分子印跡聚合物的制備及其應(yīng)用

王曉慧,張艷梅,于浩強(qiáng),李良波,孟平蕊

(濟(jì)南大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,山東濟(jì)南250022)

0 前言

分子印跡技術(shù)(molecular imprinting technique,MIT)是20世紀(jì)末出現(xiàn)的一種制備具有選擇性和記憶效應(yīng)的識(shí)別材料的技術(shù)。1949年, Dickey[1]首先提出了“分子印跡”這一概念,隨后1973年Wulff等[2]首先成功合成了對(duì)糖類化合物有較高選擇性的共價(jià)型有機(jī)分子印跡聚合物,使這方面的研究有了突破性進(jìn)展。但其在分子識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用并沒有展開,直到1993年Mosbach等在《Nature》上發(fā)表了有關(guān)茶堿分子印跡聚合物的研究報(bào)道[3],分子印跡技術(shù)才迅速發(fā)展,在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

1 分子印跡基本原理

分子印跡聚合物的合成試劑主要包括功能單體、模板分子、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、溶劑(致孔劑)等。首先,模板分子與功能單體通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵作用,結(jié)合形成功能單體——模板分子復(fù)合物。然后加入交聯(lián)劑,在引發(fā)劑及溶劑的作用下,將功能單體互相交聯(lián)起來(lái)形成共聚物,從而使功能單體的功能基團(tuán)在空間排列和空間定向上固定下來(lái)。然后通過洗脫作用移除模板分子,這樣就在共聚物中留下一個(gè)與模板分子在空間結(jié)構(gòu)上完全匹配,并含有與模板分子專一結(jié)合的功能基的三維空穴。這個(gè)空穴的空間結(jié)構(gòu)和功能單體的種類是由模板分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)所決定的。

由于不同模板分子的分子印跡聚合物具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),所以一種印跡聚合物只能與一種分子結(jié)合,也就是說(shuō)印跡聚合物對(duì)該分子具有專一結(jié)合作用。分子印跡聚合物的形成及與模板分子重新結(jié)合過程,如圖1所示[4]。

圖1 分子印跡聚合物的形成及與模板分子重新結(jié)合示意圖Fig.1 Schematic representation of the generation of molecular imprinted polymer

2 分子印跡聚合物的制備

近年來(lái),分子印跡聚合物(molecular imprinted polymer,MIP)的制備及其相關(guān)研究有了很大進(jìn)展,印跡環(huán)境從有機(jī)相到水相,從小分子到大分子,從塊狀到微球,后來(lái)又報(bào)道了納米球[5]和納米線[6]。采用的聚合方法包括本體聚合、沉淀聚合、懸浮聚合、表面印跡等。

2.1 本體聚合

本體聚合是最常用和最早使用的聚合方法。這種方法操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)條件要求不高,得到的聚合物有很好的“記憶功能”,對(duì)印跡分子有比較滿意的選擇性和識(shí)別特性。但其后續(xù)處理過程繁雜,反應(yīng)得到的塊狀聚合物需要經(jīng)粉碎和研磨;研磨過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生一些不規(guī)則粒子和大量的過細(xì)粒子。這些過細(xì)粒子需經(jīng)過沉降除去,因而費(fèi)時(shí)費(fèi)力,使產(chǎn)量大大降低,通常小于50%,不宜大規(guī)模生產(chǎn);而且由于網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)度過高,導(dǎo)致模板難以洗脫[7]。

2.2 沉淀聚合

沉淀聚合法又稱均相溶液聚合法,主要制備球狀的聚合物。反應(yīng)原理是:在低濃度的聚合反應(yīng)中,通過低聚物的團(tuán)聚成核,并捕捉其他低聚物和單體逐漸長(zhǎng)大成為粒徑均一的微球聚合物[8]。該聚合反應(yīng)所使用的功能單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑可溶,但產(chǎn)生的聚合物微球不溶而沉淀,可制備不同級(jí)別粒徑的單分散性聚合物微球。Mosbach等人運(yùn)用這種方法成功地在乙腈中印跡了17-雌二醇,所得球形印跡聚合物平均粒徑0.3μm[9]。

