CN102059104B

CN102059104B - 表面亲水性的分子印迹聚合物微球及其制备方法

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Publication number: CN102059104B
Application number: CN200910228423.8A
Authority: CN
Inventors: 张会旗; 潘国庆; 张莹
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-11-17
Also published as: CN102059104A

Abstract

表面亲水性的分子印迹聚合物微球及其制备方法，本发明涉及一种表面亲水性的分子印迹聚合物微球的制备方法。所述分子印迹聚合物微球交联度在60％以上，粒径为1～5μm，表面具有亲水性高分子刷，在纯水溶液体系中对模板分子具有优异的分子识别性能。它们是采用可逆加成-裂解链转移(RAFT)可控自由基聚合技术两步法合成的。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品纯净等优点。所得分子印迹聚合物微球在色谱固定相、生物样品分析、医学临床免疫分析、食品与环境监测、模拟酶催化、仿生传感器等众多领域具有广阔的应用前景。

Description

表面亲水性的分子印迹聚合物微球及其制备方法

所属技术领域

本发明涉及一种在纯水溶液体系中具有优异分子识别功能的分子印迹聚合物微球的制备方法，具体地说就是涉及到一种表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备方法。

背景技术

分子印迹技术是近年来在高分子化学、生物化学、材料化学及仿生技术等学科基础上发展起来的一门新兴交叉学科。由其得到的分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymers，简称MIPs)具有对客体分子优异的亲和性与专一选择性、良好的稳定性及制备容易等优点，因而成为国际上分子识别领域研究的热点。目前，分子印迹聚合物主要是通过传统自由基聚合方法制备的，具体实施方法包括本体聚合法、悬浮聚合法、乳液聚合法、两步溶胀法以及沉淀聚合法。其中本体聚合法得到的分子印迹聚合物需要研磨粉碎，费时费力；悬浮聚合与乳液聚合需要特殊的分散剂；两步溶胀法操作繁琐；而沉淀聚合法无需特殊分散剂，能够一步制备单分散的聚合物微球，产物不需研磨粉碎，操作简单，用途非常广泛。迄今为止，人们已经合成了众多模板分子的MIPs，其应用研究也已扩展到色谱固定相、固相提取、生物模拟检测与传感器、人工酶、有机合成和药物传递等众多方面，并在食品与环境安全检测等领域显示出巨大的应用前景。

尽管分子印迹研究已经取得了巨大进展，在某些应用领域甚至已进入了商品化阶段，但是此研究领域中仍然存在一些关键性的难题与挑战，大大限制了分子印迹聚合物材料更广泛的应用。其中之一即是如何制备在水溶液中具有优异分子识别性能的MIPs。迄今发展起来的分子印迹聚合物通常只有在有机溶液体系中才能显示出优异的分子识别性能，而真正能适用于水溶液体系的分子印迹聚合物则非常有限。然而从经济上、生态上以及环境保护等各方面考虑，以水来代替有机溶剂都是非常必要的；从其潜在的在生物技术领域中的应用考虑，以水为溶剂则是必须的；而就其在环境与食品安全检测等领域中的实际应用来讲，使用在水溶液中具有优异分子识别性能的分子印迹聚合物则可达到直接快速检测的目的。可见开发适于水溶液体系的分子印迹聚合物具有极其重要的理论意义和实用价值。

最近，B.Sellergren等人报道了通过在分子印迹体系中引入亲水性单体甲基丙烯酸2-羟基乙酯，来改善分子印迹聚合物的表面亲水性，最终得到了适于水溶液体系的分子印迹聚合物(J.Am.Chem.Soc.2003，125：15101-15109)。不过该方法需要经过大量的高通量条件优化实验，极大地限制了其更广泛的应用。J.Haginaka等人通过单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对分子印迹微球进行表面亲水改性(Anal.Chem.2000，72：5206-5210)，结果显示此类分子印迹聚合物在纯水溶液体系中的分子识别能力并没有得到明显改善。上述普通自由基表面聚合法对分子印迹聚合物微球的表面亲水改性存在表面覆盖不均匀以及聚合过程不可控等问题，以至于会影响产物的分子识别能力。因此开发一种简便易行地获得适于水溶液体系的分子印迹聚合物的新方法具有重要意义。

本工作将可控自由基聚合技术与分子印迹研究有机地结合起来，通过将可逆加成-裂解链转移(RAFT)聚合机理引入沉淀聚合方法，实现了一步法制备表面具有活性链转移基团的分子印迹聚合物微球。然后以其为固载化链转移剂，引发亲水性单体的可控聚合，得到表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球。由于RAFT聚合具有反应条件温和，适用单体范围广、且聚合过程高度可控等优点，因此采用RAFT沉淀聚合与RAFT表面聚合相结合的方法可以很方便地控制所得分子印迹聚合物微球及其表面亲水性高分子刷的各种参数，最终获得表面具有适宜亲水性的分子印迹聚合物微球，从而实现制备适于水溶液体系的分子印迹聚合物微球的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种简便易行的制备适于水溶性体系分子印迹聚合物微球的的新方法，以弥补现有技术的不足，为提高分子印迹聚合物在水溶液体系中的分子识别能力提供理论与实验依据。

