一种新兴的印迹聚合物制备方法─表面印迹法

韩霜

摘 要：表面分子印迹法是在分子印迹技术原有的制备方法的基础上，最新兴起的一种聚合形成印迹聚合物的一种方法。表面印迹法主要包括牺牲载法、化学接枝法和活性可控自由基聚合三种方法。此法解决了原始方法中的制备的聚合物粒径不够均匀、印迹分子包埋过深不易洗脱的缺点，利用表面印迹法有效的减少包埋、容易洗脱印迹分子、加速反应进行、提高了应用效率。

关 键 词：表面印迹 ；固相基体；牺牲载体；化学接枝

中图分类号：TQ 028 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2360-03

A New Preparation Method of Molecularly Imprinted Polymers

——Surface Molecular Imprinting Technique

HAN Shuang

（Harbin Institute of Petroleum， Heilongjiang Haerbin 150028，China）

Abstract： The surface molecular imprinting technique is a molecularly imprinted polymer preparation method based on original preparation method of molecular imprinting technology. Surface imprinting method mainly includes three kinds of methods： sacrificial carrier method， chemical grafting method and active controlled radical polymerization. This method can overcome two shortcomings： nonuniform polymer particle size and dig embedding depth of the imprinted molecule. Using the surface imprinting method can effectively reduce the embedding， so the elution of the imprinted molecule is easy， and the efficiency of application can be improved.

Key words： Surface imprinting；Solid substrate carrier； Sacrifice； Chemical grafting

分子印迹技术是近年来发展的一门边缘分支学科，广泛的应用在医药、环境、食品、军事等领域。其作用方法是将印迹分子、交联剂以及功能基单体加入到溶剂中去进行聚合反应制得分子印迹聚合物，然后再将印迹分子洗脱出去得到立体三维空穴，该空穴可以重新识别印迹分子。

分子印迹聚合物的制备方法一般有本体聚合、沉淀聚合、原味聚合等方法，但是这几种方法得到的印迹聚合物粒径大小不够均匀，虽经研磨粉碎，但是容易破坏其结合位点，影响识别能力。另外，由于聚合作用的位点处于聚合物的内部，因此有结合速度较慢、结合位点较少等不足，而且不容易完成印迹分子的洗脱工作，尤其生物大分子，会严重分子印迹聚合物的使用效率。

基于以上问题，近年来表面分子印迹技术得到飞速发展。表面分子印迹是以固相基体为载体，在固相基体表面发生聚合反应，从而来形成表面分子印迹聚合物的一种新的制备方法。

1 表面印迹法

目前表面分子印迹聚合物的制备方法主要分为牺牲载体法、化学接枝法和活性可控自由基聚合三种。

1.1 牺牲载体法

牺牲载体法是以蛋白质为印迹分子，通过化学键的作用其固定在云母片这种固相载体的表面，然后把云母片置于二糖溶液中，使之吸附到蛋白质上进行聚合反应。当完成聚合反应后，在通过化学方法把云母片这种载体溶解，并洗脱印迹分子蛋白质，从而得到在这种聚合物表面上留有蛋白质结合位点的分子印迹聚合物。也就是说，牺牲载体法是将印迹分子固定于载体表面后，在溶剂中反应，当聚合反应结束后，洗脱印迹分子，同时溶解载体的表面分子印迹技术的制备方法。

Whitcombe 等[1]利用胆固醇作为印迹分子，溶剂采用油水两相的环境，用乳液聚合的方法，利用表面活性剂合成表面分子印迹聚合物.当聚合反应结束后，洗去印迹分子后发现识别的位点均位于聚合物的表面。有科学家又以茶碱为印迹分子在已氨基化的硅微球的固相载体表面键合，在将硅微球置于溶剂中进行聚合反应，这里溶剂选择的是二乙烯基苯和三氟甲基丙烯酸的单体的溶液，在聚合发生之后，洗去印迹分子茶碱，溶解了硅微球。从而很好的利用了牺牲载体法，得到了茶碱印迹微球。

