分子印迹材料

分子印迹材料（精选9篇）

分子印迹材料 篇1

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,合成对某一种分子具有专一识别性的聚合物的方法。MIT被形象地描绘为制造识别“分子钥匙”的“人工锁”的技术[1]。这种聚合物称为分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP),它是一种具有分子识别性能的新型高分子材料[2]。

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。

关键词：分子印迹技术,分子印迹聚合物,固相萃取,特异性识别

分子印迹材料 篇2

L-酪氨酸印迹分子的制备及性能研究

利用分子印迹技术采用传统加热法制备出酪氨酸他子印迹聚合物.用红外光谱分析了聚合物结构.研究了印迹他子与功能单体的物质的量对聚合物结合性的影响,吸收效率表征结果显示,与化学组成相同的`空白聚合物相比,印迹聚合物具有更高的吸附效率.

作 者：雷孝 王锦 董新荣 何文礼 王超丽 LEI Xiao WANG Jin DONG Xin-rong HE Wen-le WANG Chao-li 作者单位：湖南农业大学理学院,湖南,长沙,410128刊 名：化学研究与应用 ISTIC PKU英文刊名：CHEMICAL RESEARCH AND APPLICATION年，卷(期)：19(6)分类号：O625.636关键词：L-酪氨酸 分子印迹聚合物(MIPs) 吸附

分子印迹材料 篇3

关键词：丙烯酸,分子印迹聚合物,吸附,丹参素

分子印迹技术 ( Molecular Imprinting Technology,MIT) 是为了获得在空间结构和结合位点上与模板分子完全匹配并具有特异性结合能力的聚合物的制备技术[1,2]。1972年德国的Wulff[3]首次提出 了分子印 迹聚合物 ( Molecularly Imprinted Polymers,MIPs) 概念。分子印迹技术的基本原理为当模板分子与聚合物单体接触时会形成作用位点,聚合过程中这种作用会被记忆下来,当模板分子除去后,就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴。分子印迹聚合物具有选择结合吸附特性,制备简单,化学稳定性高等特点。在色谱分离提纯[4]、固相萃取[5]、控释药物[6]、生物分离[7,8]、电化学传感器[9]、模拟酶催化[10]等方面被广泛应用。表面分子印迹是在固相基质表面上发生聚合反应,使分子印迹识别位点分布在分子印迹聚合物的表面或者分布在固相基质的外层的印迹技术[11,12,13]。丹参素 ( salvianic acid A,SAA) 为酚性芳香酸类化合物,是从丹参中提取出来的物质,具有抑制血小板聚集、抗凝血、心肌缺血等作用[14]。复方丹参制剂是治疗冠心病、心绞痛的常用中成药[15]。目前提取分离是经粉碎、浸泡、煎煮、浓缩、醇沉、盐析、重结晶等工艺来获得丹参素[16,17],此工艺操作复杂、纯度低、能耗大,环境污染较大。本文采用表面分子印迹技术,以丹参素作为模板分子,丙烯酸作为功能单体, 在交联剂、引发剂等作用下,制备丹参素表面分子印迹聚合物 ( SAA - SMIP) 。用红外光谱、紫外光谱等对其结构进行表征。 通过静态、动态吸附实验探究浓度、温度、时间等丹参素印迹聚合物的吸附工艺参数,为丹参素的分离提纯提供一种新途径。

1实验部分

1.1仪器与试剂

UV - 2450型试验仪器有紫外分光光度计,日本岛津仪器 ( 苏州) 有限公司; VECTOR22型红外光谱测定仪,德国布鲁克公司; KQ - 500V型超声波清洗器,中国昆山市超声波仪器有限公司; SHZ - 82A型水浴恒温振荡器,金坛市开发区吉特实验仪器厂。

使用试剂为丹参素 ( SAA,98% ) ,西安鸿生生物技术有限公司; 丙烯酸( AA,分析纯) ,中国医药( 集团) 上海化学试剂公司; 乙二醇二甲基丙烯酸酯 ( EGDMA,化学纯) ,济南斯贝特化工有限公司; 偶氮二异丁腈、磺基水杨酸( SAD) 、水杨酸( SA) 等,均为市售分析纯试剂。

