基于分子印跡聚合物(MIPs)的離子選擇電極(ISE)研究進(jìn)展

基于分子印跡聚合物(MIPs)的離子選擇電極(ISE)研究進(jìn)展摘要：分子印跡聚合物對目標(biāo)化合物具有高選擇性，并且具有耐高溫、抗酸堿及有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)。分子印跡聚合物在催化、手性分離、固相萃取等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)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(diǎn)。本文綜合介紹了基于分子印跡技術(shù)的離子選擇電極的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：分子印跡；離子選擇電極；進(jìn)展RecentprogressofionselectiveelectrodebasedonmolecularlyimprintedpolymersAbstract:Themolecularlyimprintedpolymershavehighselectivelyfortargetmoleculeandpossessedhighthermalandchemicalstability.Owningtotheseadvantages,theyhaveappliedinmanyfieldssuchascatalysis,chromatographyseparationandsolidphaseextraction.Theusingofmolecularlyimprintedpolymersasionselectiveelectrodebecameahottopicinmolecularlyimprintedtechniqueinrecentyears.Therecentprogressofionselectiveelectrodebasedonmolecularlyimprintedpolymershasbeenreviewedinthispaper.Keywords:molecularlyimprintedpolymers;ionselectiveelectrode;progress分子印跡技術(shù)是近年發(fā)展起來的一門結(jié)合高分子化學(xué)、材料化學(xué)、化學(xué)工程及生物化學(xué)的交叉學(xué)科技術(shù)。分子印跡技術(shù)來源于生物學(xué)中的免疫學(xué)，是通過想要選擇識別某一種物質(zhì)而進(jìn)行聚合反應(yīng)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(jié)構(gòu)有效的選擇出相應(yīng)的印跡分子，也就是目標(biāo)分子物質(zhì)。而生成的這種聚合物即使在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的作用下，也不會失去效應(yīng)；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(biāo)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(jié)構(gòu)與目標(biāo)分子相匹配的分子印跡聚合物。近年來分子印跡技術(shù)發(fā)展十分迅速，在催化[[]VisnjuvskiA,SchomacherR,YilmazE.Catalysisofadiels-aldercycliadditionwithdifferentlyfabricatedmolecularlyimprintedpolymers[J].Catal.Commun.,2005,6:601-6.]、手性分離[[]MengZH.WangQH,ZhuDG,etal.Fabricationofnewmodifiedelectrodeanditsapplicationindetectionofnitrite[J].J.Membr.Sci.,2007,25:340-9.]、固相萃取[[]LüYk,WangLM,YangL,etal.Synthesisandapplicationofmolecularlyimprintedpoly(methacrylicacid)-silicahybridcompositematerialforselectivesolid-phaseextractionandhigh-performanceliquidchromatographydeterminationofoxytetracyclineresiduesinmilk[J].J.Chromatogr.A,2012,1227:48-53-[]ZhengYQ,LiuYH,GuoHB,etal.Molecularlyimprintedsolid-phaseextractionfordeterminationoftilmicosininfeedusinghighperformanceliquidchromatography[J].Anal.Chim.Acta,2011,690(2):269-274.[]DuW,FuQ,ZhaoG,etal.Dummy-templatemolecularlyimprintedsolidphaseextractionforselectiveanalysisofractopamineinpork[J].FoodChem.,2013,139:24-30.[]HeCY,LongYY,PanJL,etal.Applicationofmolecularlyimprintedpolymerstosolid-phaseextractionofanalytesfromrealsamples[J].J.Biochem.Bioph.Methods,2007,70:133-50.]、食品[[]SunXl,HeXW,ZhangYK,etal.Determinationoftetracyclinesinfoodsamplesbymolecularlyimprintedmonolithiccolumncouplingwithhighperformanceliquidchromatography[J].Talanta,2009,79:926-34.]、膜分離[]VisnjuvskiA,SchomacherR,YilmazE.Catalysisofadiels-aldercycliadditionwithdifferentlyfabricatedmolecularlyimprintedpolymers[J].Catal.Commun.,2005,6:601-6.[]MengZH.WangQH,ZhuDG,etal.Fabricationofnewmodifiedelectrodeanditsapplicationindetectionofnitrite[J].J.Membr.Sci.,2007,25:340-9.[]LüYk,WangLM,YangL,etal.Synthesisandapplicationofmolecularlyimprintedpoly(methacrylicacid)-silicahybridcompositematerialforselectivesolid-phaseextractionandhigh-performanceliquidchromatographydeterminationofoxytetracyclineresiduesinmilk[J].J.Chromatogr.A,2012,1227:48-53[]ZhengYQ,LiuYH,GuoHB,etal.Molecularlyimprintedsolid-phaseextractionfordeterminationoftilmicosininfeedusinghighperformanceliquidchromatography[J].Anal.Chim.Acta,2011,690(2):269-274.