1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 三聚氰胺分子印迹聚合物的制备微球及其在固相萃取中的应用 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 三聚氰胺广泛用于塑料、涂料、粘合剂和食品包装材料的生产，同时三聚氰胺也是畜牧业和 农作物常用杀虫剂环丙氨嗪的代谢产物，近年来在地表水和土壤中分别检出了三聚氰胺的残留。三聚氰胺已波及整个食物链，对生态环境和饮用水安全构成潜在的威胁，因此监测环境中的三聚氰胺有重要意义。分子印迹技术可使聚合物结构中形成对膜板分子具有特殊性的结合位点。在由自由基引发的聚合过程中，模板分子和功能单体形成的主客体配合物进入聚合物的
2、结构。洗去模板分子后，聚合物中留下对模板分子具有特异性结合能力的位点。 本实验 以三聚氰胺为模板分子，甲基丙烯酸和 2-丙烯酰胺 -2-甲基丙磺酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，采用水溶 液悬浮聚合法合成分子印迹聚合物微球。并用扫描电镜表征。通过静态平衡结合实验研究该聚合物的结合能力和选择性能，并将所得的 MIP用于自制固相萃取柱的固定相，研究其从加标三聚氰胺的奶制品中萃取三聚氰胺的性能； 关键词： 分子印迹技术；分子印迹聚合物； 三聚氰胺 ； 固相萃取 II The Microspheres Pruduction of Molecularly Imprinted Polymer M
3、elamine and Its Application in Solid Phase Extraction ABSTRACT Melamine is widely used in plastics, coatings, adhesives and food packaging materials production, while melamine is the metabolite of insecticide cyromazine which is commonly used in livestock and crops.In recent years, melamine residues
4、 were detected in surface water and soil respectively. Melamine has affected the entire food chain, and it poses a potential threat to drinking water safety and the ecological environment, so monitoring the melamine in the environment is so important . Molecular imprinting technology allows the form
5、ation of binding sites in the polymer structure which is special to the film board molecular. In the polymerization process caused by free fadical group, the host-guest complex formed from the template molecule and the functional monomers goes into the polymer structure. After the template molecule
6、is washed away , the sites which has a specific binding capacity to the polymer molecules in the polymer stayed. This experiment uses melamine as the template molecule, methacrylic acid and 2 - acrylamide -2- methyl propane sulfonic acid as functional monomer, ethylene glycol dimethacrylate as cross
7、linker,and uses aqueous suspension polymerization to sythesize molecularly Imprinted polymer microspheres and take the method of scanning electron microscope. Through equilibrium binding experiments, we investigate the binding capacity and the choosing properties of the polymer, and apply the MIP to
8、 the self-production of the stationary phase in the solid phase extraction , and study the function of melamine which is extracted from dairy products spiked with melamine. Keywords: Molecular imprinting technology; Molecularly Imprinted Polymers; Melamine; solid phase extraction 目录 摘 要 . I 绪论 . 1 1
9、.1 分子印迹技术的起源与发展史 . 1 1.2 分子印迹技术的原理和方法 . 2 1.2.1 共价键型分子印迹 . 3 1.2.2 非共价键型分子印迹 . 4 1.2.3 分子印迹技术的特点 . 5 1.3 分子印迹聚合物的合成材料 . 6 1.3.1 模板 . 6 1.3.2 功能单体 . 6 1.3.3 交联剂 . 7 1.3.4 引发剂 . 8 1.3.5 致孔剂 . 9 1.4 分子印迹聚合物的制备方法 . 9 1.4.1 本体聚合 . 9 1.4.2 原位聚合 . 10 1.4.3 表面印迹聚合 . 10 1.4.4 沉淀聚合 . 11 1.5 分子印迹技术与分子印迹聚合物的应用
10、. 11 1.5.1 MIP 在膜分离和固相萃取方面的应用 . 11 1.5.2 MIP 在化学模拟酶催化方面的应用 . 12 1.5.3 MIP 在生物传感器中的应用 . 12 1.5.4 MIP 在化学催化领域的应用 . 13 1.6 分子印迹聚合物的展望 . 13 1.7 本文研究的目的和内容 . 14 2 实验部分 . 15 2.1.主要试剂和仪器 . 15 2.2. 分子印迹聚合物微球的制备 . 17 2.3 分子印迹聚合物识别性能的研究 . 18 2.4 奶制品中三聚氰胺的 固相萃取 . 18 2.5 色谱条件 . 18 3 结果与讨论 . 19 3.1 水介质中的悬浮聚合法 .