1.2SAA-SMIP的制备

将聚酰胺微粒用乙醇、盐酸浸泡24 h,蒸馏水冲洗,抽滤晾干,得种子,称取3 g种子于250 m L的夹套烧瓶中,分别向其中加入0. 2 g的有机分散剂磷酸三钙和0. 2 g的无机分散剂聚乙烯醇、0. 1 g的十二烷基苯磺酸钠和40 m L水,开始搅拌并升温。当温度升至75 ℃ 时,再向体系中加入1. 0 g功能单体丙烯酸和0. 5 g辅助功能单体苯乙烯及10 m L交联剂和0. 198 g丹参素。在0. 2 g偶氮二异丁腈引发剂的作用下充分搅拌反应12 h。将体系升温至85 ℃ 对产物进行熟化3 h,过滤,乙醇、 蒸馏水冲洗,60 ℃ 真空干燥12 h。然后,将颗粒产物用乙醇-乙酸体积比为6∶1对其进行洗脱24 h,将模板分子洗脱出来, 得到具有模板分子相同空穴的聚合物,在60 ℃ 的真空箱中烘干后则得到SAA - SMIP。非印迹聚合物( SNIP) 制备方法,除不加丹参素,其余相同。

1.3SAA-SMIP的平衡吸附试验

1.3.1SAA-SMIP和SNIP的等温吸附实验

秤取0. 3 g的SAA - SMIP和SMIP各10份,分别装入50 m L锥形瓶中,加入4 mg/m L的丹参素溶液1. 0,1. 5,2. 0,2. 5, 3. 0,3. 5,4. 0,4. 5,5. 0 m L,加入50% 甲醇水补足至10 m L, 常温振荡12 h,离心5 min,取0. 2 m L的上层清液,甲醇稀释至10 m L,甲醇作空白,测量其吸光度,采用前文[18]丹参素标准曲线方程计算吸附平衡浓度。用公式( 1) 计算其吸附量。

式中: Q———吸附量,mg/g

C0———初始液浓度,mg/m L

CV———吸附平衡液浓度,mg/m L

V———吸附液体积,m L

m———SAA - SMIP的质量,mg

1.3.2SAA-SMIP的动力学吸附

取0. 3 g的SAA - SMIP10份,于50 m L锥形瓶中,加入4 mg / m L丹参素甲醇溶液4 m L,用50% 甲醇水补足到10 m L, 在室温下分 别振荡20、30、40、50、60、120、180、240、 300、360 min时,吸附液离心,取上层清液0. 2 m L于比色管中,甲醇稀释到10 m L,分别测定其吸光度,再计算其吸附量。

1.3.3不同温度下SAA-SMIP的吸附实验

取0. 3 g的SAA - SMIP 6份于50 m L锥形瓶中,分别加入4 mg / m L丹参素溶液4 m L,甲醇水补足至10 m L,分别在温度为15、20、25、30、35 ℃ 的恒温水浴中振荡40 min,静置离心去0. 2 m L的上层清液于比色管中,甲醇稀释至10 m L,测定其吸光度计算其吸附量。

1.3.4印迹聚合物的选择性吸附实验

称取0. 2 g的SAA - SMIP4份于50 m L的锥形瓶中,分别向其中加入4 mg/m L丹参素、水杨酸各4 m L,丹参素、磺基水杨酸各4 m L,水杨酸4 m L、磺基水杨酸4 m L,分别加入甲醇水50% 补足至10 m L,在20 ℃ 下振荡40 min,吸附液经离心、 静置,取0. 2 m L的上层清液于比色管中,加甲醇稀释至10 m L,测定其吸光度计算吸附量。

2结果与讨论

2.1红外光谱分析

图1是合成聚合物的红外光谱,( a) 是SNIP的红外光谱图, ( b) 是SAA - SMIP是印迹聚合物洗脱前的红外光谱图。根据谱图中吸收峰的位置和强度来分析官能团和化学键。图1( a) 在3462. 43、1724. 97、1636. 46、1148. 29 cm- 1处有较强的吸收峰, 它们分别归属于酯基中 - OH的振动吸收、C = O的振动吸收、 苯环结构的振动吸收以及C - O - C伸缩振动吸收; 图1( b) 在3414. 80、1617. 59、1399. 55、1160. 66 cm- 1处有较强的吸收峰, 同样可分别归属于酯基中 - OH的振动吸收、苯环结构的振动吸收以及C - O - C伸缩振动吸收。SAA - SMIP与SNIP红外光谱相比C = O的伸缩振动吸收明显减弱,苯环结构可能受电荷重新分配向低场偏移发生红移,C - O - C结构情形相反发生蓝移。 这是制备过程中加入模板分子SAA产生的影响。

2.2等温吸附研究

SAA - SMIP和SNIP的等温吸附曲线如图2,由图2可知, 在丹参素初始浓度较低时,印迹聚合物对丹参素的吸附量较小,而随着浓度的增大而增大,当浓度增大到1. 60 g /m L后, 吸附量达到最大为9. 7 mg /g,之后有少量的下降后达到吸附平衡并保持相对稳定; 而空白非印迹聚合物的吸附量也随着浓度增大呈增大趋势,但其对丹参素的吸附量明显小于印迹聚合物,最大只有4. 1 mg /g。这是在SAA - SMIP的制备过程中,功能单体与模板分子之间通过氢键等非共价键作用,其结构中有氢键等结合位点及丹参素分子存在,当模板分子被洗脱后,形成了与模板分子相匹配的空穴和识别位点,它对丹参素有“记忆” 功能,因此印迹聚合物对模板分子丹参素具有选择性吸附性能,所以其吸附量较高。而空白非印迹聚合物虽然制备方法相同,但制备过程中没有模板分子的参与,没有特定的空穴存在,其随机分布的结合位点不能与模板分子完全匹配,故只能吸附结合少量底物丹参素,因而其吸附量低于印记聚合物。

