分子印迹固相萃取在分析样品纯化中的研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月 中 国 锰 业 .收稿日期:基金项目:湖南省地质院科研基金项目(编号:)云南省教育厅科学研究基金教师类项目(编号:)作者简介:姚泽()男湖南长沙人工程师主要从事地质实验测试通信作者:徐祥云()男云南曲靖人副教授主要从事分析化学方向的应用研究分子印迹固相萃取在分析样品纯化中的研究进展姚 泽王干珍徐祥云叶 鹏秦 毅黄绍念(.湖南省地质实验测试中心湖南 长沙 .曲靖医学高等专科学校云南 曲靖)摘 要:分子印迹技术研究涵盖高分子化学、材料化学、分析化学和生物化学等多学科领域作为一个新兴的化学分支该方法侧重研究靶标分子的选择性、特异性、稳定性、耐酸、耐碱、耐恶劣环境等特性 介绍了分子印迹技术的基本原理、分类和制备技术结合固相萃取技术在环境监测、食品工业、药物分析等领域的研究进展进行了综述关键词:分子印迹固相萃取分析纯化中图分类号:.文献标识码:./.前 言环境监测、食品工业、药物分析等是目前国内外研究的重点领域这些领域的研究中常遇到一些困难如食品中的有害物质的残留量很小难以用常规的方法进行精确的测定中药的天然构成与性质存在着较高的复杂性将其纯化并提取出高品质的活性成分具有相当大的难度与食品安全问题相比环境污染的产生源于有毒污染物在大气环境中的留存现存污染治理技术手段繁多广泛应用于大面积区域且部分处理材料在处理过程中产生二次污染导致污染难以有效控制 分子印迹聚合物()具有构效预定性、特异识别性及适用广泛性的优点且其制备简便、材料成本低、稳定性较好因此已经成为现代固相萃取的研发热点 分子印迹固相萃取技术为这些领域的研究提供了一种全新的思路和手段既可节约处理费用又可开拓其使用领域 分子印迹技术发展及其应用.分子印迹技术概述 年.发明了一种新型的尿素随后该技术迅速发展尤以在有机合成领域的成效显著采用巧妙的手段和方法有选择地合成出了具有多元功能的分子 年.提出用“锁和钥匙”来形容基质与酵素之间的特异性连接称为“分子辨识”人们通过研究和模仿自然生物的分子特征根据它们的结构设计出一种相对稳定、耐酸性、耐高温、具有一定硬度的物质从而形成了分子印迹 年德国 团队首次成功地制造出了分子印迹聚合物()成为分子印迹技术发展的一个主要指标 瑞典的 于 年首先采用了模板与功能性单体之间的非共价态反应来制造分子印迹高分子开创了一种新型的无共价性分子印迹技术 分子筛技术因其具有较强的特异性、可辨识性、普适性等特点而倍受科研人员的关注 将模板分子导入到聚合物系统中使其在预聚时与模板分子形成稳定的、有序的结合从而使其处于预定的部位和预定的腔室中因此该方法的性能是有效的 高分子的分子结构取决于模板分子的分子结构在模板分子被清除后在聚合物中会产生与模板分子尺寸、形态完全一致的孔洞从而“记忆”到模板分子上从而实现有效的鉴别和选择 它之所以具有广阔的应用前景是因为它具有制造工艺简便、操作简便、耐高温、耐酸、耐碱等苛刻的条件以及具有一定的机械强度 因此分子印迹技术在很多领域都有着广泛的用途如分离提取、模拟酶催化和色谱中对映体和异构体的分离以及化学仿生传感器等.分子印迹技术原理及分类.