2.3 懸浮聚合

懸浮聚合是制備聚合物微球的較簡(jiǎn)單和常用的方法,是由Mayes[10]提出的。該法通常使用的單體是疏水性的,所以連續(xù)相常用水或高極性的有機(jī)溶劑。但對(duì)于分子印跡聚合物的合成而言,這些溶劑是不適宜的。因?yàn)楦邩O性溶劑會(huì)干擾模板分子和功能單體的非共價(jià)鍵作用,從而影響聚合物對(duì)印跡分子的識(shí)別能力。Matsui J等人[11]采用疏水的三嗪莠去津?yàn)槟０宸肿?水中懸浮聚合得到了球形分子印跡聚合物。由于他們采用的模板分子難溶于水,不易受到水相的影響,所以取得了很好的印跡效果。

2.4 表面印跡

表面印跡大多數(shù)是基于硅膠,主要有沉積法、犧牲骨架法、接枝共聚法、溶膠-凝膠法、固定模板法等。表面印跡聚合物制備方法,詳見表1[12]。

表1 表面印跡聚合物制備方法Tab.1 Synthetic methods of surface molecular imprinted polymer

由于載體具有較高的孔度和表面積,因而選擇表面印跡方法,可以使底物較易接近活性點(diǎn);而且,這種方法還可以單獨(dú)改變載體樹脂的交聯(lián)度或?qū)捉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,可以合成小粒徑及窄分布的載體。這類材料應(yīng)用于色譜柱中的固定相,具有低壓高流速的特點(diǎn)[8]。

3 分子印記聚合物的應(yīng)用

由于MIP具有卓越的分子識(shí)別性、預(yù)定性和實(shí)用性,MIP在固相萃取、傳感器、免疫分析、催化劑、膜技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,成為新世紀(jì)最具潛力的新材料之一。

3.1 固相萃取(SPE)

傳統(tǒng)的固相萃取是利用被分離組分與吸附劑間的物理或化學(xué)作用力不同進(jìn)行分離的,被分離組分與吸附劑間的作用力是非特異性的,缺乏專一性。而MIP固相萃取,被分離組分與吸附劑的作用力具有特異性,回收率顯著提高。Jiang等[13]以硅膠為載體,3-氨丙基三甲氧基硅烷為功能單體,四乙氧基硅烷為交聯(lián)劑,將表面分子印跡技術(shù)與溶膠-凝膠相結(jié)合制備了雙酚A的MIP,并對(duì)其進(jìn)行了表征。MIP-SPE對(duì)水樣中的雙酚A進(jìn)行了檢測(cè),并用高效液相色譜測(cè)定,回收率高于99%。與傳統(tǒng)的SPE相比,該方法選擇性高,回收效果也好。分子印跡在SPE方面應(yīng)用很廣,且發(fā)展很快。但是MIP用作SPE固定相分離樣品組分仍不盡人意,主要存在非特異性吸收,以及由于模板分子去除不完全導(dǎo)致的模板分子泄漏等問題[12]。

3.2 傳感器

分子印跡聚合物敏感材料與大多數(shù)的生物敏感材料相比,具有耐高溫、高壓、酸、堿和有機(jī)溶劑等,不易被生物降解破壞,可多次重復(fù)使用,易于保存,較易獲得等優(yōu)點(diǎn)。因此,分子印跡聚合物有望成為取代生物材料的理想替代品。

分子印跡聚合物的特點(diǎn)是對(duì)模板分子具有高度的選擇性。當(dāng)MIP與模板分子結(jié)合時(shí),產(chǎn)生一個(gè)物理或化學(xué)信號(hào),轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可定量的輸出信號(hào),通過監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)分子的實(shí)時(shí)測(cè)定。Piletsky等[14]首次報(bào)道了以烯丙基胺和乙烯基苯基硼酸為功能單體,甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑,采用自組裝和預(yù)組織結(jié)合的方法制備出檢測(cè)硅酸的熒光型分子印跡聚合物傳感器。檢測(cè)范圍為0.5～10μmol/L,40 min內(nèi)頻率響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定,靈敏度高,且選擇性好。Dhana等[15]利用電聚合法把肌酐印跡聚合物的二甲基甲酰胺溶液涂覆在懸汞電極的表面,制得了肌酐印跡聚合物傳感器。該傳感器具有高選擇性,對(duì)氯化鈉、肌酸、葡萄糖、苯丙氨酸等干擾物質(zhì)沒有響應(yīng),選擇性測(cè)定了人體血清中的肌酐,檢出限為1.49 ng/mL,印跡因子高達(dá)9.4,結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單、快速且準(zhǔn)確。