2.3吸附动力学研究

SAA - SMIP吸附量随时间的变化曲线如图3,由图3可知, 在浓度、温度外界条件相同的情况下,分子印迹聚合物对丹参素的吸附在40 min时最高为9. 7 mg/g,随后有下降和升高。这是由于SAA - SMIP对丹参素的吸附由内层印迹空穴吸附和外层静电吸附所至,内层印迹空穴吸附作用力强、吸附量较大, 且吸附稳定; 外层静电吸附作用力弱、吸附量较小。当内层吸附达到饱和后不再增加,使其吸附量保持在一个较高的数值上,外层吸附结合力较弱,达到一定量由于振动或分子运动, 被吸附的丹参素分子从表面掉落下来,掉落一定量后又重新被吸附,呈现出图3上下波动的现象。所以吸附剂的吸附过程不是时间越长越好。

2.4吸附温度的选择

图4是SAA - SMIP吸附量随温度的变化曲线。由图4可知,分子印记聚合物对模板分子的吸附随温度的升高先升高后下降,在10 ~ 20 ℃ 之间呈上升趋势,20 ~ 35 ℃ 之间呈下降趋势,20 ℃ 时最高为9. 8 mg/g。这是当温度较低时分子运动速率较慢,吸附质不容易和吸附剂接触而被吸附,温度较高分子运动速率快,物质不容易被吸附剂吸附稳定,故20 ℃ 吸附量最高。

2.5选择性吸附性能研究

SMIP - SAA和SNIP对丹参素、SAD和SA水杨酸的吸附比较见图5,其吸附量分别列入表1中,用印迹因子 α 及 β 来考察丹参素分子印迹聚合物的选择性吸附能力[19]。分别由公式 ( 2) 、( 3) 定义 α、β 并计算如下表1所示。

式中QSAA - SMIP为SAA - SMIP对SAA吸附量,QSAA - SNIP为SNIP对SAA吸附量, QSDA是SAA - SMIP对SAD吸附量, QSA - SMIP是SAA - SMIP对SA的吸附量。

从表1可知,印迹因子 α = QSAA - SMIP/ QSNIP= 2. 37,即SAA - SMIP和SNIP对SAA吸附量之比较大,达到2. 37,印迹因子 β1= QSMIP - SAA/ QSAD= 2. 55, β2= QSAA - SMIP/ QSA= 3. 73, 表明SAA - SMIP对模板分子SAA的吸附量高于其对SAA结构类似物SAD、SA的吸附吸附。这是实验制备的SMIP - SAA由于有与SAA相匹配的空穴和识别位点的作用,对SAA有选择性吸附; 而对有相似结构的SAD和SA,空间结构不相匹配,产生的相互作用小,故其吸附量较小。

3结论

分子印迹材料 篇4

采用分子印迹技术,以乙酰水杨酸为模板分子,1,4-二乙烯基苯为交联剂,分别以α-甲基丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体,合成了对乙酰水杨酸具有特异性吸附能力的`两种分子印迹聚合物;它们对乙酰水杨酸都存在两类不同亲和性的结合位点,其中用丙烯酰胺合成的分子印迹聚合物对模板分子乙酰水杨酸的氢键作用力和结合能力都比用α-甲基丙烯酸合成的聚合物强.这对分子印迹技术用于环境、血液等复杂样品中乙酰水杨酸的分离和富集具有重要意义.

作 者：刘运美 吕昌银 范翔 高治平LIU Yun-mei L(U) Chang-yin FAN Xiang GAO Zhi-ping 作者单位：刘运美,LIU Yun-mei(南华大学,公共卫生学院,卫生化学检验学教研室,湖南,衡阳,421001;南华大学,生命科学与技术学院,湖南,衡阳,421001)

吕昌银,范翔,L(U) Chang-yin,FAN Xiang(南华大学,公共卫生学院,卫生化学检验学教研室,湖南,衡阳,421001)

高治平,GAO Zhi-ping(南华大学,生命科学与技术学院,湖南,衡阳,421001)

