基于分子印跡聚合物(MIPs)的離子選擇電極(ISE)研究進展

1、基于分子印跡聚合物(MIPs)的離子選擇電極(ISE)研究進展摘要：分子印跡聚合物對目標化合物具有高選擇性，并且具有耐高溫、抗酸堿及有機溶劑等優(yōu)點。分子印跡聚合物在催化、手性分離、固相萃取等眾多領域都有廣泛的應用。分子印跡聚合物用作傳感器材料是分子印跡聚合物近年來的研究熱點。本文綜合介紹了基于分子印跡技術的離子選擇電極的研究進展。關鍵詞：分子印跡；離子選擇電極；進展Recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymersAbstract: The molecularly imprinte

2、d polymers have high selectively for target molecule and possessed high thermal and chemical stability. Owning to these advantages, they have applied in many fields such as catalysis, chromatography separation and solid phase extraction. The using of molecularly imprinted polymers as ion selective e

3、lectrode became a hot topic in molecularly imprinted technique in recent years. The recent progress of ion selective electrode based on molecularly imprinted polymers has been reviewed in this paper.Key words: molecularly imprinted polymers; ion selective electrode; progress分子印跡技術是近年發(fā)展起來的一門結合高分子化學、材

4、料化學、化學工程及生物化學的交叉學科技術。分子印跡技術來源于生物學中的免疫學，是通過想要選擇識別某一種物質(zhì)而進行聚合反應形成印跡聚合物的方法。通過這種方法制備的聚合物具有很高的辨識能力，能夠精確的按照分子結構有效的選擇出相應的印跡分子，也就是目標分子物質(zhì)。而生成的這種聚合物即使在強酸、強堿的作用下，也不會失去效應；在高溫高壓以及較惡劣環(huán)境中仍保持其高的選擇識別能力，穩(wěn)定性基本沒有變化。該種方法是選用目標物質(zhì)作為模板，通過功能單體、交聯(lián)劑的作用，從而獲得結構與目標分子相匹配的分子印跡聚合物。近年來分子印跡技術發(fā)展十分迅速，在催化 Visnjuvski A, Schomacher R, Yilma

5、z E. Catalysis of a diels-alder cycliaddition with differently fabricated molecularly imprinted polymersJ. Catal. Commun., 2005, 6: 601-6.、手性分離 Meng ZH. Wang QH, Zhu DG, et al. Fabrication of new modified electrode and its application in detection of nitriteJ. J. Membr. Sci., 2007, 25: 340-9.、固相萃取 L

6、ü Yk, Wang LM, Yang L, et al. Synthesis and application of molecularly imprinted poly(methacrylic acid)-silica hybrid composite material for selective solid-phase extraction and high-performance liquid chromatography determination of oxytetracycline residues in milkJ. J. Chromatogr. A, 2012, 12

7、27: 48-53- Zheng YQ, Liu YH, Guo HB, et al. Molecularly imprinted solid-phase extraction for determination of tilmicosin in feed using high performance liquid chromatographyJ. Anal. Chim. Acta, 2011, 690(2): 269-274. Du W, Fu Q, Zhao G, et al. Dummy-template molecularly imprinted solid phase extract

8、ion for selective analysis of ractopamine in porkJ. Food Chem., 2013, 139: 24-30. He CY, Long YY, Pan JL, et al. Application of molecularly imprinted polymers to solid-phase extraction of analytes from real samplesJ. J. Biochem. Bioph. Methods, 2007, 70: 133-50.、食品 Sun Xl, He XW, Zhang YK, et al. De

9、termination of tetracyclines in food samples by molecularly imprinted monolithic column coupling with high performance liquid chromatographyJ. Talanta, 2009, 79: 926-34.、膜分離 郭亞楠. 環(huán)丙沙星分子印跡膜的制備及其電化學檢測體系研究D. 杭州: 浙江大學, 2012.、生物酶模擬 Lü YK, Zhao MG, Zhang D, et al. Enrofloxacin-imprinted monolithic HP

10、LC columns synthesized by in situ copolymerization for chromatographic separationJ. J. Liq. Chromatogr. Related Technol., 2011, 34: 705-18.以及傳感器 Guerreiro JRL, Sales MGF, Moreira FTC, et al. Selective recognition in potentiometric transduction of amoxicillin by molecularly imprinted materialsJ. Eur.