11、19 3.2 印迹聚合物的分子识别性能 . 19 3.3 标准曲线和检测限 . 20 参考文献 . 22 致 谢 . 错误 !未定义书签。 绪论 1.1 分子印迹技术的起源与发展史 分子印迹，又称分子烙印 (Molecular imprinting)属于超分子化学中的主客体化学范畴，是源于高分子化学、生物化学、材料科学等学科的一门交叉学科。分子印迹技术(Molecular imprinting technology， MIT)是指制备对某一特定的目标分子 (模板分子或印迹分子 )具有特异选择性的聚合物的过程，也被形象地描述成制备 分子 钥匙 的 人工锁 的技术。分子印迹聚合物 (Molecul
12、arly imprinted polymer， MIP)即是这样一种合成的人工受体：它具有形状与底物分子相匹配的空腔，而且有着特定排列的功能基团可以与底物分子产生识别作用 1。 分子印迹技术的出现源于免疫学的发展。早在 20 世纪 30 年代， Breinl、 Haurowitz和 Mudd 就相继提出了一种当抗体侵入时生物体产生抗体的理论。 40 年代， Pauling 提出了抗体形成学说 2，它的基本观点是抗体在形成时其三维结构会尽可能的同抗原形成多重作用点，抗原作为一 种模板就会 铸造 在抗体的结合部位。虽然， Pauling 的理论被 克隆选择理论 所推翻，但这种学说却奠定了分子印迹的
13、理论基础。从 Pauling 理论出发，科学家们对分子印迹技术进行了大量实验。 1949 年， Dickey 首先提出了 专一性吸附 这一概念，可以视为 分子印迹 的萌芽，但是在很长一段时间内没有引起人们足够的重视。直到 1972 年德国的 Wulff3研究小组利用酶和抗体具有分析形状、空间结构选择性的特点，首次报道了用于色谱手性拆分的分子印迹聚合物之后，分子印迹才逐步被人们所认识 4。 1993 年，瑞典 Lund 大学的 Mosbach 等人在 Nature上发表了有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，分子印迹技术开始得到了蓬勃的发展，成为国内外研究的热点 5。 2 分子印迹技术之所以发展如此迅
14、速，主要是因为它有三大特点：构效预定性、特异识别性和广泛实用性。基于该技术制备的的分子印迹聚合物具有亲和性和选择性高、稳定性好、使用寿命长、应用范围广等特点，因此，分子印迹技术在许多领域，如色谱分析、固相萃取、仿生传感、模拟酶催化、临床药物分析、膜分离等得到日益广泛的研究和开发，有望在生物工程、临床医学、天然药物、食品工业、环境 监测等行业形成产业化规模的应用。 欧洲委员会并于 1998 年启动了一项科研发展计划 ,资助分子印迹聚合物(MIPs)的制备、结构表征以及将 MIPs 用于临床分析、环境分析和生物分析等方面的研究。目前，全世界至少有包括瑞典、日本、德国、美国、中国、澳大利亚、法国在内
15、的10 多个国家、 100 个以上的学术机构和企事业团体在从事 MIPs 的研究和开发。 1.2 分子印迹技术的原理和方法 分子印迹原理如图 1 示意。将一个具有特定形状和大小的需要进行识别的分子 (2)作为模板分子，把它溶于交联剂中，再加入特定的功能单体 (1)引发聚合物 后，形成高度交联的聚合物 (4)，其内部包埋与功能单体相互作用的模板分子，然后利用物理或化学方法将模板分子洗脱，这样聚合物母体上留下了与模板分子形状相似的孔穴，且孔穴内各功能基团的位置与所用的模板分子互补，可于模板分子发生特殊的结合作用，从而实现对模板分子的识别，如果模板分子可以反复洗脱和吸附，则该分子印迹聚合物可以多次使
16、用。 3 分子印迹聚合物与模板分子之间的结合作用主要是孔穴内固定排列的结合基团与模板分子间的相互作用。在制备分子印迹聚合物的过程中，对结合基团有以下 几个要求 :首先 ，模板分子与结合基团间要有足够强的键合作用，以便在聚合过程中把模板分子牢固地固定住，在交联时把结合基团按确定的空间位置固定排列。 其次 ，生成聚合物后，模板分子要尽可能地完全除去，因为残留的模板分子会降低分子印迹聚合物的使用效率。 然后 ，结合基团与模板分子的相互作用要尽可能地快，以便用于快速色谱分离和催化，同时，还要具有很好的可逆性这样才能多次反复使用。对于第一个要求，希望结合作用有较高的活化能，而对后两个要求，则希望有较低的