[]DuW,FuQ,ZhaoG,etal.Dummy-templatemolecularlyimprintedsolidphaseextractionforselectiveanalysisofractopamineinpork[J].FoodChem.,2013,139:24-30.[]HeCY,LongYY,PanJL,etal.Applicationofmolecularlyimprintedpolymerstosolid-phaseextractionofanalytesfromrealsamples[J].J.Biochem.Bioph.Methods,2007,70:133-50.[]SunXl,HeXW,ZhangYK,etal.Determinationoftetracyclinesinfoodsamplesbymolecularlyimprintedmonolithiccolumncouplingwithhighperformanceliquidchromatography[J].Talanta,2009,79:926-34.[]郭亞楠.環(huán)丙沙星分子印跡膜的制備及其電化學(xué)檢測體系研究[D].杭州:浙江大學(xué),2012.[]LüYK,ZhaoMG,ZhangD,etal.Enrofloxacin-imprintedmonolithicHPLCcolumnssynthesizedbyinsitucopolymerizationforchromatographicseparation[J].J.Liq.Chromatogr.RelatedTechnol.,2011,34:705-18.[]GuerreiroJRL,SalesMGF,MoreiraFTC,etal.Selectiverecognitioninpotentiometrictransductionofamoxicillinbymolecularlyimprintedmaterials[J].Eur.FoodRes.Technol.,2011,232:39-50.[]張成博,李兆周,侯玉澤,等.分子印跡技術(shù)在藥物殘留檢測中的應(yīng)用[J].食品科學(xué),2014,35:323-8.[]AndersenWC,TurnipseedSB,KarbiwnykCM,Determinationandconfirmationofmelamineresiduesincatfish,trout,tilapia,salmon,andshrimpbyliquidchromatographywithtandemmassspectrometry[J],J.Agric.FoodChem.2008,56:4340-7.[]TanyaPD,VladimirMM,MathiasU.Impedometricherbicidechemosensorsbasedonmolecularlyimprintedpolymers[J],Anal.Chim.Acta,2001,435:157-62.[]UlyanovaYV,BlackwellAE,MinteerSD.Poly(methylenegreen)employedasmolecularlyimprintedpolymermatrixforelectrochemicalsensing[J],Analyst,2006,131:257-61.[]SafariA,RashidiHR,AgabozorgL.Increasingtheoctanenumberofgasolineusingfunctionalizedcarbonnanotube[J],Appl.Surf.Sci.2010,256:3472-9.[]LiHF,XieCG,FuXC.Electrochemiluminescencesensorforsulfonylureaherbicidewithmolecularimprintingcore-shellnanoparticles/chitosancompositefilmmodifiedglassycarbonelectrode[J].Sens.Actuators,B,2013,181:858-66.1分子印跡聚合物1.1基本原理分子印跡技術(shù)的基本原理是選擇合適的功能單體與印跡分子相結(jié)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(jié)合位點(diǎn)選擇、識別、記憶目標(biāo)分子。分子印跡技術(shù)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(diǎn)的結(jié)合能力，脫離掉印跡分子的聚合物的形態(tài)是與目標(biāo)物質(zhì)相匹配的、具有空間位點(diǎn)的立體三維構(gòu)型，其空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而利用分子印跡技術(shù)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(shù)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(jié)合位點(diǎn)，發(fā)生聚合反應(yīng)，形成分子印跡聚合物，然后利用一些手段洗脫掉分子印跡聚合物中的印跡分子，從而形成具有結(jié)合位點(diǎn)的空穴結(jié)構(gòu)。因此使用分子印跡的技術(shù)利用此空穴結(jié)構(gòu)可以進(jìn)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(tuán)完全互補(bǔ)的三維空穴以其相匹配的結(jié)合位點(diǎn)。這一步形成關(guān)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(yīng)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(xué)特性沒有嚴(yán)格限制，故其具有非常廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)移等。AsanumaH[[]AsanumaH,AkiyamaT,KajiyaK,etal.Molecularimprintingofcyclodextrininwaterfortherecognitionofnanometer-scaledguests[J].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(xué)基團(tuán)之間相互作用的強(qiáng)度。PavelD[[]PavelD,LagowskiJ.Computationallydesignedmonomersandpolymersformolecularimprintingoftheophyllineanditsderivatives[J].Part.Polymer,2005,46:7528-42.]制備了茶堿分子印跡聚合物，結(jié)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。ChenDM[[][]AsanumaH,AkiyamaT,KajiyaK,etal.Molecularimprintingofcyclodextrininwaterfortherecognitionofnanometer-scaledguests[J].Anal.Chim.Acta,2001,435:25-33.