分子印迹聚合物在分离化学中的应用进展-应化1102-凃杨-1505110612

分子印迹聚合物在分离化学中的应用进展应化1102凃杨1505110612摘要:分子印迹聚合物是一种具有固定空穴大小和形状及有确定排列功能团的交联高聚物，具有专一识别性、亲和性、稳定性好、使用寿命长等优势，备受人们的青睐。综述了分子印迹聚合物的制备以及在色谱分离、固相萃取、膜分离、毛细管电泳、传感器等领域的应用，最后指出了该技术存在的问题及其发展前景。关键词:分子印迹聚合物;分离化学;应用进展前言：分子印迹聚合物(Molecularlyimprintedpolymers,MIPs)是指以目标分子为模板分子，将具有结构互补的功能化聚合物单体，通过共价或非共价的方式与模板分子结合，加入交联剂进行聚合反应，反应完成后将模板分子提取出来，形成一种孔穴大小和形状固定以及有确定排列功能团的交联高聚物。分子印迹技术从出现至今，已有70余年的历史。它最初源于20世纪40年代Pauling提出的以抗原为模板来合成抗体的想法。随后在20世纪70年代，分子印迹技术开始迅猛的发展，Wulff等进行了一系列开创性的工作,成功地合成了对糖分子具有选择性识别功能的MIP。到1993年，Mosbach在Nature上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道，自此分子印迹技术成为国内外研究的热点。每年关于分子印迹聚合物的合成及应用的论文数量直线上升，这与分子印迹聚合物的通用性、立体专一识别性、亲和性和抗恶劣环境能力强，稳定性好、使用寿命长等优点是密不可分的。1分子印迹技术的基本原理分子印迹技术就是制备高分子聚合物的过程，该高聚物对目标分子(也称作印迹分子或模板分子)具有特定选择性。该过程主要包括3个步骤:a.印迹分子和功能单体(Functionalmonomer)通过共价键(Covalentbond)或者非共价键(Non-covalentbond)形成可逆的化合物或复合物(Complex);b.加入交联剂(Cross-linker)，在一定条件下发生聚合反应形成具有三维网状结构的共聚物,并将该化合物或复合物固定在这种网状结构上;c.用溶剂洗提或酸解等方法洗去模板分子,在网络结构中留下一个与印迹分子在空间结构上完全匹配,并含有与模板分子专一结合功能的三维孔穴,即对印迹分子具有专一性识别作用。2分子印迹聚合物的制备制备分子印迹聚合物的方法有很多,其中常用的聚合方法有5种:1)液液聚合方法.利用光照和加热诱导自由基聚合，将形成的块状聚合物研磨成一定大小的无定形颗粒；2)原位聚合方法。采用分子模板、功能单体、交联剂、溶剂在柱内直接聚合，形成整体柱；3)悬浮聚合法。在分散介质中,加入特制的聚合物表面活性剂使印迹混合液形成乳液,聚合后形成粒度范围非常窄，形态规则的MIPs颗粒［5］；4)种子聚合法。经过多步溶胀，得到粒径均匀的聚合物颗粒；5)表面印迹法。引入基体，在基体表面发生单体与模板的聚合反应，克服了空间位阻的影响，产生更多易于接近的识别位点。此外，还有一些其他方法:1)共价法。使模板分子与功能单体发生缩和反应，产生共价连接，随后模板分子与功能单体复合物在交联剂作用下聚合,之后再打开共价键，洗脱掉模板分子。2)非共价法。在聚合前，功能单体和模板分子预先以非共价键的形式排列，在聚合完成后,洗掉模板分子，单体和模板分子作用的基团被保留。3)半共价法。集共价和非共价作用的特点于一身，即首先依靠功能单体和模板分子之间的共价结合作用形成聚合物，在洗脱掉模板分子后，形成的分子印迹聚合物则依靠非共价结合作用识别模板分子。3分子印迹聚合物在分析化学中的应用3.1在分离领域的应用3.1.1色谱分离在色谱分离中，分子印迹聚合物作为固定相，其作用类似于免疫色谱中的免疫吸附剂。Matsui等首次采用原位聚合法在液相色谱柱中直接合成了分子印迹聚合物，作为色谱分离的固定相，分离相应手性化合物的对映体，但由于柱效和分离能力有限，且负压高，未能得到相应对映体化合物的分离谱图，因此在较长时期未能引起人们重视。