分子印跡聚合物的制備及其應用

王曉慧,張艷梅,于浩強,李良波,孟平蕊

(濟南大學化學與化工學院,山東濟南250022)

0 前言

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

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、交聯劑、引發劑、溶劑(致孔劑)等。首先,模板分子與功能單體通過共價鍵或非共價鍵作用,結合形成功能單體——模板分子復合物。然后加入交聯劑,在引發劑及溶劑的作用下,將功能單體互相交聯起來形成共聚物,從而使功能單體的功能基團在空間排列和空間定向上固定下來。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與模板分子在空間結構上完全匹配,并含有與模板分子專一結合的功能基的三維空穴。這個空穴的空間結構和功能單體的種類是由模板分子的結構和性質所決定的。

由于不同模板分子的分子印跡聚合物具有不同的結構和性質,所以一種印跡聚合物只能與一種分子結合,也就是說印跡聚合物對該分子具有專一結合作用。分子印跡聚合物的形成及與模板分子重新結合過程,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,分子印跡聚合物(molecular imprinted polymer,MIP)的制備及其相關研究有了很大進展,印跡環境從有機相到水相,從小分子到大分子,從塊狀到微球,后來又報道了納米球[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。這種方法操作簡單,實驗條件要求不高,得到的聚合物有很好的“記憶功能”,對印跡分子有比較滿意的選擇性和識別特性。但其后續處理過程繁雜,反應得到的塊狀聚合物需要經粉碎和研磨;研磨過程中會不可避免地產生一些不規則粒子和大量的過細粒子。這些過細粒子需經過沉降除去,因而費時費力,使產量大大降低,通常小于50%,不宜大規模生產;而且由于網絡交聯度過高,導致模板難以洗脫[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。反應原理是:在低濃度的聚合反應中,通過低聚物的團聚成核,并捕捉其他低聚物和單體逐漸長大成為粒徑均一的微球聚合物[8]。該聚合反應所使用的功能單體、交聯劑和引發劑可溶,但產生的聚合物微球不溶而沉淀,可制備不同級別粒徑的單分散性聚合物微球。Mosbach等人運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,所以連續相常用水或高極性的有機溶劑。但對于分子印跡聚合物的合成而言,這些溶劑是不適宜的。因為高極性溶劑會干擾模板分子和功能單體的非共價鍵作用,從而影響聚合物對印跡分子的識別能力。Matsui J等人[11]采用疏水的三嗪莠去津為模板分子,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;而且,這種方法還可以單獨改變載體樹脂的交聯度或對孔結構進行調整,可以合成小粒徑及窄分布的載體。這類材料應用于色譜柱中的固定相,具有低壓高流速的特點[8]。

3 分子印記聚合物的應用

由于MIP具有卓越的分子識別性、預定性和實用性,MIP在固相萃取、傳感器、免疫分析、催化劑、膜技術等領域應用廣泛,成為新世紀最具潛力的新材料之一。

3.1 固相萃取(SPE)

傳統的固相萃取是利用被分離組分與吸附劑間的物理或化學作用力不同進行分離的,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劑,將表面分子印跡技術與溶膠-凝膠相結合制備了雙酚A的MIP,并對其進行了表征。MIP-SPE對水樣中的雙酚A進行了檢測,并用高效液相色譜測定,回收率高于99%。與傳統的SPE相比,該方法選擇性高,回收效果也好。分子印跡在SPE方面應用很廣,且發展很快。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的生物敏感材料相比,具有耐高溫、高壓、酸、堿和有機溶劑等,不易被生物降解破壞,可多次重復使用,易于保存,較易獲得等優點。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是對模板分子具有高度的選擇性。當MIP與模板分子結合時,產生一個物理或化學信號,轉換器將此信號轉換成一個可定量的輸出信號,通過監測輸出信號實現對待測分子的實時測定。Piletsky等[14]首次報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劑,采用自組裝和預組織結合的方法制備出檢測硅酸的熒光型分子印跡聚合物傳感器。檢測范圍為0.5～10μmol/L,40 min內頻率響應達到穩定,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,對氯化鈉、肌酸、葡萄糖、苯丙氨酸等干擾物質沒有響應,選擇性測定了人體血清中的肌酐,檢出限為1.49 ng/mL,印跡因子高達9.4,結果表明該方法簡單、快速且準確。

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,受環境影響比較大等。Kim等[16]以雙酚A和牛血清蛋白交聯制備了雙酚A的多克隆抗體,建立了定量測定水樣中雙酚A的競爭性酶聯免疫吸附方法。檢測范圍在2～1000 ng/mL,回收率范圍為96.3%～107.2%。該方法穩定,且無意外蛋白干擾。分子印跡酶標記免疫分析靈敏度較高,應用廣泛。然而,免疫分析通常要求在水溶液中進行。當MIP在水環境中時,溶液中的水分子將減弱MIP的識別位點與目標分子之間的氫鍵作用;增加有機溶劑的用量可以使MIP的識別能力增強,但高濃度的有機溶劑又將影響酶標物中酶的活性。因此,這是分子印跡-免疫分析方法所面臨的難點[12]。

3.4 催化劑

根據分子印跡聚合物具有的特定取向性質,利用分子印跡技術將催化基團引入到聚合物內部來制備模擬酶。印跡所使用的模板分子主要有底物類似物、過渡態類似物和產物類似物等。Shea等人[17]以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑,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(對硝基苯)丁酮的脫HF反應,反應速率比沒有催化劑的增大8.6倍。

3.5 膜技術

膜分離技術具有高效、低能耗、過程簡單、操作方便等優點,已成為分離技術領域的研究及應用熱點之一。第一代超濾、微濾、反滲透膜已經發展得比較成熟,在水質凈化、海水淡化、污水處理等方面已經商業化。上世紀80年代,開發的第二代滲透汽化分離膜,也在以乙醇脫水為代表的有機物脫水方面實現了工業化。本課題組曾合成了系列PVA基改性聚電解質滲透汽化膜分離材料,對醇水體系取得了良好的分離效果[18-20]。

然而,現有的膜技術均無法實現特定物質的選擇性分離。作為第三代膜技術——MIP膜技術將使目標分子從結構類似的復雜混合物中實現特定分離。MIP膜對目標分子具有特異性吸附,通透量大,處理能力強,且比一般生物材料更穩定,抗惡劣環境能力更強,在分離和分析等領域具有廣闊的應用前景[21]。1996年,Piletsky等[14]最早將分子印跡聚合物應用于膜分離。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,研究者對分子印跡膜技術進行了大量的研究。Sergeyeva等[22]通過光引發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優化膜的機械強度和孔隙率,使該分子印跡膜的吸附容量達到空白膜的20倍。MIP膜還以其良好的操作穩定性和識別性已經廣泛應用于手性物質的拆分、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道。

4 展望

MIT經過近十多年的發展,其優良的性能以及對目標物的特異性吸附,使其在很多領域得到了廣泛應用。但是MIT還存在諸多有待改進的地方,如制備和應用環境從有機相向水相過渡、從非極性溶劑轉向極性溶劑;功能單體和交聯劑的種類有限;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的發展方向。此外,由于植物成分的復雜性,現有的吸附分離技術很難實現分子結構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很有潛力的研究方向。

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