分子印跡性能表征與儀器

分子印跡性能表征與儀器第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三性能表征用的儀器介紹儀器使用實(shí)例學(xué)習(xí)要點(diǎn)：分子印跡技術(shù)的基礎(chǔ)知識第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2023/4/3一、分子印跡的基礎(chǔ)知識1、分子印跡技術(shù)

分子印跡技術(shù)（Molecularlyimprintingtechnology,MIT)是當(dāng)前發(fā)展高選擇性材料的主要方法之一。其原理是模仿自然界抗原-抗體反應(yīng)機(jī)理，在聚合物材料中引入分子識別位點(diǎn)，制備在空間和結(jié)合位點(diǎn)上與特定目標(biāo)分子相匹配的、具有特定預(yù)定選擇性的高分子化合物—分子印跡聚合物（Molecularlyimprintedpolymer,MIP）。第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2023/4/3理想的MIPs具有一下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)預(yù)定性

根據(jù)不同的目的制備不同的MIP，以滿足各種不同的需要。(2)選擇性——識別作用

MIP按照模板分子定做制備，可專一地識別印跡分子。(3)實(shí)用性

MIP兼?zhèn)渖镒R別和化學(xué)識別的優(yōu)點(diǎn)。具有抗惡劣環(huán)境，選擇性高，穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制備簡單等特點(diǎn)，但也存在制備材料價(jià)格昂貴、難以獲得等缺點(diǎn)。第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2023/4/32、合成MITs基本原理分子印跡就是將模板分子與功能單體通過共價(jià)、非共價(jià)或金屬協(xié)同作用形成預(yù)聚合物。在交聯(lián)劑的作用下功能單體發(fā)生聚合，將模板分子固定在聚合物中。最后脫除模板分子，即聚合物材料上留下與模板分子在大小、形狀和官能團(tuán)的方向上都互補(bǔ)的空穴結(jié)構(gòu)?？昭ú粌H保留了與模板分子化學(xué)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的官能團(tuán)的有序排列，也維持了它的整個(gè)空間構(gòu)象，所以當(dāng)材料再次遇到模板分子時(shí)，可發(fā)生特異性的結(jié)合。

(1)

功能單體——印跡分子——結(jié)合

(2)

交聯(lián)劑——固定

(3)

脫去——印跡分子第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2023/4/3Pre－arrangementExtraction⒈⒉⒊⒋⒌Polymerization第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2023/4/3MIP化學(xué)仿生傳感器——器件

MIPs傳感器兼?zhèn)渖飩鞲衅骱突瘜W(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，是未來傳感器發(fā)展的方向。對映體及異構(gòu)體的分離——色譜

MIP與酶相比不受各種惡劣環(huán)境因素的影響，又具有與酶相似的專一性和選擇性。目前有關(guān)MIPs的文獻(xiàn)一半以上都是有關(guān)手性及異構(gòu)體分離的。臨床藥物分析——醫(yī)藥

由于許多藥物都是具有手性活性的超分子化合物，而MIP正好可以為這些手性藥物定做模板。模擬酶催化——催化

分子印跡技術(shù)則是設(shè)計(jì)新型人工模擬酶材料的最有效手段之一。3、MIP的應(yīng)用第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三二、分子印跡所用儀器色譜固定相、手性分離和固相萃取應(yīng)用一般用分離因子α、分離度Rs、保留時(shí)間tR、結(jié)合常數(shù)、離解常數(shù)、富集系數(shù)等來表征；化學(xué)傳感器的應(yīng)用借用各種電化學(xué)參數(shù)如電流、電容、電導(dǎo)、電壓以及各種光學(xué)參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)如光強(qiáng)度和質(zhì)量等來表征；催化應(yīng)用領(lǐng)域以催化效率、反應(yīng)速度、結(jié)合量等參數(shù)來描述MIPs的催化活性。分子印跡的表征到目前還沒有統(tǒng)一。主要原因是因?yàn)镸IP的應(yīng)用范圍很廣泛，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以有不同的表征方法。一般的表征所用的儀器有：紫外-可見分光光度計(jì)熒光分光光度計(jì)核磁共振儀紅外光譜儀、電鏡（TEM或SEM）熱重XRD等第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