分子印迹材料 篇5

分子印迹技术是模拟自然界所存在的分子识别作用,如酶与底物、抗体与抗原等,以目标分子为模板合成具有特殊分子识别功能的分子印迹聚合物的一种技术,其卓越的分子识别性能十分引人关注,在药物分离传感器、选择性催化等领域具有广阔的应用前景［５－９］。目前已有一些关于分子印迹和光催化相结合的技术用于去除水中污染物的报道,Robert等［１０］用此方法提高了废水中4-羟基苯甲酸或苯甲酰胺的降解速率。Shen等［１１］制备了2-氯苯酚印迹涂层TiO２光催化剂,使其对2-氯苯酚污染物的选择降解性大大提高。

本研究以NR为模板分子,以TiO２为载体,采用表面聚合的方法制备出了分子印迹型TiO２(MIP-TiO２)光催化剂。 通过光催化降解实验对样品的光催化选择性进行了评价,并采用红外光谱、X-射线衍射、扫描电镜和热重等测试手段对其进行了性能表征。

1实验部分

1.1试剂及仪器

γ-丙基三甲氧基硅烷,α-甲基丙烯酸(MAA),乙二醇二甲基丙烯酸(EDGMA),中性红(NR),甲基橙(MO),甲醇,乙酸, 偶氮二异丁腈(AIBN),均为分析纯。

X-射线粉末衍射仪(Dmax2000/PC),日本RigaKu公司; 紫外可见分光光度计(Tu-1810),北京普析责任有限公司;扫描电子显微镜(JSM-7500F),日本GEOS公司;傅里叶红外光谱仪(IRAffinity-1),日本岛津公司;真空干燥箱,上海鸿都电子科技有限公司;紫外灯。

1.2分子印迹型和非分子印迹型TiO２材料的制备

采用表面聚合的方法制备MIP-TiO２光催化剂。具体方法:依次取1g TiO２、30mL 95%的乙醇和1mL硅烷试剂于圆底烧瓶中,超声20min,在70℃的油浴中反应4h后,干燥12h得到改性TiO２粉末。取0.12g NR、0.14mL MAA、40mL无水乙醇于三口瓶中,在室温下磁力搅拌4h,向其中加入1.58g EDGMA、0.02g AIBN和1g改性TiO２粉末,通入氮气30min,在60℃下反应24h后,干燥12h得到粉红色粉末。用甲醇与乙酸的混合溶液[V(甲醇)∶V(乙酸)=9∶1]反复洗涤此粉末,直到颜色由红色变为白色,再用超纯水洗涤3次,干燥12h后即可得MIP-TiO２。

非分子印迹型TiO２(NIP-TiO２)的制备步骤,除不加NR模板分子外,与上所述过程相同。

1.3光催化降解实验

光催化反应于自制的反应容器中进行,光源为紫外灯,溶液与光源的距离为25cm。 将0.2g MIP-TiO２和200mL 10mg/L目标降解溶液置于反应器中,避光磁力搅拌1h,达到吸附平衡后,开启紫外灯,每隔10min取样,离心分离后取上清液,测其吸光度。利用式(1)计算其降解率(D)。

式中,A０为目标降解溶液未降解时的吸光度;Aｔ为目标降解溶液降解t时间后的吸光度。

2结果与讨论

2.1光催化剂的表征

2.1.1 XRD分析

图1为MIP-TiO２和NIP-TiO２光催化剂的XRD谱图。 从图可以看出,印迹型光催化剂和非印迹型光催化剂所测得的XRD特征峰的位置和强度几乎相同。且特征衍射峰都与锐钛矿相TiO２的标准卡片(JCPDS NO.21-1272)相吻合,未发现其他晶相和杂质的XRD衍射峰,说明合成了纯度较高的分子印迹型和非印迹型TiO２光催化剂。

2.1.2红外谱图分析

图2中(a)和(b)分别为MIP-TiO２和NIP-TiO２光催化剂的红外光谱图。从图(a)中看出,1160cm－１左右为C—O的酯基伸缩振动;1450~1250cm－１处为C—H面内弯曲振动; 1730cm－１为C O伸缩振动;说明功能单体和交联剂已修饰到模板分子上。图(b)与图(a)比较看出,在相同条件下制备出的MIP-TiO２和NIP-TiO２红外谱图相似,是因为经模板分子洗脱后两者的功能单体一致,空间结构的影响在图谱上不显示［１２］。

2.1.3扫描电镜图分析

图3中(a)和(b)分别为TiO２和MIP-TiO２光催化剂的扫描电镜图。从中可看出,纯相TiO２形貌为球形,粒径大约在15~20nm,但团聚现象较严重。MIP-TiO２为粒径在100nm左右的微球,具有良好的均匀性和一定的分散度,这可能是由于有机聚合物包覆在了TiO２小球的表面。

