摘 要 分子印迹聚合物因制备简单、稳定性好、且具有分子识别功能使其在色谱分离、固相萃取、化学传感、模拟酶催化等方面有了广泛的应用。近年来,基于硅材料的分子印迹聚合物发展较为快速。本文主要介绍了硅材料的分子印迹聚合物的制备及分子识别性质研究,并对其应用进行了分类,在此基础上对其将来的发展进行了展望。
关键词 分子印迹聚合物 硅材料 分子识别
1 引言
分子识别在生物体中发挥着十分重要的作用,自然界中的一些生物分子如酶、抗原和激素等对底物、抗体及受体等存在着特异性的分子识别现象,从而决定生物体能否正常生长。但这些生物分子存在制取复杂、稳定性差、存储和操作不便等缺点。分子印迹技术是20世纪70年代以来出现的人工合成具有专一识别位点的聚合物的技术,采用分子印迹技术可以制备出稳定性好、合成简单且具有分子识别功能的分子印迹聚合物。分子印迹聚合物的制备方法也在不断更新,从本体聚合[1,2]发展到悬浮聚合[3,4]、沉淀聚合[5,6]和表面聚合[7,8]等,得到的印迹聚合物在色谱分离[9,10]、固相萃取[11,12]、化学传感[13,14]、模拟酶催化[15,16]等方面得到了广泛的应用。
目前,制备分子印迹聚合物母体材料的交联剂种类较少,主要为可参加自由基聚合的烯烃化合物,如乙烯基乙二醇甲基丙烯酸甲酯、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯和二乙烯基苯等。这些交联剂通常只能在有机溶剂中使用,大大限制了印迹聚合物的发展。采用反应条件温和的溶胶-凝胶技术可以使有机硅烷试剂在水相或有机相中发生水解形成高聚物,且多数有机硅烷化合物中含有能与印迹分子发生相互作用的官能团,又可作为功能单体应用到印迹聚合物的合成中,因此基于硅材料的印迹聚合物得到了快速的发展。
为了减少印迹分子的“包埋”现象,加快印迹聚合物对印迹分子的吸附速率,目前印迹技术的很多工作都集中在采用表面印迹技术,在一定的基质材料的表面进行印迹聚合物的制备[17—19]。可选用的基质材料的种类很多,其中硅基材料由于相容性好、机械性能强、稳定性好、表面易改性等突出的优点,而被大量地用于表面印迹聚合物的制备和研究中。本文拟就近年来基于硅材料的分子印迹聚合物的制备和研究做一综述介绍。
2 分子印迹技术
分子印迹技术是指印迹分子与功能单体先通过可逆反应形成复合物,然后在交联剂的存在下,聚合生成高度交联的刚性高分子聚合物,除去印迹分子后在聚合物的网络结构中留下具有结合能力的官能基团,可作为分子受体在众多印迹分子结构类似物中选择性地识别印迹分子。
根据印迹分子与功能单体在聚合过程中相互作用的机理不同,分子印迹技术可分为两种基本类型。第一种是共价法,由Wulff创立。印迹分子与功能单体分子之间通过共价键结合生成可聚合的单体,交联聚合后采用化学方法将共价键断裂,除去印迹分子。该法的优点是印迹分子与功能单体分子之间的作用力强,使聚合反应可在强极性溶剂中进行,且印迹位点精密确定。
但是这种可逆的化学反应种类较少,印迹分子的洗脱和结合速率很慢。第二种是非共价法,由Mosbach创立。印迹分子与功能单体之间以氢键、疏水作用、电荷转移等作用相互结合后再进行交联聚合。这种聚合反应简单,印迹分子的洗脱和识别较为快速,且其识别过程更接近于天然的分子识别系统,是常用的方法。另外,还有将这两种方法结合起来进行印迹聚合物的制备和性质研究,即在聚合过程中印迹分子与功能单体之间的作用方式是共价型的,而识别过程中的作用方式是非共价型的。
3 基于硅材料的分子印迹聚合物的制备
1949年Dickey等以染料甲基橙作为印迹分子,酸化硅酸盐溶液制成染料的印迹硅胶,得到了对甲基橙的吸附比对乙基橙的吸附能力高两倍的吸附材料,开始了对基于硅的分子印迹聚合物的制备及研究。目前,这个方面的研究已取得了很多有益的进展,由早期采用硅烷直接作为母体材料进行印迹聚合物的制备,发展到在不同形貌的硅材料表面进行印迹聚合物的制备。
3.1 以硅烷作为印迹聚合物母体材料
