一种适于复杂水样分析的分子印迹聚合物微球的制备方法
阅读说明：本技术 一种适于复杂水样分析的分子印迹聚合物微球的制备方法 (Preparation method of molecularly imprinted polymer microspheres suitable for complex water sample analysis ) 是由 张会旗 马玉娟 郑从光 于 2019-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种制备适于复杂水样分析的分子印迹聚合物微球的新方法。所述表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球是通过表面具有环氧基团的分子印迹聚合物微球与亲水性大分巯醇在催化剂作用下进行化学偶联反应制得的。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品结构明确等优点。所得表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球在食品安全、环境监测、生物医用等众多领域具有广阔的应用前景。(The invention relates to a novel method for preparing molecularly imprinted polymer microspheres suitable for complex water sample analysis. The molecularly imprinted polymer microsphere with the hydrophilic polymer brush on the surface is prepared by carrying out chemical coupling reaction on the molecularly imprinted polymer microsphere with the epoxy group on the surface and hydrophilic macromolecular mercaptol under the action of a catalyst. The invention has the advantages of simple synthesis method, wide application range, definite product structure and the like. The obtained molecularly imprinted polymer microspheres with the hydrophilic polymer brushes on the surfaces have wide application prospects in various fields of food safety, environmental monitoring, biomedicine and the like.)
所属技术领域
本发明涉及一种适于复杂水样分析的分子印迹聚合物微球的制备方法，具体地说就是涉及一种利用巯醇-环氧偶联反应对分子印迹聚合物微球表面进行修饰的新方法，通过这种方法可以得到表面具有亲水性高分子刷且适于复杂水样分析的分子印迹聚合物微球。
背景技术
分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymers，MIPs)是一种具有特异性识别位点的功能高分子。它不仅具有稳定性高、制备容易及成本低的优点，而且还具有可与天然生物受体相媲美的高亲和性与选择性，因此在固相萃取、色谱分离、免疫分析、传感器、仿酶催化、有机合成、药物传递与生物药物等众多领域显示出巨大的应用前景，成为目前分子识别领域研究的热点(Zhang，H.；Ye，L.；Mosbach，K.J.Mol.Recognit.2006，19，248-259)。
尽管分子印迹研究已取得了巨大进展，在某些应用领域(如固相提取)MIPs甚至已进入了商品化实用阶段，但是目前人们得到的大多数MIPs通常只有在有机溶液中才能对有机小分子显示出优异的分子识别性能，而一旦它们应用于水溶液体系时其对有机小分子的选择性识别性能即会消失。这主要是由于它们高的表面疏水性会导致其在水溶液中对有机小分子高的非专一性吸附造成的(Dirion，B.；Cobb，Z.；Schillinger，E.；Andersson，L.I.；Sellergren B.J.Am.Chem.Soc.2003，125，15101-15109)。上述问题极大地阻碍了MIPs在基于水溶液体系的生物分析与生物医用等领域中的实际应用。
近年来，人们通过在MIPs表面引入亲水基团来提高其亲水性并降低其在水溶液中对有机小分子非专一性吸附的方法，已成功制备了一些适用于简单水样(如缓冲水溶液或水与有机溶剂的混合液)分析的MIPs微球(Zhang，H.Polymer 2014，55，699-714)。例如，人们通过首先制备表面具有环氧基团的MIPs，然后再通过开环反应将其表面的环氧基转变为亲水性羟基的方法，最终得到了在简单水样中具有选择性识别有机小分子能力的MIPs(deFaria，H.D.；de CarvalhoL.C.；Santos，M.G.；Barbosa A.F.；Figueiredo，E.C.Anal.Chim.Acta 2017，959，43-65)。不过实验证明它们在复杂水样(如牛奶、血清等生物样品)中对有机小分子的选择性识别能力却完全丧失。鉴于表面具有环氧基团的MIPs具有很容易制备的特点(可通过在印迹聚合体系中加入含有环氧基的可聚合单体或对MIPs进行表面修饰引入表面环氧基团)，因此如何发展一种能够将其转变为适于复杂水样分析的MIPs的新方法具有重要的现实意义与应用价值。