11、 Food Res.Technol., 2011, 232: 39-50.等領域均有廣泛的應用。分子印跡傳感器已成功應用于藥物 張成博, 李兆周, 侯玉澤, 等. 分子印跡技術在藥物殘留檢測中的應用J. 食品科學, 2014, 35: 323-8.、糖類 Andersen WC, Turnipseed SB, Karbiwnyk CM, Determination and confirmation of melamine residues in catfish, trout, tilapia, salmon, and shrimp by liquid chromatography with t

12、andem mass spectrometryJ, J. Agric. Food Chem. 2008, 56: 4340-7.、核酸及其衍生物 Tanya PD, Vladimir MM, Mathias U. Impedometric herbicide chemosensors based on molecularly imprinted polymersJ, Anal. Chim. Acta, 2001, 435: 157-62.、蛋白質(zhì) Ulyanova YV, Blackwell AE, Minteer SD. Poly(methylene green) employed as m

13、olecularly imprinted polymer matrix for electrochemical sensingJ, Analyst, 2006, 131: 257-61.、有毒物質(zhì) Safari A, Rashidi HR, Agabozorg L. Increasing the octane number of gasoline using functionalized carbon nanotubeJ, Appl. Surf. Sci. 2010, 256: 3472-9.、除草劑 Li HF, Xie CG, Fu XC. Electrochemiluminescence

14、 sensor for sulfonylurea herbicide with molecular imprinting core-shell nanoparticles/chitosan composite film modified glassy carbon electrodeJ. Sens. Actuators, B, 2013, 181: 858-66.、等的分離和檢測。分子印跡電化學傳感器也因具有選擇性高、成本小、檢出限低、物理尺寸可調(diào)、易自動化等優(yōu)點，在環(huán)境控制、生物標記、在線質(zhì)量監(jiān)控以及食物的檢測等相關領域倍受關注。1分子印跡聚合物1.1基本原理分子印跡技術的基本原理是選擇合適

15、的功能單體與印跡分子相結合形成分子印跡聚合物，然后洗脫掉印跡分子，再利用分子印跡聚合物上的結合位點選擇、識別、記憶目標分子。分子印跡技術形成的分子印跡聚合物具有良好的空間三維形態(tài)，印跡分子的脫離也并不影響作用位點的結合能力，脫離掉印跡分子的聚合物的形態(tài)是與目標物質(zhì)相匹配的、具有空間位點的立體三維構型，其空間結構穩(wěn)定。而利用分子印跡技術合成分子印跡聚合物的材料主要有印跡分子、功能單體、交聯(lián)劑、溶劑等。分子印跡技術的作用方法是：在一定的溶劑中加入印跡分子、功能單體，在交聯(lián)劑、引發(fā)劑的作用下，印跡分子與功能單體以共價鍵或者非共價鍵等形式形成結合位點，發(fā)生聚合反應，形成分子印跡聚合物，然后利用一些手段

16、洗脫掉分子印跡聚合物中的印跡分子，從而形成具有結合位點的空穴結構。因此使用分子印跡的技術利用此空穴結構可以進行重新的選擇、記憶、識別印跡分子（圖1）。圖1 分子印跡過程示意圖MIPs相對于非分子印跡聚合物( NIPs) 對模板分子之所以具有特異的識別性能。根本原因就是MIPs具有和印記分子在形狀、功能基團完全互補的三維空穴以其相匹配的結合位點。這一步形成關鍵在于模板分子和功能單體通過共價和非共價作用形成的主客體配合物。然而共價作用因只有極少的模板分子和合適的功能單體才能適用，以致限制了它的應用范圍。相反非共價鍵印跡聚合物因其在理論上對模板分子的形狀，尺寸和化學特性沒有嚴格限制，故其具有非常廣泛

