1、分子烙印技术及其在传感器中的应用气象水文海洋仪器分子烙印技术及其在传感器中的应用熊力王金成(1.大连轻工业学院,大连 l16034;2.解放军大连医学高等专科学校.大连 l16013)摘要本文介绍了分子烙印的基本原理,分类和影响分子烙印聚合物选择性的因紊.综述了分子烙印聚合物在传感器中的应用.关键词分子烙印技术传感器1 引言2O 世纪 4O 年代诺贝尔奖获得者,美国学者 Pauling1 在研究抗原与抗体相互作用时提出了抗体形成的模板学说:抗原物质进入生物体后 ,生物体内的蛋白质或多肽链以抗原为模板进行分子自组装而形成抗体.虽然这一学说后来被证明是错误的,但却是对分子烙印技术的最初描述.4O
2、年代末 Dickey 等2 在 Paning 思想的启发下,成功地将甲基橙烙印到硅胶上,并首次提出了分子烙印的概念,但当时并没有引起人们的重视.到了 7O年代,G.Wolffi:采用共价的方法首次合成出了有机分干烙印聚合物之后,这项技术才引起人们广泛的关注.但由于共价型分子烙印聚合物本身的局限性,这一时期分子烙印技术发展缓慢.到了 9O 年代初,由于瑞典学者 K.Mosbach 等 q 在非共价型分子烙印技术方面所做的一系列开拓性工作,使得这一领域在近 1O 年来发展迅速.目前分子烙印术在催化引,手性分离,固相萃取,食品 H,膜分离,毛细管电色谱引,传感器等许多领域均有广泛的应用.本文仅就分子
3、烙印技术的原理,分类,影响分子烙印聚合物选择性的因素及分子烙印技术在传感器方面的应用作一介绍.2 分子烙印技术的原理,分类及影响分子烙印聚合物(moleeularyimprintedpolymers,MIPs)选择性的因素2.1 基本原理分子烙印技术是一种为获得在空间结构和结合位点上与某一分子(模板)完全匹配的聚合物制备技术.首先模板分子与功能单体(含有适当的功能基团)在适当的溶剂当中形成稳定的模板一单体复合物,然后加入交联剂,在引发剂引发下发生聚合反应形成有一定强度的网状聚合物,最后采用适当的方法(如水解,萃取等)除去聚合物中的模板分子.这样在聚合物中就留下了与模板分子大小,形状及作用位点有
4、关的空穴,即留下了模板分子的烙印.当聚合物再遇到模板分子时,可对其发生选择性的识别作用,如图 1 所示.2.2 分子烙印技术的分类根据功能单体与模板分子结合方式的不同,分子烙印技术分为共价型(又称预组织熊力等:分子烙印技术及其在传感器中的应用:l豳 1 分子烙印原理型).非共价型( 又称自组装型)及半共价型.2.2.1 共价型在共价型分子烙印技术中,模板分子与功能单体通过可逆的共价作用(如形成硼酸酯,西夫碱等)而形成复合物,然后再与交联剂交联聚合形成 MIP,最后通过水解的办法,除去模板分子.用这种技术可制得对糖类及其衍生物 DTtg,甘油酸及其衍生物等具有选择性识别的分子烙印聚合物.共价型分
5、子烙印技术的优点是聚合物中形成的识别位点均匀.不足之处是烙印过程复杂,且供选择的可逆共价反应较少,而且模板的抽提也较困难,因此应用有一定局限性.2.2.2 非共价型非共价型分干烙印技术是由 K?Mosbach 等人发展起来.在这种类型中,模板分子与功能单体通过非共价作用(氢键,偶极相互作用,离子相互作用,疏水相互作用等)而形成复合物.非共价型分子烙印技术的优点是聚合物合成过程简单,供选择的模板,单体较多,方法灵活.日前大多数分子烙印聚合物是通过非共价型分子烙印技术合成的.图 2 半共价型分子烙印技术制备胆固醇 MIP?14?气象水文海洋仪器2.2.3 半共价型这种方法是前两种方法的结合.即在聚
