分子印迹聚合物的合成及其应用 摘要：分子印迹技术是当前发展高选择性材料的主要方法之一，分子印迹技术也称之为分子膜技术,在分子识别和痕量分析中得到了广泛的应用。利用分子印迹技术合成的分子印迹聚合物因其物理化学性质稳定、制备简单、选择性好,又因其具有新型官能团,对某些分子具有空间识别性能，受到了普遍的关注。本文介绍了分子印迹聚合物的合成方法及机理,并论述了其在一些领域的应用进展。

关键词：分子印迹聚合物；分子印迹技术；功能单体；合成方法 引言： 1949年，Dickey首次提出了“分子印迹”的概念,但是并没有引起人们的关注,直到1973年,由Wulff研究小组首次报道了人工合成的有机分子印迹聚合物之后,这项技术才逐渐为人们所认识。 分子印迹聚合物是一种对模板分子具有显著识别性能的新型高分子材料，其聚合物网络中具有与模板分子在体积和形状上完全匹配的印迹孔穴，因此具有与生物抗体相媲美的分子识别性能，目前已被广泛应用于分析和分离。 分子印迹聚合物(MIPs)通过对印迹分子（也称模板分子）的“记忆效应”可以达到分子识别的目的,具有分子水平上的专一性,其物理化学性质稳定,具有很好的实用性,因此在色谱固定相、固相萃取、膜分离、免疫分析、抗体模拟、化学传感器、催化剂和合成酶等方面显示出广阔的发展前景。本文主要讨论了关于分子印迹聚合物的原理、制备方法及其一些重要的应用。

正文： 1.分子印迹聚合物的产生和原理 1.1分子印迹技术的产生和发展 分子印迹的出现来自于免疫学,是在一种当抗原侵入时生物体产生抗体的基础上产生的理论。20世纪40年代,当时的诺贝尔获得者Pauling在免疫学研究中提出了抗体的形成学说,认为抗体的合成是以抗原为模板的，这个学说为分子印迹理论奠定了基础。1972年Wulff小组首次报导成功制备出分子印迹聚合物。此后分子印迹技术逐渐发展起来。 1. 2分子印迹技术的原理 分子印迹技术是一种在有模板的情况下制备出具有专一性分子识别性能的聚合物受体的有效方法，是将要分离的目标分子与功能单体结合形成多重作用点，加入交联剂共聚，生成具有一定刚性结构的交联聚合物，然后洗脱目标分子，得到与模板分子空间构型相匹配的、具有多重作用点的空穴，在模板分子印迹空穴和结合位点共同作用下，MIP 结合并识别模板分子。 分子印迹聚合物的制备过程主要为：（1）模板分子与功能单体在反应混合溶液中通过化学键或氢键结合形成配合物;（2）加入交联剂进行共聚形成聚合物,使功能单体上的功能基在空间排列和空间定向上固定下来;（3）用物理或化学方法洗去模板分子,得到具有一定大小和形状的孔穴及确定空间排列的功能基团的分子印迹聚合物。如图1所示。