紫外-可見分光光度計(jì)三、儀器使用實(shí)例第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三基本組成

generalprocess光源單色器樣品室檢測器顯示

可見光或紫外線照射某些物質(zhì)，分子中價(jià)電子能吸收輻射，并且產(chǎn)生能級躍遷，而產(chǎn)生可見紫外吸收光譜。基于物質(zhì)對光的選擇性吸收的特性而建立分光光度法或稱吸收光譜法的分析方法。它是以朗伯—比耳定律為基礎(chǔ)。在研究MIP的過程中，主要利用紫外-可見分光光度計(jì)測量待測物質(zhì)的濃度，以了解所需要的信息及結(jié)論，如篩選MIP的合成條件。第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三實(shí)例——滲漏實(shí)驗(yàn)從NIP（非印跡聚合物）中選出幾種常見的功能單體的非印跡聚合物。通過滲漏實(shí)驗(yàn)對4-NP（對硝基苯酚）、AOHCl(金胺O）、IBA(吲哚丁酸）、TA（色胺）分子印跡聚合物所需單體進(jìn)行篩選。實(shí)驗(yàn)步驟甲醇:乙酸(v:v=9:1)洗去殘留物，然后用甲醇洗去乙酸。用3mL上樣溶劑活化SPE柱1mL模板分子溶液（1mL/min逐次上樣），測定濾液吸光度第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三甲醇溶液在MIP與NIP上滲漏曲線及濃度對鍵合量的影響實(shí)驗(yàn)步驟

每次測定值與上樣體積分?jǐn)?shù)作圖得Breakthrough

曲線，滲漏量50%處所對應(yīng)的總體積即聚合物對模板分子的最大吸附體積，根據(jù)總體積及濃度計(jì)算各聚合物的最大吸附量計(jì)算分析物的含量。第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

熒光分光光度計(jì)第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三分子熒光光度法原理：分子發(fā)光分析法是基于被測物質(zhì)的基態(tài)分子吸收能量被激發(fā)到較高電子能態(tài)后，再返回基態(tài)過程中，以發(fā)射輻射的方式釋放能量，通過測量輻射光的強(qiáng)度對被測物質(zhì)進(jìn)行定量測定的一類分析方法。熒光定量分析原理：由熒光發(fā)生機(jī)理可知，溶液熒光強(qiáng)度和該溶液的吸光強(qiáng)度及熒光效率成正比：根據(jù)朗伯比爾定律：對稀溶液，kbc<0.02時(shí)，用標(biāo)曲測c。第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

Goldman等采用均相熒光免疫分析,檢測了土壤和水中環(huán)境樣品里TNT

的含量。這種檢測方法是基于:TNT同熒光標(biāo)記的TNT類似物競爭結(jié)合抗-TNT,當(dāng)TNT

與抗-TNT

結(jié)合后,使得體系熒光發(fā)射強(qiáng)度下降。第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三核磁共振波譜法（NMR）具有核磁性質(zhì)的原子核(或稱磁性核或自旋核)，在高強(qiáng)磁場的作用下，吸收射頻輻射，引起核自旋能級的躍遷所產(chǎn)生的波譜，叫核磁共振波譜。用核磁共振儀可以記錄到有關(guān)信號，處在不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收電磁波的頻率不同，在譜圖上出現(xiàn)的位置也不同，各類氫原子的這種差異被稱為化學(xué)位移。

第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

為了進(jìn)一步確認(rèn)聚合物和印跡分子之間的氫鍵作用,測定了β-CD以及β-CD和印跡分子NG混合溶液的1HNMR譜。β-CDδ3～4為腔內(nèi)質(zhì)子的峰位移,δ4～6為羥基上的質(zhì)子峰位移。比較圖5a和5b,發(fā)現(xiàn)存在印跡分子NG

時(shí),β-CD

上質(zhì)子的化學(xué)位移都有變化。腔內(nèi)質(zhì)子峰向高場移動(δ減小),這是由于印跡分子部分基團(tuán)穿入β-CD,使β-CD腔內(nèi)的電子云密度增大;而羥基上的質(zhì)子峰移向低場(δ增大),這是由于β-CD上的羥基與印跡分子NG形成了氫鍵,使羥基上的質(zhì)子周圍電子云密度降低第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射能量后，引起分子的振動和轉(zhuǎn)動能級變化發(fā)生躍遷，這種躍遷總是發(fā)生在紅外光區(qū)，因此稱為紅外光譜（InfraredSpectra，IR）。基本原理產(chǎn)生紅外吸收的條件(1)

