1　引言

分子識別在生物體中發(fā)揮著十分重要的作用, 自然界中的一些生物分子如酶、抗原和激素等對底 物、抗體及受體等存在著特異性的分子識別現(xiàn)象,從 而決定生物體能否正常生長。但這些生物分子存在 制取復雜、穩(wěn)定性差、存儲和操作不便等缺點。分子 印跡技術是20世紀70年代以來出現(xiàn)的人工合成具 有專一識別位點的聚合物的技術,采用分子印跡技 術可以制備出穩(wěn)定性好、合成簡單且具有分子識別 功能的分子印跡聚合物。分子印跡聚合物的制備方 法也在不斷更新,從本體聚合[1, 2]發(fā)展到懸浮聚 合[3, 4]、沉淀聚合[5, 6]和表面聚合[7, 8]等,得到的印跡 聚合物在色譜分離[9, 10]、固相萃取[11, 12]、化學傳 感[13, 14]、模擬酶催化[15, 16]等方面得到了廣泛的 應用。

目前,制備分子印跡聚合物母體材料的交聯(lián)劑 種類較少,主要為可參加自由基聚合的烯烴化合物, 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。這些交聯(lián)劑通常只 能在有機溶劑中使用,大大限制了印跡聚合物的發(fā) 展。采用反應條件溫和的溶膠-凝膠技術可以使有 機硅烷試劑在水相或有機相中發(fā)生水解形成高聚 物,且多數(shù)有機硅烷化合物中含有能與印跡分子發(fā) 生相互作用的官能團,又可作為功能單體應用到印 跡聚合物的合成中,因此基于硅材料的印跡聚合物 得到了快速的發(fā)展。

為了減少印跡分子的“包埋” 現(xiàn)象,加快印跡聚合物對印跡分子的吸附速率,目前 印跡技術的很多工作都集中在采用表面印跡技術, 在一定的基質(zhì)材料的表面進行印跡聚合物的制 備[17—19]?？蛇x用的基質(zhì)材料的種類很多,其中硅基 材料由于相容性好、機械性能強、穩(wěn)定性好、表面易 改性等突出的優(yōu)點,而被大量地用于表面印跡聚合 物的制備和研究中。本文擬就近年來基于硅材料的 分子印跡聚合物的制備和研究做一綜述介紹。

2　分子印跡技術

分子印跡技術是指印跡分子與功能單體先通過 可逆反應形成復合物,然后在交聯(lián)劑的存在下,聚合 生成高度交聯(lián)的剛性高分子聚合物,除去印跡分子 后在聚合物的網(wǎng)絡結構中留下具有結合能力的官能 基團,可作為分子受體在眾多印跡分子結構類似物 中選擇性地識別印跡分子。

根據(jù)印跡分子與功能單體在聚合過程中相互作 用的機理不同,分子印跡技術可分為兩種基本類型。 第一種是共價法,由Wulff創(chuàng)立。印跡分子與功能 單體分子之間通過共價鍵結合生成可聚合的單體, 交聯(lián)聚合后采用化學方法將共價鍵斷裂,除去印跡 分子。該法的優(yōu)點是印跡分子與功能單體分子之間 的作用力強,使聚合反應可在強極性溶劑中進行,且 印跡位點精密確定。

但是這種可逆的化學反應種類 較少,印跡分子的洗脫和結合速率很慢。第二種是 非共價法,由Mosbach創(chuàng)立。印跡分子與功能單體 之間以氫鍵、疏水作用、電荷轉移等作用相互結合后 再進行交聯(lián)聚合。這種聚合反應簡單,印跡分子的 洗脫和識別較為快速,且其識別過程更接近于天然 的分子識別系統(tǒng),是常用的方法。另外,還有將這兩 種方法結合起來進行印跡聚合物的制備和性質(zhì)研 究,即在聚合過程中印跡分子與功能單體之間的作 用方式是共價型的,而識別過程中的作用方式是非 共價型的。

3　基于硅材料的分子印跡聚合物的制備

1949年Dickey等以染料甲基橙作為印跡分子, 酸化硅酸鹽溶液制成染料的印跡硅膠,得到了對甲 基橙的吸附比對乙基橙的吸附能力高兩倍的吸附材 料,開始了對基于硅的分子印跡聚合物的制備及研 究。目前,這個方面的研究已取得了很多有益的進 展,由早期采用硅烷直接作為母體材料進行印跡聚 合物的制備,發(fā)展到在不同形貌的硅材料表面進行 印跡聚合物的制備。

