(仅供参考)新型功能单体分子印迹聚合物的研究进展

新型功能单体分子印迹聚合物的研究进展
袁琼辉　汤又文3
(华南师范大学化学与环境学院化学系　广州　510006)
摘　要　分子印迹聚合物是近年发展起来的新型重要分子识别材料,功能单体是其识别性能最重要的影响因素之一,因此,对新型功能单体分子印迹聚合物的研究越来越受重视。

基于分子印迹聚合物在固相萃取、色谱柱分离、传感器等方面的应用,对新型功能单体分子印迹聚合物的研究进展进行了综述。

关键词　分子印迹聚合物　新型功能单体
Progress on Molecularly Imprinted Polymers with N ovel Functional Monomers
Y uan Qionghui,T ang Y ouwen3
(Department of Chemistry,S outh China N ormal University,G uangzhou510006)
Abstract　M olecular im printed polymer is a new im portant predictable selectivity material;its recognition property mainly depends upon the contained functional m onomer.Therefore,interest has been growing in study on m olecular im printed polymers with novel functional m onomer.Based on the applications of m olecular im printed polymer in the fields,such as chromatogram column separation,s olid2phase extraction,sens ors and s o on,the progress of the m olecular im printed polymers with novel functional m onomers were summarized and the limitations and prospective applications of the technique related were discussed,too.
K eyw ords　M olecular im printed polymers,N ovel functional m onomers
分子印迹聚合物(MIP)是利用分子印迹技术制备的具有与模板分子在空间结构和结合位点上完全匹配的高分子聚合物。

自1972年Wulff等[1]首次成功制备出MIP以来,其在固相和固相微萃取[2]、色谱柱分离[3]、传感器[4]以及催化等方面的研究和应用得到了很好的发展。

MIP的制备方法通常有本体聚合[5]、沉淀聚合[6]、表面印迹[7]、溶胶凝胶[8]、两步溶胀[9]等方法。

洗脱模板分子后的聚合物具有对印迹分子亲和性和选择性高、适应性广、稳定性好、寿命长等优点。

MIP识别性能主要受功能单体、溶剂、致孔剂、功能单体与模板分子的比例、聚合方式、交联剂、引发剂等因素的影响。

由于MIP的选择性吸附主要依靠功能单体与模板分子之间形成的弱作用力强度,因此功能单体直接决定着聚合物对印迹分子的亲和性和专一选择性。

目前,大多数研究者采用如甲基丙烯酸、42乙烯基吡啶和丙烯酰胺等[10]常见的功能单体开展不同模板聚合物的制备及应用研究。

为了得到高亲和性和选择性的MIP,也有一些研究者针对特定的模板分子探索合成具有特征官能团的新型功能单体的研究。

本文综述了近年来新型功能单体MIP在固相萃取、色谱柱分离、传感器等的研究进展,并展望其发展趋势。

1　分子印迹固相萃取(molecularly imprinted solid2phase extraction,MISPE) MIP具有制备容易、成本低廉、稳定性高、选择性好等特点。

因此,MISPE已成为固相萃取研究的热点之一[11]。

为了更好的选择性分离富集目标物,新型功能单体MIP已日益受到重视。

严秀平等[12]利用功能单体1,采用表面印迹技术制备出五氯苯酚MISPE材料,利用其五氯苯氧负离
3联系人,Email:tanglab@
国家自然科学基金项目(20875034)资助
2008212210收稿,2009202224接受
子与铵正离子之间的离子和氢键作用,识别模板分子。

在实际样品的固相萃取中,对模板分子的吸附具有高的选择性和快的动力学平衡,且检测限较低(6ngΠL),可望应用于各种水相样品中的五氯苯酚的定性定量分析。

笔者实验室[13]利用功能单体1和苯基三甲氧基硅烷为混合功能单体,采用表面印迹技术合成出艾司唑仑MISPE材料,利用功能单体1的氨基与艾司唑仑的氮原子之间的氢键作用,以及苯基三甲氧基硅烷的苯环与艾司唑仑苯环之间的π2π作用协同识别模板分子。