图1 印迹聚合物合成过程原理图示

2.分子印迹聚合物的制备 2.1分子印迹聚合物的原料 分子印迹聚合物的选择性与其制备过程紧密关联,而影响ＭＩＰ聚合过程的参数又比较多,如模板分子的性质、功能单体、交联剂的种类及用量、溶剂的选择、引发剂及引发方式等。 2.1.1模板分子的选择 模板分子是分子印迹聚合物的模板，即被测定的物质。我们可以根据模板分子的结构和性质选择合适的印迹方法，一般情况下，模板分子可以是低分子化合物、低聚物、金属离子或金属络合物，也可是分子聚合体。 2.1.2功能单体的选择 功能单体是能否成功制备分子印迹聚合物的关键。因此，功能单体的选择至关重要，一定要确保功能单体的一端能和模板分子结合，另一端能够和交联剂共聚。我们主要根据模板分子的结构特征来选择功能单体。同时，能否获得好的分子印迹聚合物取决于两点：①功能单体与交联剂必须具有很好的共聚性能，因为交联剂的自聚体不具有识别基团，所以没有分子识别能力，而功能单体的自聚体由于其交联度太低也无法形成真正有效的印迹孔穴，因此只有两者的共聚体才是聚合物中的有效部分；②功能单体与模板分子的结合力要适中，结合力过大则模板分子难以洗脱，而过小则会导致孔穴对模板分子的选择效率不高。 共价型分子印迹聚合物的功能单体必须具有能与模板分子发生共价作用的功能基团，并且模板分子与功能单体之间的共价键应该容易通过适当的方法断裂。因此其功能单体十分有限。通常使用的功能单体为含有乙烯基的硼酸、醛、胺和酚等，如4-乙烯苯胺、4-乙烯苯酚、4-乙烯苯硼酸、4-乙烯苯甲醛等。非共价型印迹聚合物的功能单体必须能与许多官能团发生较强的分子间作用，通常是甲基丙烯酸类化合物，如与羟基、醚、羧基、酰胺、脲等形成氢键以及与氨基发生离子交换作用。一些常见的功能单体如图2所示。 图2 常见的功能单体结构式 2.1.3 交联剂的选择 交联剂控制聚合物的形态、结合位点的稳定性及聚合物的机械稳定性，因此交联剂在制备分子印迹聚合物的过程中起着非常重要的作用。分子印迹聚合物通常要求很高的交联度(80%以上)，所以在聚合溶液中交联剂占有很大的比例，但是交联剂的用量也会影响聚合物的识别性能，其用量过高过低均不好，交联剂用量过低时，特异选择性降低；交联剂用量过高时，聚合物的容量下降，刚性过强，导致其识别位点可接近性差。 因此，在选择交联剂时既要使聚合物具有一定的刚性以维持空穴的形状，又要要求它具有一定的柔韧性，以使识别点具有较好的可接近性，从而提高其结合能力。一些常用的交联剂的分子结构式如图3所示。

图3 常见的交联剂结构式

2.1.4 溶剂的选择 溶剂的作用是使聚合反应的所有成分(含模板分子、功能单体、交联剂及引发剂)成为均相，同时也起着致孔的作用。溶剂的某些性质如溶剂的极性、质子化作用、介电常数等均会对反应有一定的影响。同时这些性质还会影响聚合物的比表面积、空穴、形状、颗粒均一度和刚性等。在非极性溶剂中模板分子与功能单体主要是以氢键等作用结合，而在极性溶剂中模板分子主要是靠疏水作用与功能单体结合。因此应尽可能减小溶剂对模板分子与聚合物的键合作用的不利影响，选取合适的溶剂。 2.1.5 引发剂和引发方式 引发聚合反应的方式有热引发、光引发和电引发等。分子印迹聚合物一般是以偶氮二异丁腈(AIBN)或偶氮二异庚腈(ABVN)为引发剂，通过自由基引发聚合制备的。常用的引发方式为光引发或热引发。光引发通常是在低于室温下用高压汞灯或紫外灯的照射下引发的聚合。而热引发则是在加热的条件进行的引发聚合。此外，也报道过高压引发和电引发。一些常见的引发剂如图4所示。