分子印迹技术的基本原理第 期姚泽等:分子印迹固相萃取在分析样品纯化中的研究进展分子印迹技术是根据生物学的抗原 抗体的基本理论通过对模板分子的空间和结合位置进行精确的分析将其称为“分子钥匙”与“人工锁”的配对 该方法一般包括以下 个步骤:在致孔剂中模板和功能性单体可以由共价键或非共价键结合而成添加一种交联剂使交联剂在该复合体的表面及周边进行聚合从而得到一种高强度的聚合物从聚合物中提取模板分子因聚合物中保留的空腔尺寸与模板分子高度匹配且具有特定的选择性所以聚合物可以对模板分子进行选择性的鉴别 理想的分子印迹聚合物通常有如下优势:易于接触的亲和位置从而可以迅速、精确地进行分子识别该高分子为某种硬质的构型在提取模板时空腔的尺寸和功能基团的位置未发生变化从而确保了该模板的特定选择性在恶劣的条件下必须具备某些化学、力学和热稳定的性能有一定韧性以确保对模板分子的迅速识别.分子印迹技术的分类模板和功能性单体的作用可以使分子印迹的生产工艺分成以下 个类别)预装配方法也称为共价键法由、等提出并发展 该工艺中模板和功能性单体是由共价键的作用而构成的在聚合反应结束后模板和功能性单体的共价键被破坏从而除去印迹分子)自装配技术也称为共价键合制由 等提出并发展 该工艺要求将功能性单体与模板分子按一定的比例进行调配使其与模板分子发生不共价结合并反应成为一种高交联型聚合物再由该模板分子抽出与其相结合使其在空间尺寸和形态上与其官能团相适应的孔洞对该高聚物具有高选择性模板分子因不共价结合而被该高聚物俘获)牺牲空间方法在组合预装配上的亲和专一性以及相对温和的分子结构由于它们本身的功能基团很特殊使得其使用范围有很大的局限性)金属螯合法就是利用络合剂和生物大分子与金属离子形成络合物然后在特定的条件下进行吸附 在所得的印迹聚合物的空腔与模板分子的络合反应可以在较为柔和的环境下发生且有很强的立体选择性.分子印迹聚合物的制备.分子印迹聚合物制备方法根据需要目前已开发出了多种制备印迹聚合物的新技术)本体聚合是一种最简便、最常见的制备分子标记的技术 其制作方法为:将模板和功能性单体按一定的比例分别放入非极性或者弱极性的溶剂中利用振动或者超声波将其充分混合等它们与模板分子发生化学反应再以不同的比例添加交联剂和引发剂在超声波的帮助下将其除去然后在空气中放入氧气再于真空中进行聚合形成一种柱形聚合物 这种方法看似容易却有一个不容忽略的缺陷:加工工艺复杂加工时会出现许多不规则的微粒其中有许多细小的微粒必须用丙酮沉淀去除不仅耗时耗力 而且产量也大幅降低(通常小于)高质量的交联液会引起大分子的高质量交联从而使模板分子难以去除所得的粒子塔的利用率很低不适合大量的生产)原位聚合也叫单体柱聚合即通过在色谱柱进行聚合而形成分子印迹聚合物 该方法简单、直观使实验程序大为简化因而具有较高的实用价值 该工艺的优势在于:可以在柱子中进行聚合从而可以省去传统的装瓶工序而且实验操作简单、快速节约了大量的原材料调整气孔剂的用量可以调整气相色谱柱中孔尺寸从而调整分离效果其渗透系数通常很高常规的柱子使用年限较久且不会因石英毛细管径的变化而发生变化且其总体性能较好分子印迹是用共价键结合在毛细管的内壁上不会因压力和电泳而掉落)分散聚合是将模板分子、交联剂、功能单体等混合在一起再将其加至水相中用搅动、乳化等方法将其分散再用引发剂进行交联聚合一般可以获得颗粒大小比较均匀的分子印迹微球 该工艺具有易于获得均匀颗粒尺寸的印迹微球并且可以通过调整乳化剂的用量来调整微球的尺寸通常为 因为整个生产工艺都是在无极性系统中进行的因此所得的印迹聚合材料更适用于非极性的环境)沉淀聚合所得的高分子颗粒尺寸均一具有良好的印迹性能但其工艺复杂制作时间较长且使用的全氟化合物具有较高的毒性和不易分解性 