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1、收稿日期:2004-09-20项目基金:国家杰出青年科学基金资助(批准号:20025617)作者简介:王 虹(1962-),男,安徽合肥人,博士后,主要从事聚合物材料的研究工作。联系人:孙 彦,电话:(022)27404981。文章编号:1004-9533(2005)05-0367-04分子印迹聚合物材料的制备及其应用王 虹,黄 亮,孙 彦(天津大学化工学院,天津300072)摘要:作为一种人工受体合成技术,分子印迹方法近年来取得了长足的进展。本文阐述了分子印迹方法的基本原理,详细地讨论了单体、交联剂和印迹分子的选择以及材料的制备等问题。通过讨论,分析了共价及非共价两种结合模式,指出了两者各自
2、的适用范围;比较了3种不同印迹聚合物材料的制备方法;详细介绍了分子印迹聚合物材料在色谱分离、传感器技术、有机合成、催化材料及环境保护等各个领域的具体应用。关键词:分子印迹聚合物;分子识别;分离中图分类号:O63 文献标识码:APreparation and Application of Molecularly Imprinted PolymersWANG Hong,HUANGLiang,SUN Yan(School of Chemical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:As a technique fo
3、r the synthesis of artificial receptors,molecular imprinting strategy has achievedgreat advances in recent years.In this article,an elucidation on the basic principles was given;the selection ofmonomer,cross linker and imprinting molecule,as well as the preparation of polymeric material were propose
4、d.Based on detailed analysis,the differences concerned the characteristics of covalent and non2covalent bindingforms involved in the technique were clearly demonstrated,three featured preparation methods were discussed,and the broad applications of molecularly imprinted polymers(MIPs)in the fields o
5、f chromatographicseparation,sensing technique,organic synthesis,catalysis as well as environmental protections were introduced.Key words:molecularly imprinted polymer;molecular recognition;separation 不同分子间的特异性相互作用常被称为是分子识别作用,对该现象的研究及模拟是生物学、化学等领域里的热门课题1。近年来,随着相关学科的不断发展,人们对其的关注程度与日俱增,各种研究结果不断见诸报道,而与其有
6、关的新发现、新方法及新技术则更是层出不穷,其中日渐成熟起来的分子印迹方法尤其引人注目。1 分子印迹方法的原理从本质上讲,所谓的分子印迹方法就是一种人工受体合成的技术,而采用这种技术制备的聚合物材料,则 被 称 为 分 子 印 迹 聚 合 物(MolecularlyImprinted Polymers,MIPs)2。其最常见的制备方法是:以欲识别的化合物为印迹分子,将其与单体通过共价键、离子键等方式结合在一起,加入交联剂、致孔剂等后引发聚合反应。将得到的聚合物粉碎、过筛,并以一定的溶剂充分洗涤以除去印迹分子、致孔剂及未反应的单体等,从而得到对印迹分子具有特殊识别作用的聚合物材料。显然,这种特殊识