3.3 免疫分析

MIP用于免疫分析,克服了抗體的許多缺陷,如抗體再生性較差,不易得到,受環(huán)境影響比較大等。Kim等[16]以雙酚A和牛血清蛋白交聯(lián)制備了雙酚A的多克隆抗體,建立了定量測(cè)定水樣中雙酚A的競(jìng)爭(zhēng)性酶聯(lián)免疫吸附方法。檢測(cè)范圍在2～1000 ng/mL,回收率范圍為96.3%～107.2%。該方法穩(wěn)定,且無(wú)意外蛋白干擾。分子印跡酶標(biāo)記免疫分析靈敏度較高,應(yīng)用廣泛。然而,免疫分析通常要求在水溶液中進(jìn)行。當(dāng)MIP在水環(huán)境中時(shí),溶液中的水分子將減弱MIP的識(shí)別位點(diǎn)與目標(biāo)分子之間的氫鍵作用;增加有機(jī)溶劑的用量可以使MIP的識(shí)別能力增強(qiáng),但高濃度的有機(jī)溶劑又將影響酶標(biāo)物中酶的活性。因此,這是分子印跡-免疫分析方法所面臨的難點(diǎn)[12]。

3.4 催化劑

根據(jù)分子印跡聚合物具有的特定取向性質(zhì),利用分子印跡技術(shù)將催化基團(tuán)引入到聚合物內(nèi)部來(lái)制備模擬酶。印跡所使用的模板分子主要有底物類似物、過渡態(tài)類似物和產(chǎn)物類似物等。Shea等人[17]以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,甲基丙烯酸甲酯為功能單體,DMF為致孔劑,通過本體聚合制備了苯丙二酸分子印跡聚合物。用該聚合物催化4-氟-4(對(duì)硝基苯)丁酮的脫HF反應(yīng),反應(yīng)速率比沒有催化劑的增大8.6倍。

3.5 膜技術(shù)

膜分離技術(shù)具有高效、低能耗、過程簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn),已成為分離技術(shù)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用熱點(diǎn)之一。第一代超濾、微濾、反滲透膜已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,在水質(zhì)凈化、海水淡化、污水處理等方面已經(jīng)商業(yè)化。上世紀(jì)80年代,開發(fā)的第二代滲透汽化分離膜,也在以乙醇脫水為代表的有機(jī)物脫水方面實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。本課題組曾合成了系列PVA基改性聚電解質(zhì)滲透汽化膜分離材料,對(duì)醇水體系取得了良好的分離效果[18-20]。

然而,現(xiàn)有的膜技術(shù)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)特定物質(zhì)的選擇性分離。作為第三代膜技術(shù)——MIP膜技術(shù)將使目標(biāo)分子從結(jié)構(gòu)類似的復(fù)雜混合物中實(shí)現(xiàn)特定分離。MIP膜對(duì)目標(biāo)分子具有特異性吸附,通透量大,處理能力強(qiáng),且比一般生物材料更穩(wěn)定,抗惡劣環(huán)境能力更強(qiáng),在分離和分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[21]。1996年,Piletsky等[14]最早將分子印跡聚合物應(yīng)用于膜分離。他們以腺苷酸為模板,以2-(N,N′-二乙基)氨基甲基丙烯酸乙酯為單體制備了MIP膜。隨后,研究者對(duì)分子印跡膜技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。Sergeyeva等[22]通過光引發(fā)原位聚合法制備了除草劑莠去津的MIP膜。通過在聚合物中添加低聚氨酯來(lái)優(yōu)化膜的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率,使該分子印跡膜的吸附容量達(dá)到空白膜的20倍。MIP膜還以其良好的操作穩(wěn)定性和識(shí)別性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手性物質(zhì)的拆分、固相萃取和生物提取等很多方面。然而,在中藥有效成分的分離方面還未見報(bào)道。

4 展望

MIT經(jīng)過近十多年的發(fā)展,其優(yōu)良的性能以及對(duì)目標(biāo)物的特異性吸附,使其在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是MIT還存在諸多有待改進(jìn)的地方,如制備和應(yīng)用環(huán)境從有機(jī)相向水相過渡、從非極性溶劑轉(zhuǎn)向極性溶劑;功能單體和交聯(lián)劑的種類有限;聚合方法也不完善;合成新型功能單體和交聯(lián)劑;探索新的合成方法;模板分子的快速去除方法等都是未來(lái)的發(fā)展方向。此外,由于植物成分的復(fù)雜性,現(xiàn)有的吸附分離技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)相似的天然藥物有效成分的分離。因此,利用MIT分離提純中藥有效成分也是一個(gè)很有潛力的研究方向。

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