最近，我们通过发展可控/“活性”自由基沉淀聚合技术，成功实现了一步法制备表面具有可控/“活性”自由基聚合(CRP)引发基团或链转移基团的“活性”MIPs微球(Zhang，H.Eur.Polym.J.2013，49，579-600)；进一步通过“Grafting from”法(即在“活性”MIPs微球上进行表面引发的亲水性单体的CRP)(Zhao，M.；Zhang，C.；Zhang，Y.；Guo，X.；Yah，H.；Zhang，H.Chem.Commun.2014，50，2208-2210；Yang，Y.；Niu，H.；Zhang，H.ACSAppl.Mater.Interfaces 2016，8，15741-15749)或“Grafting to”法(即通过将“活性”MIPs微球表面的双键与具有二硫酯端基的亲水性聚合物进行偶联反应)(Zhao，M.；Chen，X.；Zhang，H.T.；Yan，H.；Zhang，H.Biomacromolecules 2014，15，1663-1675)，成功得到了表面具有亲水性高分子刷且在复杂水样(如未经稀释的牛奶或血清)中具有优异的有机小分子识别性能的MIPs。不过如何通过在表面具有环氧基团的MIPs微球上有效接枝亲水性高分子刷的方法来制备适于复杂水样的MIPs却一直未有报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种新的MIPs微球表面改性方法，旨在通过发展在表面具有环氧基团的MIPs微球表面接枝亲水性高分子刷的简便高效的新方法，将不适于复杂水样分析的表面具有环氧基团的MIPs微球转化为适于复杂水样分析的MIPs。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品结构明确等优点。
技术方案：
本发明开发了一种利用巯醇-环氧偶联反应制备表面具有亲水性高分子刷且适于复杂水样分析的MIPs微球的简便易行的方法，技术构思是通过将亲水性大分子巯醇的巯基与表面具有环氧基团的MIPs微球上的环氧基团在催化剂作用下于适当的溶剂中发生偶联反应，得到表面具有亲水性高分子刷且适于复杂水样分析的MIPs微球。
制备所述的表面具有亲水性高分子刷的MIPs微球的具体技术方案如下：
1)将表面具有环氧基团的MIPs微球与亲水性大分子巯醇按MIPs微球表面环氧基与亲水性大分子巯醇的摩尔比1∶0.1～100投料；
2)将催化剂按照与亲水性大分子巯醇的摩尔比为0.1～200∶1投料；
3)将溶剂按其与表面具有环氧基团的MIPs微球比例为0.04～2升/克投料；
4)将上述组分混匀，除去体系中的氧气后密封；
5)将密封好的反应体系在25～100℃温度下反应1～500小时，得到表面具有亲水性高分子刷的MIPs微球。
所述表面具有环氧基团的MIPs微球是通过各种沉淀聚合法直接制备或通过对MIPs微球表面进行化学修饰引入环氧基团制备的，其表面环氧基团的含量为0.001～1.0毫摩尔/克。
所述亲水性大分子巯醇为各种具有巯醇端基的亲水性聚合物。
所述催化剂为有机碱如三乙胺、四丁基氟化铵，无机碱如氢氧化锂，有机酸如乙酸，或无机酸如三氟化硼。
所述溶剂为酰胺类溶剂如N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、六甲基磷酰三胺，砜和亚砜类溶剂如二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜，醚类溶剂如四氢呋喃、1，4-二氧六环、正丁醚，酮类溶剂如丙酮、丁酮、庚酮，醇类溶剂如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇，腈类溶剂如乙腈，卤代烷溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳，他常见溶剂如N-甲基吡咯烷酮、水，或上述两种或多种溶剂的混合物。
附图说明：
图1.利用巯醇-环氧化学偶联方法将亲水性高分子刷接枝到MIPs微球上的过程流程图。
图2.表面具有环氧基团的MIPs微球(以心得安为模板)(Propranolol-MIP-EP)的扫描电子显微镜照片。
图3.表面具有环氧基团的MIPs微球(以心得安为模板)对应的非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-EP)的扫描电子显微镜照片。
图4.利用巯醇-环氧化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(以心得安为模板分子)(Propranolol-MIP-PHEMA-5740)的扫描电子显微镜照片。
图5.利用巯醇-环氧化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(以心得安为模板分子)对应的非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-PHEMA-5740)的扫描电子显微镜照片。