7、别作用的产生基于以下主要两个原因:第一,除去印迹分子后,聚合物上会留下与印迹分子形状相匹配的作2005年9月Sep.2005 化 学 工 业 与 工 程CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERING第22卷 第5期Vol.22No.5用空间;第二,在这个孔穴中,能与印迹分子发生相互作用的那些功能基团在除去印迹分子后,仍保留在其原来位置上,因而在随后的识别过程中,这些固定排列的功能基团与印迹分子间可形成一种精确的互补作用关系,它与上述形状匹配作用空间一起,构成了对印迹分子所特有的高选择性和识别能力。2单体与印迹分子间的结合方式及特点 除少数经过金属配合物作用外,两者间的结合方式可以
8、大体分成共价方式3和非共价方式4。在共价结合方式中,单体与印迹分子间常以席弗碱、硼酸酯、缩醛(酮)、酯等形式先生成共价化合物,待交联聚合反应完成后,再通过一定的化学反应将此共价键断裂,去除印迹分子,得到所要的印迹聚合物。而在所谓的非共价方式中,单体与印迹分子之间的结合则主要是依靠范德华力、氢键、疏水作用以及离子键等,印迹分子与单体间的结合只需通过简单的洗涤即可解除。比较而言,由于共价键存在一定的方向性和饱和性,因此以共价方式得到的印迹聚合物通常都含有确定数量的、有着精确空间排列的功能基团,这就使得其在发生作用时的限制性较强,作用专一,容易形成一对一的识别点位,结合比较牢固,因此这种共价方式在需
9、要高选择性、高识别能力的那些领域,如催化剂的制备、模拟酶等领域得到普遍的采用5。而以非共价结合方式得到的印迹聚合物则与前者有着明显不同;虽然它存在着较多的非特异性结合位点,其识别的专一性要略逊于前者,结合后的牢固性也不太高;但它同时也有着前者所不具备的结合快、解除快、作用条件比较温等显著优点,因此在感器、快速分析鉴定以及色谱分离等方面有着极为广泛的应用4、610。3 聚合方式、单体、交联剂、致孔剂及印迹分子的选择目前,印迹聚合物主要还是通过加成聚合的方式制备的,因此所用单体主要为丙烯酸(丙烯酸酯)系列化合物、丙烯酰胺以及苯乙烯系列化合物等。交联剂则为各种二烯、二胺以及二醛等双官能团以及少数三官
10、能团类化合物。目前,出于性能、价格等综合考虑,双甲基丙烯酸乙二醇酯(Ethylene glycoldimethacrylate,EDMA)成为使用最为广泛的一种交联剂。同时,由于许多应用领域常常需要较大的比表面积和孔穴,因此在制备时根据不同目的加入各种致孔剂,如甲苯、氯仿、二氯甲烷等,这样可以有效地改善印及聚合物材料的使用性能。从种类来看,迄今研究过的印迹分子数目众多2,大体上包括:各种金属离子;糖以及糖的衍生物;各种单核及多核芳香型化合物;杂环化合物;各种药物、杀虫剂、锄草剂;染料分子;各种食品添加剂;各种气体;甾族化合物;麻醉剂、毒品;各种氨基酸、多肽、核苷、核苷酸以及一些大分子蛋白质和细
11、菌等1114。4 不同印迹聚合物制备方法的特点与比较 目前所采用印迹方法可大体分为以下三种:第一种,印迹分子溶解在单体以及随后生成的聚合物的体相中4、9。这也是目前应用最广、制备印迹聚合物的最成熟和最通用的方法,其具体的制备细节如前面介绍。此时,为了成功地制备印迹聚合物材料,对印迹分子的基本要求是,它要能与单体分子、交联剂以及随后生成的聚合物互溶,或者至少是在某种有机溶剂中有一定程度的互溶。考虑到所用单体一般都是有机物,因此该方法中的印迹分子,常常也是能与其相溶良好的有机小分子。该方法的显著优点是制备过程相对简单,聚合体系控制方便;其最大缺点是,在得到整块的聚合物材料后,根据不同的用途与需要,
12、往往还要经过粉碎、过筛、洗涤等后继的处理步骤,因而不可避免地造成分子印迹材料的大量浪费,其损失掉的比例往往要超过总量的50%,从而增加了整个材料的研制成本。第二种,印迹分子只存在于聚合物的表面上15、16。这种方法是在一个已经制备好的大孔固相载体的表面上,先通过接枝、鳌和或是弱相互作用等手段引入含有丙烯酸类双键的单体,再以一定的方式将印迹分子、交联剂和引发剂等混合或是沉积在这种经过化学修饰的表面上,最后引发聚合反应制备所谓的表面分子印迹材料。由于采用的大孔载体本身往往已经具备所要求的结构形态,因此本方法不再需要后继的粉碎处理。本方法在具体操作中的一个难点在于如何才能方便863 化 学 工 业
13、与 工 程2005年9月有效地向载体表面引入所需要的丙烯酸类双键单体,因为其中的羧基和双键都是必须要保留下来的,而常见的一般溶解性能良好的单体又往往没有多余的官能团可用,因此如何才能方便地获得合适的单体,是采用本方法时所必须要加以认真考虑的。第三种方法是通过悬浮或是乳液聚合的方式,将含有印迹分子的聚合物材料直接制备成最终需要的球形,而小球的表面上就存在着那些印迹点位17。这种方法的一个明显好处是省去了许多烦琐的后继处理步骤,如粉碎、过筛等,得到的材料在某些情况下可以直接使用。其不方便之处在于,为了直接获得这种球形材料,必须使用价格昂贵的全氟烃及相应的含氟表面活性剂,这就在相当程度上抵消了该方法