17、的應用范圍。非共價鍵作用包括有：氫鍵、靜電力、疏水作用、范德華力、金屬螯合作用、電荷轉移等。Asanuma H Asanuma H,Akiyama T,Kajiya K, et al. Molecular imprinting of cyclodextrinin water for the recognition of nanometer-scaled guestsJ. Anal. Chim. Acta, 2001, 435: 25-33.制備了水相中對環(huán)糊精的分子印跡聚合物，發(fā)現(xiàn)印跡效果取決于模板分子疏水區(qū)域的大小、空穴的尺寸以及化學基團之間相互作用的強度。Pavel D Pavel D,

18、Lagowski J. Computationally designed monomers and polymers for molecular imprinting of theophylline and its derivativesJ. Part. Polymer, 2005, 46: 7528-42.制備了茶堿分子印跡聚合物，結果發(fā)現(xiàn)靜電力在分子印跡聚合物聚合的過程中起著重要的作用。 Chen DM Chen DM, Fu Q,Du W, et al. Preparation and evaluation ofmonolithic molecularly imprinted stati

19、onary phase for S-naproxenJ. J. Phar. Anal., 2011, 1 :26-31.認為結合位點和基底之間氫鍵的形成在有機流動相中對分子的識別具有非常重要的作用，靜電力和疏水鍵的作用在水流動相中對分子的識別同樣扮演著重要的角色分子印跡技術從興起至今廣泛的應用于小分子的特異性識別，近幾年許多研究者將目光轉移到大分子模板上，如蛋白質(zhì) Kan XW, Xing ZL,Zhu AH, et al. Molecularly imprinted polymers based electrochemical sensor for bovine hemoglobin rec

20、ognitionJ. Sens. Actuators, B, 2012,168: 395-401., Soleimani M, Ghaderi S, Afshar MG, et al. Synthesis of molecularly imprinted polymer as asorbent for solid phase extraction of bovine albumin from whey,milk,urine and seruJ. Microchem. J., 2012,100:1-7.。1.2制備方法MIPs對所要檢測的模板分子具有特定的識別能力，特別是在和模板分子結構相似的混

21、合物存在的情況下，尤其對目標分子表現(xiàn)出強的識別能力這是因為在合適的致孔劑中通過聚合功能單體和交聯(lián)劑會在模板分子周圍形成高度交聯(lián)的三維矩陣，然后將模板分子洗脫后形成對模板分子具有識別位點的空穴 Dai JD, Pan JM, Xu LC, et al. Preparationof molecularly imprinted nanoparticles with super paramagnetic susceptibility through atom transfer radical emulsion polymerization for the selective recognition o

22、f tetracycline from aqueous mediumJ. J. Hazard. Mater., 2012, 205: 179-88., Trotta F, Drioli E, Baggiani C, et al. Molecular imprinted polymeric membrane for naringin recognitioJ.J. Membr. Sci., 2002, 201: 77-84.。印跡聚合物的制備方法通常包括以下幾種：本體聚合法 Lei JD, Tan TW. Enantioselective separation of naproxen and in

23、vestigation of affinity chromatography model using molecular imprintingJ. Biochem. Eng. J., 2002, 11: 175-9.、溶脹聚合法 Huai LF, Yang M, LiuJ, et al. Synthesis and characterization of molecularly imprinted polymer microspheres for recognition of chlorpyrifosJ. Chin. J. Appl. Chem .,2009, 26: 1144-8.、懸浮聚合

24、法 Zhang LY, Cheng GX, FuC. Molecular selectivity of tyrosine-imprinted polymers prepared by seed swelling and suspension polymerizationJ. Polym. Int., 2002, 51: 687-92.、沉淀聚合法 Beltran A, Marcé RM, Cormack PAG, et al. Synthesis by precipitation polymerization of molecularly imprinted polymer micr

25、ospheres for the selective extraction of carbamazepine and oxcarbaze pine from human urineJ. J. Chromatogr. A, 2009,1216: 2248-53.、表面印跡法 Wang YT, Zhang ZQ, Jain V, et al. Potentiometric sensors based on surface molecular imprinting: Detection of cancer biomarkers and virusesJ. Sens. Actuators, B, 20

