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分子印迹膜的分类及制备方法

时间:2015-07-17 来源:未知 作者:学术堂 本文字数:5892字
摘要

  免疫学是分子印迹技术的起源,20世纪40年代Pauling在研究抗原与抗体的相互作用时,设想以抗原为模板生物体合成抗体,为分子印迹技术的研究做好了铺垫[1~2].分子印迹膜就是将需要识别分离的目标分子 (印迹分子)和能与印迹分子进行结合并容易分离的功能单体在交联剂、溶剂及引发剂的作用下生成分子印迹聚合物,制备成膜,最后采用适当的方式将印迹分子洗脱。印迹分子洗脱后,聚合物中留下了印迹分子的空间结构,当印迹分子再次与聚合物接触时就对印迹分子具有很好的记忆识别能力。分子印迹膜的这一特性使其在固相萃取分离、色谱技术、手性拆分及仿生传感器方面具有一定的应用价值。分子印迹膜从20世纪九十年代才开始进行全面研究。

  Piletsky等[3]在1990年首次制备的分子印迹膜成功实现了对腺嘌呤酸进行识别和分离。华东理工大学陈安等[4]以茶碱为模板分子,铜离子为配体,4-乙烯吡啶 (4-VP)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EDMA)为交联剂,在聚偏氟乙烯 (PVDF)基膜上采用表面涂覆热聚合的方法制备了金属配位分子印迹膜,提高了茶碱的结合性能和选择性,易于分离提纯。林雪冰等[5]通过相转化法制备的分子印迹共混膜对双酚A表现出了高度的识别性。分子印迹膜由于其优越的识别及选择性正在被越来越多的领域应用。本文简要介绍了分子印迹膜的分类及制备过程中的影响因素,重点综述了分子印迹膜的制备方法,最后对分子印迹膜制备过程存在的问题进行总结并展望了未来的发展,旨在为分子印迹膜的进一步发展提供参考。

  1 分子印迹膜的分类[6]

  分子印迹膜根据制备材料的不同可分为无机膜、有机膜和有机-无机杂化膜。无机分子印迹膜继承了无机材料的优点,具有耐腐蚀、耐高温、高强度等优点,但是同时也存在脆性大,不易加工、孔隙率低等缺点,应用范围受到一定的限制,研究价值不大,相关报道也不多。有机分子印迹膜是目前主流的印迹分子膜,还可分细分为交联聚合物膜和非交联聚合物膜。交联聚合物膜交联度高,稳定性好,在膜中形成的印迹分子的三维空间结构不易改变,印迹位点能快速识别目标分子。非交联聚合物膜与交联聚合物膜的制备方法不同,它是在膜制备好了之后,直接在膜中引入目标分子的印迹识别位点,省去了自由基聚合交联,而且以这种方法制备的膜材料可再生性强。有机印迹分子膜克服了无机分子印迹膜脆性大的缺点,同时还具备一定的柔性,具有很好的应用效果,是发展潜力较大的一类分子印迹膜。刘小娟[7]

  以甲基丙烯酸 (MAA)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯 (EGDMA)为交联剂,AIBN为引发剂,DMMP AIBN为模板分子,并结合卟啉ZnTPP,制备了具有大量的纳米孔结构DMMP的分子印迹膜,薄膜重现性及选择性较好,卟啉传感膜阵列初步显示出对200ppmDMMP气体的检测效果显着,为快速检测农药残留提供了很好的途径。

  有机-无机杂化分子印迹膜兼备了无机分子印迹膜和有机分子印迹膜的优点,既具有无机网络的刚性又具有有机聚合物网络的柔性。有机分子和无机分子的协同效应改善了分子印迹膜的网络结构及膜的力学性能和热稳定性。无机组分和有机组分可通过氢键及范德华力等微弱相互作用结合形成杂化膜,由于相互作用力弱所以相溶性较差;为了提高相溶性,可以将两者通过共价键及离子键结合。除此之外,对无机膜进行有机改性也是提高相溶性的很好方法。孙娜[8]借助偶联剂一步合成的有机-无机杂化分子印迹聚合物 (OIHMIP)兼具有机分子印迹聚合物和无机分子印迹聚合物的优点,并能有效地克服各自的缺点,且材料具有独特的分子识别能力。杂化材料技术与整体柱技术结合,不需碾磨过筛步骤,减少了这些过程对印迹位点的破坏,简化了制备方法并提高了重复性。