[]PavelD,LagowskiJ.Computationallydesignedmonomersandpolymersformolecularimprintingoftheophyllineanditsderivatives[J].Part.Polymer,2005,46:7528-42.[]ChenDM,FuQ,DuW,etal.PreparationandevaluationofmonolithicmolecularlyimprintedstationaryphaseforS-naproxen[J].J.Phar.Anal.,2011,1:26-31.[]KanXW,XingZL,ZhuAH,etal.Molecularlyimprintedpolymersbasedelectrochemicalsensorforbovinehemoglobinrecognition[J].Sens.Actuators,B,2012,168:395-401.[]SoleimaniM,GhaderiS,AfsharMG,etal.Synthesisofmolecularlyimprintedpolymerasasorbentforsolidphaseextractionofbovinealbuminfromwhey,milk,urineandseru[J].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(jié)構(gòu)相似的混合物存在的情況下，尤其對目標(biāo)分子表現(xiàn)出強(qiáng)的識別能力這是因?yàn)樵诤线m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(diǎn)的空穴[[]DaiJD,PanJM,XuLC,etal.Preparationofmolecularlyimprintednanoparticleswithsuperparamagneticsusceptibilitythroughatomtransferradicalemulsionpolymerizationfortheselectiverecognitionoftetracyclinefromaqueousmedium[J].J.Hazard.Mater.,2012,205:179-88.,[]TrottaF,DrioliE,BaggianiC,etal.Molecularimprintedpolymericmembranefornaringinrecognitio[J].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[[]LeiJD,TanTW.Enantioselectiveseparationofnaproxenandinvestigationofaffinitychromatographymodelusingmolecularimprinting[J].Biochem.Eng.J.,2002,11:175-9.]、溶脹聚合法[[]HuaiLF,YangM,LiuJ,[]DaiJD,PanJM,XuLC,etal.Preparationofmolecularlyimprintednanoparticleswithsuperparamagneticsusceptibilitythroughatomtransferradicalemulsionpolymerizationfortheselectiverecognitionoftetracyclinefromaqueousmedium[J].J.Hazard.Mater.,2012,205:179-88.[]TrottaF,DrioliE,BaggianiC,etal.Molecularimprintedpolymericmembranefornaringinrecognitio[J].J.Membr.Sci.,2002,201:77-84.[]LeiJD,TanTW.Enantioselectiveseparationofnaproxenandinvestigationofaffinitychromatographymodelusingmolecularimprinting[J].Biochem.Eng.J.,2002,11:175-9.[]HuaiLF,YangM,LiuJ,etal.Synthesisandcharacterizationofmolecularlyimprintedpolymermicrospheresforrecognitionofchlorpyrifos[J].Chin.J.Appl.Chem.,2009,26:1144-8.[]ZhangLY,ChengGX,FuC.Molecularselectivityoftyrosine-imprintedpolymerspreparedbyseedswellingandsuspensionpolymerization[J].Polym.Int.,2002,51:687-92.[]BeltranA,MarcéRM,CormackPAG,etal.Synthesisbyprecipitationpolymerizationofmolecularlyimprintedpolymermicrospheresfortheselectiveextractionofcarbamazepineandoxcarbazepinefromhumanurine[J].J.Chromatogr.A,2009,1216:2248-53.[]WangYT,ZhangZQ,JainV,etal.Potentiometricsensorsbasedonsurfacemolecularimprinting:Detectionofcancerbiomarkersandviruses[J].Sens.Actuators,B,2010,146:381-7.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(diǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)操作簡單，但后處理過程復(fù)雜、所得顆粒聚合物顆粒形狀不規(guī)則，印跡位點(diǎn)在研磨過程中會有所破壞，應(yīng)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?yàn)榉N球，用致孔劑模板分子功能單體和交聯(lián)劑進(jìn)行溶脹，使顆粒長大，再進(jìn)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(jī)單體分散成小液滴，懸浮在水中進(jìn)行聚合，反應(yīng)體系一般由水、穩(wěn)定劑、疏水性單體和疏水性引發(fā)劑構(gòu)成。制備方法簡單，但水相反應(yīng)體系會影響非共價印跡聚合物的特性，進(jìn)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(jī)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(yīng)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(jī)相接觸形成水相/有機(jī)相，加入交聯(lián)劑聚合，形成識別位點(diǎn)在聚合物表面的產(chǎn)物。模板分子易洗脫，易重新結(jié)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(zhuǎn)換器構(gòu)成，識別元件的主要任務(wù)是綁定目標(biāo)分子并進(jìn)行特異性識別[[]KochkodanV,HilalN,MelnikV,etal.Selectiverecognitionoforganicpollutantsinaqueoussolutionswithcompositeimprintedmembranes[J].Adv.ColloidInterfaceSci.,2010,159:180-8.]