6、合过程中模板与功能单体以共价的形式结合形成复合物,而在识别过程中采用的是非共价的方式.如 M?J?Whitecome在对胆固醇进行分子烙印研究时,用 4 一乙烯基苯碳酸酯作单体,通过共价作用与胆固醇形成碳酸二酯,然后交联形成聚合物,最后通过水解断裂碳酸二酯键,放出 CO 并萃取除去烙印分子胆固醇,这样在 MIP 上便产生了对烙印分子胆固醇有记忆效应的空穴,当MIP 遇到胆固醇分于时,通过氢键作用对胆固醇分子进行识别,如图 2 所示.2.3 影响分子烙印聚合物选择性的因素在分子烙印聚合物的制备过程中,模板与功能单体形成的复合物的稳定性至关重要,复合物的稳定性越高,制得的 MIP 的识别空穴的记忆
7、能力就越高,对模板的选择性就越好.通常影响 MIP 选择性的主要因素有模板,功能单体,交联剂,制孔剂及温度等.理论上讲任一化合物均可作为模板制备出其分子烙印聚合物.但模板分子中含有的与功能单体作用的位点数及作用力的强度,对形成的复合物的稳定性有很大影响.因此通常选含有极性功能团(如羟基,羧基,氨基,羰基等)的分子为模板.分子中含有的极性功能团的数目越多,制备的 MIP 识别性能越高.功能单体,指分子中含有能与模板分子发生非共价相互作用的基团(如羟基,羧基,氨基等)的单体 ,如丙烯酸(MAA),甲基丙烯酸,甲基丙烯酸胺,4 一乙烯基毗啶,2 一乙烯基吡啶等.所选的功能单体与模板分子的作用力越强,
8、形成的模板一单体复合物就越稳定,制得的 MIP 选择性就越高.因此对含有碱性基团的模板分子常选择酸性功能单体(如甲基丙烯酸),而含酸性基团的模板分子常选择碱性功能单体(如小乙烯吡啶等).常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯.交联剂的合适用量对保持 MIP 中识别空穴的二维空间结构非常重要.只有保持 MIP 中识别空穴稳定的三维空间结构,才能使MIP 具有高的选择性.交联利用量少,则交联度较低,不利于稳定识别空穴的三维空间结构;但若交联度太高,则传质阻力太大,不利于模板的抽提和识别 .实验表明,通常模板,功能单体和交联剂的用量为模板:功能单体:交联剂为 l:4:20(摩尔比)较为合适引.制孔剂的目
9、的是为反应体系提供一种溶剂,并使制得的 MIP 具有一定的孔状结构.所选的制孔剂应有利于形成稳定的模板一单体复合物.由于非共价分子烙印技术中功能单体与模板分子的作用力主要是氢键,因此应选非极性或弱极性的有机溶剂.常用的有甲苯,二氯甲烷,氯仿和乙腈.分子烙印聚合物是通过自由基引发制备的.一般以偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,采用高温热引发或低温紫外线引发两种形式.由于低温条件下有利于形成稳定的模板一单体复合物,因此低温紫外线引发制备的分子烙印聚合物有更好的选择性.3 分子烙印传感器在过去 20 年里,传感技术取得了快速发展,尤其是生物传感器以其极高的灵敏度和选择性而引起了人们广泛的关注,使传感
10、技术的研究不断升温.但生物传感器多以生物一=:=;罐.毒擂_.l 矗,j,.l熊力等:分子烙印技术及其在传感器中的应用活性物质如酶,受体,抗体等作分子识别元件,制备起来周期长,成本高,重复性及抗恶劣环境的能力较差,易失活.而 MIP 材料由于制备简单,成本低,重复性好,且具有抗酸,碱,有机溶剂,耐高温等优点,因此非常适合用做化学传感器原件.利用 MIPs 制做的化学传感器主要有两种类型:电化学传感器和光化学传感器 .3.1 电化学传感器9O 年代初,K.Mosbach2研究小组将 MIP 材料涂在场效应晶体管表面,当与烙印分子结合到 MIP 上时,MIP 构象变化导致了晶体管电容的变化,从而将
