（分析化學專業(yè)論文）iniferter活性自由基聚合制備新型分子印跡色譜固定相及應用研究.pdf

iyllll11lij1171u9lfll18illll1flllj8lii19tlu s y n t h e s i so fn e wm o l e c u l a r l yi m p r i n t e d s t a t i o n a r yp h a s eb y l n i f e r t e rt e c h n i qu e a n di t sa p p l i c a t i o n b y s h u f a n g s u u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f e s s o rx i a n g c h a od o n g c o l l e g eo fc h e m i s t r y n a n k a iu n i v e r s i t y m a y , 2 0 0 8 南開大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解南開大學關(guān)于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定， 同意如下各項內(nèi)容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本；學校有權(quán)保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學位論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學?？梢赃m當復制論文的部分或全部內(nèi)容用于學術(shù)活動。 學位論文作者簽名：褊轉(zhuǎn)芳 沏8 年上月j 上e l 經(jīng)指導教師同意，本學位論文屬于保密，在年解密后適用 本授權(quán)書。 指導教師簽名： 芎輸 學位論文作者簽名： 稻移芳 解密時間：年月日 各密級的最長保密年限及書寫格式規(guī)定如下： 南開大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行研究工作 所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文的研究成果不包含 任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉 及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本學 位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。 學位論文作者簽名：l 稻彩芳 矽睜上月，je l 摘要 摘要 論文研究了一種新的基于i n i f c r t c r 活性自由基聚合制備分子印跡色譜固定相 及在色譜分析中的應用方法。這種表面印跡的方法克服了傳統(tǒng)的溶液聚合中模 板分子包埋過深難以洗脫、研磨后聚合物顆粒形狀不規(guī)則、色譜性能差等缺點， 并且表面印跡聚合物的吸附位點一般都在固體載體的表面，因此降低了分子識 別過程中的傳質(zhì)阻力，有效地改善了峰形。在制備過程中，首先通過一系列的 化學反應，在硅膠表面引入二乙基二硫代氨基甲酰氧基( d c ) 基團，作為光引發(fā) 轉(zhuǎn)移終止劑，然后采用分子印跡技術(shù)，以甲基丙烯酸為功能單體和乙二醇二甲 基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，在硅膠表面合成了對于磺胺二甲嘧啶( s m z ) 具有選擇性結(jié) 合能力的新型高效液相色譜固定相，利用高效液相色譜、紅外、元素分析、掃 描電鏡、氧瓶燃燒離子色譜的方法對合成填料的物理特征及分離特性進行了表 征。并研究了不同的合成條件( 如光照時間、紫外燈光強、不同的單體比例等) 對于色譜分離能力的影響。色譜實驗表明該填料具有很高的選擇性，在速為0 5 m l m i n 的流動相條件下，實現(xiàn)了印跡分子與其類似物的基線分離( r = 1 6 1 ) 。 研究工作中，以合成的填料作為固定相，研究了牛奶中s m z 的測定方法， 試驗了不同的流動相、色譜柱溫等對分離效果的影響。在優(yōu)化的色譜條件下， 對牛奶樣品中的磺胺二甲嘧啶進行了測定。在0 1 5 0i _ t g m l 濃度范圍內(nèi)，線性 相關(guān)系數(shù)r 0 9 9 9 ，對濃度為0 0 2 5 ，0 2 5 和0 5i _ t g m l 的加標牛奶樣品的回收率 達7 8 以上，該方法的檢出限為0 0 0 2 5g g m l ，定量限為0 0 0 7 9p g m l 。實驗 證明，表面分子印跡接枝硅膠可以用作高選擇性的色譜固定相實現(xiàn)牛奶中痕量 的磺胺二甲嘧啶的定量檢測，可以簡化復雜生物樣品前處理步驟，縮短分析時 間，防止由于殘留的脂溶性組分的析出而堵塞色譜柱。與常規(guī)的固相萃取前處 理柱相比，表面分子印跡材料制備簡單、選擇性較高，在生物樣品中痕量物質(zhì) 分離富集方面具有廣闊的應用前景。 結(jié)合i n i f e r t e r 的特點，在分子印跡硅膠上成功引入甲基丙烯酸縮水甘油酯， 制備了外層具有親水性，內(nèi)層具有選擇性識別作用的分子印跡限進介質(zhì)色譜固 定相，并考察了其限進性能。結(jié)果顯示，分子印跡限進介質(zhì)對于蛋白有一定的 摘要 排阻功能。 關(guān)鍵詞：“f 缸e r ；表面分子印跡；色譜固定相；磺胺二甲嘧啶 a b s t r a c t a b s t r a c t an e wm e t h o di s d e v e l o p e df o rt h es y n t h e s i so fs u l f a m e t h a z i n em o l e c u l a r l y i m p r i n t e dp o l y m e r ( m i p ) o nt h e s u r f a c eo fs i l i c av i a q u a s i l i v i n g r a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n c o m p a r e dt h et r a d i t i o n a lm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e rs y n t h e s i z e d b yt h eb u l kp o l y m e r i z a t i o n , t h ei m p r i n t e dp a r t i c l e st h a tw e r es u i t a b l ef o rt h eh p l c a n a l y s i sw e r eo b t a i n e dw i t h o u tg r i n d i n ga n ds i e v i n gp r o c e s s i nt h es y n t h e s i s ， i n i t i a t o r - t r a n s f e ra g e n t t e r m i n a t o r ( i n i f e r t e r ) w a si m m o b i l i z e do l lt h es i l i c as u r f a c e a n dt h ei m p r i n t i n gp o l y m e r i z a t i o nw a si n i t i a l i z e db yt h ei n i f e r t e ru n d e rt h eu v r a d i a t i o n t h em 口l a y e rg r o w nf r o mt h es i l i c as u r f a c ew a sc o n s t r u c t e db yu s i n g s u l f a m e t h a z i n e ( s m z ) a st h et e m p l a t e ，m e t h a e r y l i ca c i d ( m a x ) 硒t h ef u n c t i o n a l m o n o m e ra n de t h y l e n ed i m e t h a c r y l a t e ( e d m a ) a sc r o s s l i n k e r u s i n gm i p - s i l i c aa s s t a t i o n a r yp h a s e ，g o o ds e l e c t i v i t yf o rs m za n dh i g hc o l u m ne f f i c i e n c yw e r eo b t a i n e d i nt h eh p l ca n a l y s i s u n d e rt h eo p t i m i z e dh p l cc o n d i t i o n , t h em m - s i l i c aw a su s e df o r t h e d e t e r m i n a t i o no fs m zi nm i l k t h em e t h o dw a sl i n e a ro v e rt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g eo f o 1 5 0p gm u lw i t hc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr o 9 9 9 t h ed e t e c t i o nl i m i tf o rs m z w a s0 0 2 5i _ t g m l t h er e c o v e r i e sw e r ea b o v e7 8 a tt h es p i k c dc o n c e n t r a t i o no f 0 0 2 5 ，o 2 5 和o 5 0 p gm l - 1 i td e m o n s t r a t e dt h a tt h es i l i c ag r a f t e di m p r i n t e d p o l y m e rc a l lb eu s e da st h es e l e c t i v eh p l cs t a t i o n a r yp h a s ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no f t h es m zi nm i l k 、m 廿lt h ea d v a n t a g eo fe a s yp r e p a r a t i o na n dh i g hs e l e c t i v i t y , t h e s u r f a c ei m p r i n t e dp o l y m e r ss h o wap o t e n t i a lf u t u r ei nb i o c h e m i c a ls a m p l ea n a l y s i s an c ws t a t i o n a r yp h a s ec a l l e dt h er e s t r i c t e da c c e s s i n g - m o l e c u l a r l yi m p r i n t e d m a t e r i a lw a ss y n t h e s i z e db a s e do ng r a f t i n gg l y c i d y lm e t h a c r y l a t e ( g m a ) o nt h e s u r f a c eo ft h em i p - s i l i c aw i t hi n i f e r t e rt e c h n i q u e g m aw a su s e df o r t h eh y d r o p h i l i c m o d i f i c a t i o n 。碭ec h a r a c t e r i s t i ce v a l u a t i o nd e m o n s t r a t e dt h a tt h em a t e r i a lh a s p r o p e r t yo fp r o t e i ne x c l u s i o n k e y w o r d s ：i n i f e r t e r ；s u r f a c eg r a f t e dm o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r ；h p l c s t a t i o n a r yp h a s e ；s u l f a m e t h a z i n e i i i 目錄 第一章緒論1 1 1 分子印跡及表面印跡概述l 1 1 1 分子印跡技術(shù)的淵源l 1 1 2 分子印跡聚合物的制備原理l 1 1 3 分子印跡聚合微球的制備方法。3 1 1 4 表面分子印跡技術(shù)5 1 2 i n i f e r t c r 活性自由基聚合硅膠表面分子印跡技術(shù)。6 1 2 1 活性自由基聚合的特點及分類6 1 2 2 i n i f e r t e r 活性自由基聚合在表面分子印跡聚合物制備中的應用7 1 3 具有選擇性吸附作用的限進介質(zhì)研究進展l o 1 3 1 限進介質(zhì)產(chǎn)生的背景及特點。1 0 1 3 2 限進介質(zhì)的分類l l 1 3 3 限進介質(zhì)固定相的合成及應用1 3 1 3 4 限進分子印跡固定相1 3 1 4 本課題的提出及意義。1 4 第二章i n i f e r t c r 活性自由基聚合法制備磺胺- r p 嘧啶表面分子印跡 聚合物及表征2 2 2 1 引言2 2 2 2 實驗部分。2 3 2 2 1 儀器與試劑2 3 2 2 2 硅膠表面接枝光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑i n i f e r t e r 2 4 2 3 結(jié)果與討論2 6 2 3 1 硅膠表面i n i f c r t c r 的制備2 6 2 3 2 硅膠表面分子印跡聚合物的制備2 7 2 3 3 硅膠表面接枝分子印跡聚合物的表征3 2 2 4 結(jié)論3 5 第三章表面接枝分子印跡硅膠固定相在牛奶中磺胺- r p 嘧啶殘留 i g 目錄 檢測中的應用3 9 3 1 引言3 9 3 2 實驗部分4 0 3 2 1 試劑和儀器4 0 3 2 2 牛奶樣品預處理。4 l 3 2 3 色譜條件的選擇4 l 3 2 4 牛奶中的磺胺二甲嘧啶殘留測定4 l 3 2 5 標準曲線4 l 3 2 6 回收率實驗4 l 3 3 結(jié)果與討論一4 2 3 3 1 牛奶樣品的前處理。4 2 3 3 2 色譜條件的選擇4 2 3 3 3 方法的準確性與精密度考察4 5 3 4 樣品測定4 6 3 5 結(jié)論4 6 第四章印跡限進介質(zhì)的合成5 0 4 1 引言。5 0 4 2 實驗部分。5l 4 2 1 儀器與試劑5 l 4 2 2 i n i f e r t e r 法制備表面接枝s m z 印跡硅膠。5 2 4 2 3 印跡硅膠表面接枝親水鏈5 2 4 2 a 限進色譜填料性能評價5 3 4 3 結(jié)果與討論5 3 4 3 1親水單體轉(zhuǎn)化率的測定5 3 4 3 2 接枝反應時間的選擇5 4 4 3 3 限進介質(zhì)性能考察5 5 4 4 結(jié)論與展望5 6 致謝6 0 個人簡歷及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文一6 1 v 第一章緒論 第一章緒論 1 1 分子印跡及表面印跡概述 1 1 1 分子印跡技術(shù)的淵源 分子印跡源于生化領(lǐng)域的分子識別概念，是2 0 世紀末出現(xiàn)的一種高選擇性 分離技術(shù)，它是指制備對某一特定分子( 模板分子或印跡分子) 具有識別性的聚集 體的過程，通常可描述為制備識別“分子鑰匙”的人工“鎖”的技術(shù)。