2.1.4热重分析

图4为分子印迹型TiO２光催化剂的DSC-TG曲线。从图中分析得出,DSC曲线在380℃附近有个很强的放热峰,相应的TG曲线从320~550℃区间出现约25%的失重,这是聚合物分解引起的,超过550℃后达到分解平衡,质量基本不再出现损失。

2.2光催化实验结果分析

2.2.1 MIP-TiO２和NIP-TiO２对NR降解率的影响

从图5可以看出,当以NR为降解底物时,光催化降解60min时,MIP-TiO２和NIP-TiO２对NR的降解率分别约为69%和25%,前者约为后者的3倍,表明MIP-TiO２对目标分子NR光催化降解具有选择性,可以比NIP-TiO２更快、更高效的降解目标分子。

2.2.2 MIP-TiO２和NIP-TiO２对MO降解率的影响

由图6可知,当降解底物变为MO时,印迹型与非印迹型催化剂对MO的降解率几乎相等,都约为23%,表明当降解物不为模板分子时,MIP-TiO２对底物的降解不具有选择催化效应,其催化活性与NIP-TiO２大致相同。

2.2.3 MIP-TiO２和NIP-TiO２对混合底物体系的光催化降解

从图7可看出,当目标降解物为NR与MO的混合溶液时,光催化降解60min时,MIP-TiO２对NR的降解率明显高于NIP-TiO２,约是NIP-TiO２的2.8倍,而对MO的降解率却十分接近。以上结果表明,在混合溶液体系中,印迹型催化剂仍然能够选择性的降解其中的模板分子,对于非模板分子,印迹型催化剂不具有识别能力,使其与非印迹型催化剂的降解效果相当。

2.2.4 MIP-TiO２光催化剂的稳定性

在实际过程中,光催化剂不仅要有良好的光催化活性,还要有良好的重复使用性。因此,本实验考察了催化剂的稳定性,每次光催化反应完成后,将收集的催化剂用蒸馏水超声清洗、烘干后再次使用。由图8可知,经过5次重复使用,MIP TiO２光催化剂对NR的降解率从68%降到63%,其变化幅度在1.5%~7.4%之间,充分说明了MIP-TiO２光催化剂有很好的光化学稳定性和重复使用性。

3结论

由表面聚合法制备的MIP-TiO２光催化剂对于目标降解物中待识别的模板分子具有良好的优先选择降解性能,且具有良好的光化学稳定性和重复使用性。该光催化技术对废水中低浓度有机污染物的优先选择性降解提供了重要的指导意义。

摘要：以中性红(NR)为模板分子,甲基丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,TiO2为载体,采用表面聚合的方法制备了分子印迹型TiO2光催化剂(MIP-TiO2)。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和热重等对MIP-TiO2的结构与性能进行了表征,并考察其对NR等底物的光催化选择性能。结果表明:与非印迹型光催化剂(NIP-TiO2)相比,当降解含有NR的底物时,MIP-TiO2具有明显的选择催化效应,其对NR的降解率为NIP-TiO2的2.8倍;而在降解其他底物时,2者的光催化活性相似。且MIP-TiO2具有较好的稳定性,重复使用5次后,其对NR的降解率变化不大,变化幅度在7.4%以内。

色谱学分子印迹技术综述 篇6

分子印迹技术 (MIT) 也称分子烙印, 是将高分子科学、生物化学、材料科学、化学工程等学科有机结合在一起, 以目标分子为模板进行合成, 并获得在空间结构和结合位点上与模板分子匹配完全的聚合物, 即分子印迹聚合物 (MIPs) 的一种新型制备技术。

1949年, Dickey首先实现了染料分子在硅胶中的印迹并提出“分子印迹”的概念, 1972年由Wulff研究小组首次成功地制备出对糖类化合物有高选择的共价型分子印迹聚合物。然后随着在非共价与共价-非共价混合型分子印迹聚合物制备层面的创新性工作, 特别是在1993年Mosbach等在《Nature》上发表关于茶碱分子印迹聚合物的报道以后, 分子印迹技术得到迅速发展。

2分子印迹技术的基本原理

分子印迹技术的实现过程就是一个制备对目标分子 (亦称做印迹分子或模板分子) 具有特定性选择的高分子聚合物的过程。该过程包括以下几个步骤:

1.印迹分子和与之匹配的功能单体通过共价键或/和非共价键作用, 形成可逆的复合物或化合物;

2.加入适当的交联剂, 并在一定条件下 (光或热) 发生聚合反应, 形成具有三维网状结构的共聚物, 将该复合物或化合物固定在这种网状结构中;