本发明的技术构思是通过将分子印迹技术、沉淀聚合方法和RAFT可控自由基聚合方法相结合，首先制备粒径分布窄、对模板分子具有专一识别能力、且表面具有活性链转移基团的分子印迹聚合物微球，然后通过表面引发的亲水性单体的RAFT聚合在分子印迹聚合物微球表面接枝亲水性高分子刷，得到适于水溶液的分子印迹聚合物微球。

本发明的具体方法如下：

(1)将模板分子、功能单体、交联剂按摩尔比：1～2∶4～10∶16～60投料，功能单体与交联剂在体系中的体积分数为0.5～5％。

(2)加入功能单体与交联剂总量约1-4％的引发剂，且引发剂与链转移剂摩尔比为1∶2～5。

(3)将上述混合物完全溶解后，通氩气或氮气5～60min，除去氧气。将反应器密封后置于50～100℃油浴中反应6～48h，超声分散5～30min，过滤得到含有模板分子的分子印迹聚合物微球。

(4)将含有模板分子的分子印迹聚合物微球用甲醇/乙酸体积比为10/1～10/10的混合液索氏抽提12～72小时，再用甲醇或乙腈索氏抽提12～48小时，直至没有模板分子洗出为止。然后于20～60℃真空干燥至恒重，即得到粒径分布窄、单分散、且表面具有RAFT链转移基团的分子印迹聚合物微球。

(5)将亲水性单体、引发剂与自由链转移剂按摩尔比100～5000∶1～10∶2～40投料，溶剂在反应体系中的体积分数＞60％，并且加入一定质量的表面具有RAFT链转移基团的分子印迹聚合物微球于反应瓶中，经脱气除氧后，将反应瓶置于50～90℃的油浴中，反应6～48h后。将反应产物离心洗涤，40℃真空干燥48h，得到表面接枝亲水性聚合物分子刷的分子印迹聚合物微球。

所用的功能单体为：4-乙烯吡啶、2-乙烯吡啶、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮。

所用的交联剂为：二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)、三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯(TRIM)、二乙烯苯(DVB)或N，N′-亚甲基双丙烯酰胺。

所用引发剂为：偶氮类或过氧化物类自由基引发剂。

所用链转移剂为：双硫酯或三硫酯。

所用的溶剂为：乙腈、甲醇、甲苯、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿或甲醇/水(4/1)。

所采用的模板分子为：茶碱、咖啡因、双酚A、氟哌酸、雌二醇、2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)或心得安。

所用的亲水性单体为：甲基丙烯酸2-羟基乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、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。

附图说明：

图1.表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备过程示意图。

图2.利用RAFT沉淀聚合制备的表面具有活性链转移基团的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图3.利用RAFT沉淀聚合制备的表面具有活性链转移基团的非印迹聚合物微球(对应于图2中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

图4.利用RAFT表面聚合反应制备的表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图5.利用RAFT表面聚合反应制备的表面具有亲水性高分子刷的非印迹聚合物微球(对应于图4中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

图6.表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子，实心符号)及其非印迹聚合物微球(空心符号)在纯水溶液中对2，4-D的吸附性能。

图7.表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子，实心符号)及其非印迹聚合物微球(空心符号)在纯水溶液中对2，4-D的吸附性能。

具体实施方式

实例1

将0.25mmol 2，4-D加入装有60mL甲醇/水(4∶1，v/v)的250mL圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入1mmol的4-乙烯基吡啶。充分接触半小时后，再分别加入5mmolEDMA、0.44mmol链转移剂二硫代苯甲酸异丙苯酯(CDB)、0.22mmol偶氮二异丁腈(AIBN)和20mL的甲醇/水(4∶1，v/v)。搅拌半小时后，通氩气除氧30min后将反应体系密封，置于60℃恒温油浴中，反应24h，抽滤得反应产物。

用甲醇/乙酸(9∶1，v/v)对反应产物进行48h Soxhelt抽提，再用甲醇Soxhelt抽提12h。晾干后40℃真空干燥48h，得到粒径分布窄、且表面具有RAFT链转移基团的分子印迹聚合物微球。

非印迹聚合物微球的制备中除不加模板分子外，其他过程同上。

将1mg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100mg表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球于反应瓶中，经脱气除氧后，将体系置于70℃的油浴中反应24h。然后将反应产物离心洗涤，40℃真空干燥48h，得到表面接枝亲水性聚合物分子刷的分子印迹聚合物微球。

表面接枝亲水性聚合物分子刷的非印迹聚合物微球制备方法同上。

实例2

将0.25mmol的2，4-D加入装有60ml甲醇/水(4∶1，v/v)的250ml圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入1mmol的4-乙烯基吡啶。充分接触半小时后，再分别加入5mmolEDMA、0.44mmol链转移剂CDB、0.22mmol AIBN和20ml的甲醇/水(4∶1，v/v)。搅拌半小时后，通氩气除氧30min后将反应体系密封，置于60℃恒温油浴中，反应24h，抽滤得反应产物。