与本体聚合工艺类似但在聚合物系统中添加了大量的孔隙剂造成大量低聚体的生成随后以该低聚体为中心将其他的单体和更小的低聚体进一中 国 锰 业第 卷步交联最终得到一个聚合物微球 在不添加稳定剂和表面活性剂的情况下可以有效地降低印迹微球的无效性避免了对模板的非特异性吸附)悬浮聚合以全氟代碳液取代常规的有机相和水从根本上解决了非共价键合物不稳定的问题 等采用微悬浮聚合方法将聚三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸的聚合物颗粒作为种子再经二甲基丙烯酸乙烯酯、甲基丙烯酸、氯仿、偶氮二异丁腈以及模板分子的溶胀反应经热引发聚合反应制备出适用于液相色谱的分子标记微球)表面分子印迹是在聚合物上进行的一种特殊的处理方式即通过一些特殊的方式黏附在聚合物的表层从而使得模板分子更易于靠近结合点从而方便了模板的脱除与重组特别适用于生物大分子 通常将其应用于微球体的表面涂层 等等在硅胶与 的表面上成功地进行了分子标记的处理 将该体系与该体系在不同的有机溶剂中进行聚合使其与具有活性的硅或玻璃相结合)分子印迹膜技术是一种新型的生物技术其主要用途在于它可以将模板分子进行选择性的分离 分子印迹膜可以对模板分子进行专一的分离但在现实中对其进行形态学和分子学上的认识尚少对其结构形式的影响尚不明确因此分子印迹膜的研究仍停留在实验室中距离产业化尚有一段距离.分子印迹聚合物制备条件的选择在分子印迹聚合物的制备工艺中会对其印迹性能产生一定的影响如模板分子的结构、功能单体、交联剂、致孔剂、引发剂、引发方式、模板分子与功能单体交联剂的比例、模板分子的清除方式以及聚合的温度和时机等都会对印迹性能产生一定的影响分子印迹聚合物的影响有以下几个重要的要素)模板分子的选择是目前分子生物学领域的一个热点问题 在分子印迹的制备中模板分子量的大小对其性质和选择性有很大的影响 通常情况下需要对一种特殊的材料进行分析或者分解这种材料被称为模板这些模板分子需要和其他的功能性单体进行共价或者非共价的结合从而形成一种可以在聚合物中进行交联的聚合物这样才能确保聚合反应结束后可以将模板和功能性单体的作用力从聚合物中剥离)功能性单体的选取是影响印迹效果的关键因素之一要正确地预测模板的官能团并根据模板的结构和作用的不同设计出合适的筛选方法 在聚合反应期间所生成的复合物可以与交联剂的分子相连接在适当的地方将模板分子固定 此外还要求功能性单体与交联剂之间存在良好的共聚性能不能由于其交联程度的降低而导致活性空腔迅速减小只能通过功能性单体与交联剂进行共聚从而在分子印迹聚合物中产生高效的空腔)选择交联剂的目的在于将模板和功能单体结合起来使得它们在高分子中的键合位点稳定并对其产生特定的特异性 交联剂在一定程度上影响着高分子的交联强度和硬度而在交联剂中加入量的增大则可以改善聚合物的刚度、交联程度和对模板的选择性能特别是增强了分子筛上的识别性能降低了溶剂对模板的溶胀率)致孔剂的选择是用于分子印迹聚合物的溶剂所以致孔剂要对所使用的试剂有良好的溶解性以形成多孔方便与模板分子结合孔隙结构还利于致孔剂的分解和释放 通常采用水相法和无水法 种方法来制作分子印痕聚合物常见的有二氯甲烷、甲苯、乙腈、氯仿等)引发剂和引发方式的选择 按照引发方法的不同分为热引发聚合、光引发聚合、引发剂引发聚合、微波引发聚合、电化学引发聚合等 最常见的为光引发聚合和热引发聚合 光引发聚合通常以紫外线为光源在常温和低温条件下进行交联和功能性单体会在紫外线的作用下形成游离基从而引起聚合但由于其操作时的温度很难调节所以应用范围并不大)模板分子的抽提及后处理在聚合结束之后需要从分子印迹聚合物中提取交联剂、功能单体、引发剂和模板分子 一般选用乙腈、甲醇 乙酸(或三氯乙酸)、水、乙腈 乙酸等采用索氏萃取法可以提高萃取速度节约洗脱溶剂 分子印迹固相萃取中的应用.