3. 1　以硅烷作為印跡聚合物母體材料

一般采用溶膠-凝膠技術,在溫和的條件下制備 以硅為母體的分子印跡聚合物。Dai等[20]以UO2 (NO3)2·6H2O為印跡分子,四甲氧基硅為制備聚 合物的母體材料,在硝酸的催化下制備了印跡聚合 物硅膠,并對其吸附容量和吸附選擇性進行了研究。 與具有相同表面積的非印跡聚合物相比,印跡聚合 物硅膠對UO2+2具有一定的親合性和選擇性。隨后 他們[21]又對印跡聚合物硅膠進行了穩(wěn)態(tài)熒光和熒 光壽命的詳細研究,進一步證明制備的印跡聚合物 硅膠對印跡分子具有很好的選擇性和很高的吸附容 量。

Collinson等[22, 23]以多巴胺為印跡分子,苯基三 甲氧基硅和甲基三甲氧基硅為功能單體、四甲氧基 硅為交聯(lián)劑,在酸性條件下催化水解,再將其滴涂在 電極表面,形成印跡聚合物膜。采用循環(huán)伏安法表 征了印跡聚合物膜的性質(zhì),結果表明該印跡聚合物 膜對多巴胺具有特異的吸附能力,并可消除抗壞血 酸對多巴胺測定的干擾。Pinel等[24]用酸、堿催化 水解、縮合四乙氧基硅,制備了印跡硅膠固體,相對 于空白樣品,對印跡分子甲醇有較強的吸附能力。 當以鄰甲酚作印跡分子合成的硅膠固體,對鄰甲酚 和對甲酚吸附有相似的結果。

He等[25]采用一種與 水不相溶的離子液體作為溶劑和致孔劑用來制備印 跡聚合物硅膠,可選擇性識別雄激素。Puleo等[26] 將溶膠-凝膠技術與抗原決定基法相結合制備了整 個溶菌酶和16-殘基的溶菌酶C多肽的印跡聚合物 硅膠。溶菌酶印跡聚合物硅膠吸附溶菌酶為吸附的 非印跡分子核糖核酸酶的4倍,而16殘基的溶菌酶 C多肽印跡聚合物只表現(xiàn)出輕微的吸附特性。Ki 等[27]以雌酮作為印跡分子,與功能單體三乙氧基丙 基異氰胺硅烷共價鍵合后,再加入交聯(lián)單體四乙氧 基硅烷進行聚合,加熱斷裂共價鍵,洗脫除去印跡分 子,制備成球狀的雌酮印跡聚合物,實現(xiàn)了對雌酮的 識別。

Ling等[28]在水熱條件下濃縮四乙氧基硅,并 加入氯化鋁以增強對印跡分子的再結合能力,制備 了兒茶酚的分子印跡聚合物;考察了影響識別能力 的因素,如被分析物的酸度、硅膠表面印跡聚合物的 覆蓋度和硅-鋁溶液的酸度等;并且將兒茶酚印跡聚 合物修飾在晶體石英微天平表面構建了電化學傳感 器,原位測定印跡分子。Brandy等[29]制備了癸胺三 硝基苯分子印跡周期性介孔有機硅,將卟啉結合在 其中作為結合印跡分子的光學指示劑。這種有機硅 材料同時具有穩(wěn)定性好、識別能力強、對卟啉具有靈 敏高和選擇性結合位點密度大的優(yōu)點。

Zhang 等[30]通過三氨基丙基三乙氧基硅與四乙氧基硅的 溶膠-凝膠作用選擇性地在氧化鋁膜的多孔內(nèi)壁表 面制備了2, 4, 6-三硝基苯的印跡硅納米管。管壁 超薄,厚度約為15nm,可接近性好、傳質(zhì)阻力低。

3·2　以硅膠作為基質(zhì)

