一種新興的印跡聚合物制備方法─表面印跡法

韓霜

摘 要：表面分子印跡法是在分子印跡技術(shù)原有的制備方法的基礎(chǔ)上，最新興起的一種聚合形成印跡聚合物的一種方法。表面印跡法主要包括犧牲載法、化學(xué)接枝法和活性可控自由基聚合三種方法。此法解決了原始方法中的制備的聚合物粒徑不夠均勻、印跡分子包埋過深不易洗脫的缺點，利用表面印跡法有效的減少包埋、容易洗脫印跡分子、加速反應(yīng)進(jìn)行、提高了應(yīng)用效率。

關(guān) 鍵 詞：表面印跡 ；固相基體；犧牲載體；化學(xué)接枝

中圖分類號：TQ 028 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2360-03

A New Preparation Method of Molecularly Imprinted Polymers

——Surface Molecular Imprinting Technique

HAN Shuang

（Harbin Institute of Petroleum， Heilongjiang Haerbin 150028，China）

Abstract： The surface molecular imprinting technique is a molecularly imprinted polymer preparation method based on original preparation method of molecular imprinting technology. Surface imprinting method mainly includes three kinds of methods： sacrificial carrier method， chemical grafting method and active controlled radical polymerization. This method can overcome two shortcomings： nonuniform polymer particle size and dig embedding depth of the imprinted molecule. Using the surface imprinting method can effectively reduce the embedding， so the elution of the imprinted molecule is easy， and the efficiency of application can be improved.

Key words： Surface imprinting；Solid substrate carrier； Sacrifice； Chemical grafting

分子印跡技術(shù)是近年來發(fā)展的一門邊緣分支學(xué)科，廣泛的應(yīng)用在醫(yī)藥、環(huán)境、食品、軍事等領(lǐng)域。其作用方法是將印跡分子、交聯(lián)劑以及功能基單體加入到溶劑中去進(jìn)行聚合反應(yīng)制得分子印跡聚合物，然后再將印跡分子洗脫出去得到立體三維空穴，該空穴可以重新識別印跡分子。

分子印跡聚合物的制備方法一般有本體聚合、沉淀聚合、原味聚合等方法，但是這幾種方法得到的印跡聚合物粒徑大小不夠均勻，雖經(jīng)研磨粉碎，但是容易破壞其結(jié)合位點，影響識別能力。另外，由于聚合作用的位點處于聚合物的內(nèi)部，因此有結(jié)合速度較慢、結(jié)合位點較少等不足，而且不容易完成印跡分子的洗脫工作，尤其生物大分子，會嚴(yán)重分子印跡聚合物的使用效率。

基于以上問題，近年來表面分子印跡技術(shù)得到飛速發(fā)展。表面分子印跡是以固相基體為載體，在固相基體表面發(fā)生聚合反應(yīng)，從而來形成表面分子印跡聚合物的一種新的制備方法。

1 表面印跡法

目前表面分子印跡聚合物的制備方法主要分為犧牲載體法、化學(xué)接枝法和活性可控自由基聚合三種。

1.1 犧牲載體法

犧牲載體法是以蛋白質(zhì)為印跡分子，通過化學(xué)鍵的作用其固定在云母片這種固相載體的表面，然后把云母片置于二糖溶液中，使之吸附到蛋白質(zhì)上進(jìn)行聚合反應(yīng)。當(dāng)完成聚合反應(yīng)后，在通過化學(xué)方法把云母片這種載體溶解，并洗脫印跡分子蛋白質(zhì)，從而得到在這種聚合物表面上留有蛋白質(zhì)結(jié)合位點的分子印跡聚合物。也就是說，犧牲載體法是將印跡分子固定于載體表面后，在溶劑中反應(yīng)，當(dāng)聚合反應(yīng)結(jié)束后，洗脫印跡分子，同時溶解載體的表面分子印跡技術(shù)的制備方法。