盡管酶、抗體 和受體具有分子識別的高選擇性，但是因其制備復雜、容易在高溫或其它惡劣 環(huán)境下失去活性等缺點，在實際應用中，受到極大的限制。天然主體分子的這 些缺點促使科學家們合成具有某些類似生命分子功能的人工受體。因為分子印 跡材料具有極高的選擇性，且制備方法簡單，穩(wěn)定性好，成本低，具有與酶、受 體和抗體相類似的結(jié)合特性等優(yōu)點，此項技術(shù)受到全球眾多研究人員的重視。 1 9 7 2 年德國的w u l f f t j 、組【l 】首次報道成功地制備出對糖類化合物有較高選擇性的 共價型分子印跡聚合物。1 9 9 7 年成立的分子印跡協(xié)會( s o c i e t yo fm o l e c u l a r i m p r i n t i n g , s m i ) 的統(tǒng)計表明，全世界至少有1 0 0 個以上的學術(shù)機構(gòu)和企事業(yè)團體 在從事m i p s 的研究及開發(fā)工作【2 捌。由于分子印跡聚合物具有預定性 ( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、識別性( r e c o g n i t i o n ) 以及實用性( p r a c t i c a b i l i t y ) ，近年來分子印 跡聚合物在許多領(lǐng)域如化學或生物傳感器【4 ，5 1 、不對稱催化【6 】、固相萃取7 小】、手 性分離 1 2 , t 3 1 和酶催化【1 4 1 等方面得到了應用。 1 1 2 分子印跡聚合物的制備原理 分子印跡技術(shù)是為獲得在空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合點位上與某一分子( 通常稱為模板 分子) 完全匹配的聚合物的實驗制備技術(shù)。它的制備原料涉及到模板分子、反應 溶劑( 致孔劑) 、功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等。其基本步驟一般是先將功能單 體和模板分子以共價鍵或非共價鍵( 氫鍵、靜電作用力、金屬螯合作用力以及疏 水作用等) 形成復合物，再加入交聯(lián)劑，引發(fā)劑和有機溶劑，在一定的條件下( 加 熱，紫外光或其它射線照射) 聚合，生成聚合物，最后通過洗脫的方法，將模板分 子從聚合物中除去，這樣就在聚合物上留下了和模板分子在空間結(jié)構(gòu)、結(jié)合點 位完全匹配的三維空穴，這個三維空穴可以重新專一地再和模板分子結(jié)合，從 第一章緒論 而使該聚合物對模板分子具有特異性的識別功能。 具體地，為得到選擇性較好的印跡聚合物，須從以下幾個方面優(yōu)化印跡聚 合物的制備過程。 ( 1 ) 合適的功能單體的選擇 選擇合適的單體是制備分子印跡聚合物能否成功的關(guān)鍵因素之一。首先單 體必須帶有能與印跡分子發(fā)生作用的功能基，如能與印跡分子生成共價鍵、氫 鍵或能與印跡分子發(fā)生離子對作用。如果模板分子為酸性分子，通常情況下選 用堿性功能單體，如乙烯基吡啶等；如果單體含有酰胺等堿性基團，可以選用 甲基丙烯酸為功能單體，從而有利于單體和模板之間形成穩(wěn)定的復合物，在這 種情況下可得到選擇性很高的結(jié)合位點。其次，功能單體必須能與交聯(lián)劑進行 共聚反應，從而形成穩(wěn)定地交聯(lián)聚合物。 ( 2 ) 交聯(lián)劑的選擇 交聯(lián)劑對制備分子印跡聚合物起著非常重要的作用。理想的交聯(lián)劑應具有 盡可能高的交聯(lián)度，又有良好的底物可近性。這樣既保證模板除去后印跡孔穴 能保持原有形狀而不變形，另一方面它們能與嵌入的底物迅速達到平衡。從而 使得印跡聚合物具有足夠的硬度和較高的柔韌性。 制備m i p 最常用的交聯(lián)劑是乙二醇二甲基丙烯酸酯( e t h y l e n e g l y c o l d i m e t h a c r y l a t e ，e d m a ) 。除此以外還有二乙烯苯，三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸 酯( t r i m e t h y l o l p r o p a n et r i m e t h a c r y l a t e , t r i m ) 等。其中，由e d m a 制得的分子 印跡聚合物具有優(yōu)良的性能；二乙烯苯這種交聯(lián)劑能夠提供較大的交聯(lián)度，使 聚合后的印跡聚合物剛性很大，因此也經(jīng)常使用；用三甲基丙烷三甲基丙烯酸 酯制得的分子印跡聚合物用于高效液相色譜分離手性化合物有著更高的分離效 能和更高的柱容量【l5 1 。 ( 3 ) 聚合溶劑的影響 溶劑必須能很好地溶解模板分子和單體，同時不影響模板分子與單體之間的 相互作用。在強極性溶劑中，單體與模板間的氫鍵較難形成或是穩(wěn)定性較差， 在分子自組裝過程中應當盡量選用弱極性有機溶劑以有利于形成氫鍵。