二氧化硅的機械性能強,性質(zhì)穩(wěn)定,且表面易于 進一步修飾。在二氧化硅表面進行印跡聚合物的制 備,一方面可以增大印跡聚合物的機械強度,另一方 面可極大暴露印跡作用的表面積,減少“包埋”現(xiàn) 象,加快吸附速率。因此,目前在硅材料表面進行印 跡聚合物的制備和研究得到了快速的發(fā)展。

3·2·1　以球形二氧化硅為基質(zhì)

以球形二氧化硅為基質(zhì)進行印跡聚合物的制 備,根據(jù)二氧化硅表面修飾物質(zhì)種類的不同,基本可 以分為兩類。

一類是在球形二氧化硅表面共價鍵合乙烯基, 它可引導印跡聚合物的聚合反應選擇性地發(fā)生在二 氧化硅的表面。Sakai等[31]在含有溶菌酶的預聚合 溶液中,加入表面修飾了雙鍵的二氧化硅粒子及引 發(fā)劑,在水相中進行了聚合物的制備,得到了以二氧 化硅為基質(zhì)材料的表面含有溶菌酶識別位點的印跡 聚合物,可以選擇性地吸附溶菌酶。Zhang等[32]報 道了在乙烯基功能化的硅納米粒子表面制備2, 4, 6-三硝基苯印跡聚合物。

結果表明硅表面修飾的乙 烯基功能單體不僅可以通過與功能單體的末端乙烯 基共聚引導印跡聚合反應選擇性地發(fā)生在硅表面, 而且使得印跡分子與功能單體在聚合物層中形成電 荷轉移復合物,這樣在聚合物表面形成了高密度的 有效結合位點,由此使得制備的印跡聚合物具有快 速的吸附動力學和高的吸附容量。我們課題組[33] 也在自制的二氧化硅納米球表面修飾乙烯基后,進 行了對苯二酚印跡聚合物的制備。該印跡聚合物具 有較快的吸附速率,并將其修飾在玻碳電極表面,采 用電化學方法實現(xiàn)了對印跡分子含量的測定。

Akiyama等[34]和Song等[35]在印跡分子和丙烯酰環(huán) 糊精存在的情況下,以乙烯基修飾的二氧化硅微球 為基質(zhì)材料,在其表面進行了分子印跡聚合物的制 備,增強了印跡聚合物的機械性能,可用作高效液相 色譜固定相。前者實現(xiàn)了對L-Phe-L-Phe二肽對映 體的分離,后者實現(xiàn)了對多肽的識別,并證實了印跡 的效果并不是與印跡多肽的初始結構有關,而是與 多肽在溶液中的構象有關。Li等[36]在二氧化硅微 球表面同時鍵合環(huán)糊精和丙烯酰胺,然后進行了色 氨酸印跡聚合物的制備,并研究了環(huán)糊精和丙烯酰 胺對印跡聚合物識別性能的影響。

另一類是在球形二氧化硅表面接枝上引發(fā)劑 后,再進行印跡聚合物的制備。4, 4-偶氮-2(4-氰 基-戊酸)是一類在印跡聚合物制備過程中常用的引 發(fā)劑,一般是將其修飾在基質(zhì)材料的表面,再進行印 跡聚合物的制備。Lorenzi等[37]將該法制備的印跡 聚合物用作毛細管電色譜固定相,對L-苯基丙氨酸 苯胺表現(xiàn)出良好的識別性能。Sulitzky等[38]通過對 聚合物厚度的微調(diào)來改善印跡聚合物的吸附動力學 性質(zhì)和吸附容量,并將其應用于色譜固定相,探討了 聚合物厚度、溶劑、硅膠孔徑、交聯(lián)劑濃度和流動相 組成對色譜性質(zhì)的影響。

Shamsipur等[39]也將該法 制備的印跡聚合物用作色譜固定相,考察了印跡分 子鈾酰離子的濃度、pH值和在聚合物表面溶液的流 動速度等因素的影響。在優(yōu)化的條件下對鈾酰離子 表現(xiàn)出很強的親合性,并可用在實際水樣的預濃縮 和測定中。Sellergren等[40]通過可逆加成-斷裂鏈轉 移自由基聚合反應(RAFT),在表面修飾了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跡聚合物。該印跡聚合物可 作為一種具有高選擇性的手性固定相,可以在較短 時間內(nèi)實現(xiàn)印跡分子外消旋體和結構類似物外消旋 體的基線分離。

