基于光子晶体技术的凝胶传感器,而分子印迹技术的引入,大大扩展了这一领域的应用,使其具有很强的普适性。这种能实现“裸眼检测”的化学传感器虽说目前的研究刚刚起步,应用还较少,但是其在药物分析、毒物分析、环境监测、临床诊断、生物医学、病毒检测、化学开关,乃至公共安全等诸多方面都存在着巨大的应用潜力。可以预见,其在未来的科学研究和日常生活中将会发挥越来越大的作用。许多课题组正在就其在公共安全领域方面的应用开展研究,在毒品检测、毒物检测和爆炸物检测方面做系统的研究和应用,将该技术扩展到法庭科学中,发挥分析化学在国家安全、国家需求及经济社会发展中的重要作用。