26、10,146: 381-7.等，各種方法的制備工藝及特點見表1。表1 分子印跡聚合物的主要制備方法制備方法制備工藝特點本體聚合法將模板分子功能單體交聯(lián)劑和引發(fā)劑按一定比例溶于惰性溶劑中，置于玻璃或石英瓶中在光照或熱引發(fā)下進行聚合，再經(jīng)粉碎研磨過篩等獲得所需粒徑的MIPs。制備方法簡單，實驗操作簡單，但后處理過程復雜、所得顆粒聚合物顆粒形狀不規(guī)則，印跡位點在研磨過程中會有所破壞，應用性能較差。溶脹聚合法先采用懸浮聚合或乳液聚合法合成粒徑較小的微球，然后以此微球為種球，用致孔劑模板分子功能單體和交聯(lián)劑進行溶脹，使顆粒長大，再進行聚合。用相同種球改變聚合功能單體，可以制得直徑相同表面性質(zhì)不同的微球

27、產(chǎn)物規(guī)整性好單分散性好，但制備過程繁瑣，周期長，不適用于溶于水的模板分子。懸浮聚合法將有機單體分散成小液滴，懸浮在水中進行聚合，反應體系一般由水、穩(wěn)定劑、疏水性單體和疏水性引發(fā)劑構成。制備方法簡單，但水相反應體系會影響非共價印跡聚合物的特性，進而影響其識別性能。沉淀聚合法模板分子、功能單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑在有機溶劑中先形成線型和分支低聚物，然后從介質(zhì)中析出相互碰撞形成聚合物離子，最終形成高度交聯(lián)的微球聚合物。成本低、制備簡單、產(chǎn)率高，反應體系不需要加入穩(wěn)定劑，該法在粘性相對小的溶劑中才能得到合適的粒徑分布。表面印跡法模板分子的水相和功能單體的有機相接觸形成水相/有機相，加入交聯(lián)劑聚合，形成識別

28、位點在聚合物表面的產(chǎn)物。模板分子易洗脫，易重新結合，但模板分子與配合物的配位常數(shù)要適中。2分子印跡傳感器的工作原理生物傳感器是由識別元件和信號轉換器構成，識別元件的主要任務是綁定目標分子并進行特異性識別 Kochkodan V, Hilal N, Melnik V, et al. Selective recognition of organic pollutants inaqueous solutions with composite imprinted membranesJ. Adv. Colloid Interface Sci., 2010, 159: 180-8.，信號轉換器就是將感受到

29、的物理信號或化學信號轉換成可輸出的信號。分子印跡傳感器就是將MIPs作為識別原件同傳感器技術結合起來而發(fā)展起來的一項技術。 決定生物傳感器成本和操作復雜性的關鍵因素是識別元件，這些識別原件通常包括酶抗體和DNA等生物大分子，在對目標分子識別過程中這些分子具有很高的選擇性能，然而它們通常需要低溫保護嚴格的操作條件且穩(wěn)定性非常差制作成本較高，從而限制其效用，特別對便攜式系統(tǒng)而言 Barrios CA, Carrasco S, Francesca M, et al. Molecularly imprinted polymer for label-free integrated optical wav

30、e guide bio( mimetic) sensorsJ. Sens. Actuators, B, 2012,161:607-14.。因此研究出靈敏度高、選擇性好、具有一定壽命而且再生能力好的化學傳感器成為化學研究者們努力的目標。MIPs具有許多與天然受體相同的特點，在極端的物理和化學(熱有機溶劑酸和堿)條件下穩(wěn)定性好，機械強度高，成本低和可重復使用等性能，被視為理想的化學受體 Guerreiro JRL, Freitas V, Sales MGF. New sensing materials of molecularly-imprinted polymers for the select