，信號轉(zhuǎn)換器就是將感受到的物理信號或化學(xué)信號轉(zhuǎn)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(shù)結(jié)合起來而發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。決定生物傳感器成本和操作復(fù)雜性的關(guān)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(biāo)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(hù)嚴(yán)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[[]BarriosCA,CarrascoS,FrancescaM,etal.Molecularlyimprintedpolymerforlabel-freeintegratedopticalwaveguidebio(mimetic)sensors[J].Sens.Actuators,B,2012,161:607-14.][]KochkodanV,HilalN,MelnikV,etal.Selectiverecognitionoforganicpollutantsinaqueoussolutionswithcompositeimprintedmembranes[J].Adv.ColloidInterfaceSci.,2010,159:180-8.[]BarriosCA,CarrascoS,FrancescaM,etal.Molecularlyimprintedpolymerforlabel-freeintegratedopticalwaveguidebio(mimetic)sensors[J].Sens.Actuators,B,2012,161:607-14.[]GuerreiroJRL,FreitasV,SalesMGF.Newsensingmaterialsofmolecularly-imprintedpolymersfortheselectiverecognitionofChlortetracycline[J].Microchem.J.,2011,97:173-81.分子印跡傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)換器的測量原理不同，分為光學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器、質(zhì)量式傳感器和熱學(xué)傳感器。目前，分子印跡聚合物主要應(yīng)用于光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器兩類中。3分子印跡電位式傳感器的應(yīng)用各種各樣基于分子印跡聚合物的化學(xué)傳感器被制備，電位式傳感器作為電化學(xué)傳感器的一個分支同樣受到了關(guān)注，是常用并行之有效的方法，具有非常好的應(yīng)用前景不像基于其他傳感技術(shù)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-LópezMC,Lobo-CastanónMJ,Miranda-OrdieresAJ,[]Blanco-LópezMC,Lobo-CastanónMJ,Miranda-OrdieresAJ,etal.Electrochemicalsensorsbasedonmolecularlyimprintedpolymers[J].TrAC,TrendsAnal.Chem.,2004,23:3648.LiangRN等[[]LiangRN,ZhangRM,QinW.Potentiometricsensorbasedonmolecularlyimprintedpolymerfordeterminationofmelamineinmilk[J].Sens.Actuators,B,2009,141:544-50.]人結(jié)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(biāo)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(dá)到檢測質(zhì)子化三聚氰胺的目的。整個分析過程(包括預(yù)處理階段)僅不到15分鐘，檢測限為6.0×10-6[]LiangRN,ZhangRM,QinW.Potentiometricsensorbasedonmolecularlyimprintedpolymerfordeterminationofmelamineinmilk[J].Sens.Actuators,B,2009,141:544-50.TonelliD等[[]TonelliD,BallarinB,GuadagniniL,etal.AnovelpotentiometricsensorforL-ascorbicacidbasedonmolecularlyimprintedpolypyrrole[J].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PP[]TonelliD,BallarinB,GuadagniniL,etal.AnovelpotentiometricsensorforL-ascorbicacidbasedonmolecularlyimprintedpolypyrrole[J].Electrochim.Acta,2011,56:7149-54.LiangRN等[[]LiangRN,GaoQ,QinW.Potentiometricsensorbasedonmolecularlyimprintedpolymersforrapiddeterminationofclenbuterolinpigurine[J].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1.0×10-7~1.0×10-4M內(nèi)，該膜電極顯示出近Nernstian效應(yīng)，檢測限為7.0×10-4M。該電位式傳感器已成功應(yīng)用于豬尿中瘦肉精的檢測，回收率在98~107%，整個分析時間不到3min。[]LiangRN,GaoQ,QinW.Potentiometricsensorbasedonmolecularlyimprintedpolymersforrapiddeterminationofclenbuterolinpigurine[J].Chin.J.Anal.Chem.,2012,40:354-8.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(yīng)用研究[J],化學(xué)與生物工程,2014,31:45-54.]以莠去津?yàn)槟０宸肿硬捎贸恋砭酆戏ㄖ苽淞溯ソ蚍肿佑≯E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?jǐn)?shù)為PVC30.1%、o-NPOE60.8%、NaTF-PB1.5%、MIP7.6%，篩選適宜的內(nèi)充液為0.01molL-1NaCl溶液制得的電極在1.0×10-7–1.0×10-3molL[]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