  2 分子印迹膜的制备

  2.1 原位聚合法

  原位聚合法是制备分子印迹膜最简单的方法。通常是将印迹分子、功能单体、交联剂、溶剂及引发剂及其他添加剂混合,放在具有一定间距的两块制膜基板之间,待交联反应完全后洗脱印迹分子即可得到分子印迹膜。原位聚合法所制得的分子印迹膜厚度虽然比传统方法小,但还不是很理想,厚度的大小会直接影响分子印迹膜应用在传感器中的检测灵敏度。通量也会因膜厚度受到一定的限制,在实际应用过程中可以根据膜的应用环境,在制膜过程中加入添加剂,增加膜通量。

  何皓等[9]对芯片表面使用1,1-巯基十一烷酸(MUA)进行分子自组装,引发剂氨基丁酰胺盐酸盐 (ABAH)通过共价键作用结合到自组装层中并引导分子印迹膜和分子自组装层的结合,在传感器表面形成薄且多孔的微囊藻霉素LR分子印迹膜,对微囊藻毒素的定量检测动态测量可达2.1×10-9~1×10-6mol/L,同时具有良好的特异性检测能力。原位聚合法合成分子印迹膜在SPR传感器上可以得到良好应用,SPR传感器和分子印迹技术的结合具备良好前景,将在小分子检测方面得到更加广阔的应用。

  原位聚合法制备分子印迹膜的过程中,可以以引发剂来提高自由基聚合的速率及程度,也可以采用热引发、光引发、紫外引发等引发技术。表面引发的原子转移自由基聚合作用合成的分子印迹纳米线膜,对模板分子苯磺隆具有高选择性[10].采用热聚合和光聚合的方法在金膜表面合成黄体酮分子印迹膜作为识别元件应用于表面等离子体共振传感器检测黄体酮,能够实现对黄体酮快速定量的专一性检测[11].热引发原位聚合方法制备的白藜芦醇分子印迹聚合物膜对白藜芦醇及其结构类似物 (2-萘酚、白藜芦醇甙和双酚A)的结合和透过性不同,印迹复合膜对模板分子白藜芦醇的吸附量远远大于其它结构类似物,为非印迹膜的3倍;根据结构相似的物质的透过顺序不同来实现对目标产物的分离[12].杜幸洁等[13]以氯霉素为模板分子,四氢呋喃为致孔剂,偶氮二异丁腈为引发剂,采用紫外灯引发聚合在MaxiSorp96孔板上合成氯霉素分子印迹聚合膜。将该氯霉素分子印迹膜作为人工抗体代替氯霉素的生物抗体,采用直接竞争原理,应用化学发光免疫法检测氯霉素,具有可行性。

  张茂升等[14]以0.45μm混合纤维素酯微孔膜为支撑膜,丙烯酰胺为功能单体,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,通过原位聚合法制备得到孔雀石绿 (MG)分子印迹膜,对模板分子孔雀石绿表现出良好的渗透选择性,在与类似物甲基紫的竞争渗透中具有优先渗透能力。赵丹丹[15]以改性松香所得到的马来松香丙烯酸乙二醇酯作为交联剂和不同的天然药物为模板分子,应用原位热引发聚合法 (自由基聚合)及涂附分子印迹聚合物颗粒法,构建了三种以马来松香丙烯酸乙二醇酯为交联剂的新型电流型电化学传感器。该方法制备的盐酸川芎嗪分子印迹膜抗干扰能力强,操作简便,用于注射液中盐酸川芎嗪的快速测定,测量值与标示值符合,回收率在99.0%~101.0%.

  2.2 溶胶-凝胶法

  溶胶-凝胶法是近年来新兴的分子印迹膜制备方法,在有机-无机杂化膜的制备中应用较多。溶胶-凝胶法制备分子印迹膜首先要将印迹分子与交联剂、溶剂及其他助剂制备成均质的溶液,形成凝胶,这个过程中会发生水解、缩合及缩聚等反应,然后加入功能单体充分反应,制备分子印迹膜。此法具有操作简单、反应条件温和,可以根据应用要求对分子印迹膜的结构进行调整。

  王凯[16]设计合成了低聚倍半硅氧烷/二氧化钛复合溶胶和二氧化硅/氧化锡锑复合溶胶,并将其应用于制备分子印迹传感器。同时用原位FTIR技术详细研究了低聚倍半硅氧烷/二氧化钛复合材料成膜的动力学行为,并且用电化学方法研究了两种印迹传感器的电化学检测性能。洗脱除去盐酸普鲁卡因胺后的低聚倍半硅氧烷/二氧化钛分子印迹膜的表面粗糙度明显变大,增大了比表面积并且很多孔洞及特异孔穴在分子印迹膜表面形成,此复合交联膜具有良好的热稳定性。加入锡锑溶胶ATO改善了复合溶胶的导电性,使得印迹传感器在人血清样品中检测去甲肾上腺素的回收率达到99.67%以上。