但往往 由于模板分子或功能單體溶解度的限制，必須采用極性有機溶劑，如乙腈、d m f 、 甲醇、四氫呋喃，此時的印跡效果可能會有所降低，但大量的研究表明，制得 的印跡聚合物也能獲得較好的識別效果。另外，聚合物的形態(tài)，包括孔徑也與 溶劑有關(guān)。因此，聚合溶劑也稱為致孔劑。近年來也有學者采用混合溶劑，如 2 第一章緒論 t u r i e l 1 6 】在殺菌劑塞苯咪唑分子印跡時，以甲苯和乙腈( 7 5 2 5 ，v v ) 的混合物 作為溶劑采用沉淀聚合法，制備的m m 粒徑均一，且識別效果較好。在印跡聚合 物應用時，溶劑會使聚合物溶脹，從而導致結(jié)合部位三維結(jié)構(gòu)的變化，減弱其 結(jié)合能力。通常，識別用溶劑最好與聚合用溶劑相一致，以避免任何溶脹問題。 ( 4 ) 引發(fā)體系的控制 分子印跡聚合物大都是通過自由基聚合反應制備的，常用的引發(fā)方式有熱 引發(fā)和光引發(fā)兩種。根據(jù)聚合方法可以選擇不同的引發(fā)體系。如原位聚合分子 印跡整體柱的制備一般采用偶氮二異丁腈為引發(fā)劑于6 0 c 水浴中實現(xiàn)完成【l 刀。 對于一些熱不穩(wěn)定的模板分子而言，必須采用光引發(fā)的方式聚合。與熱聚合相 比，光引發(fā)劑種類較多，光引發(fā)效率較高，聚合時間短，且低溫更有利于模板 分子與功能單體之間形成較穩(wěn)定的復合物，可以改變聚合物的物理性能以獲得 更好的選擇性。因而低溫光引發(fā)的應用更加廣泛。 1 1 3 分子印跡聚合微球的制備方法 封管聚合法 1 8 , 1 9 1 是傳統(tǒng)的分子印跡制備方法，主要步驟是先將模板分子，功 能單體充分混和于同一溶劑中，然后加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，通氮氣除氧后密封， 采用熱引發(fā)或光引發(fā)制備得到塊狀聚合物。將聚合物粉碎、研磨、過篩后獲得 合適大小的顆粒，再經(jīng)過索氏提取除去模板分子，真空干燥后備用。該方法的 主要優(yōu)點在于制備方法簡單、操作條件易于控制、應用比較廣泛，但是制得的 塊狀聚合物需要經(jīng)過粉碎、研磨等繁雜的預處理過程，不但浪費時間、耗費人 力、產(chǎn)量較低，而且在這些過程中不可避免地要破壞一定量的印跡孔穴，過篩 得到的聚合物顆粒通常含有許多細小的、不規(guī)則的顆粒，從而影響印跡聚合物 的識別效果。 為了擴大分子印跡聚合物的應用范圍，人們還利用乳液聚合【2 0 1 、沉淀聚合1 2 1 】、 懸浮聚合 2 2 3 】和多步溶脹聚合法的方法，制備了粒徑在微米級的分子印跡聚合 物微球。 乳液聚合就是將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑溶于有機溶劑中，然后再將 該溶液轉(zhuǎn)移到水中，在乳化劑的作用下，攪拌使其乳化，最后加入引發(fā)劑，引 發(fā)聚合體系，可直接制備粒徑較均一的球形分子印跡材料【2 4 】。 懸浮聚合法1 2 5 - 2 7 】也是制備聚合物微球較為簡便的方法之一。通常使用的單 體是疏水性的，以水或強極性有機溶劑作分散劑。然而，在分子印跡聚合物的 3 第一章緒論 合成過程中，這些強極性的分散劑會與功能單體競爭結(jié)合模板分子，削弱甚至 破壞功能單體與模板分子的結(jié)合強度：另一方面，酸性單體在水中的溶解度過 高，使單體與交聯(lián)劑問的共聚很難進行，如果功能單體具有親水基團，模板分 子就容易分配到水中，因此以水為分散劑制備球形分子印跡聚合物的方法很少 使用。為了克服水或高極性溶劑的干擾問題，m o s b s c h 等【2 8 】采用全氟化碳液體作 為懸浮介質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機溶劑一水懸浮介質(zhì)，即在液態(tài)全氟烴中形成非共 價印跡混合物乳液，采用氟化的表面活性劑及其它含氟的表面活性聚合物作為 穩(wěn)定劑，得到穩(wěn)定的含單體、模板分子、交聯(lián)劑、致孔劑的乳液液滴。與封管 聚合法相比，這種方法可以直接制備分子印跡微球而不需要研磨、篩分等一系 列復雜程序，原料利用率高，聚合物選擇性較好。但是聚合過程中很難控制聚 合物的結(jié)構(gòu)和交聯(lián)度，其結(jié)合位點的可近性及印跡分子的回收率仍不能令人滿 意，且全氟烴易燃、價格昂貴，不利于此方法的大規(guī)模推廣。 近年來，h o s a y a 等1 2 9 j 應用兩步溶脹法得到印跡聚合物顆粒，分離兩種胺基 萘，結(jié)果令人滿意。第一步先在水中進行乳液聚合制備聚苯乙烯單分散微球， 以此作為第二步聚合的種子，將其分散到含交聯(lián)劑、功能單體、致孔劑的混合 體系中，攪拌，完成第二次溶脹。然后加入模板分子在氬氣保護和恒定攪拌速 度下進行游離基聚合反應，生成球形印跡聚合物。該法制得的單分散印跡聚合 物粒子具有規(guī)則的球形，大大提高了色譜柱效率。 沉淀聚合法【3 0 也是目前微球型分子印跡顆粒的制備方法之一。由單體、交 聯(lián)劑、模板分子和致孔劑組成的聚合體系在一定的條件下發(fā)生聚合反應，生成 的聚合物由于不溶于單體和溶劑，產(chǎn)生相分離而從聚合體系中沉析出來，從而 得到具有特定粒徑分布的印跡小球。由于該方法不需在反應體系中加人任何穩(wěn) 定劑，因此制備的聚合物微球表面潔凈，可避免由穩(wěn)定劑或表面活性劑對模板 分子的非選擇性吸附。