我们国家的学者以谷氨酸为印迹分子，在氧化铝表面合成二氧化硅，再在其表面修饰了醛基，以共价键的形态固定在了该载体表面，聚合反应结束后，将载体置于吡咯溶液中溶解，然后用氯化铁氧化聚合，最后除去印迹分子，从而值得了具有特异识别功能的分子印迹聚合物纳米线。然后又用同样的方法制备了蛋白质的印迹聚合物的纳米线。

Sakaguchi 小组[2]以血红蛋白（ Hb）为印迹分子，利用二氧化硅球的表面，使醛基与血红蛋白（ Hb） 共价生成亚胺键，固定在二氧化硅球表面，在有机硅烷试剂的溶液中聚合，得到了印迹薄膜，然后使用草酸洗脱出印迹分子血红蛋白（ Hb）。经研究表明，硅球表明具有良好的特异识别选择功能。另外，还有其他小组在二氧化硅球表面又制备了溶菌酶印迹聚合物， 该聚合物对蛋白分子有良好的选择性。

牺牲载体法可以有效的使识别作用位点散布在聚合物的表面，有效地提高了印迹分子吸附性能和洗脱能力，但这种方法还存在印迹聚合物结合效率低，产率低，而且还要将印迹分子在固定在载体上，操作繁琐。因此此法还需要进一步的改进。

1.2 化学接枝法

接枝聚合近年来发展迅速的一种聚合方法。是在固相基体表面制备的聚合物的一种共聚方法，包括“接枝到”（ grafting to） 法和“接枝于”（ grafting from）两种方法。

1.2.1 “接枝到”（grafting to）法

“接枝到”（grafting to）是指先把功能基团固定在固相基体的表面，然后在加入到由印迹分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂、溶剂等组成的聚合溶液，聚合反应后即可制得分子印迹聚合物膜[3]。有学者配制的聚合溶液包括甲基丙烯酸为功能单体、心安得为印迹分子、二甘醇二甲醚为溶剂、2，2 - 二甲氧基 - 2 - 苯基苯乙酮为引发剂、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯为交联剂、聚乙烯基乙酸酯为致孔剂。将其加入到了经过3 - （ 甲基丙烯酰氧） 丙基三甲氧基硅烷硅烷化的硅晶片表面，聚合反应后，洗脱印迹分子，从而得到了表面分子印迹薄膜。但是这种膜不够均匀、厚度也比较厚，而且印迹结合位点也不均匀。利用这种方法使用N - 羟基琥珀酰亚胺酯、1-乙基-3 -[3 - 二甲基氨基丙基]、碳化二亚胺、尿酸、TRIM的聚合混合液在碳纳米管表面也成功制得了分子印迹聚合物膜。

经实践证明，“接枝到”法制备分子印迹聚合物简单，容易操作，但却存在以下弊端：第一，因为其具有键的相互作用以及表面吸附作用的条件，因此会影响到功能单体和印迹分子之间的相互作用；第二，单体发生聚合，接枝率不高，这个的主要原因是功能集团密密麻麻的停留在表面上造成一定得到位阻，聚合物链难以接枝，而且随着聚合物链的加长，这种现象会更加的明显[4]。因此此种方法还需要进一步的研究才能得到较好的科学利用。

1.2.2 “接枝于”（grafting from）法

“接枝于” （ grafting from）是指通过自组装的方式将在固相基质表面固定引发剂，然后在含有印迹分子和功能单体的溶液中放入含有这种引发剂的固相基质，进行聚合反应。因此这种方法又叫做表面引发聚合。Ashtari等[5]在氨基化的二氧化硅表面修饰上引发剂ACPA，然后放入以EGDMA为交联剂、以MAA为功能单体、以U02+为印迹分子的混合液中，成功的制得了较薄的厚度的U02+分子印迹聚合物膜。还有在表面等离子共振的芯片共价结合偶氮光引发剂 4，4-偶氮双（ 4-氰基戊酸），然后让MBA与 2-（ 二乙胺） 甲基丙烯酸乙酯共聚，接着包埋软骨藻酸，然后洗脱印迹分子，最后成功的制备出了识别软骨藻酸的分子印迹聚合物膜。在苯甲酮的聚丙烯膜上，滴加交联剂MBA、印迹分子去草净、功能单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的混合溶液，聚合后洗脱印迹分子，成功制备了分子印迹聚丙烯膜的一些实例。

