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1、.表面分子印跡微球的制備及其在水處理中的應(yīng)用表面分子印跡微球的制備及其在水處理中的應(yīng)用/劉燕燕等?131?表面分子印跡微球的制備及其在水處理中的應(yīng)用劉燕燕,吳耀國(guó),晁吉福,劉凱,于秀菊(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,西安710129)摘要介紹了表面分子印跡技術(shù)的原理及特點(diǎn),著重從無(wú)機(jī)材料和聚合物材料兩方面綜述了表面分子印跡微球制備技術(shù)的最新研究進(jìn)展,并簡(jiǎn)要概述了其在水處理方面的應(yīng)用.關(guān)鍵詞表面分子印跡微球吸附水處理中圖分類(lèi)號(hào):TB34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:APreparationofSurfaceMolecularImprintingMicrospheresandItsApplicationinWate

2、rTreatmentLIUYanyan,WUYaoguo,CHAOJifu,LIUKai,YUXiuju(DepartmentofAppliedChemistry,SchoolofScience,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710129)AbstractTheprincipleandcharacteristicsofsurfacemolecularimprintingtechniqueareintroduced.Thela-testadvancesinpreparationofsurfacemolecularlyimprintedm

3、aterialsarereviewedfromthefieldsofinorganicmate-rialsandorganicpolymerasmatrix,andtheapplicationinwatertreatmentisintroducedbriefly.Keywordssurfacemolecularimprinting,microspheres,adsorption,weatertreatment分子印跡微球是一種有固定孔穴大小和形狀的功能材料,對(duì)模板分子的立體結(jié)構(gòu)具有"記憶"功能,在分離和富集,藥物傳輸,酶受體模擬和傳感器等方面有著廣泛的應(yīng)用_1.分子印跡微球

4、的傳統(tǒng)制備方法有本體聚合,懸浮聚合,沉淀聚合,乳液聚合和種子溶脹聚合等,但存在以下幾點(diǎn)不足:(1)所得印跡聚合物的識(shí)別位點(diǎn)大都在聚合物微球內(nèi)部,擴(kuò)散阻力大,導(dǎo)致待印跡分子與識(shí)別位點(diǎn)結(jié)合困難,結(jié)合速率低,溶液的分離處理效率不高,尤其對(duì)生物大分子的影響更嚴(yán)重,所以不適合對(duì)生物大分子進(jìn)行印跡;(2)研磨過(guò)程可控性差,不可避免地產(chǎn)生一些不規(guī)則粒子,同時(shí)破壞部分識(shí)別位點(diǎn),從而導(dǎo)致模板分子的利用率低.針對(duì)上述不足,表面分子印跡微球技術(shù)逐漸被研究者們所關(guān)注.表面印跡材料是通過(guò)在基體表面引發(fā)聚合反應(yīng)形成表面印跡聚合物,最大的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)利用基體的機(jī)械穩(wěn)定性,通過(guò)對(duì)基體本身性能的選擇來(lái)滿足應(yīng)用的需要;(2)

5、在應(yīng)用時(shí)可極大暴露印跡作用的表面積,減少"包埋"現(xiàn)象,從而提高識(shí)別位點(diǎn)與印跡分子的結(jié)合速度,進(jìn)一步加強(qiáng)印跡材料吸附分離效率;(3)由于其形狀為球形,比表面積增大,其應(yīng)用效率得到提高.近年來(lái)有大量文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)其制備方法及應(yīng)用作了總結(jié),但隨著一些新方法,新工藝,新應(yīng)用的出現(xiàn),有必要對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行新的綜述.本文從表面分子印跡微球所用無(wú)機(jī)材料和聚合物材料作為基體綜述了其最新研究進(jìn)展,并簡(jiǎn)要介紹了其在水處理方面的應(yīng)用.1無(wú)機(jī)材料表面分子印跡1.1硅膠表面分子印跡硅膠表面分子印跡方法的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)聚合過(guò)程中,硅膠表面的修飾基團(tuán)通過(guò)價(jià)鍵距離控制,只有對(duì)應(yīng)底物才有強(qiáng)烈識(shí)別作用,可極大