一般采用溶胶-凝胶技术,在温和的条件下制备以硅为母体的分子印迹聚合物。Dai等[20]以UO2(NO3)2·6H2O为印迹分子,四甲氧基硅为制备聚合物的母体材料,在硝酸的催化下制备了印迹聚合物硅胶,并对其吸附容量和吸附选择性进行了研究。与具有相同表面积的非印迹聚合物相比,印迹聚合物硅胶对UO2+2具有一定的亲合性和选择性。随后他们[21]又对印迹聚合物硅胶进行了稳态荧光和荧光寿命的详细研究,进一步证明制备的印迹聚合物硅胶对印迹分子具有很好的选择性和很高的吸附容量。
Collinson等[22,23]以多巴胺为印迹分子,苯基三甲氧基硅和甲基三甲氧基硅为功能单体、四甲氧基硅为交联剂,在酸性条件下催化水解,再将其滴涂在电极表面,形成印迹聚合物膜。采用循环伏安法表征了印迹聚合物膜的性质,结果表明该印迹聚合物膜对多巴胺具有特异的吸附能力,并可消除抗坏血酸对多巴胺测定的干扰。Pinel等[24]用酸、碱催化水解、缩合四乙氧基硅,制备了印迹硅胶固体,相对于空白样品,对印迹分子甲醇有较强的吸附能力。当以邻甲酚作印迹分子合成的硅胶固体,对邻甲酚和对甲酚吸附有相似的结果。
He等[25]采用一种与水不相溶的离子液体作为溶剂和致孔剂用来制备印迹聚合物硅胶,可选择性识别雄激素。Puleo等[26]将溶胶-凝胶技术与抗原决定基法相结合制备了整个溶菌酶和16-残基的溶菌酶C多肽的印迹聚合物硅胶。溶菌酶印迹聚合物硅胶吸附溶菌酶为吸附的非印迹分子核糖核酸酶的4倍,而16残基的溶菌酶C多肽印迹聚合物只表现出轻微的吸附特性。Ki等[27]以雌酮作为印迹分子,与功能单体三乙氧基丙基异氰胺硅烷共价键合后,再加入交联单体四乙氧基硅烷进行聚合,加热断裂共价键,洗脱除去印迹分子,制备成球状的雌酮印迹聚合物,实现了对雌酮的识别。
Ling等[28]在水热条件下浓缩四乙氧基硅,并加入氯化铝以增强对印迹分子的再结合能力,制备了儿茶酚的分子印迹聚合物;考察了影响识别能力的因素,如被分析物的酸度、硅胶表面印迹聚合物的覆盖度和硅-铝溶液的酸度等;并且将儿茶酚印迹聚合物修饰在晶体石英微天平表面构建了电化学传感器,原位测定印迹分子。Brandy等[29]制备了癸胺三硝基苯分子印迹周期性介孔有机硅,将卟啉结合在其中作为结合印迹分子的光学指示剂。这种有机硅材料同时具有稳定性好、识别能力强、对卟啉具有灵敏高和选择性结合位点密度大的优点。
Zhang等[30]通过三氨基丙基三乙氧基硅与四乙氧基硅的溶胶-凝胶作用选择性地在氧化铝膜的多孔内壁表面制备了2,4,6-三硝基苯的印迹硅纳米管。管壁超薄,厚度约为15nm,可接近性好、传质阻力低。
3·2 以硅胶作为基质
二氧化硅的机械性能强,性质稳定,且表面易于进一步修饰。在二氧化硅表面进行印迹聚合物的制备,一方面可以增大印迹聚合物的机械强度,另一方面可极大暴露印迹作用的表面积,减少“包埋”现象,加快吸附速率。因此,目前在硅材料表面进行印迹聚合物的制备和研究得到了快速的发展。
3·2·1 以球形二氧化硅为基质
以球形二氧化硅为基质进行印迹聚合物的制备,根据二氧化硅表面修饰物质种类的不同,基本可以分为两类。
一类是在球形二氧化硅表面共价键合乙烯基,它可引导印迹聚合物的聚合反应选择性地发生在二氧化硅的表面。Sakai等[31]在含有溶菌酶的预聚合溶液中,加入表面修饰了双键的二氧化硅粒子及引发剂,在水相中进行了聚合物的制备,得到了以二氧化硅为基质材料的表面含有溶菌酶识别位点的印迹聚合物,可以选择性地吸附溶菌酶。Zhang等[32]报道了在乙烯基功能化的硅纳米粒子表面制备2,4,6-三硝基苯印迹聚合物。
果表明硅表面修饰的乙烯基功能单体不仅可以通过与功能单体的末端乙烯基共聚引导印迹聚合反应选择性地发生在硅表面,而且使得印迹分子与功能单体在聚合物层中形成电荷转移复合物,这样在聚合物表面形成了高密度的有效结合位点,由此使得制备的印迹聚合物具有快速的吸附动力学和高的吸附容量。我们课题组[33]也在自制的二氧化硅纳米球表面修饰乙烯基后,进行了对苯二酚印迹聚合物的制备。该印迹聚合物具有较快的吸附速率,并将其修饰在玻碳电极表面,采用电化学方法实现了对印迹分子含量的测定。