从大量的实验研究证明，该法聚合反应多数发生在固相表面，能有效补充“接枝到”法中的因为密集的功能基引起的空间位阻，有效的提高接枝率。因此“接枝于”（grafting from）法比 （ grafting to） 法具有更好的使用。但在发生聚合反应时，会有以下几个缺点第一，溶液中有可能存在自由基，因此引发剂容易产生链转移；第二，溶液中也存在发生聚合反应的可能性；第三，可做引发剂的物质屈指可数；第四，聚合的效率会因为自由基会发生双基终止而降低。因此，这种方法制备分子印迹聚合物虽然简单，但聚合物不够稳定，又会有发生膜脱落的可能。鉴于以上的种种问题，人们又研究出一种新的制备方法。

1.3 活性可控自由基聚合

针对接枝法中的双基终止和链转移问题，人们研究出了一个新的聚合方法，即活性可控自由基聚合，这种方法是通过使溶液中的参加反应的自由基的钝化或者休眠，建立一个平衡，从而解决以上弊端，有效解决问题。

“活性”/ 可控自由基聚合的主要方法有： 可逆加成 -断裂链转移聚合（ RAFT） 、原子转移自由基聚合（ ATRP） 、氮氧自由基调介聚合（ NMP）。

1.3.1 可逆加成 - 断裂链转移聚合（RAFT）

1998 年，澳大利亚的科学家首次提出了 RAFT 技术[6]。这种方法一般是以双硫酯衍生物为转移试剂。此种物质可以与增长链自由基发生作用有效的抑制了双基终止和链的增长。利用RAFT这种方法在羟基化的二氧化硅表面加入3 - 氨基丙基三乙基硅烷、ACPA反应的引发剂，再加入以苯基丙氨酸苯胺为印迹分子、以MAA为功能单体、以为交联剂的混合溶液中，得到了表面印迹聚合物。福州大学学者利用RAFT在纳米级二氧化硅的表面进行RAFT 实验，先在将双硫酯应用于二氧化硅表面，加入功能单体4 - 乙烯基吡啶、溶剂4∶ 1 的甲醇 / 水、引发剂AIBN、印迹分子2，4 - 二氯苯氧乙酸、交联剂EGDMA的混合液进行聚合，制备了表面分子印迹聚合物。Kim 等[7]利用RAFT在碳纳米管表面，加入茶碱为印迹分子、EGDMA为交联剂、MAA为功能单体、N，N -二乙基二硫代氨基甲酯为溶剂的溶剂中，发生聚合反应得到得到分子印迹聚合物。

RAFT不光适用于常见的单体，如乙酸乙酯、苯乙烯、丙烯腈等，还适用于功能性单体，如苯乙烯磺酸钠、丙烯酸等。这种聚合方法通常在60 ～ 70 ℃下就可以发生聚合，不会引入杂质、不需昂贵的药品、也无试剂的残存，可融合多种聚合方法进行聚合。但RAFT也存在制备以及试剂需要许多步骤、在反应中出现副反应和增加毒性以及只能得到低分子量的聚合物等缺点，尚需继续研究以弥补其不足之处。