6、降低非特異性吸附的影響;(2)在應(yīng)用時(shí)可極大暴露識(shí)別位點(diǎn),減少"包埋"現(xiàn)象,利于模板分子的識(shí)別和洗脫,提高了模板分子的利用率.鑒于硅膠表面分子印跡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)這方面的報(bào)道越來(lái)越多.根據(jù)功能單體在硅膠表面作用方式的不同,分為表面接枝法和溶膠一凝膠法.1.1.1表面接枝法將功能大分子接枝于無(wú)機(jī)硅膠表面,使功能大分子的功能性與無(wú)機(jī)硅膠的優(yōu)良力學(xué)性能,化學(xué)和熱穩(wěn)定性相結(jié)合,是目前制備表面分子印跡微球的重要途徑.Gao課題組L1陽(yáng)分別采用"接枝到法"(Graftingto)或"接出法"(Graftingfrom)成功地提出了一種新型的表面

7、分子印跡技術(shù):先在硅膠微粒表面接枝功能大分子,待飽和吸附模板分子后再進(jìn)行交聯(lián)印跡,洗脫除去模板分子后,在硅膠表面形成一層存留有大量印跡孑L穴的聚合物薄層(見(jiàn)圖1).他們通過(guò)(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷將功能大分子聚甲基丙烯酸(PMAA)逐步接枝到硅膠微粒表面,形成了表面接枝聚甲基丙烯酸的硅膠微粒(PMAA/SiO.):以抗蚜威為模板分子,乙二醇二縮水甘油醚(EGGE)為交聯(lián)劑,通過(guò)氫鍵和靜電作用,對(duì)接枝到硅膠表面的PMAA進(jìn)行分子印跡,制備了對(duì)抗蚜威分子具有特異選擇性的硅膠表面分子印跡*西北工業(yè)大學(xué)研究生種子基金項(xiàng)目(Z2O10084)劉燕燕:女,1984年生,碩士研究生,主要從事水處理方

8、面的研究E-mail:yan19831202?132?材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇2011年4月(上)第25卷第4期MIPLPMAA/Sio微球,且該印跡材料具有優(yōu)良的洗脫與再生性能口.此外,他們還采用該技術(shù)將功能大分子聚乙烯亞胺(PEI)偶合接枝到硅膠微粒表面形成了接枝微粒PEI/SiO:以膽紅素為模板分子,乙二醇二縮水甘油醚(EGGE)為交聯(lián)劑,制備了對(duì)膽紅素分子具有特異識(shí)別選擇性及優(yōu)良解吸性能的表面印跡材料MIPPEI/Si0zEz3.是RemovingsCr.Surfacemolecularimprintingmaterial圖1表面分子印跡示意圖Fig.1Schematicexpression

9、ofsurface-molecularimprintingproeess.1.1.2溶膠一凝膠法分子印跡溶膠一凝膠技術(shù)是利用溶膠一凝膠過(guò)程,把模板.分子引入到無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,形成一種剛性材料.分子印跡溶膠一凝膠材料兼顧了溶膠一凝膠和分子印跡二者的優(yōu)點(diǎn),克服了分子印跡有機(jī)聚合物的剛性與惰性較差的缺點(diǎn),已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向.周雪等E"采用固定模板蛋白表面印跡的方法,在微米級(jí)氨丙基衍生的硅球表面制備對(duì)牛血清白蛋白有印跡作用的溶膠一凝膠印跡聚合物,結(jié)果表明,在正辛基三甲氧基硅烷,氨丙基三乙氧基硅烷,四乙氧基硅烷的物質(zhì)的量比為42.5:42.5:15,酸度為pH一7.0時(shí)進(jìn)行聚合,并采用

10、0.1mol/LNaOH與l0(體積分?jǐn)?shù))HAc-IO(質(zhì)量體積比)SDS聯(lián)用的方法洗脫固定的模板蛋白,最終得到分離選擇性能較好的印跡聚合物.表面分子印跡技術(shù)和納米技術(shù)相結(jié)合可以產(chǎn)生更多的有效識(shí)別位點(diǎn),減小擴(kuò)散阻力,使印跡分子與識(shí)別位點(diǎn)結(jié)合更容易,結(jié)合速率更快口".Li等_1首次合成了平均粒徑為210nm的核殼結(jié)構(gòu)的牛血紅蛋白印跡磁性納米粒子.首先在氨水溶液中通過(guò)Fe抖和Fe抖共沉淀合成Fe.O納米粒子,并采用溶膠一凝膠法制備在Fe.O4表面包覆硅的磁性納米粒子;然后將間氨基苯硼酸作為功能單體和交聯(lián)劑,分別在水溶液中有或沒(méi)有模板蛋白質(zhì)的條件下,通過(guò)過(guò)硫酸銨氧化在硅修飾的Fe30表面形