分子印迹固相萃取技术在食品工业中的应用 等首次建立了一种快速、准确和高选择性的方法利用一种新的双模板亲水分子印迹树脂()作为吸液管尖端固相萃取的吸附剂结合 同时提取和测定红酒中的多种植物生长调节剂 所制备的 结合了亲水性树脂的亲第 期姚泽等:分子印迹固相萃取在分析样品纯化中的研究进展水性和双模板分子印迹的多印迹识别的优点克服了传统印迹材料在水中的印迹识别能力差和对多个目标的提取效率低的缺点 在优化的条件下仅使用 提取方法显示出高灵敏度(./)和高回收率(.)等开发了一种简单可靠的表面增强拉曼光谱()方法用于灵敏和选择性地检测与虚拟分子印迹聚合物()集成的花生样品中的 选择 异丙基丙烯酰胺()和 乙氧基香豆素()分别作为单体和假模板并从动力学和静态吸附角度通过分子设计筛选它们的比例以形成最佳 分析显示花生样品中 的检测灵敏度高检测限为./线性浓度关系范围为./汪雪雁等以恩诺沙星 为填充剂利用毛细管电泳法对其进行了固相提纯获得了./的恩诺沙星含量.分子印迹固相萃取技术在药品分析中的应用由于其较高的灵敏度和特异性使分子印迹固相萃取技术在医药领域的研究中得到了进一步的发展 等从血清中选择性提取沙美特罗 辛那氟酯()是一种用于治疗哮喘的 肾上腺素能受体激动剂具有提高运动成绩的作用分子动力学用于模拟 印迹预聚合系统以确定系统的稳定性 计算模拟表明 作为模板甲基丙烯酸 羟基乙酯()作为单体三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯()作为交联剂物质的量之比为 在径向分布函数方面具有最强的相互作用 结果显示其是有最强相互作用的系统相对应的组成和比例的 表现出最佳性能加入血清中 的回收率为.加入另一种类似结构的 时回收率为.与回收率为.的标准固相萃取吸附剂 相比 表现出更好的性能.分子印迹固相萃取技术在天然药物提取中的应用在功能性药品的提纯中分析印迹固相萃取技术也起到了重要的促进作用 等在阿拉伯鼠尾草中发现的次要成分 羟基()苯并恶唑酮生物碱()具有广泛的用途 用作模板而甲基丙烯酸、乙二醇二甲基丙烯酸酯和乙腈分别用作功能单体、交联剂和成孔剂 结果表明模板的吸附量为./用作固相萃取填料和实际样品提取柱线性范围为 /平均回收率为.相对标准偏差为.根、茎和叶中的 浓度分别为 /等采用悬液聚合法制得普洛萘尔 并对普洛萘尔进行了实验研究结果表明其比未标记高分子()强 倍 等以鸟嘌呤为载体制备了一种新型的固体提取载体并在复合试样中实现了鸟嘌呤的富集.分子印迹固相提取技术在环境和污染方面的研究杀虫剂的广泛应用导致环境中的残留物的处置成为当前的一个重要问题普通杀虫剂的半寿命相对较长对人体具有“致畸、致突变”的危害因此合理的处理方法既能缓解生态环境的问题又能推动农业的健康发展同时也为人类持续健康的发展保驾护航 等以诺氟沙星()和恩诺沙星()为模板通过简单易行的沉淀聚合制备了新型双模板分子印迹聚合物()用于同时选择性识别和提取湖泊、海洋和自来水样品中的 种氟喹诺酮()该方法得到的 种物质的荧光加标回收率为.