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。

结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。sellerg ren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。