Husson等[41]采用該法制備的色氨 酸分子印跡聚合物與傳統(tǒng)液相法制備的印跡聚合物 相比,傳質(zhì)速率快,吸附容量高。 引發(fā)轉移終止劑( iniferter)技術作為一種準自 由基聚合方法,也被應用到基于硅材料的印跡聚合 物的制備中。該法先將引發(fā)轉移終止劑修飾在二氧 化硅表面,再進行印跡聚合物的制備。采用該技術 Sellergren等[42]在二氧化硅微球表面先后接枝上L 苯基丙氨酸苯胺印跡聚合物和D-苯基丙氨酸苯胺 印跡聚合物,或接枝上一層印跡聚合物和一層非印 跡聚合物。

其中,在D-苯基丙氨酸苯胺印跡聚合物 表面再接枝一層5nm的L-苯基丙氨酸苯胺印跡聚 合物導致了與只接枝一層D-苯基丙氨酸苯胺印跡 聚合物相反的選擇性;在非印跡聚合物表面接枝 23nm的印跡聚合物,表現(xiàn)出更高的選擇性。說明薄 的L-苯基丙氨酸苯胺印跡聚合物接枝在D-苯基丙 氨酸苯胺印跡聚合物表面不能導致完全相反的選擇 性,而是兩層印跡聚合物共同作用的結果。Sellerg ren等[43]在多孔硅、凝膠型和大孔樹脂表面采用 RAFT技術嫁接了印跡聚合物,發(fā)現(xiàn)接枝量隨著聚 合時間、終止劑的量和單體濃度的增大而增加。將 這些硅-印跡聚合物復合材料用作固定相進行測試 對印跡分子表現(xiàn)出識別性能。

Su等[44]在硅膠的表 面制備了磺胺二甲嘧啶印跡聚合物,用作高效液相 色譜固定相,在最佳的色譜條件下,印跡聚合物二氧 化硅微球可以用來測定牛奶中的磺胺二甲嘧啶,線 性范圍為0·1—50μg/m,l檢測限為25ng/ml。 除此之外,文獻還報道了在二氧化硅微球的孔 隙中進行印跡聚合物的制備,然后用HF將二氧化 硅刻蝕除去,就得到了形狀與二氧化硅微球一致的 印跡聚合物。按照此法,Martin-Esteban等[45]制備 了利谷隆印跡聚合物,用作色譜固定相,可直接檢測 蔬菜樣品中的苯基脲類除草劑,檢測時間小于 10min。Yilmaz等[46]制備了異丙(去甲)腎上腺素分 子印跡聚合物,用作色譜固定相,提高了柱效,縮短 了分離時間。

3·2·2　以硅纖維為基質(zhì)

硅纖維作為一種新的硅材料也被應用到印跡聚 合物的制備中。Hu等[47]為了增強固相微萃取的選 擇性和應用能力,以四環(huán)素為印跡分子,在長度為 4cm,直徑為140μm的硅纖維上采用多步共聚的方 法制備了新穎的印跡聚合物包覆的固相微萃取纖 維。該印跡聚合物能夠直接與高效液相色譜聯(lián)用對 復雜樣品中的四環(huán)素進行痕量分析,并在結構類似 物土霉素、強力霉素和氯霉素中對四環(huán)素表現(xiàn)出特 異的識別性能。Koster等[48]比較了各種條件下在 硅纖維表面制備的藥物克倫特羅印跡和非印跡聚合 物的吸附性能。作為固相微萃取劑,適于生物樣品 的分析測定,可選擇性地萃取人尿液中的克倫特羅。

3·2·3　以硅整體柱為基質(zhì)

硅整體柱作為色譜固定相已經(jīng)有了長足的發(fā) 展,近年來,人們在硅整體柱表面接枝一層印跡聚合 物以提高色譜柱的分離能力。Yan等[49]在毛細管 電色譜柱和毛細管液相色譜柱內(nèi)制備了表面嫁接了 分子印跡聚合物的硅整體柱,用毛細管電色譜和毛 細管液相色譜進行了評價。制備的印跡聚合物整體 柱在很短的時間內(nèi)就可將印跡分子與異構體分離開 來,柱效高,靈敏度好,使用壽命長。Ou等[50]分別 以S-特羅格爾堿和L-四氫巴馬汀為印跡分子,在毛 細管硅膠整體柱上固定一層分子印跡膜,并將其應 用于毛細管電色譜和毛細管液相色譜中手性化合物 的拆分。在最佳的條件下,在長度為8·5cm的整體 柱上只需4min就可將印跡分子的外消旋體拆分 開來。