Whitcombe 等[1]利用膽固醇作為印跡分子，溶劑采用油水兩相的環(huán)境，用乳液聚合的方法，利用表面活性劑合成表面分子印跡聚合物.當(dāng)聚合反應(yīng)結(jié)束后，洗去印跡分子后發(fā)現(xiàn)識別的位點均位于聚合物的表面。有科學(xué)家又以茶堿為印跡分子在已氨基化的硅微球的固相載體表面鍵合，在將硅微球置于溶劑中進(jìn)行聚合反應(yīng)，這里溶劑選擇的是二乙烯基苯和三氟甲基丙烯酸的單體的溶液，在聚合發(fā)生之后，洗去印跡分子茶堿，溶解了硅微球。從而很好的利用了犧牲載體法，得到了茶堿印跡微球。

我們國家的學(xué)者以谷氨酸為印跡分子，在氧化鋁表面合成二氧化硅，再在其表面修飾了醛基，以共價鍵的形態(tài)固定在了該載體表面，聚合反應(yīng)結(jié)束后，將載體置于吡咯溶液中溶解，然后用氯化鐵氧化聚合，最后除去印跡分子，從而值得了具有特異識別功能的分子印跡聚合物納米線。然后又用同樣的方法制備了蛋白質(zhì)的印跡聚合物的納米線。

Sakaguchi 小組[2]以血紅蛋白（ Hb）為印跡分子，利用二氧化硅球的表面，使醛基與血紅蛋白（ Hb） 共價生成亞胺鍵，固定在二氧化硅球表面，在有機硅烷試劑的溶液中聚合，得到了印跡薄膜，然后使用草酸洗脫出印跡分子血紅蛋白（ Hb）。經(jīng)研究表明，硅球表明具有良好的特異識別選擇功能。另外，還有其他小組在二氧化硅球表面又制備了溶菌酶印跡聚合物， 該聚合物對蛋白分子有良好的選擇性。

犧牲載體法可以有效的使識別作用位點散布在聚合物的表面，有效地提高了印跡分子吸附性能和洗脫能力，但這種方法還存在印跡聚合物結(jié)合效率低，產(chǎn)率低，而且還要將印跡分子在固定在載體上，操作繁瑣。因此此法還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

1.2 化學(xué)接枝法

接枝聚合近年來發(fā)展迅速的一種聚合方法。是在固相基體表面制備的聚合物的一種共聚方法，包括“接枝到”（ grafting to） 法和“接枝于”（ grafting from）兩種方法。

1.2.1 “接枝到”（grafting to）法

“接枝到”（grafting to）是指先把功能基團(tuán)固定在固相基體的表面，然后在加入到由印跡分子、功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑、致孔劑、溶劑等組成的聚合溶液，聚合反應(yīng)后即可制得分子印跡聚合物膜[3]。有學(xué)者配制的聚合溶液包括甲基丙烯酸為功能單體、心安得為印跡分子、二甘醇二甲醚為溶劑、2，2 - 二甲氧基 - 2 - 苯基苯乙酮為引發(fā)劑、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑、聚乙烯基乙酸酯為致孔劑。將其加入到了經(jīng)過3 - （ 甲基丙烯酰氧） 丙基三甲氧基硅烷硅烷化的硅晶片表面，聚合反應(yīng)后，洗脫印跡分子，從而得到了表面分子印跡薄膜。但是這種膜不夠均勻、厚度也比較厚，而且印跡結(jié)合位點也不均勻。利用這種方法使用N - 羥基琥珀酰亞胺酯、1-乙基-3 -[3 - 二甲基氨基丙基]、碳化二亞胺、尿酸、TRIM的聚合混合液在碳納米管表面也成功制得了分子印跡聚合物膜。

經(jīng)實踐證明，“接枝到”法制備分子印跡聚合物簡單，容易操作，但卻存在以下弊端：第一，因為其具有鍵的相互作用以及表面吸附作用的條件，因此會影響到功能單體和印跡分子之間的相互作用；第二，單體發(fā)生聚合，接枝率不高，這個的主要原因是功能集團(tuán)密密麻麻的停留在表面上造成一定得到位阻，聚合物鏈難以接枝，而且隨著聚合物鏈的加長，這種現(xiàn)象會更加的明顯[4]。因此此種方法還需要進(jìn)一步的研究才能得到較好的科學(xué)利用。