Akiyama等[34]和Song等[35]在印迹分子和丙烯酰环糊精存在的情况下,以乙烯基修饰的二氧化硅微球为基质材料,在其表面进行了分子印迹聚合物的制备,增强了印迹聚合物的机械性能,可用作高效液相色谱固定相。前者实现了对L-Phe-L-Phe二肽对映体的分离,后者实现了对多肽的识别,并证实了印迹的效果并不是与印迹多肽的初始结构有关,而是与多肽在溶液中的构象有关。Li等[36]在二氧化硅微球表面同时键合环糊精和丙烯酰胺,然后进行了色氨酸印迹聚合物的制备,并研究了环糊精和丙烯酰胺对印迹聚合物识别性能的影响。
另一类是在球形二氧化硅表面接枝上引发剂后,再进行印迹聚合物的制备。4,4-偶氮-2(4-氰基-戊酸)是一类在印迹聚合物制备过程中常用的引发剂,一般是将其修饰在基质材料的表面,再进行印迹聚合物的制备。Lorenzi等[37]将该法制备的印迹聚合物用作毛细管电色谱固定相,对L-苯基丙氨酸苯胺表现出良好的识别性能。Sulitzky等[38]通过对聚合物厚度的微调来改善印迹聚合物的吸附动力学性质和吸附容量,并将其应用于色谱固定相,探讨了聚合物厚度、溶剂、硅胶孔径、交联剂浓度和流动相组成对色谱性质的影响。
Shamsipur等[39]也将该法制备的印迹聚合物用作色谱固定相,考察了印迹分子铀酰离子的浓度、pH值和在聚合物表面溶液的流动速度等因素的影响。在优化的条件下对铀酰离子表现出很强的亲合性,并可用在实际水样的预浓缩和测定中。Sellergren等[40]通过可逆加成-断裂链转移自由基聚合反应(RAFT),在表面修饰了4,4-偶氮-2(4-氰基-戊酸)的介孔二氧化硅表面接枝了L-苯基丙氨酸苯胺分子印迹聚合物。该印迹聚合物可作为一种具有高选择性的手性固定相,可以在较短时间内实现印迹分子外消旋体和结构类似物外消旋体的基线分离。
Husson等[41]采用该法制备的色氨酸分子印迹聚合物与传统液相法制备的印迹聚合物相比,传质速率快,吸附容量高。引发转移终止剂(iniferter)技术作为一种准自由基聚合方法,也被应用到基于硅材料的印迹聚合物的制备中。该法先将引发转移终止剂修饰在二氧化硅表面,再进行印迹聚合物的制备。采用该技术Sellergren等[42]在二氧化硅微球表面先后接枝上L苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物和D-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物,或接枝上一层印迹聚合物和一层非印迹聚合物。
其中,在D-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物表面再接枝一层5nm的L-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物导致了与只接枝一层D-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物相反的选择性;在非印迹聚合物表面接枝23nm的印迹聚合物,表现出更高的选择性。说明薄的L-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物接枝在D-苯基丙氨酸苯胺印迹聚合物表面不能导致完全相反的选择性,而是两层印迹聚合物共同作用的结果。Sellergren等[43]在多孔硅、凝胶型和大孔树脂表面采用RAFT技术嫁接了印迹聚合物,发现接枝量随着聚合时间、终止剂的量和单体浓度的增大而增加。将这些硅-印迹聚合物复合材料用作固定相进行测试对印迹分子表现出识别性能。