1.3.2 原子转移自由基聚合（ATRP）

1995 年，旅美学者王锦山[8]首次提出了原子转移自由基聚合（ ATRP） 的概念。 ATRP 这种方法可以有效的控制聚合物分子量的大小和结构。有学者在金片的表面置于功能单体2-乙烯基吡啶、溶剂乙腈、催化剂 Cu（ I） Br / 三（ 2-二甲氨基乙基） 胺、印迹分子胱氨酸或赖氨酸、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯 EGD-MA 的混合溶液中得到了表面分子印迹聚合物。

我国学者利用 ATRP在卤化后的纳米二氧化硅表面， 加入模板分子为双酚 A，功能单体为4-乙烯基吡啶，催化剂为 Cu（ I） Br 和五甲基二乙烯三胺，交联剂为EGDMA中制得了分子印迹聚合材料。还有人以2-溴-2-甲基丙酰溴为引发剂，在硅烷化的氧化铝表面，加入催化剂为有机金属 Cu（ I） Br，交联剂为EGDMA，功能单体为乙烯基吡啶的混合液中，成功制得了β- 雌二醇的纳米管膜。

经研究表明，ATRP在单体的选择上范围很宽，除烯烃类单体、醋酸乙烯、氯乙烯等单体聚合外，（甲基） 丙烯酸酯类、（甲基） 丙烯酸酯类、苯乙烯及取代苯乙烯类都可以良好的聚合，并且具有较高的特异识别能力。除此之外，ATRP可合成所有指定结构的聚合物。但ATRP也有一些缺点，如对水、O2要求很高、过渡金属催化剂的使用量大，还有对于环境有一定的影响。

1.3.3 氮氧自由基调介聚合（ NMP）

NMP是指通过传统的自由基引发剂形成自由基，然后在氮氧自由基存在的情况下，使活性自由基稳定，从而发生聚合。此种方法在分子印迹技术中虽然尚无相关报道，但相信经过系列研究，一定会有新的进展出现。

2 结束语

表面印迹法最大的优势就是，因为均为裸露的表面，印迹聚合物的作用识别位点均停留在聚合物或者是固相基体的表面，因此反应物质的迁移结合速度快，有利用加速反应的进行，同样也减少了包埋现象，不但容易分离洗脱印迹分子，而且还提高了应用效率。另外可根据基质表面的性能选择基体，以提高其稳定性。

表面印迹法是近年最新兴起的一项分子印迹技术的制备方法。它的产生使分子印迹技术又向前迈进了一大步，相信未来的一段时间，学者们会在此方向的进一步研究定会得到更大的收获。

参考文献：

[1]Whitcombe M J， Martin L， vulfson E N. Prodicting the selectivity of imprinted polymers[J]. Chromatography， 1998， 47： 457-464.

[2]Shiomi T，Matsui M.Mizukami F.et al.Amethod for the molecular imprinting of hemoglobin on silicas ur faces using silannes [J]. Biomaterials， 2005， 26（27）： 5564-5571.

[3] 李国良， 姚伟， 韩建光. 农药丙溴磷分子印迹聚合物微球的制备与结合性能研究[J].分析测试学报， 2009， 28（2）： 207-211.

[4]Schildknecht C E. 聚合过程[ M]. 北京： 化学工业出版社， 1984. 201～204.

[5]Shamsipur M， Fasihi J， Ashtari K. Grafting of ion - imprinted polymers on the surface of silica gel particles through covalentlysurface - bound initiators： a selective sorbent for uranyl ion[J]. Anal Chem， 2007， 79： 7116 -7123.

[6]韩建光， 姚伟， 李国良， 等. 硫丹分子印迹聚合物的合成及吸附特性分析[J]. 化工进展， 2009， 28（3）： 437-440.

[7]kim B S，Lee H Y.grafting of molecularly imprinted poiymers on iniferter modified carbon nanotube[J]. Biosens Bioelectron，2009，25：587-591.

[8]Wang Jin-shan，Matyjaszewski K. Controlled/ “living”radical polymerization. Atom transfer radical polymerization in the presence of transition-metal complexes[J]. J Am Chem Soc， 1995， 117： 5164-5165.