1.2.2 “接枝于”（grafting from）法

“接枝于” （ grafting from）是指通過自組裝的方式將在固相基質(zhì)表面固定引發(fā)劑，然后在含有印跡分子和功能單體的溶液中放入含有這種引發(fā)劑的固相基質(zhì)，進(jìn)行聚合反應(yīng)。因此這種方法又叫做表面引發(fā)聚合。Ashtari等[5]在氨基化的二氧化硅表面修飾上引發(fā)劑ACPA，然后放入以EGDMA為交聯(lián)劑、以MAA為功能單體、以U02+為印跡分子的混合液中，成功的制得了較薄的厚度的U02+分子印跡聚合物膜。還有在表面等離子共振的芯片共價結(jié)合偶氮光引發(fā)劑 4，4-偶氮雙（ 4-氰基戊酸），然后讓MBA與 2-（ 二乙胺） 甲基丙烯酸乙酯共聚，接著包埋軟骨藻酸，然后洗脫印跡分子，最后成功的制備出了識別軟骨藻酸的分子印跡聚合物膜。在苯甲酮的聚丙烯膜上，滴加交聯(lián)劑MBA、印跡分子去草凈、功能單體2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的混合溶液，聚合后洗脫印跡分子，成功制備了分子印跡聚丙烯膜的一些實例。

從大量的實驗研究證明，該法聚合反應(yīng)多數(shù)發(fā)生在固相表面，能有效補充“接枝到”法中的因為密集的功能基引起的空間位阻，有效的提高接枝率。因此“接枝于”（grafting from）法比 （ grafting to） 法具有更好的使用。但在發(fā)生聚合反應(yīng)時，會有以下幾個缺點第一，溶液中有可能存在自由基，因此引發(fā)劑容易產(chǎn)生鏈轉(zhuǎn)移；第二，溶液中也存在發(fā)生聚合反應(yīng)的可能性；第三，可做引發(fā)劑的物質(zhì)屈指可數(shù)；第四，聚合的效率會因為自由基會發(fā)生雙基終止而降低。因此，這種方法制備分子印跡聚合物雖然簡單，但聚合物不夠穩(wěn)定，又會有發(fā)生膜脫落的可能。鑒于以上的種種問題，人們又研究出一種新的制備方法。

1.3 活性可控自由基聚合

針對接枝法中的雙基終止和鏈轉(zhuǎn)移問題，人們研究出了一個新的聚合方法，即活性可控自由基聚合，這種方法是通過使溶液中的參加反應(yīng)的自由基的鈍化或者休眠，建立一個平衡，從而解決以上弊端，有效解決問題。

“活性”/ 可控自由基聚合的主要方法有： 可逆加成 -斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（ RAFT） 、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ ATRP） 、氮氧自由基調(diào)介聚合（ NMP）。

1.3.1 可逆加成 - 斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（RAFT）

1998 年，澳大利亞的科學(xué)家首次提出了 RAFT 技術(shù)[6]。這種方法一般是以雙硫酯衍生物為轉(zhuǎn)移試劑。此種物質(zhì)可以與增長鏈自由基發(fā)生作用有效的抑制了雙基終止和鏈的增長。利用RAFT這種方法在羥基化的二氧化硅表面加入3 - 氨基丙基三乙基硅烷、ACPA反應(yīng)的引發(fā)劑，再加入以苯基丙氨酸苯胺為印跡分子、以MAA為功能單體、以為交聯(lián)劑的混合溶液中，得到了表面印跡聚合物。福州大學(xué)學(xué)者利用RAFT在納米級二氧化硅的表面進(jìn)行RAFT 實驗，先在將雙硫酯應(yīng)用于二氧化硅表面，加入功能單體4 - 乙烯基吡啶、溶劑4∶ 1 的甲醇 / 水、引發(fā)劑AIBN、印跡分子2，4 - 二氯苯氧乙酸、交聯(lián)劑EGDMA的混合液進(jìn)行聚合，制備了表面分子印跡聚合物。Kim 等[7]利用RAFT在碳納米管表面，加入茶堿為印跡分子、EGDMA為交聯(lián)劑、MAA為功能單體、N，N -二乙基二硫代氨基甲酯為溶劑的溶劑中，發(fā)生聚合反應(yīng)得到得到分子印跡聚合物。