Su等[44]在硅胶的表面制备了磺胺二甲嘧啶印迹聚合物,用作高效液相色谱固定相,在最佳的色谱条件下,印迹聚合物二氧化硅微球可以用来测定牛奶中的磺胺二甲嘧啶,线性范围为0·1—50μg/m,l检测限为25ng/ml。除此之外,文献还报道了在二氧化硅微球的孔隙中进行印迹聚合物的制备,然后用HF将二氧化硅刻蚀除去,就得到了形状与二氧化硅微球一致的印迹聚合物。按照此法,Martin-Esteban等[45]制备了利谷隆印迹聚合物,用作色谱固定相,可直接检测蔬菜样品中的苯基脲类除草剂,检测时间小于10min。Yilmaz等[46]制备了异丙(去甲)肾上腺素分子印迹聚合物,用作色谱固定相,提高了柱效,缩短了分离时间。
3·2·2 以硅纤维为基质
硅纤维作为一种新的硅材料也被应用到印迹聚合物的制备中。Hu等[47]为了增强固相微萃取的选择性和应用能力,以四环素为印迹分子,在长度为4cm,直径为140μm的硅纤维上采用多步共聚的方法制备了新颖的印迹聚合物包覆的固相微萃取纤维。该印迹聚合物能够直接与高效液相色谱联用对复杂样品中的四环素进行痕量分析,并在结构类似物土霉素、强力霉素和氯霉素中对四环素表现出特异的识别性能。Koster等[48]比较了各种条件下在硅纤维表面制备的药物克伦特罗印迹和非印迹聚合物的吸附性能。作为固相微萃取剂,适于生物样品的分析测定,可选择性地萃取人尿液中的克伦特罗。
3·2·3 以硅整体柱为基质
硅整体柱作为色谱固定相已经有了长足的发展,近年来,人们在硅整体柱表面接枝一层印迹聚合物以提高色谱柱的分离能力。Yan等[49]在毛细管电色谱柱和毛细管液相色谱柱内制备了表面嫁接了分子印迹聚合物的硅整体柱,用毛细管电色谱和毛细管液相色谱进行了评价。制备的印迹聚合物整体柱在很短的时间内就可将印迹分子与异构体分离开来,柱效高,灵敏度好,使用寿命长。Ou等[50]分别以S-特罗格尔碱和L-四氢巴马汀为印迹分子,在毛细管硅胶整体柱上固定一层分子印迹膜,并将其应用于毛细管电色谱和毛细管液相色谱中手性化合物的拆分。在最佳的条件下,在长度为8·5cm的整体柱上只需4min就可将印迹分子的外消旋体拆分开来。
4 基于硅材料的印迹聚合物的应用
硅材料不仅具有良好的机械性能及热稳定性,而且形貌多种多样,因此具有分子识别功能的基于硅材料的分子印迹聚合物具有广泛的应用前景。
4·1 色谱分离
基于硅胶基质的分子印迹聚合物多为微球形,机械性能好,且印迹位点位于印迹聚合物表面或接近表面,因此可作为优良的色谱固定相,在色谱分离方面有着广泛的应用。Prasad等[51]将在球形硅胶表面聚合制备得到的唑酮印迹聚合物装入长13cm,内径1·4cm的色谱柱中,用作固定相,表现出很高的选择性和吸附容量,可以在稀释的水溶液或药物中对印迹分子进行选择性的富集和分离。Chang等[52]将厚度约为100nm雌激素酮印迹聚合物接枝在硅胶表面,用作色谱固定相。相对于雌激素酮的结构类似物而言,该印迹聚合物对印迹分子具有更长的保留时间,表现出高的特异性识别能力。Suliz-ky等[53]在接枝了引发剂的硅胶表面制备了L-苯丙氨酸苯胺的印迹聚合物,用作色谱固定相,高效液相色谱表征了印迹聚合物的亲合性,结果表明制备的印迹聚合物表现出良好的吸附性能和选择性。
4·2 固相萃取
通过印迹聚合物对印迹分子具有的特异性富集或排斥作用,使其对单个化合物和一类化合物具有较高的选择性,可解决传统固相萃取中面临的非特异性吸附问题。Zhu等[54]在硅胶表面制备了2,4-二硝基酚的印迹聚合物,具有高的吸附能力、优良的选择性和位点可接近性,并成功地用作固相萃取剂,在水样中选择性地富集和测定2,4-二硝基酚。实验结果表明,印迹聚合物固相萃取柱的回收率为92%(相对标准偏差小于2·8%)。
将固相萃取与高效液相色谱结合,可富集、分离和测定被分析物,提高灵敏度,降低检测限。Jiang等[55]结合表面印迹技术和溶胶-凝胶技术制备了二乙基乙烯雌酚印迹聚合物,采用固相萃取-高效液相色谱联用技术测定二乙基乙烯雌酚。制备的印迹聚合物吸附动力学快,10min即可达到平衡,吸附容量也很大,为62·58mg/g,并可以用来检测鱼样品中的二乙基乙烯雌酚。在硅纤维表面制备的印迹聚合物复合材料也被应用到固相萃取-高效液相色谱联用技术中,对四环素测定的线性范围为5—200μg/L,检测限为1—2·3μg/L,并可用于小鸡饲料、小鸡肌肉和牛奶样品中残留四环素的分析[47];对克伦特罗进行测定,检测限可达10ng/ml[48]。