輻射應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動躍遷所需的能量；(2)輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。紅外光譜表征第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三傅里葉變換紅外吸收光譜(FT-IR)

FT-IR的工作原理

檢測器邁克爾遜干涉儀吸收池?cái)?shù)據(jù)處理儀器控制光源傅里葉變換紅外吸收光譜圖干涉圖干涉圖第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三傅里葉變換紅外（FTIR）技術(shù)可以用于檢測分子結(jié)構(gòu)的變化。在分子印跡技術(shù)中，一般是檢測氫鍵的變化值。

一般的分子印跡預(yù)聚合體系，功能單體和模板分子通過氫鍵發(fā)生作用，通過FTIR檢測氫鍵給體（羥基和氨基等）和氫鍵受體（羰基等）的伸縮振動，來判斷氫鍵的大小和強(qiáng)弱。

然而，溶劑的存在會干擾絡(luò)合物的特征吸收，因此必須選擇極性相對較小的，對氫鍵無干擾的溶劑。第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三為了證明產(chǎn)物中有預(yù)測的官能團(tuán)，用紅外光譜對產(chǎn)物Fe3O4、Fe3O4/KH570，F(xiàn)e3O4/SiO2/MPS/MIPs經(jīng)行了研究。根據(jù)ZouYonh-Li等人的報(bào)道，通過紅外可以很明顯的看到變化。在Fe3O4的紅外譜圖上，583cm-1

Fe—O鍵的伸縮振動。在另外兩個(gè)譜圖上也有同樣的吸收。

和Fe3O4相比，F(xiàn)e3O4/KH570和Fe3O4/SiO2/MPS/MIPs的吸收峰強(qiáng)度很弱。

表明在Fe3O4的表面包覆了一層薄的聚合物，進(jìn)而清晰的表明和Fe3O4的聚合反應(yīng)是成功的。和Fe3O4的譜圖相比，F(xiàn)e3O4/KH570在1718cm-1處有—COOH的特征吸收峰，說明通過硅烷化反應(yīng)使KH570成功的接枝在Fe3O4納米顆粒的表面。

在Fe3O4/SiO2/MPS/MIPs譜圖中，EGDMA中的C—O鍵的伸縮振動吸收峰在1258cm-1處，AIBN中的C—N鍵的伸縮振動吸收峰在1158cm-1處，—CH3和—CH2中C—H鍵的剪式振動的特征吸收峰分別為2987cm-1和2956cm-1。C=N鍵的伸縮振動的特征峰是1601cm-1和1558cm-1，C=C鍵的吸收峰在1456cm-1處。第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三電子顯微鏡

電子顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元。電鏡主要分為兩大類：掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）可以達(dá)到原子級的分辨率——0.1

nm。

電鏡的表征手段已經(jīng)是觀察形貌的最佳方法

，也是最為直觀的表征方法。很多重要的數(shù)據(jù)可以直觀的觀測到。

第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三一般利用透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究分子印跡聚合物的形貌、顆粒大小等。

如圖所示，印跡聚合物是近似球形的微粒，直徑在400～500nm，TEM圖顯示聚合物為核殼結(jié)構(gòu)。（a，b為掃描電子顯微鏡圖像，c，d為透射電子顯微鏡圖像）第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三a.Fe3O4透射電子顯微鏡圖像b.Fe3O4@MIPs透射電子顯微鏡圖像可以通過透射電鏡明顯的觀測到包覆上MIP之后，F(xiàn)e3O4的形貌方法有明顯的變化。直觀的觀察到包覆MIP非常成功。第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三X射線粉末衍射及技術(shù)(XRD)基本理論

1913年英國物理學(xué)家布拉格父子在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功的測定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式——布拉格定律2dsinθ=nλ式中λ為X射線的波長，衍射的級數(shù)n為任何正整數(shù)。當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角，又稱為布拉格角）入射到某一具有d點(diǎn)陣平面間距的原子面上時(shí)，在滿足布拉格方程時(shí)，會在反射方向上獲得一組因疊加而加強(qiáng)的衍射線。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三應(yīng)用物相鑒定

Ⅰ定性

（每一種結(jié)晶物質(zhì)都有自己獨(dú)特的衍射花樣，對照圖譜）Ⅱ定量（衍射線的強(qiáng)度隨物相的質(zhì)量或含量成正比）晶胞參數(shù)的確