RAFT不光適用于常見的單體，如乙酸乙酯、苯乙烯、丙烯腈等，還適用于功能性單體，如苯乙烯磺酸鈉、丙烯酸等。這種聚合方法通常在60 ～ 70 ℃下就可以發(fā)生聚合，不會引入雜質(zhì)、不需昂貴的藥品、也無試劑的殘存，可融合多種聚合方法進(jìn)行聚合。但RAFT也存在制備以及試劑需要許多步驟、在反應(yīng)中出現(xiàn)副反應(yīng)和增加毒性以及只能得到低分子量的聚合物等缺點，尚需繼續(xù)研究以彌補其不足之處。

1.3.2 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）

1995 年，旅美學(xué)者王錦山[8]首次提出了原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ ATRP） 的概念。 ATRP 這種方法可以有效的控制聚合物分子量的大小和結(jié)構(gòu)。有學(xué)者在金片的表面置于功能單體2-乙烯基吡啶、溶劑乙腈、催化劑 Cu（ I） Br / 三（ 2-二甲氨基乙基） 胺、印跡分子胱氨酸或賴氨酸、交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯 EGD-MA 的混合溶液中得到了表面分子印跡聚合物。

我國學(xué)者利用 ATRP在鹵化后的納米二氧化硅表面， 加入模板分子為雙酚 A，功能單體為4-乙烯基吡啶，催化劑為 Cu（ I） Br 和五甲基二乙烯三胺，交聯(lián)劑為EGDMA中制得了分子印跡聚合材料。還有人以2-溴-2-甲基丙酰溴為引發(fā)劑，在硅烷化的氧化鋁表面，加入催化劑為有機金屬 Cu（ I） Br，交聯(lián)劑為EGDMA，功能單體為乙烯基吡啶的混合液中，成功制得了β- 雌二醇的納米管膜。

經(jīng)研究表明，ATRP在單體的選擇上范圍很寬，除烯烴類單體、醋酸乙烯、氯乙烯等單體聚合外，（甲基） 丙烯酸酯類、（甲基） 丙烯酸酯類、苯乙烯及取代苯乙烯類都可以良好的聚合，并且具有較高的特異識別能力。除此之外，ATRP可合成所有指定結(jié)構(gòu)的聚合物。但ATRP也有一些缺點，如對水、O2要求很高、過渡金屬催化劑的使用量大，還有對于環(huán)境有一定的影響。

1.3.3 氮氧自由基調(diào)介聚合（ NMP）

NMP是指通過傳統(tǒng)的自由基引發(fā)劑形成自由基，然后在氮氧自由基存在的情況下，使活性自由基穩(wěn)定，從而發(fā)生聚合。此種方法在分子印跡技術(shù)中雖然尚無相關(guān)報道，但相信經(jīng)過系列研究，一定會有新的進(jìn)展出現(xiàn)。

2 結(jié)束語

表面印跡法最大的優(yōu)勢就是，因為均為裸露的表面，印跡聚合物的作用識別位點均停留在聚合物或者是固相基體的表面，因此反應(yīng)物質(zhì)的遷移結(jié)合速度快，有利用加速反應(yīng)的進(jìn)行，同樣也減少了包埋現(xiàn)象，不但容易分離洗脫印跡分子，而且還提高了應(yīng)用效率。另外可根據(jù)基質(zhì)表面的性能選擇基體，以提高其穩(wěn)定性。

表面印跡法是近年最新興起的一項分子印跡技術(shù)的制備方法。它的產(chǎn)生使分子印跡技術(shù)又向前邁進(jìn)了一大步，相信未來的一段時間，學(xué)者們會在此方向的進(jìn)一步研究定會得到更大的收獲。

參考文獻(xiàn)：

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