  以3,4-二羟基苯甲酸作模板分子,在玻碳电极表面恒电位沉积四甲氧基硅烷和苯基三甲氧基硅烷,经无水乙醇将模板分子洗脱,制得的硅溶胶-凝胶分子印迹膜电极能有效地抑制电化学氧化过程中3,4-二羟基苯甲酸的电聚合及其同分异构体2,4-二羟基苯甲酸对测定的干扰。该修饰电极对3,4-二羟基苯甲酸测定的线性浓度范围为1.0×10-5~8.0×10-4mol/L,浓度检测下限为5.0×10-6mol/L.制备过程中凝胶化过程和蒸发过程的分开,使硅烷有充分水解和干燥的时间,更有利于物质在膜内的扩散,有效地避免了膜的开裂[17].

  采用溶胶-凝胶法相转化成膜后,用超声振荡溶剂萃取法洗脱模板分子,能得到对红霉素分子具有优异分离选择性的分子印迹膜[18] .蒋洪权[19]采用聚乙二醇印迹的溶胶-凝胶法,以壳聚糖作为功能性生物材料,将壳聚糖与γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷 (GPTMS),聚乙二醇分子的混合溶液涂覆于硅胶表面。通过GPTMS的自水解、自缩合、及硅烷自水解产生的硅羟基间的共缩合、壳聚糖的氨基原位共价交联制备了硅胶支载壳聚糖大孔有机-无机杂化分子印迹膜。该杂化材料具有良好的热稳定性,结合金属离子后得到了多孔性固定化金属亲和吸附剂。

  2.3 相转化法

  相转化法是将制膜所需的功能单体、印迹分子、引发剂等溶于溶剂中进行反应后直接在支撑体上刮膜,再转入非溶剂凝固浴中固化或者在一定温度下的惰性气体中使溶剂蒸发干燥,洗脱印迹分子后就制备成了分子印迹膜。相转化法是提高分子印迹膜通量的有效方法之一,能直接在已有的聚合物材料中引入识别位点,省去了自由基聚合反应,聚合物膜结构是在印迹分子存在下从其聚合物溶液中经相转化形成的[20~21].

  相转化法制备分子印迹膜不涉及聚合反应,因此反应条件简单,且制备的分子印迹膜性能还得到了提升,是值得推广的分子印迹膜制备技术。夏绍灵[22]利用高分子设计方法,以生物体内RNA中的四种组成成分之一尿嘧啶 (URA)为模板分子,以 含 有 丙 烯 腈 (AN) 成 膜 基 和 甲 基 丙 烯 酸(MAA)及两亲性的N,N-二甲基-N -十八烷基-季铵基对甲基苯乙烯 (SMA)功能基的共聚物为膜材料,将相转化法和分子印迹技术相结合,制备了识别尿嘧啶分子的高分子膜。

  超临界二氧化碳在制备微球、空泡沫等微孔结构中具有一定优势,张泉秋[23]选择超临界二氧化碳为非溶剂,以丙烯腈和甲基丙烯酸的共聚物为聚合物,尿嘧啶为模板分子,二甲基亚砜为溶剂,结合相转化法制备了具有识别尿嘧啶功能的分子印迹膜。制膜过程可以通过调节超临界二氧化碳的压力和温度控制模板分子尿嘧啶在超临界二氧化碳的溶解度,从而使更多的模板分子结合到膜中,形成更多的有效识别位点,从而提高膜的识别能力。

  赵艳艳[24]用富含羟基和羧基的天然手性聚合物海藻酸钠 (SA)为功能聚合物,以D-苯丙氨酸(D-Phe)为模板分子,通过相转化法并采用硫酸处理与戊二醛交联两种后处理方式,制备了D-Phe分子印迹SA膜。考察了聚合物浓度、模板分子含量、原料 液 中 甲 醇 浓 度 及 热 处 理 温 度 等 因 素 对D,L-Phe混 合 物 拆 分 性 能 的 影 响。优 化 条 件 下SA-H(D)和SA-GA(D)两类分子印迹膜的分离因子分别为1.32和1.47,戊二醛交联SA膜的拆分性能优于硫酸处理SA膜。