11、成聚間氨基苯硼酸薄層.蛋白質(zhì)吸附結(jié)果表明,包覆聚間氨基苯硼酸分子印跡聚合物的磁性納米粒子對(duì)模板蛋白質(zhì)BHb具有高吸附能力和相對(duì)低的非特異性吸附.這種印跡磁性納米粒子容易達(dá)到吸附平衡,且在外加磁場(chǎng)下容易分離.微波具有加熱迅速,均勻和不存在溫度梯度等優(yōu)點(diǎn),對(duì)許多反應(yīng)體系具有加速化學(xué)反應(yīng)的效果.Liang等_印利用微波輔助的溶膠一凝膠法在硅膠表面制得印跡分子聚合物.該法能夠快速制備表面光滑,分散較好的硅膠基體,且具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性.結(jié)果表明,該微球印跡效率依賴于模板分子與硅膠的比例及干燥條件,且甲基橙和乙基橙吸附效率不同來(lái)自于其取代基的空間位阻.1.2磁性物質(zhì)表面分子印跡磁性物質(zhì)表面分子印跡方

12、法的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)含有磁性的印跡分子微球能夠通過(guò)外加磁場(chǎng)快速,高效地進(jìn)行分離;(2)更為重要的是磁性材料可以預(yù)先到達(dá)指定部位,并通過(guò)外界磁場(chǎng)的控制將藥物釋放到指定位置口.Natalia等¨2叼以超順磁性氧化鐵作為核,通過(guò)核殼乳液合成了表面印跡膽固醇的納米粒子,發(fā)現(xiàn)膽固醇在磁性印跡粒子上的吸附與非磁性印跡粒子相似,但磁性粒子在磁場(chǎng)中可以在30s內(nèi)快速沉積分離.Kan等婦在氯仿體系中通過(guò)甲基丙烯酸(MAA)和三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)在含有雙鍵的Fe.0納米粒子表面共聚,制備了磁含量高,超順磁性納米印跡微球,并可通過(guò)外加磁場(chǎng)進(jìn)行快速分離(見(jiàn)圖2).實(shí)驗(yàn)表明,納米磁性印跡微

13、球?qū)Π⑺酒チ?ASP)有很好的吸附和識(shí)別選擇性能.此外,從載有ASP磁性印跡微球的釋放曲線和釋放速率可以看出,所制備的磁性微球具有選擇識(shí)別和控制釋放的綜合性能,從而在藥物控制釋放方面具有潛在的應(yīng)用.o-IFe3O4nanoparticlesASPMAA圖2磁性分子印跡聚合物的制備示意圖加Fig.2SchematicillustrationofthesynthesisofmagneticMIPs.2聚合物材料表面分子印跡聚合物表面分子印跡方法的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)克服了以硅膠作為載體需進(jìn)行硅烷化,封端等表面處理和硅膠鍵合固定相適用pH值范圍較窄的缺點(diǎn);(2)表面印跡聚合物微球的識(shí)別位點(diǎn)建立在聚合物

14、微球表面,印跡分子能很快靠近識(shí)別位點(diǎn),其結(jié)合速率和分離效率較高,尤其對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子而言,印跡效果更好,因此,表面印跡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步凸現(xiàn).從印跡分子的大小出發(fā),將其分為氨基酸,糖及生物堿等生物小分子和蛋白質(zhì)等生物大分子兩大類(lèi).MI一2_,霸1_RN-一鶼翻T一.b,c1糊嘲,表面分子印跡微球的制備及其在水處理中的應(yīng)用/劉燕燕等?133?2.1生物小分子MIPs的制備氨基酸及其衍生物,糖,類(lèi)固醇,核苷酸,激素,維生素等生物小分子大多具有化學(xué)反應(yīng)活性和手性異構(gòu)體,在制備方法上與發(fā)展較成熟的除草劑,染料和藥物等的分子印跡方法有很多相似之處_2.Gao等I2通過(guò)鈰鹽引發(fā)首次將丙烯酰胺接枝在交