31、ive recognition of ChlortetracyclineJ. Microchem. J., 2011,97:173-81.。MIPs的出現(xiàn)成功地彌補了生物識別元件的不足，從而MIPs生物傳感器取代傳統(tǒng)傳感器成為必然的趨勢，為環(huán)境監(jiān)測藥物分析基因檢測和生命科學的發(fā)展提供了強大的支撐。分子印跡傳感器根據(jù)轉換器的測量原理不同，分為光學傳感器、電化學傳感器、質(zhì)量式傳感器和熱學傳感器。目前，分子印跡聚合物主要應用于光學傳感器和電化學傳感器兩類中。3分子印跡電位式傳感器的應用各種各樣基于分子印跡聚合物的化學傳感器被制備，電位式傳感器作為電化學傳感器的一個分支同樣受到了關注，是常用并行之有效

32、的方法，具有非常好的應用前景不像基于其他傳感技術的傳感器，電位式傳感器不需要模板分子通過膜電極來產(chǎn)生膜電位 Blanco-López MC, Lobo-Castanón MJ, Miranda-Ordieres AJ, et al. Electrochemical sensors based on molecularly imprinted polymersJ. TrAC, Trends Anal. Chem., 2004, 23: 36 48.。Liang RN等 Liang RN, Zhang RM, Qin W. Potentiometric sensor based

33、 on molecularly imprinted polymer for determination of melamine in milkJ. Sens. Actuators, B, 2009, 141: 544-50.人結合了流動分析系統(tǒng)，成功制備了檢測牛奶中三聚氰胺的離子選擇性電極分子印跡聚合物膜電位式傳感器。該傳感器可以在較高離子干擾下可快速檢測目標分子 三聚氰胺非常容易質(zhì)子化，通過測量離子選擇性電極的電勢從而達到檢測質(zhì)子化三聚氰胺的目的。整個分析過程(包括預處理階段)僅不到15分鐘，檢測限為6.0×10-6 mol L-1。Tonelli D等 Tonelli D, Ba

34、llarin B, Guadagnini L, et al. Anovel potentiometric sensor for L-ascorbic acid based on molecularly imprinted polypyrroleJ. Electrochim. Acta, 2011, 56: 7149-54.制備了一種新型的對L-抗壞血酸有良好選擇性和親和性的電位式膜傳感器。采用修飾過的玻碳電極制成PPy膜，再進行氧化處理提高了傳感器的穩(wěn)定性。該電位式膜傳感器已成功應用在食品和制藥樣品中對抗壞血酸的測定，回收率近100% 。Liang RN等 Liang RN, Gao Q, Q

35、inW. Potentiometric sensor based on molecularly imprinted polymers for rapid determination of clenbuterol in pig urineJ. Chin. J. Anal. Chem., 2012, 40: 354-8.采用沉淀聚合法制備了以鹽酸克倫特羅(瘦肉精)為模板的電位式膜傳感器質(zhì)子化的克倫特羅濃度在1.0×10-7 1.0×10-4 M內(nèi)，該膜電極顯示出近Nernstian效應，檢測限為7.0×10-4 M。 該電位式傳感器已成功應用于豬尿中瘦肉精的檢測，回收

36、率在98 107 %，整個分析時間不到3 min。 高奇等 高奇, 梁榮寧, 秦偉. 莠去津分子印跡聚合物的合成及其在低檢出限離子選擇性電極中的應用研究J, 化學與生物工程, 2014, 31: 45-54.以莠去津為模板分子采用沉淀聚合法制備了莠去津分子印跡聚合物，并將其作為離子載體制備了低檢出限莠去津分子印跡聚合物膜離子選擇性電極。優(yōu)化的電極膜組分質(zhì)量分數(shù)為PVC30.1 %、o-NPOE60.8 %、NaTF-PB1.5 %、MIP7.6 %，篩選適宜的內(nèi)充液為0.01 mol L-1 NaCl溶液制得的電極在1.0×10-7 1.0×10-3 mol L-1的濃度范圍內(nèi)對莠去津離子呈能斯特響應響應斜率為53.9 mV decade-1，檢出限為1.0×10-8 mol L-1。該電極具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，已成功應用于自來水中莠去津的測定。Alizadeh T Alizadeh T, Akhoundian M Anovel poten