4　基于硅材料的印跡聚合物的應用

硅材料不僅具有良好的機械性能及熱穩(wěn)定性, 而且形貌多種多樣,因此具有分子識別功能的基于 硅材料的分子印跡聚合物具有廣泛的應用前景。

4·1　色譜分離

基于硅膠基質(zhì)的分子印跡聚合物多為微球形, 機械性能好,且印跡位點位于印跡聚合物表面或接 近表面,因此可作為優(yōu)良的色譜固定相,在色譜分離 方面有著廣泛的應用。Prasad等[51]將在球形硅膠 表面聚合制備得到的唑酮印跡聚合物裝入長13cm, 內(nèi)徑1·4cm的色譜柱中,用作固定相,表現(xiàn)出很高 的選擇性和吸附容量,可以在稀釋的水溶液或藥物 中對印跡分子進行選擇性的富集和分離。Chang 等[52]將厚度約為100nm雌激素酮印跡聚合物接枝 在硅膠表面,用作色譜固定相。相對于雌激素酮的 結構類似物而言,該印跡聚合物對印跡分子具有更 長的保留時間,表現(xiàn)出高的特異性識別能力。Suliz- ky等[53]在接枝了引發(fā)劑的硅膠表面制備了L-苯丙 氨酸苯胺的印跡聚合物,用作色譜固定相,高效液相 色譜表征了印跡聚合物的親合性,結果表明制備的 印跡聚合物表現(xiàn)出良好的吸附性能和選擇性。

4·2　固相萃取

通過印跡聚合物對印跡分子具有的特異性富集 或排斥作用,使其對單個化合物和一類化合物具有 較高的選擇性,可解決傳統(tǒng)固相萃取中面臨的非特 異性吸附問題。Zhu等[54]在硅膠表面制備了2, 4- 二硝基酚的印跡聚合物,具有高的吸附能力、優(yōu)良的 選擇性和位點可接近性,并成功地用作固相萃取劑, 在水樣中選擇性地富集和測定2, 4-二硝基酚。實 驗結果表明,印跡聚合物固相萃取柱的回收率為 92% (相對標準偏差小于2·8% )。

將固相萃取與高效液相色譜結合,可富集、分離 和測定被分析物,提高靈敏度,降低檢測限。Jiang 等[55]結合表面印跡技術和溶膠-凝膠技術制備了二 乙基乙烯雌酚印跡聚合物,采用固相萃取-高效液相 色譜聯(lián)用技術測定二乙基乙烯雌酚。制備的印跡聚 合物吸附動力學快, 10min即可達到平衡,吸附容量 也很大,為62·58mg/g,并可以用來檢測魚樣品中的 二乙基乙烯雌酚。在硅纖維表面制備的印跡聚合物 復合材料也被應用到固相萃取-高效液相色譜聯(lián)用 技術中,對四環(huán)素測定的線性范圍為5—200μg/L, 檢測限為1—2·3μg/L,并可用于小雞飼料、小雞肌 肉和牛奶樣品中殘留四環(huán)素的分析[47];對克倫特羅 進行測定,檢測限可達10ng/ml[48]。

4·3　模擬酶催化

位于分子印跡聚合物內(nèi)部的印跡位點和催化基 團,使印跡聚合物具有高的選擇性和催化活性,可以 與天然酶相媲美。Brüggemann等[56]將印跡分子固 定在硅膠的表面制備的印跡聚合物,可催化六氯環(huán) 戊二烯和馬來酸的環(huán)加成反應。相對于非印跡聚合 物,這種模擬酶聚合物顯示出特異的催化性能。溫 度升高,分子印跡聚合物的催化活性增大。通過這 種方法,可將反應的活化能從63kJ/mol降低到 55kJ/mol。