在对血样和尿液实际样品的固相萃取中取得较好的分离富集效果。

Laura等[14]以2为功能单体,用牺牲硅胶载体法,在硅胶孔中制备出聚合物,用氢氟酸除去硅胶后得到双氯酚酸钠MIP。

用其分离富集尿中双氯酚酸钠,在微分脉冲溶出伏安法定量分析中,检测限达到μgΠm L水平。

Akimitsu等[15]利用功能单体3和4的氨基与苯基磷酸酯的2个氧原子形成八员环氢键,由本体聚合成的MIP在水相或乙腈中表现出对模板的高亲和性,回收率达90%。

Rdvan等[16]以功能单体5与镍和氰根离子形成镍配合物,与二甲基丙烯酸乙二醇酯交联成MIP,对水溶液中其它阴离子有很好选择性,可望用于水中污染物分离富集。

研究表明,在固相萃取方面,新型功能单体MIP的研究主要是针对不同的模板分子,利用功能单体和模板分子的有效非共价键,提高对模板分子的吸附量和选择性。

但对不同作用力的定性和定量研究还比较少;对整个萃取过程中的热力学与动力学上的吸附机理研究也尚未形成完整理论体系。

随着研究的深入,新型功能单体的MISPE是一个具有很好前景和应用价值的领域。

2　色谱柱分离分析
分子印迹色谱技术(m olecular im printed chromatogram technique,MIC)是分子印迹技术应用的另一个重要方向。

色谱柱是液相色谱分离分析的核心部分,而MIP对目标分析物具有专一识别性的特点,因此,研究主要集中在对液相色谱柱固定相的结构修饰。

针对特定模板设计合成新型功能单体,采用直接(整体柱制备法)[17]或间接制备法[18]制备出MIP柱填料,有效提高容量因子(k)、分离度(α)和印迹因子(IF)[19]。

211　非手性液相色谱柱
K azuy oshi等[20]利用能形成“受体2给体2受体—给体2受体2给体(DAD2ADA)”型三点“阵列”氢键的新功能单体6,本体聚合出尿嘧啶MIP。

由于功能单体与模板及类似物能很好的形成互补的三点“阵列”氢键,增强保留,因此,MIP柱对模板及嘧啶环类似物保留较强。

Andrew等[21]合成出新型功能单体7,本体聚合成三苯基磷酸酯MIP,装成色谱柱,对三苯基磷酸酯的IF达到410。

212　手性液相色谱柱
Joachim等[22]合成手性单体8,通过与双环[21211]庚烯开环,交叉共价聚合出MIP。

利用氢键和印迹孔穴的手性立体环境协同,能较好地识别薄荷醇立体异构体(α=212)。

K azuy oshi等[23]用合成的缬氨酸衍生物功能单体9本体聚合成MIP并装柱,由于功能单体的酰胺基和缩二氨酸衍生物的酰胺基生成2个八员环的强氢键,增强了手性识别的协同作用,对手性缩二氨酸衍生物的分离性能较好(k=6139,IF =2184)。

Susanne等[24]用合成的功能单体10与乙酸铜形成Cu(Ⅱ)配合物,以D2乳糖为模板合成了MIP,在中性溶液中MIP柱对D2乳糖的差向异构体表现出形状识别功能(α=413),为利用形状识别分离差向异构体研究开拓了由分子印迹技术识别目标分析物的新方向。

E lena等[25]用合成的手性新型功能单体11与N2叔丁基甲基丙烯酰胺作为混合功能单体,本体聚合合成出(R)和(S)2N23,52二氯苯甲酰亮氨酸MIP。

装成色谱柱,在对混旋模板分子分离中,由于(S)2N23,52二氯苯甲酰亮氨酸MIP中留下的结合位点对模板分子有很好的立体选择性,加强了聚合物对模板分子的保留和选择性吸附,对对映体的保留最强,选择性最好(α=9133)。