3.在某种条件下 (有机流动相等) 去除印迹分子, 这样就在网状结构中留下一个与印迹分子在空间结构上匹配完全, 并且含有可与模板分子专一性重新结合的三维孔穴。

这个三维孔穴可以特异性地重新与印迹分子再结合, 即对印迹分子具有专一性识别作用

3分子印迹的基本形式

根据制备分子印迹聚合物过程中模板分子与功能单体之间作用力方式的不同, 分子印迹技术可分为两种方法——共价法和非共价法。

共价法又称作预组装法或预组织法, 指的是在分子印迹聚合物形成以前, 模板分子通过共价键和功能单体结合形成可以聚合的单体, 然后和交联剂在一定条件下聚合, 聚合完成之后再通过化学的方法使共价键断裂, 用以除去印迹分子。

非共价法也被称作自组装法, 指的是在聚合之前模板分子和功能单体在溶液之中通过静电、氢键作用、疏水作用、金属配位、范德华力等超分子作用用以自发形成的具有多重作用位点的主-客体配合物, 之后通过和交联剂的聚合反应, 将这些溶液状态下的自组装配合物的结构固定下来, 除去印迹分子之后就得到非共价型的印迹聚合物。

4分子印迹整体柱的制备方法

整体柱亦称作连续床、连续棒或者整体固定相, 它与分子印迹技术相结合, 综合两者的优点即为分子印迹整体柱。原理是采用原位聚合的方法, 在空的色谱柱管中灌注模板分子、功能单体、致孔剂、交联剂、引发剂等混合溶液, 经过热引发或光引发发生聚合反应。反应结束后使用有机类溶剂洗去模板、未反应完的功能单体、致孔剂和其它可溶性物质, 即得到了大孔的聚合物整体柱。

整体柱的液相流动相通透性和它本身的孔结构情况密切相关, 整体柱中较大的孔越多, 流动相通过时的压力就越小, 可是当大孔的孔径大于50 nm时对基质材料的表面积贡献十分之小。对于色谱分离而言, 要求固定相的表面积越大越好, 因此为了获得较大的表面积, 同时希望基质材料中孔径介于2-50 nm的中孔与小于2nm的小孔应尽可能的多一些。为此我们必须兼顾大的比表面积和较低柱压这两个方面的需求。分子印迹整体柱中由于考虑了传质速度而特有存在着的大孔通道, 使得流动相直接通过并将传统的缓慢扩散传质代替以对流传质, 这种改变使得样品的传质阻力大大降低。

与传统的填充柱相比, 分子印迹整体柱具有以下显著的优点:首先整体柱制备过程简单操作方便, 整体结构性较好, 色谱性能稳定, 将填料合成和柱装填分两步完成的传统操作合二为一, 避免了固定相合成、筛选、装填等繁琐步骤, 提高了色谱柱性能的重现性, 增强了柱体的稳定性;其次提高色谱柱的空间利用率, 整体的结构特点避免了填料颗粒间的空白体积;其三, 分子印迹整体柱内部独有的大孔结构构成了许多“通径”, 在分离过程中部分流动相将直接流经这些“通径”, 大幅度降低了流动相通过色谱柱时产生的背压, 减少了柱内聚合物被高压冲塌的现象;最后一点, 色谱柱内传质的主要形式由传统缓慢的扩散传质改变为整体柱内的对流传质, 大幅度提高了传质速度和效率。即便流速较高也不会影响到柱效, 十分适合于实现生物大分子的快速分离, 令一次分离过程能够在几分钟甚至缩短至在几十秒内就可完成。

结语

分子印迹聚合物的最大特点就是具有高度的特异性选择性能[3]。加之对印迹分子具有生物的专一识别性, 并且与生物抗体相比具有稳定性好、抗恶劣环境能力较强、使用寿命长等优点。目前, 分子印迹聚合物已被应用于手性化合物的拆分、生物传感器、固相萃取技术、抗体模拟化、酶催化模拟以及控释药物等多个领域。

摘要：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。

关键词：分子印迹,专一识别,色谱,整体柱

参考文献

[1]Dichey F H.The Preparation of Specific Adsobents.Acad.Sci, USA, 1949, 35:277-299.

[2]Piletsky S A, Andersson H S, Nicholls I A.Combined hydrophobic and electrostatic interaction based recognition in molecularly imprinted polymers.Macromolecules, 1999, 32:633-636.