15、聯(lián)的聚乙烯醇(cPVA)表面,然后通過(guò)霍夫曼降解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成聚乙烯胺(PVAm),最終形成表面接枝的PVAm/CPVA微球.通過(guò)采用自創(chuàng)的新穎表面分子印跡技術(shù),以戊二醛作為交聯(lián)劑得到膽酸分子印跡聚合物MIP-PVAm/CPVA(見(jiàn)圖1).結(jié)果表明,PVAm/CPVA微球?qū)δ懰?膽固醇的選擇性系數(shù)為1.314,而MIPPVAm/CPVA對(duì)膽酸/膽固醇的選擇性系數(shù)為11.231,說(shuō)明MIPPVAm/CPVA對(duì)膽酸有很好的選擇性和親和性.以乙醇和NaOH溶液作為洗脫劑時(shí),其洗脫效率達(dá)到99.73%.此外,該課題組采用類(lèi)似的方法,將聚丙烯腈(PAN)接枝到CPVA表面,然后通過(guò)胺化反應(yīng)制得PAO/CPV

16、A微球,最終得到對(duì)尿酸分子具有較高印跡性能的MIP-PAO/CPVA微球.引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑(Initiatortransferagentterminator,Iniferter)是一種特殊的自由基引發(fā)劑,在聚合過(guò)程中同時(shí)起到引發(fā),轉(zhuǎn)移和終止的作用,反應(yīng)生成的活性自由基連接在載體表面,而惰性自由基則存在于溶液中,避免了凝膠化現(xiàn)象的發(fā)生.李保利等口將聚苯乙烯一二乙烯苯微球表面功能化,引入引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑,以活性自由基聚合方式研究了球形樹(shù)脂表面合成印跡聚合物的方法.在紫外光引發(fā)下,以左旋麻黃堿為印跡分子,甲基丙烯酸為功能單體,在接枝微球表面進(jìn)行了分子印跡聚合物接枝實(shí)驗(yàn),并在不同反應(yīng)條件下探討了表面接枝印

17、跡微球制備條件對(duì)識(shí)別能力的影響.吸附實(shí)驗(yàn)表明,表面接枝聚苯乙烯一二乙烯苯微球通過(guò)印跡作用得到的識(shí)別位點(diǎn)對(duì)印跡分子具有很好的親和性和選擇性.2.2生物大分子MIPs的制備目前,蛋白質(zhì)等生物大分子很少用作模板分子,這主要是因?yàn)?(1)生物大分子體積龐大,難于使其進(jìn)出分子印跡聚合物;(2)蛋白質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)及其分子序列變化復(fù)雜,在印跡過(guò)程中很難得到有效的識(shí)別位點(diǎn).表面印跡技術(shù)通過(guò)對(duì)粒子表面進(jìn)行修飾來(lái)制備分子印跡聚合物,首先使蛋白質(zhì)與功能單體在微球表面上進(jìn)行預(yù)組裝,形成蛋白質(zhì)部分包埋的聚合物層,最終得到與蛋白質(zhì)在形狀和功能上具有互補(bǔ)表面的模板結(jié)合孔穴.該法極大降低了非特異性吸附對(duì)選擇性的影響,并減少了包

18、埋現(xiàn)象的發(fā)生,是一種有前途的大分子印跡方法.蓋青青等_2將二乙基二硫代氨基甲酸鈉(引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑)修飾到大孔聚苯乙烯微球表面后,采用光接枝表面印跡技術(shù)制備了以牛血紅蛋白(BHb)為模板分子,丙烯酰胺為功能單體和N,N_亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑的分子印跡聚合物微球(MIP).結(jié)果表明,采用光接枝表面修飾法制備的分子印跡微球?qū)δ0宸肿佑泻芎玫奈饺萘亢妥R(shí)別選擇性.為了改善印跡微球表面的親水性,進(jìn)一步提高印跡微球?qū)Φ鞍踪|(zhì)等生物大分子的印跡效率,Li等_2引入界面有機(jī)無(wú)機(jī)雜化概念,采用固定模板蛋白表面印跡的方法,以功能性高交聯(lián)的球形生物大分子殼聚糖(CS)為核,通過(guò)亞胺鍵將模板分子牛血清白蛋白(BsA