图4 一些常见的引发剂结构式

2.2分子印迹聚合物的制备方法 近年来分子印迹聚合物的制备方法有了很大的发展,目前已经有无定型粉末、整体柱、球形和膜等多种形态,通常采用的聚合方为本体聚合、原位聚合、分散聚合、悬浮聚合和表面印迹法等技术。 2.2.1 本体聚合：本体聚合是研究分子印迹聚合物较早的方法，但目前在有关分子印迹聚合物的化学传感器方面已不是首选的方法。这种方法是将印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶解在惰性溶剂(通常是氯仿或甲苯)中,然后移入一玻璃容器中,采用超声脱气,通氮气除氧,在真空下密封容器,经加热(600℃)或紫外光照射(在室温下波长通常为366nm)引发聚合(得到块状聚合物),再经粉碎、研磨和筛分,得到适当大小的粒子,洗脱除去印迹分子,经真空干燥后即可制得。采用本体聚合可以使印迹分子具有良好的选择性和识别特性,而且合成操作条件易于控制,实验装置简单。但是采用此方法的后处理过程繁杂,研磨过程中会产生一些不规则粒子和相当大量的过细粒子,这些过细粒子需要经过沉降才能除去,因而后处理过程会消耗大量的时间和能源,导致产量大大减少,而且不规则粒子的柱效率较低，无法进行大规模生产。 2.2.2 原位聚合：原位聚合是在本体聚合的方法上发展起来的。其制备过程一般为：将模板分子、引发剂、功能单体、交联剂及溶剂等按一定的比例混合脱气后，转移到不锈钢管、毛细管等某些容器中直接聚合。该方法的实验过程大大简化，分子印迹聚合物的制备与装柱是一步完成的，实用性非常好，但是此法的聚合反应程度却难以控制，若反应时间太长，合成聚合物太致密则会导致色谱柱的流动力学性质差，柱压力高，流速慢；若聚合时间过短，则合成的聚合物中选择性结合位点太少又会使色谱柱的柱效率低。 2.2.3 分散聚合：分散聚合是一种介于本体聚合和悬浮聚合之间的聚合方法，经过几十年的发展已经较为成熟。反应开始前,单体、引发剂、分散剂、交联剂等都溶于分散介质中,体系为均相,分散剂的大分子链舒展在溶剂中,引发剂分解后,产生自由基后引发聚合。当反应进行一定程度后,大分子链生长到一定长度就相互缠接在一起,在搅拌作用下逐渐形成球形的核,随着反应的进行,不断有分子链在已形成的核上生长并缠接,至最后形成完整的微球从聚合相中析出。从体系的相转变上看,开始体系为均相而后聚合物从中沉析出来,成为多相,这与用传统的方法制印迹聚合物时的相转变相似。 2.2.4 悬浮聚合：悬浮聚合法是目前制备聚合物微球最简便最常用的方法之一。悬浮聚合一般是采用与有机溶剂皆不互溶的全氟烃类化合物作为分散介质，然后加入特制的聚合物表面活性剂使印迹混合物形成乳液,聚合后即可得到粒度范围分布窄，形态规则的分子印迹聚合物颗粒。此法中高极性溶剂会极大地降低功能单体与印迹分子间相互作用的数量与强度,从而影响聚合物对印迹分子的识别能力，且酸性单体在水中的溶解度过高致使单体与交联剂间的无规共聚很难进行,并且水溶性印迹分子会在水相中损失，因此在分子印迹聚合物的合成中水或高极性的有机溶剂是不适宜;通常采用全氟烃化合物作为悬浮介质,代替传统的有机溶剂+水悬浮介质,可以根除非共价印迹中存在的不稳定的预组织合成物。 2.2.5 表面印迹法：表面印迹法是指先将模板分子与功能单体在有机溶剂中反应形成加合物,然后将此加合物与表面活化后的硅胶、聚三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TRIM)粒子和玻璃介质以及其它界面反应嫁接,最后得到表面印迹聚合物的分子印迹聚合方法。这样获得的分子印迹聚合物可以解决传统方法中对模板分子包埋过深或过紧而无法洗脱下来的问题。此法目前已经得到了较大的发展，Norrlow和Dhal等分别在硅胶和聚三羟甲基丙烷三丙烯酸酯粒子表面嫁接印迹层获得成功,Wulff等也应用表面印迹法制得了分子印迹材料。 3.分子印迹聚合物的应用 3.1 用作化学仿生传感器 化学或生物传感器是由分子识别元件和信号转换器所组成。近十几年来,生物传感器以其突出的灵敏度和特异性引起了广泛的关注,使传感技术的研究不断升温。分子印迹聚合物敏感材料与近年来研究较热的生物敏感材料相比,具有耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂,不易被生物降解破坏,可多次重复使用,易于保存等优点，因此分子印迹聚合物在化学仿生传感器方面显示出了极大的应用前景。 3.2在化学模拟酶催化方面的应用 化学模拟酶催化剂与天然的生物酶催化剂相比,具有抗恶劣环境的能力,表现出高度的稳定性和长的使用寿命,因此分子印迹技术则是设计新型人工模拟酶材料的最有效手段之一,具有广泛的应用前景。该方法的制作过程为将功能单体与某一待催化的反应物之间形成过渡态复合物,然后再在过渡态复合物的周围交联制得分子印迹聚合物,洗去模板分子后,分子印迹聚合物留下的识别位点能够与待催化反应的反应物之间重新形成过渡态,再与另一物质发生催化反应。由于与识别位点生成了活化能较低的过渡态,因而起到了催化的作用。但是由于单体与反应物之间形成的过渡态复合物极不稳定,因此在这方面的应用受到了限制。Wulff最先总结了分子印迹聚合物在模拟酶催化方面的综述,系统全面地讲述了模拟酶催化分子印迹聚合物的原理、制备方法以及各种影响因素，此法目前具有很大的发展潜力。 3.3在分离领域的应用