該催化反應的米氏常數(shù)為5·8mmol/L, 有效反應速率為0·4μmol/(L·s),反應速率常數(shù)為 1·1×10-3/s。Iwasawa等[57]采用分子印跡技術,將 金屬絡合物附著在二氧化硅表面,制備了一種新的 銠-胺分子印跡聚合物,該聚合物具有與印跡分子形 狀匹配的空穴,可以用作形狀-選擇性反應空間。印 跡銠配合物具有Rh-(amine)(OSi)(HOSi)不飽和 結構,對α-甲基苯乙烯的加氫反應表現(xiàn)出很高的催 化活性。

Visnjevski等[58]以Diels-Alder反應的過渡 態(tài)類似物氯茵酸酐為印跡分子,比較了采用包埋法 與犧牲骨架法制備的硅表面印跡聚合物在六氯代環(huán) 戊二烯與順丁烯二酸的Diels-Alder反應中的催化 活性。結果表明,犧牲骨架法制備的硅表面印跡聚 合物的催化活性明顯高于包埋法得到的印跡聚合物 的催化活性,并且所得產(chǎn)物的量是其非印跡聚合物 催化后所得的3倍。Brüggemann等[59]在氨基功能 化的硅膠表面固定印跡分子后再與功能單體和交聯(lián) 劑共聚制備了印跡聚合物,再用HF將硅膠和印跡 分子溶解除去。因為是以水解反應的過渡態(tài)物質(zhì)作 為印跡分子,所以在印跡聚合物的內(nèi)表面就具有催 化選擇性水解反應的活性位點,表現(xiàn)出較好的催化 活性。

4·4　電化學傳感

分子印跡聚合物用作分子識別元件,使制備的 傳感器在保持較高的選擇性和靈敏度的同時,還可 提高耐受性,延長壽命。Prasad等[60]將硅膠鍵合的 尿酸印跡聚合物用于固相萃取和印跡聚合物修飾滴 汞電極傳感器,選擇性地預濃縮印跡分子,提高了靈 敏度,消除結構類似物如抗壞血酸的干擾,檢測限為 0·0008mg/L。Akiyama等[34]在硅膠表面制備了溶 菌酶印跡聚合物,將其修飾在電極表面構建了石英 晶體微天平傳感器,對溶菌酶具有高靈敏的響應。

Prasad等[61]將肌氨酸印跡聚合物嫁接在硅膠表面, 將固相萃取技術和印跡聚合物傳感技術相結合,對 肌氨酸的含量進行了測定,檢測限為0·0015ng/m,l 并用于人血清中肌氨酸含量的測定,最低可測至 50ng/ml。Marx等[62]采用二氧化硅溶膠-凝膠技術 制備了對硫磷印跡膜傳感器,研究了功能單體的作 用以及非共價鍵合對硫磷時的作用位點,并首次比 較了印跡分子在氣相和液相條件下鍵合到印跡聚合 物膜上的情況。

5　結束語

基于硅材料的分子印跡聚合物,從以球形硅為 基質(zhì)材料到以其他形貌的硅為基質(zhì)材料,從在硅的 表面印跡到硅的多孔中印跡,發(fā)展非常迅速。合成 的分子印跡聚合物也由最初的大塊狀發(fā)展到目前的 微球形、納米管狀等,減少了傳統(tǒng)印跡方法存在的研 磨、篩分等繁雜的后續(xù)處理過程,增大了聚合物的機 械強度,減少了印跡分子包埋現(xiàn)象,加快了印跡分子 的吸附速率。

預計在今后的一段時期內(nèi),基于硅材料的分子 印跡聚合物將在下述方面得到進一步的研究和發(fā) 展:

(1)合成更多類型的可用于基于硅材料的印跡 聚合物的制備時使用的功能單體(硅烷偶聯(lián)劑),以 滿足不同類型印跡分子和印跡聚合物制備的需要;

(2)深入研究印跡聚合物的識別過程和識別機理, 從分子水平上弄清楚印跡聚合物和印跡分子之間的 識別機制;

(3)因基于硅材料的印跡聚合物可在水 溶液中制備和識別,為生物大分子的印跡提供了一 個優(yōu)良的環(huán)境,因此生物大分子的印跡和識別將得 到更加深入的研究和應用;

(4)不斷開發(fā)基于硅材 料的印跡聚合物的新應用領域,并將其推向市場化。