分子印迹技术在中药研究中的应用 篇7

1 分子印迹聚合物 (molecule imprinting polymer, MIP) 的制备

1.1 本体聚合法

把印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶于惰性溶剂, 密封在真空环境中, 经聚合制得棒状印迹聚合物。此法制备工艺简单, 但处理过程费时费力, MIP利用率低, 所得粒子的不规则性降低了其分离能力。

1.2 原位聚合

在色谱柱内直接聚合制得连续型棒状MIP。此法较简单, 且制得的MIP具有连续性、均一性的特点, 从而得到较好的分离效果。

1.3 悬浮聚合

采用全氟化碳液体作为悬浮介质, 代替了传统的有机溶剂——水悬浮介质, 从而根除了非共价印迹中存在的不稳定的预组织合成物。

1.4 溶胀聚合

溶胀聚合又称为多步溶胀悬浮聚合或种子溶胀悬浮聚合。采用乳液聚合法合成粒径较小的微球作为种子, 再用一定的乳液进行多次溶胀种子, 通过还原剂的加入经光引发或热引发聚合物制得符合要求的MIPs微球。

1.5 表面聚合

表面聚合是把印迹分子和功能单体在溶剂中形成的复合物, 与表面活化过的硅胶/聚三羟甲基丙烷三丙烯酸酯粒子/玻璃等介质反应接枝聚合, 从而制得MIPs的一种方法。这一方法解决了本体聚合中印迹分子包埋过深或过紧而难洗脱的问题。

2 在中药提取分离中的应用

中药是我国具有国际比较优势的产业之一, 但其所含成分非常复杂, 为了提高中药的疗效, 减低毒副作用, 提高中药制剂的内在质量, 选用合理的提取分离技术是非常重要的。分子印迹技术与色谱分离技术相比, 具有分子识别性强、固定相制备简便快速、操作简单、性质稳定 (耐酸碱、耐高温、高压等) 、溶剂消耗量小、模板和MIPs可以回收再利用等优点, 在中药有效成分的提取分离中有很好的应用前景。

2.1 在固相萃取中的应用

分子印迹聚合物用于固相萃取的主要作用是分离、提纯和浓缩样品, 能够克服生物或环境样品体系复杂、预处理手续繁杂等不利因素, 对于痕量分析有重要作用和意义, 是一种样品预处理技术。陈移姣等[1]以咖啡因为模板, 采用水溶液悬浮聚合法制备了用于色谱分离 (作HPLC的固定相) 的微米级分子印迹填充膜, 通过改变HPLC的流动相缓冲溶液的pH值, 研究了咖啡因在MIPs柱上的容量因子 (k) 、分离因子 (α) 和印迹因子 (β) , 说明该MIM在水溶液中对茶叶中的咖啡因进行了分离富集。颜流水等[2]制备的槲皮素MIP, 将其作为吸附剂填充成固相萃取柱, 结合毛细管电泳仪, 对比槲皮素及其结构相似物芦丁的混合物电泳图, 结果表明, 芦丁分子由于羟基与葡萄糖和鼠李糖相连, 空间体积比槲皮素大, 较难进入由模板分子槲皮素形成的分子印迹孔穴, 而槲皮素是通过特异性识别作用吸附在印迹孔穴内。向海艳等[3]以反式白藜芦醇为模板分子, 采用溶液聚合方法, 合成白藜芦醇的MIP, 研究表明该印迹聚合物中形成了2类不同的结合位点。虎杖提取物经固相萃取, 得到主要含白藜芦醇及少量结构与其相似的白藜芦醇甙组分。张春静等[4]用奎宁作为模板分子, 以醋酸纤维膜为支撑体, 制备对奎宁及其类似物有特异择性的分子印迹复合膜, 膜结合性研究表明该膜对模板分子奎宁具有独特的结合能力, 结合量可达到20.6μmol/g, 分离因子为5.6。膜透过实验表明非模板分子辛可宁透过印迹膜速率较大, 这将有利于奎宁和辛可宁的分离。

2.2 在对手性化合物分离方面的应用

由于分子印迹聚合物具有分子水平上的专一性识别, 同时具有MIPs良好的操作稳定性及识别性质, 不受酸、碱、热、有机溶剂等各种环境因素影响的特点, 决定了分子印迹聚合物在手性分离方面的广泛应用。黄晓冬等[5]采用原位聚合法直接在毛细柱中管合成辛可宁印迹聚合物, 用压力辅助毛细管电色谱模式拆分非对映异构体辛可宁和辛可尼丁, 结果柱效远高于其在高效液相色谱分离中的柱效。Beach等[6]以 (-) -伪麻黄碱和 (-) -降麻黄碱为模板, 制得MIPs作为薄层色谱的手性固定相, 不仅实现了对相应模板分子的识别, 而且还能分离出结构类似的手性化合物麻黄碱和副肾碱。董襄朝等[7]以 (-) -ephedrine为模板分子, 采用本体法合成了 (-) -ephedrine分子印迹聚合物, 将其用于分子印迹固相萃取, 成功地测定了中药麻黄中的 (-) -ephedrine, 结合HPLC进行分析, 表明该聚合物对 (-) -ephedrine有良好的选择性和亲和力, 有较高的回收率和精密度。邹汉法等[8]以中药延胡索中的L-四氢巴马丁为模板分子, 用原位分子印迹技术, 合成了L-四氢巴马丁分子印迹聚合物整体柱, 通过与HPLC联用, 表明模板分子具有特异的识别能力, 在优化色谱条件下, 使D-和L-四氢巴马丁手性对映体得到较好的分离。