11、化学信号转变成电信号,根据电容的变化可检测溶液中的烙印分子.KrizZa 用吗啡烙印的 MIPs 制成了竞争型电流传感器,首先将吗啡选择性地键合到传感器中的 MIPs 上,再加入电活性竞争物可待因,释放出的吗啡通过安培法检测,检测浓度范围为 0.11O 10 一g/1.Piletsky等26将 MIP 膜用于电导传感器,来检测除草剂莠去津,检测浓度范围为0.01“-0.05rag/1,响应时间 30rain.Kriz2 也将 MIP 用于电导传感器,他们用含正电荷的模板分子烙印过的 MIP 来检测溶液中的烙印分子,并与另一种用不带电的模板分子烙印过的 MIP 作对比,结果表明前者的电导信号较后
12、者高得多,而且二者之间的信号差与分析物的浓度有关.Krizc.还研制了一种咖啡因的竞争型电流传感器 ,检测浓度范围为0.110g/ml.jiHS 等2 钉研制了测定 2甲基异冰片的压电传感器.3.2 光化学传感器K.Mosbachc 等人研制了基于分子烙印技术的光纤传感器,具有手性识别能力,能识别荧光标记的氨基酸衍生物,荧光信号随荧光标记的氨基酸浓度而变化.F.L.Dickert.等将分子烙印技术与荧光光谱技术相结合 ,研制了一种检测水中多环芳烃的化学传感器.Piletsky 等口幻发展了一种三嗪类光化学传感器,其原理是首先将荧光标记的三嗪(triazine)结合到已被三嗪烙印过的 MIP 中
13、,然后再来检测溶液中的 triazine,由于MIP优先吸附烙印分子,因此溶液中游离的 triazine 将取代荧光标记的 triazine 而结合到 MIP上.通过测定溶液的荧光强度可知被测的 triazine 浓度.Jenkins 等【3 对使用 Eu与神经毒剂梭曼的水解产物 2 一叔己基甲基磷酸酯制备 MIP,当 MIP 吸附 2 一叔己基甲基磷酸酯后,EI的发光性质发生变化,通过光纤装置检测,灵敏度达 125Pg/g.此外还有监测地下水中甲苯和二氯乙烯的 MIp 光纤传感器 【3,基于 FTIR 的MIP光学传感器,对鸟苷单环磷酸,B 一雌二醇盯,L 一色氨酸 ,D 一果糖【3.产生专
14、一响应的 MIP 荧光传感器,通过染料罗丹明 B 和分析物在 MIP 上竞争性置换检测分析物的 MIP 荧光传感器.4 结术语自 1972 年 Wulff 等人首次报道了人工合成 MIP 以来,短短 3O 年间 MIP 技术得到了迅速发展.MIP 以其制备简单,成本低,重现性好,抗恶劣环境强等优点在许多领域得到了广泛应用.相对来说分子烙印传感器的研究还属于起步阶段,还有许多问题需要解决,如响应时间过长;灵敏度较生物传感器低 100-.1000 倍.相信随着对分子烙印传感器研究的不断深入,这些问题会逐渐得到解决,分子烙印传感器一定会有广阔的应用前景.?l6?气象水文海洋仪器 June.2003参
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23、4MolecularImprintingTechniqueanditsApplicationinSensorsXongLi,WangJincheng2(1.DalianInstituteofLiphtlndustry.Dalian116034;2.PLADalianJuniorCollegeofMedicine.Dalianl16013)AbstractThispaperIntroducestheprincipleofmolecuarimprintingtechnique?discussesthefactorsthataffecttheselectivityofmolecularlyimprintedpolymers.anddescribesapplicationofmolecularimprintingtechniqueinsensors.Keywordsmolecularimprintingtechnigue,sensors.