4·3 模拟酶催化
位于分子印迹聚合物内部的印迹位点和催化基团,使印迹聚合物具有高的选择性和催化活性,可以与天然酶相媲美。Brüggemann等[56]将印迹分子固定在硅胶的表面制备的印迹聚合物,可催化六氯环戊二烯和马来酸的环加成反应。相对于非印迹聚合物,这种模拟酶聚合物显示出特异的催化性能。温度升高,分子印迹聚合物的催化活性增大。通过这种方法,可将反应的活化能从63kJ/mol降低到55kJ/mol。
该催化反应的米氏常数为5·8mmol/L,有效反应速率为0·4μmol/(L·s),反应速率常数为1·1×10-3/s。Iwasawa等[57]采用分子印迹技术,将金属络合物附着在二氧化硅表面,制备了一种新的铑-胺分子印迹聚合物,该聚合物具有与印迹分子形状匹配的空穴,可以用作形状-选择性反应空间。印迹铑配合物具有Rh-(amine)(OSi)(HOSi)不饱和结构,对α-甲基苯乙烯的加氢反应表现出很高的催化活性。
Visnjevski等[58]以Diels-Alder反应的过渡态类似物氯茵酸酐为印迹分子,比较了采用包埋法与牺牲骨架法制备的硅表面印迹聚合物在六氯代环戊二烯与顺丁烯二酸的Diels-Alder反应中的催化活性。结果表明,牺牲骨架法制备的硅表面印迹聚合物的催化活性明显高于包埋法得到的印迹聚合物的催化活性,并且所得产物的量是其非印迹聚合物催化后所得的3倍。Brüggemann等[59]在氨基功能化的硅胶表面固定印迹分子后再与功能单体和交联剂共聚制备了印迹聚合物,再用HF将硅胶和印迹分子溶解除去。因为是以水解反应的过渡态物质作为印迹分子,所以在印迹聚合物的内表面就具有催化选择性水解反应的活性位点,表现出较好的催化活性。
4·4 电化学传感
分子印迹聚合物用作分子识别元件,使制备的传感器在保持较高的选择性和灵敏度的同时,还可提高耐受性,延长寿命。Prasad等[60]将硅胶键合的尿酸印迹聚合物用于固相萃取和印迹聚合物修饰滴汞电极传感器,选择性地预浓缩印迹分子,提高了灵敏度,消除结构类似物如抗坏血酸的干扰,检测限为0·0008mg/L。Akiyama等[34]在硅胶表面制备了溶菌酶印迹聚合物,将其修饰在电极表面构建了石英晶体微天平传感器,对溶菌酶具有高灵敏的响应。
Prasad等[61]将肌氨酸印迹聚合物嫁接在硅胶表面,将固相萃取技术和印迹聚合物传感技术相结合,对肌氨酸的含量进行了测定,检测限为0·0015ng/m,l并用于人血清中肌氨酸含量的测定,最低可测至50ng/ml。Marx等[62]采用二氧化硅溶胶-凝胶技术制备了对硫磷印迹膜传感器,研究了功能单体的作用以及非共价键合对硫磷时的作用位点,并首次比较了印迹分子在气相和液相条件下键合到印迹聚合物膜上的情况。
5 结束语
基于硅材料的分子印迹聚合物,从以球形硅为基质材料到以其他形貌的硅为基质材料,从在硅的表面印迹到硅的多孔中印迹,发展非常迅速。合成的分子印迹聚合物也由最初的大块状发展到目前的微球形、纳米管状等,减少了传统印迹方法存在的研磨、筛分等繁杂的后续处理过程,增大了聚合物的机械强度,减少了印迹分子包埋现象,加快了印迹分子的吸附速率。
预计在今后的一段时期内,基于硅材料的分子印迹聚合物将在下述方面得到进一步的研究和发展:
(1)合成更多类型的可用于基于硅材料的印迹聚合物的制备时使用的功能单体(硅烷偶联剂),以满足不同类型印迹分子和印迹聚合物制备的需要;
(2)深入研究印迹聚合物的识别过程和识别机理,从分子水平上弄清楚印迹聚合物和印迹分子之间的识别机制;
(3)因基于硅材料的印迹聚合物可在水溶液中制备和识别,为生物大分子的印迹提供了一个优良的环境,因此生物大分子的印迹和识别将得到更加深入的研究和应用;
(4)不断开发基于硅材料的印迹聚合物的新应用领域,并将其推向市场化。
参考文献：略