2.3 在有机酸类、黄酮类和生物碱类的应用

由于MIP具有从复杂样品中选择性地吸附模板分子或与其结构相近的某一族化合物的能力, 因此它非常适合用作活性成分的分离与提取。朱秀芳等[9]以氧化阿魏酸为假模板分子, 通过自组装技术在乙腈中制备了对阿魏酸具有良好识别能力的MIPs, 可对川芎水提液中阿魏酸进行提取分离。程绍玲等[10]以葛根素为模板分子, 丙烯酰胺为单体, 二甲基丙烯酸乙二醇酯 (EDMA) 为交联剂, 制备葛根素MIP用于分离葛根提取液中的葛根素, 并用静态吸附实验研究了葛根素MIP的吸附行为, 结果表明该MIP对模板分子葛根素印迹效果较强, 得葛根素回收率为83%, 远大于用大孔吸附树脂的提取效果。Kobayashi等[11,12,13]首次采用湿相转化技术制备了茶碱的MIP薄膜, 这个薄膜是丙烯腈-丙烯酸的共聚物。通过吸附实验发现, 该技术制备的分子印迹膜为不对称结构, 包含一致密表层与一多孔支撑亚层, 对茶碱的吸附量远大于咖啡因, 这表明在相转化的过程中, MIP记录下了茶碱分子的形状。通过对薄膜的表征, 发现了茶碱和共聚物间相互作用的证据。Lai JP等[14]以苦参碱为模板制作了分子印迹膜, 从槐属植物苦参中提取分离苦参碱, 结果分子印迹膜对苦参碱的回收率可达到71.4%, 并提示其可用于大规模分离提取中药有效成分。

2.4 在其他领域的应用

分子印迹聚合物用作传感器的敏感材料是分子印迹技术的一个重要方面。分子印迹聚合物敏感材料与近年来研究较热的生物敏感材料相比, 具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂, 不易被生物降解破坏, 可多次重复使用, 易于保存等优点, 且较生物材料易得, 可用标准化学方法合成出来。因此, 其膜适合作为灵敏度较高的传感器, 目前已被用作传感器的敏感部件, 用于识别氨基酸、除草剂、有机溶剂、神经毒剂、金属离子等多种物质[15]。

分子印迹技术在中药新药开发中的研究主要是寻找已知药物的代替品。高活性的抑制剂因其自身的高毒副作用, 或在体内不能被很好地吸收而无法最终成药。以一种高效高毒性的分子作为模板分子制备MIP, 直接从天然组合化学库中筛选出其它有效且低毒的化合物作为代替品;或者利用那些高效无毒但是由于制备困难而非常昂贵的药物分子作为模板, 寻找其它成本低廉且容易得到的代替品[16]。目前该研究还处于探索阶段, 利用MIP对模板分子及其结构类似物的高选择性, 使其成为一种新的分离材料应用于中药新药开发的研究。

3 结语

综上所述, MIT已经广泛地用于中药研究的各个方面, 并以其广阔的应用前景受到众多研究者的重视。但作为一种新型的分离技术, 其本身在理论和应用等方面还存在五大有待解决的问题: (1) 大量的分子印迹聚合物局限在非极性环境中, 应寻求一些实用于水溶液的功能单体; (2) 目标分子与MIP结合位结合较慢, 易引起峰展宽、拖尾而降低分离效率; (3) 印迹聚合物具有非均一结合位和可接近性, 这导致了分离在非线性等温吸附线下进行; (4) 印迹聚合物的“印迹”容量低, 因为一些结合位常被埋葬在聚合物的三维结构中而不能被利用; (5) 目前大多数功能单体只适用于小分子物质, 对于生物大分子的印迹技术尚需要进一步改进。

随着化学、生物学、材料学和分析技术的不断进步, 以上困难可通过提高印迹分子回收率, 使用新的交联剂, 提高烙印技术等手段加以克服[17]。总之, MIP作为一种高选择性主体及其所独有的特异性分离特点, 预示着该技术在中药活性组分的分离中将具有良好的应用前景。

摘要：分子印迹技术 (MIT) 是一种使所得聚合物的作用点, 对目标分子具有预定识别、选择性的聚合物制备技术。就分子印迹技术的原理、制备及其在中药活性成分的分离、有效成分的固相萃取、对手性异构体及结构类似物的分离等方面进行综述, 并展望了分子印迹技术在中药学领域的发展趋势。

分子印迹微球的合成吸附性能研究 篇8

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。

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分子印迹材料 篇9

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。