19、)固定到殼聚糖表面,室溫下有機(jī)硅氧烷(氨丙基三甲氧基硅氧烷(APTMS)和正硅酸乙酯(TEOS)在CS-BSA表面通過(guò)溶膠一凝膠過(guò)程進(jìn)行縮聚.吸附實(shí)驗(yàn)表明,將模板分子去除后,BSA印跡的溶膠一凝膠表面對(duì)模板分子BSA具有很強(qiáng)的識(shí)別和選擇性吸附性能(見(jiàn)圖3).與游離的模板分子相比,固定模板蛋白表面印跡法制備的印跡材料對(duì)BSA具有更高的吸附性能.該法操作簡(jiǎn)單,親和性好,且具有較好的重復(fù)利用性能,因此被廣泛應(yīng)用在生物傳感器等技術(shù)領(lǐng)域.圖3殼聚糖印跡微球表面固定模板蛋白示意圖.'Fig.3Schematicrepresentationforsynthesisoftheprotein-impri

20、ntedpolymeronCSmicrosphereusing'immobilizedproteintemplat"3水處理中的應(yīng)用有機(jī)污染物是我國(guó)水源中最普遍的污染物,直接威脅人民群眾飲用水健康和水生生物,植物生存環(huán)境.表面分子印跡粒子因?qū)δ繕?biāo)分子選擇性強(qiáng),吸附速率快,吸附容量大,易脫附等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于處理廢水中的有機(jī)污染物.Han等L2將表面分子印跡技術(shù)與溶膠一凝膠過(guò)程相結(jié)合,制備了對(duì)除草劑2,4一二氯苯氧乙酸(2,4一D)具有分子印跡的氨化功能吸附劑,結(jié)果表明,與沒(méi)有分子印跡的吸附劑相比,其吸附容量和選擇性均有明顯提高,且該吸附劑可被迅速洗脫,并可循環(huán)利用.在此基礎(chǔ)上

21、,Xu等口.以3一氨基丙基三乙氧基硅烷為功能單體,正硅酸乙酯為交聯(lián)劑制備了對(duì)模板分子雌激素酮具有識(shí)別功能的印跡微球,將該印跡微球裝柱與HPLC聯(lián)用,可在線分離和測(cè)定環(huán)境中痕量雌激素酮.Zhao等ll以4,4,_二羥基聯(lián)苯和3,3,5,5一四溴雙酚A為道具印跡分子來(lái)代替雙酚A(BPA),從而避免了模板分子雙酚A的泄露,得到的道具分子印跡聚合物(DMIPs)對(duì)BPA具有較大的吸附容量和較高的識(shí)別性能,并且能與印跡分子快速結(jié)合;其最大吸附容量高達(dá)958mol/g,且在40min即可達(dá)到平衡.道具分子印跡材料被成功地應(yīng)用于固相萃取與HPLC/UV耦合技術(shù)來(lái)測(cè)定水樣中的BPA,其檢出限為15.2

22、5;10g/mL(S/N=3).該方法可用于檢測(cè)自來(lái)水,飲用水和生活用水中的BPA,并得到了令人滿意的效果.利用MIPs的高選擇性和親和性能有效解決環(huán)境試樣體系復(fù)雜,預(yù)處理手續(xù)繁雜等難題,在環(huán)境痕量檢測(cè)分析中發(fā)揮著?134?材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇BOl1年4月(上)第25卷第4期重要作用.4結(jié)語(yǔ)大量研究表明,表面分子印跡技術(shù)具有潛在的多方面用途和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),但該技術(shù)仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題:(1)所用的功能單體的種類(lèi)較少且多數(shù)研究均處于實(shí)驗(yàn)室階段,距離實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用還有一段距離;(2)對(duì)印跡聚合物和模板分子作用識(shí)別機(jī)理,傳質(zhì)過(guò)程以及結(jié)合位點(diǎn)的作用機(jī)理需進(jìn)一步探索;(3)需積極開(kāi)發(fā)新的基體材料,將

23、表面分子印跡技術(shù)與之相結(jié)合,使該技術(shù)不斷向前發(fā)展.我們相信,隨著表面分子印跡技術(shù)研究的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,其應(yīng)用前景將十分廣闊.參考文獻(xiàn)lIiuHuijuan,HanRuifang,eta1.Preparationofmolecularimprintedpolymerwithquaternaryammoniumgroupsasrecognitionsitesforseparationofpigcyclophilin18andbovineserumalbuminJ.JSepSci,2010,33(12):18562BompartM,eta1.Directdetectionofanaly

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