随着分子印迹技术的成熟以及分子印迹整体柱制备条件的不断改善和优化，分子印迹整体柱的分离和识别性能得到了极大的提高，且越来越广泛地应用于HPLC和毛细管液相色谱(Capillaryliquidchromatography，CLC)分析中。Hamayun等通过改进悬浮聚合法，在有机相液滴中获得模板分子，避免了模板分子的衍生作用，制备了D-苯丙氨酸印迹聚合物微珠，将其密封在一个空的不锈钢柱中，作为高效液相色谱的固定相分离苯丙氨酸对映异构体，首次实现了D，L-苯丙氨酸的手性分离。Songkram等以伪黄麻碱和去甲黄麻碱为模板分子制备了分子印迹聚合物，作为手性固定相应用于薄层色谱中，直接分离拟肾上腺素。研究结果表明，该分子印迹聚合物对拟肾上腺素有很高的选择性和亲和性，检出限可达到0.1mg/L，是一种快速有效、切实可行的手性化合物分析方法。Valero-Navarro等以咖啡酸为模板分子，4-乙烯基吡啶为功能单体，二乙烯基苯为交联剂，制备了微球形咖啡酸分子印迹聚合物，将它作为高效液相色谱的固定相，测定苹果汁中的咖啡酸。研究结果表明，该聚合物对模板分子具有高的吸附能力和特殊的识别性能，并且检出限较低，可达到0.5×10－3mg/L。3.1.2固相萃取1994年Ellergren首次将分子印迹聚合物应用于固相萃取。与液液萃取等其他萃取方法相比，印迹聚合物既可在有机溶剂中使用，又可在水溶液中使用，具有独特的优点，可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分析物。Turiel等以硅基毛细管为模具，除草剂扑灭津为模板分子，以甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，混合后填充到硅毛细管中，热引发聚合，用NH4HF2洗去外面的硅层，制得分子印迹整体纤维材料，详细考察了影响聚合物形貌和吸附-解吸特性(溶液、时间和温度等)的因素。研究结果表明，该分子印迹纤维具有良好的选择性和亲和性，将其应用于固相微萃取环境和食品样品中的目标分析物，分离度可达1.02，结果令人满意。Li等使用甲基丙烯酸作为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，甲苯作为致孔剂，经过多步溶胀和聚合方法制备了大小均匀的分子印迹聚合物。将其作为固相萃取材料，分离和富集生物样品中微量的多巴胺。用扫描电子显微镜和比表面分析仪来分析分子印迹聚合物的形貌特征。使用紫外光谱法、傅里叶变换红外光谱法、Scatchard分析法和动态研究法来说明MIPs的特殊识别能力和聚合过程。结果表明，与其他固相萃取材料相比，该分子印迹聚合物显示了高吸附能力和特殊的识别能力，萃取效率高于95%。3.1.3膜分离通过分子印迹聚合物对模板分子的“记忆”效应达到对目标分子的特异性选择，将分子印迹技术和膜分离技术结合起来，制成的分子印迹聚合物分离膜。与普通的分离膜相比，对特定分子具有高选择性;与传统的印迹聚合物相比，无需粉碎研磨并且印迹孔穴保留率高，分子识别性能强。分子印迹膜是功能化分离膜的研究热点，是对传统的膜分离技术的一次突破。1990年Piletsky等采用原位聚合法制备了最早的分子印迹聚合物膜。Yuuki等以醋酸纤维素为模板，制备了分子印迹纳米纤维膜，手性分离样品中的醋酸纤维素。研究表明，以醋酸纤维素为模板制备的纳米纤维膜在分离过程中，水通量由0达到了3045L·m－2·h－1，其选择吸附性、亲和常数、选择通透性和流量方面都具有明显的优越性，是一种切实可行的分离方法。Ma等在光照和引发剂的作用下，以香豆素-3-羧酸为模板分子，丙烯酰胺为功能单体，三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸(TＲIM)为交联剂，在聚偏氟乙烯(PVDF)微孔滤膜表面聚合形成分子印迹聚合物膜。研究结果表明，该印迹膜对模板分子具有较高的结合性和渗透选择性(水通量约1500L·m－2·h－1)，该方法为从复杂样品中分离模板分子奠定了理论和实验基础。