  2.4 电化学聚合法

  电化学聚合法制备分子印迹膜时首先要对电极进行清洗,然后制备制膜液,调pH,再将制膜液倒入选定好的电解池中进行聚合,根据印迹分子及成膜特性通过水洗、酸洗或磁力搅拌等方法脱除印迹分子。电化学聚合法可以在任何形状的金属电极表面聚合得到致密的聚合膜,可通过调节电聚过程聚合溶液的浓度和电聚合扫描圈数等参数控制膜的厚度[25],是研究比较活跃的分子印迹膜制备方法,循环伏安法是电化学聚合法中最常用的制膜方法。

  戴芳芳等[26]以邻氨基酚为功能单体,间苯氧基苯甲酸为模板分子,采用循环伏安法在玻碳电极表面聚合形成可用于检测间苯氧基苯甲酸的分子印迹膜,结合电化学技术用于水中间苯氧基苯甲酸的检测研究,30s可对间苯氧基苯甲酸完成响应,在2.00~11.00mg/kg浓度范围内,分子印迹膜的响应电流变化值与间苯氧基苯甲酸浓度呈线性关系,检出限为1.47mg/kg;加标水样回收率在92.00%~101.00%之间,为快速检测环境污染物间苯氧基苯甲酸提供了依据。

  李欢欢等[27]以苯胺为功能单体和交联剂,氯霉素为模板分子,采用电化学聚合法 (循环伏安法)在金电极上合成了具有快速响应能力的聚苯胺分子印迹膜。结合差示脉冲伏安法建立了针对氯霉素的检测方法,并将所制备的聚苯胺分子印迹膜用作电化学传感器以测定氯霉素眼药水中的氯霉素。所制备的聚苯胺分子印迹膜具有制备简单,响应快速,灵敏度高,再生性能良好等特点。其对氯霉素眼药水中的氯霉素的检测结果令人满意,有望用于实际样品中氯霉素的检测。

  谢成根等[28]以水杨酸为模板分子,采用循环伏安法电聚合形成聚吡咯膜,以固定电位过氧化法去除印迹分子,制备了水杨酸分子印迹膜电极。印迹电极能促进水杨酸电氧化过程,有效地避免结构类似物 (如苯甲酸)对其测定的干扰。循环伏安法用于电化学检测,当富集时间为10min,磷酸盐缓冲溶液的pH=6.86时,在1.0×10-6~2.0×10-3mol/L浓度范围内,水杨酸氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系,检出限为0.8μmol/L.

  3 展望

    分子印迹膜具有预先的特异识别能力,高度的专一性和选择性,已经在萃取分离、色谱技术、手性拆分、仿生传感器等方面得到了应用,也引起了国内外学者的高度关注。分子印迹膜制备技术的成熟能更好地促进其产业化生产及应用。但是分子印迹膜制备过程中影响因素较多,而且不同的制备方法所得到的膜的选择性及通量也有很大差异,很大程度地限制了分子印迹膜制备技术的发展。在不断的探索中,也有研究者将新技术与上述几种相对成熟的制备技术进行结合,收到了很好的效果,这也是未来分子印迹膜制备的一个突破点;同时还要降低分子印迹膜的制备成本,优化制备工艺;印迹分子的洗脱也是制备难题,洗脱不完全结合位点减少,降低了分子印迹膜的使用价值,此方面的研究还需深入。相信随着分子印迹技术的完善及膜科学的发展,分子印迹膜制备将会获得突破性进展,其应用也会不断拓展。

  参考文献

  [1]Pauling L.A Theory of the structure and process of formationof antibodies[J].Journal of American Chemical Society,1940,62(10):2643-2657.

  [2]史瑞雪,郭成海,皱小红,等。分子印迹技术研究进展[J].化学进展,2002,14(3):182.

  [3]Piletsky S A,Panasuky T L,Piletskaya E V,et al.Receptorand transport properties of imprinted poly membranes a review[J].Journal of Membranes Science,1999,157(2):263-278.

  [4]陈安,许振良,王靖宇,等。茶碱-铜(II)离子配位分子印迹膜的制备及表征[J].高分子材料科学与工程,2012,28(3):130-133.

  [5]林雪冰,王兵。双酚A分子印迹聚合物膜的制备与其性能研究[J].齐齐哈尔大学学报,2012,28(2):25-28.

  [6]肖长发,刘振。膜分离材料应用基础[M].北京:化学工业出版社,2014,244-245.

  [7]刘小娟。DMMP分子印迹膜的制备与性能研究[D].重庆大学,2009.

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