相对标准偏差为.杨东冬等采用噻虫啉作为模板采用茧状分子的固定色谱法()对吡虫啉、氯噻啉、噻虫啉等进行了选择性吸收其最大吸收率为./最近有研究以喹硫磷、二嗪农、马拉硫磷等为模板分别合成了一种用于有机磷农药的固相萃取树脂 等采用 测定了含标物的样品结果表明在 /的线性区间中相关性超过.其检出限小于./且其检出限小于日本./且回收量超过 等采用 法在水中及黄瓜中对二嗪农进行了有效的吸附其回收率可达 和 分子印迹固相萃取技术目前存在的问题分子印迹技术相对于其他大分子而言其环境适应性强、成本低廉、重复利用率高、对模板分子的高选择性等优点已经取代了现有的生物大分子在分离、萃取、富集等领域得到了广泛的推广但由于其发展的速度较快还有待进一步研究)因为分子印迹聚合物的设计要求考虑到印痕分子的功能基团性质、大小尺寸以及交联剂、功能中 国 锰 业第 卷单体、致孔剂、引发剂、聚合反应的工艺和工艺要求因此分子印迹聚合物的制备过程十分烦琐通常都是通过经验和半经验的方式来进行而且合成的工艺过程十分艰难)分子印迹技术的制备机制还只限于定性和半定量的还缺少对分子印迹技术的定量和系统性的研究)分子印迹聚合物材料的用途还有待扩大大部分分子印迹聚合物材料的生产都是在有机溶剂中进行的而在水性和极性的条件下由于其存在着较大的局限性所以在自然条件下分子印迹的识别大部分都是在水中进行的所以要想使分子印迹不受到极性和水性介质的干扰就必须进行更深入的探索)模板的筛选主要集中在小分子的氨基酸、染料、药物等方面 生物大分子化合物如蛋白质、生物酶、肽、气体分子等的应用尚不多见且其应用前景并不尽如人意 分子印迹固相萃取技术的展望从上述问题出发对今后的发展趋势进行了展望:)通过电脑及分子模拟技术模拟了模板和分子印迹的聚合反应优化了功能和模板的筛选并使其具有较好的结构性能使其具有很好的选择性)通过超分子的交互作用通过计算机技术定量地计算模板和功能性单体、分子印迹和功能性单体的相互作用力使其从定性到半量化从动态和热 个方面来描述可以从分子层面上理解印迹机制和识别过程从而使得结果精确、有效拓展了研究的范围)加强对各种模板和各种应用条件的研究扩大应用的领域和应用 加速了水相的分子印记和识别使其在自然世界中的识别和印痕处理更为接近)在实际中强化分子印迹技术的应用加快将已有的技术商品化如分离药物、氨基酸提取、酶催化等 通过结合化学的方法可以有效地改善分子印迹聚合物的特异性识别能力和单体选择性使其合成工艺的最佳工艺参数得到最小化从而大大地改善了合成工艺的生产效果参考文献:陈卫江禾芝刘成.新型磁性离子交换树脂对原水中痕量有机物的去除效能研究.环境科技():.():.():.():.():.():.().():.:.():.():.():.().():.:.():.().():.().():.毕吉福张学全董为民等.用过渡金属络合催化剂在水介质中引发烯烃单体的配位聚合.合成橡胶工业():第 期姚泽等:分子印迹固相萃取在分析样品纯化中的研究进展.“”:.():.:.:.汪雪雁檀华蓉祁克宗等.分子印迹固相萃取 高效毛细管电泳法检测鸡肉中的恩诺沙星残留.色谱():.():.():.():.:.:.:.杨东冬丛路静田明明等.分子印迹固相萃取 液相色谱联用法测定 种新烟碱类农药的残留.分析化学():.():.(.):.武利庆王晶.分子印迹聚合物预组装体系计算机模拟.计算机与应用化学():.(.):.: