專利名稱：表面親水性的分子印跡聚合物微球及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在純水溶液體系中具有優(yōu)異分子識別功能的分子印跡聚合物微 球的制備方法，具體地說就是涉及到一種表面具有親水性高分子刷的分子印跡聚合物微球 的制備方法。
背景技術(shù)：
分子印跡技術(shù)是近年來在高分子化學(xué)、生物化學(xué)、材料化學(xué)及仿生技術(shù)等學(xué)科基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科。由其得到的分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymers，簡稱MIPs)具有對客體分子優(yōu)異的親和性與專一選擇性、良好的穩(wěn)定性及制備 容易等優(yōu)點(diǎn)，因而成為國際上分子識別領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，分子印跡聚合物主要是通過 傳統(tǒng)自由基聚合方法制備的，具體實(shí)施方法包括本體聚合法、懸浮聚合法、乳液聚合法、兩 步溶脹法以及沉淀聚合法。其中本體聚合法得到的分子印跡聚合物需要研磨粉碎，費(fèi)時費(fèi) 力；懸浮聚合與乳液聚合需要特殊的分散劑；兩步溶脹法操作繁瑣；而沉淀聚合法無需特 殊分散劑，能夠一步制備單分散的聚合物微球，產(chǎn)物不需研磨粉碎，操作簡單，用途非常廣 泛。迄今為止，人們已經(jīng)合成了眾多模板分子的MIPs，其應(yīng)用研究也已擴(kuò)展到色譜固定相、 固相提取、生物模擬檢測與傳感器、人工酶、有機(jī)合成和藥物傳遞等眾多方面，并在食品與 環(huán)境安全檢測等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。盡管分子印跡研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，在某些應(yīng)用領(lǐng)域甚至已進(jìn)入了商品化階 段，但是此研究領(lǐng)域中仍然存在一些關(guān)鍵性的難題與挑戰(zhàn)，大大限制了分子印跡聚合物材 料更廣泛的應(yīng)用。其中之一即是如何制備在水溶液中具有優(yōu)異分子識別性能的MPs。迄今 發(fā)展起來的分子印跡聚合物通常只有在有機(jī)溶液體系中才能顯示出優(yōu)異的分子識別性能， 而真正能適用于水溶液體系的分子印跡聚合物則非常有限。然而從經(jīng)濟(jì)上、生態(tài)上以及環(huán) 境保護(hù)等各方面考慮，以水來代替有機(jī)溶劑都是非常必要的；從其潛在的在生物技術(shù)領(lǐng)域 中的應(yīng)用考慮，以水為溶劑則是必須的；而就其在環(huán)境與食品安全檢測等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng) 用來講，使用在水溶液中具有優(yōu)異分子識別性能的分子印跡聚合物則可達(dá)到直接快速檢測 的目的。可見開發(fā)適于水溶液體系的分子印跡聚合物具有極其重要的理論意義和實(shí)用價 值。最近，B. Sellergren等人報道了通過在分子印跡體系中引入親水性單體甲基丙烯 酸2-羥基乙酯，來改善分子印跡聚合物的表面親水性，最終得到了適于水溶液體系的分子 印跡聚合物(J. Am. Chem. Soc. 2003，125 :15101-15109)。不過該方法需要經(jīng)過大量的高通 量條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，極大地限制了其更廣泛的應(yīng)用。J. Haginaka等人通過單甲基丙烯酸甘油 酯和二甲基丙烯酸甘油酯的自由基接枝聚合法對分子印跡微球進(jìn)行表面親水改性(Anal. Chem. 2000,72 =5206-5210)，結(jié)果顯示此類分子印跡聚合物在純水溶液體系中的分子識別 能力并沒有得到明顯改善。上述普通自由基表面聚合法對分子印跡聚合物微球的表面親 水改性存在表面覆蓋不均勻以及聚合過程不可控等問題，以至于會影響產(chǎn)物的分子識別能 力。因此開發(fā)一種簡便易行地獲得適于水溶液體系的分子印跡聚合物的新方法具有重要意義。本工作將可控自由基聚合技術(shù)與分子印跡研究有機(jī)地結(jié)合起來，通過將可逆加 成-裂解鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合機(jī)理引入沉淀聚合方法，實(shí)現(xiàn)了一步法制備表面具有活性鏈轉(zhuǎn) 移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球。然后以其為固載化鏈轉(zhuǎn)移劑，引發(fā)親水性單體的可控聚合， 得到表面具有親水性高分子刷的分子印跡聚合物微球。由于RAFT聚合具有反應(yīng)條件溫和， 適用單體范圍廣、且聚合過程高度可控等優(yōu)點(diǎn)，因此采用RAFT沉淀聚合與RAFT表面聚合相 結(jié)合的方法可以很方便地控制所得分子印跡聚合物微球及其表面親水性高分子刷的各種 參數(shù)，最終獲得表面具有適宜親水性的分子印跡聚合物微球，從而實(shí)現(xiàn)制備適于水溶液體 系的分子印跡聚合物微球的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種簡便易行的制備適于水溶性體系分子印跡聚合物微球的的 新方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為提高分子印跡聚合物在水溶液體系中的分子識別能力 提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是通過將分子印跡技術(shù)、沉淀聚合方法和RAFT可控自由基聚 合方法相結(jié)合，首先制備粒徑分布窄、對模板分子具有專一識別能力、且表面具有活性鏈轉(zhuǎn) 移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球，然后通過表面引發(fā)的親水性單體的RAFT聚合在分子印跡 聚合物微球表面接枝親水性高分子刷，得到適于水溶液的分子印跡聚合物微球。本發(fā)明的具體方法如下(1)將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑按摩爾比1 2 4 10 16 60投料，功 能單體與交聯(lián)劑在體系中的體積分?jǐn)?shù)為0. 5 5%。(2)加入功能單體與交聯(lián)劑總量約1-4%的引發(fā)劑，且引發(fā)劑與鏈轉(zhuǎn)移劑摩爾比 為1 2 5。(3)將上述混合物完全溶解后，通氬氣或氮?dú)? 60min，除去氧氣。將反應(yīng)器密 封后置于50 100°C油浴中反應(yīng)6 48h，超聲分散5 30min，過濾得到含有模板分子的 分子印跡聚合物微球。(4)將含有模板分子的分子印跡聚合物微球用甲醇/乙酸體積比為10/1 10/10 的混合液索氏抽提12 72小時，再用甲醇或乙腈索氏抽提12 48小時，直至沒有模板分 子洗出為止。然后于20 60°C真空干燥至恒重，即得到粒徑分布窄、單分散、且表面具有 RAFT鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球。(5)將親水性單體、引發(fā)劑與自由鏈轉(zhuǎn)移劑按摩爾比100 5000 1 10 2 40投料，溶劑在反應(yīng)體系中的體積分?jǐn)?shù)> 60 %，并且加入一定質(zhì)量的表面具有RAFT鏈轉(zhuǎn) 移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球于反應(yīng)瓶中，經(jīng)脫氣除氧后，將反應(yīng)瓶置于50 90°C的油浴 中，反應(yīng)6 4 后。將反應(yīng)產(chǎn)物離心洗滌，40°C真空干燥48h，得到表面接枝親水性聚合物 分子刷的分子印跡聚合物微球。所用的功能單體為4-乙烯吡啶、2-乙烯吡啶、甲基丙烯酸2-羥基乙酯、丙烯酰胺 或N-乙烯基吡咯烷酮。所用的交聯(lián)劑為二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)、三甲基丙烯酸三羥甲基丙酯 (TRIM)、二乙烯苯(DVB)或N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺。
所用引發(fā)劑為偶氮類或過氧化物類自由基引發(fā)劑。所用鏈轉(zhuǎn)移劑為雙硫酯或三硫酯。所用的溶劑為乙腈、甲醇、甲苯、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿或甲醇/水 (4/1)。所采用的模板分子為茶堿、咖啡因、雙酚A、氟哌酸、雌二醇、2，4_ 二氯苯氧乙酸 (2,4-D)或心得安。所用的親水性單體為甲基丙烯酸2-羥基乙酯、N-異丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、N， N' -二甲基丙烯酰胺或甲基丙烯酸二甲胺基乙酯。


圖1.表面具有親水性高分子刷的分子印跡聚合物微球的制備過程示意圖。圖2.利用RAFT沉淀聚合制備的表面具有活性鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球 (以2，4-D為模板分子)的掃描電子顯微鏡照片。圖3.利用RAFT沉淀聚合制備的表面具有活性鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的非印跡聚合物微球 (對應(yīng)于圖2中的MIP)的掃描電子顯微鏡照片。圖4.利用RAFT表面聚合反應(yīng)制備的表面具有親水性高分子刷的分子印跡聚合物 微球(以2，4-D為模板分子)的掃描電子顯微鏡照片。圖5.利用RAFT表面聚合反應(yīng)制備的表面具有親水性高分子刷的非印跡聚合物微 球(對應(yīng)于圖4中的MIP)的掃描電子顯微鏡照片。圖6.表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球(以2，4_D為模板分子，實(shí)心符 號)及其非印跡聚合物微球(空心符號)在純水溶液中對2，4-D的吸附性能。圖7.表面具有親水性高分子刷的分子印跡聚合物微球(以2，4-D為模板分子，實(shí) 心符號)及其非印跡聚合物微球(空心符號)在純水溶液中對2，4_D的吸附性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)例1將0. 25mmol 2,4-D加入裝有60mL甲醇/水(4 1，ν/ν)的250mL圓底燒瓶中， 磁子攪拌使其完全溶解，然后加入Immol的4-乙烯基吡啶。充分接觸半小時后，再分別加 入5mmolEDMA、0. 44mmol鏈轉(zhuǎn)移劑二硫代苯甲酸異丙苯酯(CDB)、0. 22mmol偶氮二異丁腈 (AIBN)和20mL的甲醇/水G 1，ν/ν)。攪拌半小時后，通氬氣除氧30min后將反應(yīng)體系 密封，置于60°C恒溫油浴中，反應(yīng)Mh，抽濾得反應(yīng)產(chǎn)物。用甲醇/乙酸(9 l，v/v)對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行48h Soxhelt抽提，再用甲醇Soxhelt 抽提12h。晾干后40°C真空干燥48h，得到粒徑分布窄、且表面具有RAFT鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子 印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備中除不加模板分子外，其他過程同上。將Img 的 AIBN、5mg 的 CDB、2. 04g N, N' -二甲基丙烯酰胺，溶解在 5mL DMF 中， 然后加入IOOmg表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球于反應(yīng)瓶中，經(jīng)脫氣除氧后， 將體系置于70°C的油浴中反應(yīng)Mh。然后將反應(yīng)產(chǎn)物離心洗滌，40°C真空干燥48h，得到表 面接枝親水性聚合物分子刷的分子印跡聚合物微球。
表面接枝親水性聚合物分子刷的非印跡聚合物微球制備方法同上。實(shí)例2將0. 25mmol的2，4_D加入裝有60ml甲醇/水G 1，ν/ν)的250ml圓底燒瓶 中，磁子攪拌使其完全溶解，然后加入Immol的4-乙烯基吡啶。充分接觸半小時后，再分別 力口入5mmolEDMA、0. 44mmol 鏈轉(zhuǎn)移劑 CDB,0. 22mmol AIBN 和 20ml 的甲醇 / 水(4 1，ν/ν)。 攪拌半小時后，通氬氣除氧30min后將反應(yīng)體系密封，置于60°C恒溫油浴中，反應(yīng)Mh，抽濾 得反應(yīng)產(chǎn)物。用甲醇/乙酸(9 l，v/v)對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行48h Soxhelt抽提，再用甲醇Soxhelt 抽提12h。晾干后40°C真空干燥48h，得到粒徑分布窄、且表面具有RAFT鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子 印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備中除不加模板分子外，其他過程同上。將Img AIBN、5mg CDB、2. 6g甲基丙烯酸羥乙酯，溶解在5mL DMF中，然后加入 IOOmg表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球，反應(yīng)體系經(jīng)脫氣除氧后，置于70°C的 油浴中反應(yīng)Mh。將反應(yīng)產(chǎn)物離心洗滌，40°C真空干燥48h，得到表面接枝親水性聚合物分 子刷的分子印跡聚合物微球。表面接枝聚甲基丙烯酸羥乙酯聚合物刷的非印跡聚合物微球的制備方法同上。實(shí)例3將0. 25mmol茶堿與30mL乙腈加入IOOmL的圓底燒瓶中，攪拌使其完全溶解，然后 加入Immol甲基丙烯酸，充分混合半小時后，再先后加入4mmol EDMA、0. 09mmol鏈轉(zhuǎn)移劑 ⑶B、0. 045mmolAIBN和IOmL乙腈。攪拌半小時后，通氬氣除氧30min，將反應(yīng)體系密封，置 于60°C恒溫油浴中，反應(yīng)Mh，抽濾得反應(yīng)產(chǎn)物。用甲醇/乙酸(9 1，ν/ν)對所得聚合物微球進(jìn)行48h Soxhelt抽提，再用乙腈 Soxhelt抽提Mh。然后于40°C真空干燥48h，得到粒徑分布窄、且表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的 分子印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備過程除了不加模板，其他同上。將Img的AIBN、5mg的⑶B、2. 6g甲基丙烯酸羥乙酯，溶解在5mL DMF中，然后加入 IOOmg表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球，經(jīng)脫氣除氧后，將體系密封置于70°C 的油浴中反應(yīng)Mh。將反應(yīng)產(chǎn)物離心洗滌，40°C真空干燥48h，得到表面接枝親水性聚甲基 丙烯酸羥乙酯分子刷的分子印跡聚合物微球。表面接枝親水性聚甲基丙烯酸羥乙酯聚合物分子刷的非印跡聚合物微球的制備 方法同上。實(shí)例 4將0. 25mmol茶堿與30mL乙腈加入IOOmL的圓底燒瓶中，攪拌使其完全溶解，然后 加入Immol甲基丙烯酸，充分混合半小時后，再先后加入4mmol EDMA、0. 09mmol鏈轉(zhuǎn)移劑 ⑶B、0. 045mmol AIBN和IOmL乙腈。攪拌半小時后，通氬氣除氧30min，將反應(yīng)體系密封，置 于60°C恒溫油浴中，反應(yīng)Mh，抽濾得反應(yīng)產(chǎn)物。用甲醇/乙酸(9 1，ν/ν)對所得聚合物微球進(jìn)行48h Soxhelt抽提，再用乙腈 Soxhelt抽提Mh。然后于40°C真空干燥48h，得到粒徑分布窄、且表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球。非印跡聚合物微球的制備過程除了不加模板，其他同上。將Img的AIBN、5mg的CDB、2. 04g甲基丙烯酸二甲胺基乙酯，溶解在5mL DMF中， 然后加入IOOmg表面具有鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)的分子印跡聚合物微球，經(jīng)脫氣除氧后，將體系密封 置于70°C的油浴中反應(yīng)Mh。將反應(yīng)產(chǎn)物離心洗滌，40°C真空干燥48h，得到表面接枝親水 性聚N，N-異丙基丙烯酰胺分子刷的跡聚合物微球。表面接枝親水性聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯聚合物分子刷的非印跡聚合物微球 的制備方法同上。
權(quán)利要求
1.一種表面親水性的分子印跡聚合物微球，其特征是交聯(lián)度> 60%，粒徑在1 5微 米，粒徑分布較窄，且在純水溶液體系中對模板分子具有很好的分子識別性能。所述分子印跡聚合物微球是在模板分子存在下，首先由單烯類功能單體與多烯類交聯(lián) 單體共聚得到表面含活性功能基團(tuán)的分子印跡聚合物微球，然后通過親水性單體的的表面 聚合對微球進(jìn)行表面修飾得到的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球，其特征是表面接枝有各種親水性聚合 物刷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球，其特征在于所述的模板分子是茶堿、 咖啡因、雙酚A、氟哌酸、雌二醇、2，4- 二氯苯氧乙酸或心得安。