CheKu等采用反相共价印迹技术制备了分子印迹膜，选择性吸附α-生育酚Scatchard分析表明分子印迹膜对α-生育酚亲和力好和选择性高，在分离系数为15.5时，通过高通量渗透的简单过滤过程，可以实现α-生育酚的最佳分离。3.1.4高效毛细管电泳分离高效毛细管电泳分辨率高、分离时间短、进样量少、成本低，是一门新型分离技术，目前已成为分析化学领域重要的分离工具。把分子印迹聚合物和高效毛细管电泳相结合，可以克服高效液相色谱柱效率过低的缺点，是现代分析化学研究的前沿领域之一。Carmen等以噻苯咪唑作为模板分子，甲基丙烯酸作为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，偶氮二异丁腈作为引发剂，合成分子印迹聚合物。将该分子印迹聚合物作为毛细管电泳的固定相，通过非水相的毛细管电泳选择性测定柑橘样品中的噻苯咪唑。研究结果表明，分子印迹毛细管电泳对噻苯咪唑有较高的选择性，该方法可以直接测定柑橘样品中的噻苯咪唑含量，样品不需要预处理，检出限为0.5mg/L，清楚地证明该方法的适用性，并且被用于控制杀菌剂的选择。吴达以双酚A为模板分子，硫化聚乙烯为功能单体，用沉淀聚合法制备了双酚A分子印迹聚合物，将该分子印迹聚合物作为毛细管电泳的固定相，检测复杂样品中双酚A的含量。研究结果表明，双酚A印迹的毛细管电泳对复杂样品中的双酚A显示了高选择性和亲和性，分离度可达5.93。3.2在传感技术领域的应用近几年来，分子印迹技术得到快速发展，由于分子印迹聚合物敏感材料的耐高温性，同时也耐高压、酸、碱和有机溶剂，并且合成方法简单，不易被生物降解破环，可重复多次使用，容易保存，因此以分子印迹聚合物作为传感器敏感材料的分子印迹传感器，成为分子印迹技术应用研究的另一个重要方向。3.2.1分子印迹聚合物电化学传感器分子印迹聚合物电化学传感器的首次应用是Tabushi等利用分子印迹聚合物作为敏感材料制备电化学传感器，成功检测了维生素，从此分子印迹电化学传感器引起了人们广泛的兴趣，成为国内外研究的热点。随后Kriz等将MIPs用于电导型传感器。根据正负电分析物键合可直接产生信号的原理，以带正电荷或带负电荷的分析物作为模板分子，制备MIPs来检测溶液中的目标分析物，并以另一种不带电的模板分子印迹过的MIPs作参照，结果表明前者的导电率明显的高于后者，并且传感器与参照传感器之间的差异与分析物浓度有关。Ｒezaei等通过处理纳米层，获得了多层碳纳米管表面上的分子印迹识别位点的电化学别嘌呤醇传感器。将对别嘌呤醇有特殊识别位点的MIPs膜固定在多层碳纳米管表面上，并将此多层碳纳米管与玻碳电极相结合，富集样品中的别嘌呤醇，吸附平衡时间大约是9min。使用改性的玻碳电极富集别嘌呤醇，对别嘌呤醇显示出了极佳的选择性，其线性变化范围是0.01～1.0μmol/L，检出限为6.88nmol/L，利用该电极成功测定了人类血清样品中的别嘌呤醇含量。Basma制备了以分子印迹聚合物为基础的电化学传感器，经过聚丙烯的溶剂蒸发处理过程，选择性测定肌氨酸酐和尿素的含量。使用傅里叶红外光谱法观察分子印迹聚合物的化学特性和形貌特征，并且电化学阻抗谱显示了测定尿素含量的检出限为0.01mg/L，检测的线性范围是0.02～3mg/L，测定肌氨酸酐含量的检出限为0.04mg/L，检测的线性范围是0.05～2mg/L。分子印迹聚合物电化学传感器对两者的测定都显示了较好的选择性。3.2.2分子印迹聚合物光化学传感器Kriz等较早报道了分子印迹聚合物光化学传感器的制备和应用，采用静态吸附和光纤传感检测技术，证明带有荧光标记基团的氨基酸L-丹磺酰苯基丙氨酸(L-DPA)的荧光检测性能。结果表明，L-MIP对L-DPA有特异性选择吸附能力，而D-MIP对D-DPA有特异性选择吸附能力;L-MIP基传感器的荧光信号与所加分析物和它的浓度有关，当分析物质为L-对映体时能够获得较高的荧光信号。同样，D-MIP基传感器的荧光信号对分析物的D-对映体具有更高的荧光信号。从而显示出在传感技术方面分子印迹聚合物作为人工识别体系的应用优势。Wang等制备了带有分子印迹聚合物的氧化荧光传感器，并且将其应用于测定人血清中6-MP的含量。在测定人血清中6-MP的含量时，选用以分子