基于分子印迹聚合物(MIPs)的离子选择电极(ISE)研究进展

基于分子印迹聚合物(MIPs)的离子选择电极(ISE)研究进展

摘要：分子印迹聚合物对目标化合物具有高选择性，并且具有耐高温、抗酸碱及有机溶剂等优点。分子印迹聚合物在催化、手性分离、固相萃取等众多领域都有广泛的应用。分子印迹聚合物用作传感器材料是分子印迹聚合物近年来的研究热点。本文综合介绍了基于分子印迹技术的离子选择电极的研究进展。

关键词：分子印迹；离子选择电极；进展

Recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymers

Abstract:The molecularly imprinted polymers have high selectively for target molecule and possessed high thermal and chemical stability. Owning to these advantages, they have applied in many fields such as catalysis, chromatography separation and solid phase extraction. The using of molecularly imprinted polymers as ion selective electrode became a hot topic in molecularly imprinted technique in recent years. The recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymers has been reviewed in this paper.

Key words: molecularly imprinted polymers; ion selective electrode; progress 分子印迹技术是近年发展起来的一门结合高分子化学、材料化学、化学工程及生物化学的交叉学科技术。分子印迹技术来源于生物学中的免疫学，是通过想要选择识别某一种物质而进行聚合反应形成印迹聚合物的方法。通过这种方法制备的聚合物具有很高的辨识能力，能够精确的按照分子结构有效的选择出相应的印迹分子，也就是目标分子物质。而生成的这种聚合物即使在强酸、强碱的作用下，也不会失去效应；在高温高压以及较恶劣环境中仍保持其高的选择识别能力，稳定性基本没有变化。该种方法是选用目标物质作为模板，通过功能单体、交联剂的作用，从而获得结构与目标分子相匹配的分子印迹聚合物。近年来分子印迹技术发展十分迅速，在催化[1]、手性分离[2]、固相萃取[3-6]、食品[7]、膜分离[8]、生物酶模拟[9]以及传感器[10]等领域均有广泛的应用。分子印迹传感器已成功应用于药物[11]、糖类[12]、核酸及其衍生物[13]、蛋白质[14]、有毒物质[15]、除草剂[16]、等的分离和检测。分子印迹电化学传感器也因具有选择性高、成本小、检出限低、物理尺寸可调、易自动化等优点，在环境控制、生物标记、在线质量监控以及食物的检测等相关领域倍受关注。

1分子印迹聚合物

1.1基本原理

分子印迹技术的基本原理是选择合适的功能单体与印迹分子相结合形成分子印迹聚合物，然后洗脱掉印迹分子，再利用分子印迹聚合物上的结合位点选择、识别、记忆目标分子。分子印迹技术形成的分子印迹聚合物具有良好的空间三维形态，印迹分子的脱离也并不影响作用位点的结合能力，脱离掉印迹分子的聚合物的形态是与目标物质相匹配的、具有空间位点的立体三维构型，其空间结构稳定。而利用分子印迹技术合成分子印迹聚合物的材料主要有印迹分子、功能单体、交联剂、溶剂等。

分子印迹技术的作用方法是：在一定的溶剂中加入印迹分子、功能单体，在交联剂、引发剂的作用下，印迹分子与功能单体以共价键或者非共价键等形式形成结合位点，发生聚合反应，形成分子印迹聚合物，然后利用一些手段洗脱掉分子印迹聚合物中的印迹分子，从而形成具有结合位点的空穴结构。因此使用分子印迹的技术利用此空穴结构可以进行重新的选择、记忆、识别印迹分子（图1）。

图1分子印迹过程示意图

MIPs相对于非分子印迹聚合物( NIPs) 对模板分子之所以具有特异的识别性能。根本原因就是MIPs具有和印记分子在形状、功能基团完全互补的三维空穴以其相匹配的结合位点。这一步形成关键在于模板分子和功能单体通过共价和非共价作用形成的主客体配合物。然而共价作用因只有极少的模板分子和合适的功能单体才能适用，以致限制了它的应用范围。相反非共价键印迹聚合物因其在理论上对模板分子的形状，尺寸和化学特性没有严格限制，故其具有非常广泛的应用范围。非共价键作用包括有：氢键、静电力、疏水作用、范德华力、金属螯合作用、电荷转移等。

AsanumaH[17]制备了水相中对环糊精的分子印迹聚合物，发现印迹效果取决于模板分子疏水区域的大小、空穴的尺寸以及化学基团之间相互作用的强度。Pavel D[18]制备了茶碱分子印迹聚合物，结果发现静电力在分子印迹聚合物聚合的过程中起着重要的作用。Chen DM[19]认为结合位点和基底之间氢键的形成在有机流动相中对分子的识别具有非常重要的作用，静电力和疏水键的作用在水流动相中对分子的识别同样扮演着重要的角色分子印迹技术从兴起至今广泛的应用于小分子的特异性识别，近几年许多研究者将目光转移到大分子模板上，如蛋白质[20,21]。

1.2制备方法

MIPs对所要检测的模板分子具有特定的识别能力，特别是在和模板分子结构相似的混合物存在的情况下，尤其对目标分子表现出强的识别能力这是因为在合适的致孔剂中通过聚合功能单体和交联剂会在模板分子周围形成高度交联的三维矩阵，然后将模板分子洗脱后形成对模板分子具有识别位点的空穴[22,23]。印迹聚合物的制备方法通常包括以下几种：本体聚合法[24]、溶胀聚合法[25]、悬浮聚合法[26]、沉淀聚合法[27]、表面印迹法[28]等，各种方法的制备工艺及特点见表1。

表1 分子印迹聚合物的主要制备方法

制备方法制备工艺特点

本体聚合法将模板分子功能单体交联剂和引发剂按

一定比例溶于惰性溶剂中，置于玻璃或

石英瓶中在光照或热引发下进行聚合，

再经粉碎研磨过筛等获得所需粒径的

MIPs。

制备方法简单，实验操作简单，

但后处理过程复杂、所得颗粒聚

合物颗粒形状不规则，印迹位点

在研磨过程中会有所破坏，应用

性能较差。

溶胀聚合法先采用悬浮聚合或乳液聚合法合成粒径

较小的微球，然后以此微球为种球，用

致孔剂模板分子功能单体和交联剂进行

溶胀，使颗粒长大，再进行聚合。

用相同种球改变聚合功能单体，

可以制得直径相同表面性质不同

的微球产物规整性好单分散性

好，但制备过程繁琐，周期长，

不适用于溶于水的模板分子。

悬浮聚合法将有机单体分散成小液滴，悬浮在水中

进行聚合，反应体系一般由水、稳定剂、

疏水性单体和疏水性引发剂构成。

制备方法简单，但水相反应体系

会影响非共价印迹聚合物的特

性，进而影响其识别性能。

沉淀聚合法模板分子、功能单体、交联剂和引发剂

在有机溶剂中先形成线型和分支低聚

物，然后从介质中析出相互碰撞形成聚

合物离子，最终形成高度交联的微球聚

合物。

成本低、制备简单、产率高，反

应体系不需要加入稳定剂，该法

在粘性相对小的溶剂中才能得到

合适的粒径分布。

表面印迹法模板分子的水相和功能单体的有机相接

触形成水相/有机相，加入交联剂聚合，

形成识别位点在聚合物表面的产物。

模板分子易洗脱，易重新结合，

但模板分子与配合物的配位常数

要适中。