但是通常由該法制得的顆粒粒徑較小，用作液相色譜填 料柱壓較大。w a n g 等 3 q 以茶堿為模板分子，采用特殊的溶劑組成和特殊的攪拌 方式制備出了適用于色譜固定相和固相萃取的微米級印跡微球，進一步拓展了 沉淀聚合法的應用范圍。p u o c i 等【3 2 3 3 】也采用類似的方法合成出不同印跡分子的 較大的聚合物微球。 表面分子印跡技術(shù)，通過對粒子表面進行修飾制備分子印跡聚合物是制備 微球聚合物的較好的方法。這種方法的最大的優(yōu)點是可以利用粒子的機械穩(wěn)定 性，并可以通過對粒子本身性能的調(diào)節(jié)來適應應用的需要。本文著重對該方法 4 第一章緒論 進行了研究探討。 1 1 4 表面分子印跡技術(shù) 表面分子印跡技術(shù)是近年出現(xiàn)的一種新型的印跡技術(shù)，是基于固體載體表 面的分子印跡技術(shù)。固體載體表面可以選擇在無機材料( 硅膠、氧化鋁或氧化 鈦) 表面【3 4 l 、有機聚合物載體表面【3 5 】或毛細管表面【3 6 1 ，通過接枝聚合反應并引 進分子印跡技術(shù)。與傳統(tǒng)的溶液聚合印跡方法相比，表面印跡聚合物的吸附位 點位于載體的表面，降低了識別過程中的傳質(zhì)阻力，有利于模板分子與親和位 點的相互作用，尤其對于蛋白質(zhì)等生物大分子，由于表面印跡聚合物的結(jié)合位 點具有很好的可接近性，表面印跡更具有優(yōu)勢【3 7 t3 8 1 ，用作色譜固定相可以改善 峰形，縮短分析時f 日- j 3 9 , 4 0 。 ( 1 ) 基于硅膠表面分子印跡技術(shù) 基于硅膠表面的分子印跡技術(shù)首先由印跡研究小組如b a r t e l s 【4 1 ，4 2 】、 b e c k e t 4 3 , 4 4 1 等提出來的，但這項技術(shù)真正在對映體拆分、人工抗體、模擬酶以及 傳感技術(shù)方面的推廣應用是在8 0 年代末期，是f l d m o s b a c h 4 5 】研究小組開展起來。 具體步驟為，首先將含有雙鍵的甲基丙烯酸鍵合n - 氧化硅粒子表面，這樣利用 甲基丙烯酸的羧基與印跡分子形成復合物，再經(jīng)自由基聚合形成表面印跡聚合 物。利用這種方法，m o s b a c h 以不同的染料( 羅丹尼羅藍、堿性桃紅、吖啶黃 和吖啶黃g ) 等作為模板分子，制備了多種表面印跡聚合物，其識別效果令人滿 意。劉亞】等在硅膠表面引入3 一氨丙基三乙氧基硅烷基團，進而利用氨基引入偶 氮基團，在加熱的條件下，制備了硅膠表面替米考星分子印跡聚合物，并且具 有較好的結(jié)合性能。2 0 0 2 年，s u l i t z k y 等 4 7 在硅膠表面修飾上能產(chǎn)生活潑自由基 的基團，引發(fā)印跡接枝聚合反應，制備了l 苯基丙胺酰替苯胺硅膠表面分子印跡 聚合物，翻開了硅膠表面印跡的新篇章。 硅膠表面修飾技術(shù)的優(yōu)點主要有兩個優(yōu)點：首先模板分子可被完全洗脫下 來，而不會被包在聚合物結(jié)構(gòu)中，從而提高了洗脫率和結(jié)合容量。其次由于結(jié) 合位點處于聚合物的表面，減少“包埋”現(xiàn)象，同時在模板分子重新結(jié)合時，不需 要進入聚合物的剛性結(jié)構(gòu)中，因此降低了識別過程中的傳質(zhì)阻力，有利于模板 分子與印跡空穴間的吸附脫附平衡的建立。 ( 2 ) 基于有機聚合物的表面修飾技術(shù) 目前基于有機聚合物表面修飾技術(shù)主要表現(xiàn)在對有機微球【4 8 “9 】、聚合物薄 5 第一章緒論 膜【刪、微濾膜【5 i 】進行分子印跡接枝，利用本身具有光活性基團的商業(yè)膜，如聚 礬膜、含光敏感性二硫代胺基甲酸酯基聚丙烯睛膜等或表面具有功能基團的殼 聚糖膜，采用能夠發(fā)生“奪氫反應”的光引發(fā)劑，首先將膜浸入含有模板分子、 功能單體的溶液中，采用引發(fā)進行光接枝共聚，模板分子和功能單體聚合后以 共價鍵的形式與膜相連，在膜表面形成分子印跡薄層，待洗去膜表面未反應的 單體后，用適當?shù)娜軇┰俪ケ觾?nèi)的模板分子，制得對目標分子具有很高的 特異性的分子印跡膜。分子印跡膜兼具分子印跡與膜技術(shù)的特點，不但能將特 定目標分子從其結(jié)構(gòu)類似物的混合物中分離出來，且性質(zhì)比一般生物材料穩(wěn)定， 抗惡劣環(huán)境能力更強，識別過程擴散阻方小，近年來也是分子印跡技術(shù)領(lǐng)域研 究的熱點之一。 ( 3 ) 毛細管表面接枝 毛細管分子印跡整體柱【5 2 】就是基于石英毛細管內(nèi)壁的硅羥基與含雙建的硅 烷化試劑反應引入可以進行自由基反應的雙鍵，然后將引發(fā)劑、單體、交聯(lián)劑、 模板分子及致孔劑的混合溶液加入到毛細管中，通過光或熱引發(fā)，制得毛細管 分子印跡整體柱。其優(yōu)點是，模板分子用量少，尤其適用于較貴重的印跡分子 聚合物的制備；其次，與常規(guī)的分子印跡整體柱相比，毛細管分子印跡整體柱 的制備過程中一般只需幾毫升的液體試劑，節(jié)省了單體、引發(fā)劑及溶劑的用量。 以上三種表面印跡技術(shù)各有優(yōu)點，利用硅膠作為基質(zhì)可以通過硅膠控制m i p 的形狀和大小，硅膠還可以提高m i p 的機械強度和耐用性，能更好地應用于色譜分 析和分離。