17、活化能。因而，实际选材中要从这两方面综合考 虑 结合基团和模板分子之间的结合作 用主要有 :(l)共价键 ;(2) -键 ;(3)氢键 ;(4)疏水 /范德华力 ;(5)(过渡 )金属 /配基结合作用 ;(6)冠醚与离子作用 ;(7)离子键。借助共价结合作用和金属络合作用可在聚合物中获得空间精确的结合基团，对模板分子的选择性较好。如果模板分子能比较完全地除去这两种结合方式就占有优势。非共价结合作用在聚合物反应中则要求有过量的结合基团，因而有相当多的结合基团是无规分布的。在这种情况下模板分子一般很容易除去，原则上这种聚合物与底物的可逆性结合作用也较快。 1.2.1 共价键型分子印迹 预组织法主要
18、是由 wuff6小组创立的。此法中，印迹分子与单体发生可逆的共价作用，聚合反应完成后再通过化学手段使共价键断开除去模板分子。该方法中单体与模板分子间的作用力强，形成的复合物稳定，但印迹过程复杂，印迹分子实际上是在被单体衍生后，再交联聚合固化，并且印迹分子的除去也较困难。 4 图 1-2 共价键型分子印迹糖的示例 1.2.2 非共价键型分子印迹 自组织法是由瑞典的 Mosbach7及其同事们在二十世纪八十年代后期创立的。该方法中，模板分子与功能单体 之间预先进行自组织排列，以非共价键自发形成多重作用点，如氢键、静电引力、离子键等。这种方法利用多种多样的作用力，使得强度很小且没有方向性的范德华力也
19、可用来形成复合物，其分子识别过程更接近于那些天然的识别系统，己应用于染料、多肽、维生素等方面。 除上述两种主要的类型外，另外还有一种技术综合了二者，即在聚合时单体与印迹分子间作用力是共价键，而在对印迹分子识别过程中，二者的作用是非共价的。Whitcombe8等利用胆固醇为模板分子，与聚合单体以共价作用结合起来，洗脱时发生水解反应，失去一个二氧化碳分子，得到分 子印迹聚合物。当分子印迹聚合物再结合模5 板分子时则以非共价键相互作用。这种方法既具有预组织法的亲和专一性强的特点，又具有自组装法操作方便，反应条件温和的优点。 Vulfson9等发展了一种叫做 牺牲空间法 的分子印迹技术。首先印迹分子与
20、功能单体以共价键方式形成印迹分子的衍生物，这一步相当于分子的共价过程，然后交联聚合，使功能基团固定在聚合物链上，除去模板分子后，功能基团留在空穴中。当模板分子重新进入空穴中时，模板分子与功能单体上的功能基不是以共价键结合，而是以非共价键结合，类似分子自组装。 图 1-3 牺牲空间法分子印迹 1.2.3 分子印迹技术的特点 MIP 技术发展迅速，主要是因为它有三大特点 : 构效预定性 : MIP 预定性决定了人们可以根据不同的目的制备不同的聚合物，以满足各种不同的需要 ; 识别性 :识别性是因为 MIP 是按照模板分子定做的，它具有特殊的分子结构和官能团，能选择性地识别印迹分子 ; 实用性 :表
21、现在它与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比，具有抗恶劣环境的能力，表现出高度的稳定性和长的使用寿命，且制备过程简单。 6 由于 MIP 具有 上述三个优点，它在许多领域展现了良好的应用前景，这些领域包括 :色谱中对映体和异构体的分离、固相萃取、化学仿生传感器、模拟酶催化、临床药物分析、膜分离技术等。 1.3 分子印迹聚合物的合成材料 1.3.1 模板 模板的性质对 MIP 的识别能力有很大的影响。一般认为， MIP 的选择性与模板和功能单体之间作用的功能基团的数目、作用强度及模板的形态和刚性有关。模板分子可以是低分子化合物、低聚物、金属离子或金属络合物，也可以是分子聚
22、集体。应用较多的模板分子有糖类及其衍生物、氨基酸及其衍生物、药物、激素、杀虫剂、染料等小分子，核酸、多肽、蛋白质等生物大分子应用较少。 1.3.2 功能单体 功能单体选取的原则是：单体的一端能和聚合物结合，而另一端能和模板分子结合。模板分子和功能单体之间作用的强度和取向是 MIP 获得好的分子识别性能的关键。 共价型 MIP 的功能单体应该具有能与模板分子发生共价结合的基团，同时模板与功能单体之间的共价键应该容易通过适当的方法断裂。鉴于此，适合于共价印迹的功能单体十分有限，通常使用的功能单体有 4-乙烯基苯基硼酸、 4-乙烯基苯甲醛、 4-乙烯基苯胺、 4-乙烯基苯酚等。 【 13】 其中，硼酸和邻二醇基团形成的酯键 可逆性好，易于形成和断裂，在糖类衍生物异构体分子印迹中占有重要的地位。 非共价型 MIP 的功能单体种类很多，常用的非共价单体主要有羧酸类，例如丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸等；磺酸类如 2-丙烯酰胺 -2-甲基 -1-