将1mg AIBN、5mg CDB、2.6g甲基丙烯酸羟乙酯，溶解在5mL DMF中，然后加入100mg表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球，反应体系经脱气除氧后，置于70℃的油浴中反应24h。将反应产物离心洗涤，40℃真空干燥48h，得到表面接枝亲水性聚合物分子刷的分子印迹聚合物微球。

表面接枝聚甲基丙烯酸羟乙酯聚合物刷的非印迹聚合物微球的制备方法同上。

实例3

将0.25mmol茶碱与30mL乙腈加入100mL的圆底烧瓶中，搅拌使其完全溶解，然后加入1mmol甲基丙烯酸，充分混合半小时后，再先后加入4mmol EDMA、0.09mmol链转移剂CDB、0.045mmol AIBN和10mL乙腈。搅拌半小时后，通氩气除氧30min，将反应体系密封，置于60℃恒温油浴中，反应24h，抽滤得反应产物。

用甲醇/乙酸(9∶1，v/v)对所得聚合物微球进行48h Soxhelt抽提，再用乙腈Soxhelt抽提24h。然后于40℃真空干燥48h，得到粒径分布窄、且表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球。

非印迹聚合物微球的制备过程除了不加模板，其他同上。

将1mg的AIBN、5mg的CDB、2.6g甲基丙烯酸羟乙酯，溶解在5mL DMF中，然后加入100mg表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球，经脱气除氧后，将体系密封置于70℃的油浴中反应24h。将反应产物离心洗涤，40℃真空干燥48h，得到表面接枝亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯分子刷的分子印迹聚合物微球。

表面接枝亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯聚合物分子刷的非印迹聚合物微球的制备方法同上。

实例4

非印迹聚合物微球的制备过程除了不加模板，其他同上。

将1mg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100mg表面具有链转移基团的分子印迹聚合物微球，经脱气除氧后，将体系密封置于70℃的油浴中反应24h。将反应产物离心洗涤，40℃真空干燥48h，得到表面接枝亲水性聚N，N-异丙基丙烯酰胺分子刷的迹聚合物微球。

表面接枝亲水性聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯聚合物分子刷的非印迹聚合物微球的制备方法同上。

Claims

1.一种表面亲水性的分子印迹聚合物微球，其特征是交联度>60％，粒径在1～5微米，粒径分布较窄，且在纯水溶液体系中对模板分子具有很好的分子识别性能；

所述分子印迹聚合物微球是在模板分子存在下，首先由单烯类功能单体与多烯类交联单体共聚得到表面含活性功能基团的分子印迹聚合物微球，然后通过亲水性单体的的表面聚合对微球进行表面修饰得到的。

2.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征是表面接枝有亲水性聚合物刷。

3.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的模板分子是茶碱、咖啡因、双酚A、氟哌酸、雌二醇、2,4-二氯苯氧乙酸或心得安。

4.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的单烯类功能单体为4-乙烯吡啶、2-乙烯吡啶、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮。

5.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的双烯类交联单体是双甲基丙烯酸乙二醇酯、三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯、二乙烯苯或N，N′-亚甲基双丙烯酰胺。

6.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的表面聚合用亲水性单体为甲基丙烯酸2-羟基乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、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.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将模板分子、功能单体、交联剂、致孔溶剂与聚合引发体系混匀，通氩气或氮气5～60分钟除氧；将反应器置于50～100℃油浴中反应6～48小时，超声分散5～30分钟，过滤得到含有模板分子的聚合物微球；

2)将含有模板分子的聚合物微球用甲醇/乙酸的混合液(体积比为10/1～10/10)索氏抽提12～72小时，再用甲醇或乙腈索氏抽提12～48小时，直至模板分子洗净为止；然后于20～60℃真空干燥至恒重，得到分子印迹聚合物微球；

3)通过改变功能单体、交联单体、引发剂、链转移剂、模板分子以及致孔溶剂的种类和用量，制备一系列对不同模板分子具有分子识别功能、且表面具有不同链转移基团含量的分子印迹聚合物微球；

4)通过改变表面聚合体系所用的亲水性单体的种类，制备一系列表面具有不同亲水性聚合物刷的分子印迹聚合物微球。

8.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是所述的引发剂为偶氮类或过氧化物自由基引发剂，所述的链转移剂为二硫酯或三硫酯。

9.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是表面聚合所用的溶剂为乙腈、甲醇、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿或甲醇/水的混合液(体积比为4/1)。

10.根据权利要求7所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是所述的溶剂、亲水性单体、引发剂及链转移剂的用量如下：

1)溶剂在反应体系中的体积分数>60％；

2)亲水性单体、引发剂与链转移剂的摩尔比为100～5000：1～10：2～40。