此外，硅膠表面分子印跡由于硅膠具有良好的機械穩(wěn)定性，在有機環(huán) 境中不會溶脹等性能，用作高效液相色譜固定相更具有優(yōu)勢。但是與聚合物表 面修飾印跡固定相相比，硅膠為基質(zhì)的印跡固定相所適用的p h 值范圍較窄( 一 般p i - i2 7 ) ；毛細管表面接枝聚合物制備簡單，有機試劑消耗量小，同時聚合 物的分離特性也比較好，但是由于毛細管固有的較小的柱容量，作為色譜分析 柱時，毛細管的柱容量較小。 1 2 i n i f e r t e r 活性自由基聚合硅膠表面分子印跡技術(shù) 1 2 1 活性自由基聚合的特點及分類 高分子聚合物的制備大都通過自由基聚合反應來實現(xiàn)的。因為自由基聚合 具有聚合單體種類多、反應條件溫和易控制、容易實現(xiàn)工業(yè)化等特點，但傳統(tǒng) 6 第一章緒論 的自由基聚合體系中，由于存在增長鏈自由基雙分子偶合或岐化終止、鏈轉(zhuǎn)移 等副反應，導致聚合產(chǎn)物的分子量和分子量分布、鏈段序列、端基等很難控制。 為解決這些問題，2 0 世紀8 0 年代研究學者提出了活性自由基聚合的概念【5 3 】，并 在9 0 年代取得了突破性進展，并成為當今高分子化學研究的熱點之一。由于它 能制備結(jié)構(gòu)明確的聚合物，且聚合物的分子量可以按設(shè)計預測，分子量分布較 窄( m w m n 奄e 1 0 0 o c 母 d o 。 5 0 d 0 1 5 0 奄e 1 0 0 c ) c 叮 d 。o 5 0 d 四 0 02468 1 0 t i m e m i n 02468 1 0 t i m e m i n 圖2 3不同的模板分子與單體比例對印跡聚合物分離度的影響 f i g2 3h p l cp r o f i l e so nm i pc o l u m n sp r e p a r e dw i t hd i f f e r e n t ( s ，i z a daa e d m a ) m o l a r r a t i o s a 模板分子：單體：交聯(lián)劑= 1 ：4 ：2 0 ( 摩爾比) ；b 模板分子：單體：交聯(lián)劑= 1 ：8 ：4 0 ( 摩爾比) 3 0 第二章i n i f e r t e r 活性自由基聚合法制備磺胺二甲嘧啶表面分子印跡聚合物及表征 2 3 2 2 紫外光強度的影響 與單體濃度的影響相似，紫外光的強度同樣影響聚合反應的速度。而紫外 光的強度可以通過改變紫外燈與反應瓶的距離或反應瓶的材質(zhì)實現(xiàn)。本實驗過 程中對光照距離分別為1 0c m 、1 5 鋤合成的接枝印跡聚合物的特性進行了考察。 如表2 2 所示，光強度隨光照距離的增大而變小，導致相同反應時間內(nèi)接枝聚合 物硅球的碳含量變小，但是聚合物對模板分子和其類似物的分離效果卻變好。 說明紫外光距離1 0c m 處聚合的得到的聚合物的較高的碳含量可能不只來源于 分子印跡聚合物層，也可能由于發(fā)生了因光強度太大而引起的單體自聚等副反 應( 因為反應后的溶液較為粘稠) ，使得生成的小分子均聚物附著在硅膠表面， 很難除去，導致聚合物的碳含量較高，但實際其所包含的真實的識別位點并沒 有那么多，所以印跡效果較差；同時，光照距離越近，反應體系溫度越易升高， 而低溫有利于單體與模板分子之間復合物的形成。距離為2 0o n 時，光強度為 5 5m w c m 2 ，為得到相同厚度的印跡層必須增長反應時間，因此為較好的控制反 應體系的溫度與避免副反應的發(fā)生，實驗采用光照距離1 56 t f l 為適宜的紫外燈距 離。 表2 2 印跡聚合物接枝硅球的分離特性與光照距離的關(guān)系4 t a b l e2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w c e l lt h ep r o p e r t yo fm i p - s i l i c aa n dt h eu vi r r a d i a t i o nd i s t a n c e 4 8 聚合時間4h ，反應在玻璃容器中進行，溶劑體積為4 0m l 。( s m 7 j m a a e d m a ) 比例為l ：8 ：4 0 6 光強度在3 6 5n i n 波長下測定 實驗中還發(fā)現(xiàn)，反應瓶的材質(zhì)直接影響透過紫外光的強度。在相同的反應 時間內(nèi)，以玻璃瓶為反應容器，得到的聚合物層的厚度明顯低于石英反應容器 內(nèi)得到的聚合物的厚度。由于不同材料對紫外光的吸收能力不同，導致實際透 過反應容器的光的能量不同，引發(fā)自由基反應的速率不同，在相同的光照時間 內(nèi)，接枝聚合的聚合物量就會不同。表2 3 對比了在兩種反應容器內(nèi)制得的聚合 物的一些特性。其中反應時間為3h ，光照距離1 5 鋤m i p s i l g 和m 1 p s i l q 分 3 1 第二章i n i f e r t e r 活性自由基聚合法制各磺胺二甲嘧啶表面分子印跡聚合物及表征 別代表玻璃瓶和石英瓶內(nèi)制得的聚合物。 