14、所带来的方便和好处。5 分子印迹材料的应用自1972年Wulff首次制备分子印迹聚合物以来,分子印迹技术已取得了长足的进展,各种论文、专题出版物和专利申请数在逐年增加18。从已经公开发表的资料来看,迄今已进行过的研究工作包括了许多不同的学科领域,但投入精力最多且已取得一定进展的,主要还是集中在以下这些方面。1)吸附、分离、浓缩和纯化:在化合物的分离,特别是在性质十分相近的化学和生物制品的前后处理上,分子印迹技术业已显示出了巨大的威力,如化工领域里的手性异构体的拆分、浓缩及分离提纯等。具体应用时,分子印迹材料一般是做成色谱柱、固相萃取或是固相微萃取装置来使用8、9、19。2)化学分析、化学传感器
15、:这是分子印迹材料非常重要的一个应用领域,因为灵敏、高效的化学分析及传感器技术从来就是整个化学、化工向前发展的根本保障。同时,作为化学传感器的分子印迹材料可以克服现有生物传感器的许多致命的缺点,如高成本、低 稳 定 性 以 及 一 些 生 化 试 剂 难 于 获 得等4、6、7、20。但该领域的进展常受到一些其它难题的干扰,比如怎样才能方便地将识别得到的结构信息转变成宏观上易于检测的光、电、磁信号等。3)催化材料:传统的生物酶催化剂尽管有着很高的活性和转化率,但由于其对化工过程中常见的高温、高压环境耐受性差,不易回收和重复使用,使得其应用受到了极大的限制;利用分子印迹聚合物材料所具有的高选择性
16、,耐高温、高压,良好的机械强度,易回收等特点,可以弥补生物酶的不足,制备所谓的“化学酶”,因而对化学工业有着十分重要的意义5。此外,在与人类健康密切相关的制药工业领域,传统的先制备手性药物的外消旋混合物,然后再进行下一步拆分的方法既费时又费力,还造成不必要的污染和浪费,从经济角度看极不合算,因此对其进行改进的呼声一直很高。其中一条很重要的思路就是研究手性催化剂,直接合成手性药物,彻底免除下一步的拆分过程,改进工艺,从根本上提高原料的利用率,以便增强产品的竞争能力。显然,这是分子印迹聚合物可以大显身手的一个领域。4)化学合成:这是一个相对较新的应用领域,主要是用于那些在热力学上不利于进行的平衡反
17、应上,如一些平衡常数很小、需要不断的移去那些无用但又难以移去的副产物的有机化学反应10。或者反过来,通过分子印迹材料将所需的、产量很低的目标物吸附起来,以达到移动化学平衡、提高单位时间内平衡产率的目的。这特别适用于那些反应不宜间歇、移动产物又十分困难的反应过程。5)环境保护:对环境中存在的有毒或是不利于人体健康的废弃物、污染物进行检测和清理具有极其重要的意义,这是一个分子印迹技术可以大显身手的地方18、19。在我们周围的大气、土壤和水资源中,各种各样的杀虫剂、除草剂、重金属以及一些对人体内分泌系统有干扰作用的化学排弃物呈逐年增多的趋势,如何有效地对环境中这些污染物的含量进行监测,对向大气及水源
18、中排放的各种有毒有害废弃物进行有效的排污治理,是一个很大很难问题。6)军事领域:主要是用于核武器中放射性同位素的分离与富集、各种毒品及爆炸物的分析与鉴定上18。如果与传感器技术相结合,则可用于战场条件下对各种化学战、生物战制剂的快速甄别与鉴定。例如,将分子印迹技术与Eu3+的荧光特性相结合,可开发用于战场环境下检测神经毒剂Sarin和Soman的分子印迹聚合物材料6。7)特殊材料:这是人们试图将分子印迹技术应用于传统领域以外所进行的一些尝试,在这方面的研究才刚刚开始,主要的工作还仅限于实验室的探索,所开展的研究项目包括智能型的药物释放装置、一些医用生物材料的表面改性、选择性的晶体生长等21。9
19、63第22卷第5期王 虹等:分子印迹聚合物材料的制备及其应用 6 前景与展望综上所述,分子印迹技术的应用前景是极其广阔的。但如果论及其相对成熟的程度,未来最有希望的应用领域是:制备高效手性催化材料,化学分析与鉴定,传感器,各种目的的分离与纯化、尤其是用于制药和生物工程领域的分离与纯化等。参考文献:1 CRAM D J.The design of molecular hosts,guests and theircomplexesJ.Science,1988,240:760-767.2 WULFF G.Molecular imprinting in cross2linked materialswi
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