新型功能单体的分子印迹在色谱分离特别是在手性分离方面的研究是一个新兴的领域,也将会有长远的发展。

但是,目前的研究还存在着一些急需解决的问题,主要是:聚合物的实际有效位点太少,导致容量太小;作为手性固定相时的选择性不高,选择性系数一般较低;色谱峰拓宽以及拖尾影响分离,需要优化聚合物的物理形貌和化学性质;多集中在有机溶剂中的分离分析,还很难在水相中直接应用。

3　传感器
由分子识别元件和信号转换器组成的MIP传感器,兼有生物传感器和化学传感器的优点[26]。

主要有荧光法、电导法、石英晶体微量天平等MIP传感器类型。

为获得最大响应和最小干扰,设计合成新型功能单体MIP传感器已成为分子印迹研究的重要课题之一。

R osario[27]把四碘代双酚A(12)用间苯三酚交联,本体聚合成荧蒽MIP。

利用苯环间π2π作用促使分析物室温磷光转换,对水中微量荧蒽的检测分析检测限低(35ngΠL),步骤简单且选择性高。

Andrzej等[28]用功能单体13与聚甲基丙烯酸甲酯共聚成鸟嘌呤核苷230,502磷酸盐(cG MP)MIP,由于氮原子与羟基的氢键以及苯环π2π作用,增强了聚合物的亲和性和特异选择性。

在cG MP的水溶液中有很强的荧光猝灭效应,对类似物环腺苷230,502磷酸盐(cAMP)也有较好选择性(α=2155)。

Javier等[29]把功能单体14本体聚合成青霉素MIP,利用青霉素的羧基和功能单体中酰胺基的离子和氢键作用,其在尿液中青霉素的自动化检验中的效果与层析法相当(回收率达到92%),而且重复使用并没有减弱识别信号,展示出良好应用前景。

周杰等[30]在研究荷尔蒙的膜选择性传输中,用功能单体15本体聚合成荷尔蒙MIP膜,在与激动素、呋喃甲基腺嘌呤的分散和竞争扩散实验中,对模板有很好的传输选择性。

Hiroyuki等[31]用荧光新功能单体16聚合出环巴比妥MIP,模板与功能单体的氢键作用使单体荧光显著增强,且对模板有较好选择性,可望发展为对非荧光响应物质进行定性定量分析的传感器。

分子印迹技术在化学与生物传感器中的应用研究较多,但相关的器件制备还需解决很多问题。

结合计算机模拟和其它技术,以及针对模板分子进行新型功能单体的设计合成;通过氢键、离子键、π2π作用及相互协同作用,合成高选择性和亲和性的MIP或分子印记膜,将是传感器的又一发展方向。

4　其它方面的应用研究
通过把分子印迹技术与其它研究领域结合,不断扩大了它的研究和应用范围。

蛋白质识别、不同的
方法表征聚合物的亲和性、借助配位化学实现受体的识别研究等已经成为分子印迹技术的新领域。

Masay o等[32]在DNA的识别研究中,利用功能单体17以胞嘧啶(G)和鸟嘌呤(C)碱基对为模板,在氯化钠生物缓冲液中合成具有DNA序列的MIP,凝胶电泳表征MIP印迹效应的实验表明,它对腺嘌呤(A)2胸腺嘧啶(T)和C2G以及G2C和T2A碱基对都有很好的选择性,开创了MIP应用的新领域。

Chang等[33]采用共价方法,用合成的功能单体18与二月桂酸二丁基锡形成配合物,经微乳液聚合得到了纳米雌激素酮MIP。

在3mm olΠL的雌激素酮溶液中,印迹纳囊吸附90%的雌激素酮,对模板表现出很好的亲和性,可望在相关药物缓释中得到应用。

Michael等[34]用合成的轮烷功能单体19与锌(Ⅱ)及42甲基252亚氨基2吡咯烷222酮自组装成锌配合物。

利用金属配位与氢键协同作用,聚合得到的MIP有较好的吸附选择性,可望应用于肌氨酸酐的受体相关研究。

Matsui等[35]把合成的卟啉20和Zn(Ⅱ)形成配合物,与甲基丙烯酸混合作为功能单体,本体聚合得到的92乙基腺嘌呤MIP对模板的吸附有较好选择性和亲和性,可应用于92乙基腺嘌呤的受体研究。