表2 3 不同材料反應容器內(nèi)得到的印跡聚合物接枝硅球的性能比較4 t a b l e2 3c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i p s i l i c am a t e r i a l so b t a i n e di ng l a s sa n d q u a r t zv e s s e l s r e s p e c t i v e l y = 4 反應光照時間3h ，光照距離1 5c m ，溶劑體積4 0m l ，( s m z m aa e d m a 戶l ：8 ：4 0 ； 6 代表聚合物層的厚度，計算公式參照實驗部分2 3 2 2 3 2 3 聚合時間的影響 一般來說，對于自由基聚合反應，聚合物的分子量隨聚合時間的增長而增 加。為考察聚合時間對分子印跡聚合物層分離效果的影響，研究工作中采用不 同的聚合時間( 2h 、3h 、4h ) ，制備了硅膠表面分子印跡聚合物，并對其分離 特進行了對比。( 見表2 4 ) ?？梢钥闯觯斁酆蠒r間由2h 增加到3h 時，印跡聚 合物接枝硅球的碳含量明顯增加，聚合物層的厚度變厚，對模板分子的保留能 力增強，對模板分子與其類似物的分離情況變好，其中分離度由原來的1 0 4 增大 到1 6 2 。但是，當反應時間增加到4h 時，聚合體系的粘度變得很大，明顯有溶 液聚合的產(chǎn)物生成。這是因為，隨著接枝聚合反應的進行，聚合物鏈長不斷增 長，使得不斷生成的新的引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑的體積不斷增大，加上聚合體系黏度 增加，導致其在反應體系中自由基運動變的越來越緩慢，可逆鏈終止作用變得 越來越弱，從而促使單體自聚的副反應的發(fā)生，而生成的單體均聚物有可能附 著在硅球的表面，給產(chǎn)物的后處理帶來不便。如果包覆的沒有識別能力的均聚 物不能清洗干凈，就會影響印跡層的識別效果。因此，綜合考慮分離效果與副 反應，選擇3h 作為此研究工作的較為適宜的聚合時間。 2 3 3 硅膠表面接枝分子印跡聚合物的表征 2 3 3 1紅外表征 印跡聚合物接枝前后的紅外光譜圖如圖2 4 所示。a 為空白硅膠( s i l ) 的紅 外光譜圖，b 為接枝印跡聚合物( s i m i p ) 后的紅外光譜圖，c 為印跡接枝前i n i f e ：n o r ( s i i ) 紅外光譜圖。可以看出接枝分子印跡聚合物后，在1 7 6 0 鋤d 處出現(xiàn)了羰 3 2 第二章i n i f e r t e r 活性自由基聚合法制備磺胺二甲嘧啶表面分子印跡聚合物及表征 基的特征吸收峰，而印跡聚合體系中只有單體( m a a ) 與交聯(lián)劑( e d m a ) 分 子式中含有羰基，說明硅膠表面成功接枝上聚合物。對接枝前后的硅膠做碳元 素分析，碳含量由接枝前的3 0 7 增加到1 1 4 8 ，也證明了接枝反應在選定的 聚合條件下可以成功的進行。 表2 4 聚合時間對印跡聚合物接枝硅球性質(zhì)及分離效果的影響 t a b l e2 4e f f e c to ft h ei r r a d i a t i o nt i m eo nt h ep r o p e r t yo ft h em o l e c u l a ri m p r i n t e d p o l y m e r s g r a f t e ds i l i c a 4 聚合物碳元素含量；6 和。分別為由氮吸附法測得的接枝硅球比表面積和孔容；d 為聚 合物層的厚度( 按實驗部分2 3 2 中的公式計算得出) ； 8 為印跡填料色譜柱的理論塔板數(shù) ( 以模板分子的保留值計算得出) 。 零 糌 翅 蝌 0 05 0 01 0 0 01 5 2 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0繃 波數(shù)e m - 1 圖2 4 硅膠表面接枝分子印跡聚合物前后紅外光譜圖 f i g2 4 t h ei r s p e c t r u mo f t h em 口g r a f t e ds i l i c a 3 3 第二章i n i f e r t e r 活性自由基聚合法制備磺胺二甲嘧啶表面分子印跡聚合物及表征 2 。3 3 2 掃描電鏡 如圖2 5 所示，a 為接枝分子印跡層后的硅膠表面電鏡圖，b 為未接枝的硅膠 表面電鏡圖?？梢钥闯觯又α擞≯E聚合物后，硅膠表面變得粗糙不平，說明 硅膠的表面已接枝上由單體與交聯(lián)劑聚合產(chǎn)生的聚合物。同時，氮吸附結(jié)果發(fā) 現(xiàn)，接枝聚合物后的印跡硅膠的比表面積和孔容都有所減小，說明在硅膠的內(nèi) 孔表面也有聚合物生成。 圖2 5 接枝印跡聚合物前后硅膠表面掃描電鏡圖 f i g2 5s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o g r a p h so ft h ei m p r i n t e dp o l y m e rg r a f t e ds i l i c a ( a ) a n dt h eb a r e s i l i c a ( b ) 2 3 3 3 色譜表征 將印跡硅膠與非印跡硅膠分別裝入1 5 0m i n x 4 6m i l l 不銹鋼色譜柱，在相同 的色譜條件下考察了接枝印跡硅膠的選擇性。模板分子( s m z ) 與其結(jié)構(gòu)類似物 ( s m o ) 的結(jié)構(gòu)如圖2 6 所示?？梢钥闯?，兩者均具有可以與單體形成氫鍵的對氨 基苯磺酰胺基團，不同的是模板分子s m z 中苯磺酰胺的取代基為六元環(huán)，而 s m o 分子上的酰胺