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球，其特征在于所述的單烯類功能單體為 4-乙烯吡唆、2-乙烯吡唆、甲基丙烯酸2-羥基乙酯、丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球，其特征在于所述的雙烯類交聯(lián)單體是 雙甲基丙烯酸乙二醇酯、三甲基丙烯酸三羥甲基丙酯、二乙烯苯或N，N'-亞甲基雙丙烯酰 胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球，其特征在于所述的表面聚合用親水性 單體為甲基丙烯酸2-羥基乙酯、N-異丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、N，N' -二甲基丙烯酰胺或 甲基丙烯酸二甲胺基乙酯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子印跡聚合物微球的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑、致孔溶劑與聚合引發(fā)體系混勻，通氬氣或氮?dú)? 60分鐘除氧。將反應(yīng)器置于50 100°C油浴中反應(yīng)6 48小時，超聲分散5 30分鐘， 過濾得到含有模板分子的聚合物微球。2)將含有模板分子的聚合物微球用甲醇/乙酸的混合液(體積比為10/1 10/10)索 氏抽提12 72小時，再用甲醇或乙腈索氏抽提12 48小時，直至模板分子洗凈為止。然 后于20 60°C真空干燥至恒重，得到分子印跡聚合物微球。3)通過改變功能單體、交聯(lián)單體、引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑、模板分子以及致孔溶劑的種類和 用量，制備一系列對不同模板分子具有分子識別功能、且表面具有不同鏈轉(zhuǎn)移基團(tuán)含量的 分子印跡聚合物微球。4)通過改變表面聚合體系所用的親水性單體的種類，制備一系列表面具有不同親水性 聚合物刷的分子印跡聚合物微球。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面接枝親水性聚合物刷的分子印跡聚合物微球的制備方 法，其特征是所述的引發(fā)劑為偶氮類或過氧化物自由基引發(fā)劑，所述的鏈轉(zhuǎn)移劑為二硫酯 或三硫酉旨。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面接枝親水性聚合物刷的分子印跡聚合物微球的制備方 法，其特征是表面聚合所用的溶劑為乙腈、甲醇、甲苯、N，N-二甲基甲酰胺、氯仿或甲醇/水 (4/1)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面接枝親水性聚合物刷的分子印跡聚合物微球的制備方 法，其特征是所述的溶劑、親水性單體、引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑的用量如下1)溶劑在反應(yīng)體系中的體積分?jǐn)?shù)> 60%。2)親水性單體、引發(fā)劑與鏈轉(zhuǎn)移劑的摩爾比為100 5000 1 10 2 40。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面親水性的分子印跡聚合物微球的制備方法。所述分子印跡聚合物微球交聯(lián)度在60％以上，粒徑為1～5μm，表面具有親水性高分子刷，在純水溶液體系中對模板分子具有優(yōu)異的分子識別性能。它們是采用可逆加成-裂解鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)可控自由基聚合技術(shù)兩步法合成的。本發(fā)明具有合成方法簡單、適用范圍廣、產(chǎn)品純凈等優(yōu)點(diǎn)。所得分子印跡聚合物微球在色譜固定相、生物樣品分析、醫(yī)學(xué)臨床免疫分析、食品與環(huán)境監(jiān)測、模擬酶催化、仿生傳感器等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B01J20/30GK102059104SQ20091022842
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者張會旗, 張瑩, 潘國慶 申請人:南開大學(xué)