图6.表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(以心得安为模板分子)(Propranolol-MIP-PHEMA-5740)及其非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-PHEMA-5740)在纯牛奶中对心得安的平衡吸附性能(吸附温度为25℃，心得安的浓度为0.1mM)。
图7.表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(以心得安为模板分子)(Propranolol-MIP-PHEMA-5740)及其非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-PHEMA-5740)在纯牛奶中对心得安及其类似物阿提洛尔的选择性吸附性能(吸附温度为25℃，心得安与阿提洛尔的浓度均为0.1mM，Propranolol-MIP-PHEMA-5740与Propranolol-CP-PHEMA-5740的浓度均为0.6mg/mL)。
具体实施方式
实例1
将150毫克以心得安(propranolol)为模板的表面具有环氧基团的MIPs微球加入装有30毫升甲醇的圆底烧瓶中，然后加入188毫克含有巯醇端基的聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝5740g/mol)和780微升三乙胺。将反应混合物通氩气30分钟除氧后将反应体系密封，置于25℃的恒温油浴中，在电磁搅拌下反应72h，反应产物通过离心并用甲醇洗涤三次，在40℃下真空干燥至恒重，得到表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(Propranolol-MIP-PHEMA-5740)。
表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝5740g/mol)刷的非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-PHEMA-5740)的制备过程同上，只是将表面具有环氧基团的非印迹聚合物微球代替表面具有环氧基团的MIPs微球。
实例2
将150毫克以心得安为模板的表面具有环氧基团的MIPs微球加入装有30毫升甲醇的圆底烧瓶中，然后加入90毫克含有巯醇端基的聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝2500g/mol)和350微升三乙胺。将反应混合物通氩气30分钟除氧后将反应体系密封，置于25℃的恒温油浴中，在电磁搅拌下反应72h，反应产物通过离心并用甲醇洗涤三次，在40℃下真空干燥至恒重，得到表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝2500g/mol)的MIPs微球(Propranolol-MIP-PHEMA-2500)。
表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝2500g/mol)刷的非印迹聚合物微球(Propranolol-CP-PHEMA-2500)的制备过程同上，只是将表面具有环氧基团的非印迹聚合物微球代替表面具有环氧基团的MIPs微球。
实例3
将150毫克以2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)为模板的表面具有环氧基团的MIPs微球加入装有30毫升甲醇的圆底烧瓶中，然后加入188毫克含有巯醇端基的聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝5740g/mol)和780微升三乙胺。将反应混合物通氩气30分钟除氧后将反应体系密封，置于25℃恒温油浴中，在电磁搅拌下反应72h，反应产物通过离心并用甲醇洗涤三次，在40℃下真空干燥至恒重，得到表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝5740g/mol)的MIPs微球(2，4-D-MIP-PHEMA-5740)。
表面接枝亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝5740g/mol)的非印迹聚合物微球(2，4-D-CP-PHEMA-5740)的制备过程同上，只是将表面具有环氧基团的非印迹聚合物微球代替表面具有环氧基团的MIPs微球。
实例4
将150毫克以2，4-D为模板的表面含有环氧基团的MIPs微球加入装有30毫升甲醇的圆底烧瓶中，然后加入90毫克含有巯醇端基的聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝2500g/mol)和350微升三乙胺。将反应混合物通氩气30分钟除氧后将反应体系密封，置于25℃恒温油浴中，在电磁搅拌下反应72h，反应产物通过离心并用甲醇洗涤三次，在40℃下真空干燥至恒重，得到表面具有亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯高分子刷(Mn＝2500g/mol)的MIPs微球(2，4-D-MIP-PHEMA-2500)。
表面接枝亲水性聚甲基丙烯酸羟乙酯(Mn＝2500g/mol)的非印迹聚合物微球(2，4-D-CP-PHEMA-2500)的制备过程同上，只是将表面具有环氧基团的非印迹聚合物微球代替表面具有环氧基团的MIPs微球。