上官棣华等[36]以Hg(Ⅱ)为模板,采用一步溶胀聚合和本体聚合方式,利用烯基化的胸腺嘧啶功能单体与Hg(Ⅱ)形成配位键,再与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯、聚氯甲基苯乙烯共聚成分子印迹聚合物,其对Hg(Ⅱ)的最大静态吸附量达到200mgΠg,还表现出对Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、C o(Ⅱ)、Ca(Ⅱ)和Mg(Ⅱ)有较好的选择性和水中对Hg(Ⅱ)的快速动力吸附平衡。

由于它在110m olΠL HCl中易再生,已成功应用于地表水的人工样品的选择性吸附中,可望应用于环境水中的Hg(Ⅱ)的处理。

Daniel等[37]以十二烷基胸腺嘧啶为模板,6为功能单体,利用液体红外滴定法分析了单体与模板之间的预作用,确定了“DAD2ADA”型三点“阵列”氢键的存在,进而做成分子印迹膜,利用红外滴定计算出功能单体和模板分子的热力学平衡常数(K
=900LΠm ol),开辟了MIT的新研究方法和应用领域。

max
Watanabe等[38]在1998年首次报道了温敏型MIP,他们以N2异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为主结构功能单体,在二氧六环中合成了肾上腺素MIP。

PNIPAM具有由于温度改变引起的体积相变行为,明显影响了聚合物对肾上腺素的吸附能力。

Y amashita等[39]用丙烯酸钠制备的凝胶在重金属离子溶液中吸附离子后,加入NIPAM聚合,制成互穿网络型MIP。

它既有结合离子的能力,又有PNIPAM所具有的低临界溶解温度(lower critical s olution tem perature,LCST),从而克服了离子型单体含量较高的NIPAM共聚物可能没有LCST行为的不足。

Hideaki等[40]利用N2异丙基丙烯作为热敏单体、42(乙烯基苯基)2乙二胺(VBE DA)作为螯合剂和交联剂、Cu(Ⅱ)离子为模板,共聚制备出分子印迹凝胶。

在283～307K的吸附2解吸平衡动力学符合Langmuir等温模型。

进一步实验表明,温度在307K时,一个Cu分子结合了2个VBE DA分子,283K时1个Cu分子仅结合1个VBE DA分子。

Francesca等[41]采用共价方法,以人血清蛋白为模板合成的印迹位点比较均一的聚氨基苯硼酸微球
对血清蛋白有较好的特异选择性,印迹因子达到119,结合量为114mgΠg。

由于制备简单,而且对蛋白质的较好的识别性能,可望能应用于生物技术领域。

何锡文等[42]以间氨基苯硼酸为功能单体,合成出牛血清蛋白分子印迹聚合物,利用饱和吸附的聚合物解吸牛血清蛋白,实验得到的回收率表明印迹聚合物的效果明显优于非印迹聚合物的。

5　结语
在针对不同目标分子合成新型功能单体及聚合物,研究其相关应用的可行性、识别机理、新的表征方法以及寻找和开辟新的研究领域方面,已经取得了很多进展,具有新功能单体的分子印迹技术将有广阔的发展前景。

针对目标分子设计合成出新的功能单体,利用多种作用力的协同作用,更好地与模板分子作用,提高聚合物对模板的亲和性和选择性;聚合物识别机理研究从宏观到微观的分子水平,采用不同的技术和方法表征和理解识别机理;在水相或大极性的溶剂中合成和应用MIP,使之和天然的识别接近等将是分子印迹技术研究的努力方向。

总之,随着科学技术发展,MIP的合成、表征方法的技术和理论将不断完善,应用范围将更加广泛。

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袁琼辉
1981年9月生于湖南邵阳
2006年毕业于湖南师范大学本科
现系华南师范大学化学与环境学院研究
生
从事新型功能单体分子印迹聚合物研究
Email :yqhyjw @
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