摘要 本工作制備了兩種電流檢測嗎啡的電化學傳感器。將嗎啡制成印跡粒予，用紫外可 見近紅外光譜，掃描電子顯微鏡對印跡粒子進行表征。用x 射線粉末衍射法、紅外光譜 和氮氣吸附法對合成的有序介孔碳孔進行了表征，n a f i o n 分散有序介孔碳可獲到穩(wěn)定 的懸浮液，用掃描電子顯微鏡表征n a f i o n 分散的有序介孔碳。 用電聚合方法將印跡粒子修飾到玻碳電極上，將n a t i o n 分散的有序介孔碳滴涂到玻 碳電極上制備有序介孔碳修飾電極，分別研究了m 口修飾電極和o m c 修飾電極的電化 學行為。在p h6 2 2 的緩沖溶液中，于電勢0 6 7 5 v 用m i p 修飾電極測定嗎啡的催化氧 化電流，線性范圍為0 2 2 m m ，靈敏度為1 7 1 3 8 p a f m 2 r n m ( r = 0 9 9 ) ，檢測限為0 0 2 5 m m ( 信噪比3 ：1 ) 。有序介孔碳修飾電極對嗎啡具有強而穩(wěn)定的電催化響應，線性范圍寬 ( 4 x l f f 9 4 x 1 0 4 t 0 0 1 ) ，最低檢出限為1 5 n g 。 結果表明，這兩種修飾電極都能電催化氧化嗎啡，可作為嗎啡電化學傳感器。 關鍵詞：電聚合，電化學催化，分子印跡膜，嗎啡，有序介孔碳，電化學傳感器 a b s t r a c t i nt h i sw o r k , t w oe l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sw e r ep r e p a r e df o rt h ea m p e r o m e t r i cd e t e c t i o n o fm o r p h i n e m o r p h i n ew a si n c o r p o r a t e di n t oam o l e c u l a r l yi m p r m t c dp o l y m e r ( m i p ) m i p p a r t i c l e s w e r ep r e p a r e da n dc h a r a c t e r i z e db yu v v i s - n 瑯s p e c t r o s c o p ya n ds c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e o r d e r e dm e s o p o r o u sc a r b o n ( o m c ) w a ss y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d b yn i t r o g e na d s o r p t i o n d e s o r p t i o ni s o t h e r m , p o w d e rx r da n df t - 取s p e c t r a as t a b l e s u s p e n s i o no fo r d e r e dm e s o p o r o u sc a r b o n ( o m c ) w a so b t a i n e db yd i s p e r s i n gt h eo m c i na s o l u t i o no fn a t i o n 1 1 1 es u s p e n s i o no fo m c n a f i o nw a sd 刪哺c t c r i z c db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o na n dt i t r a t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt om o d i f yg c e l e c t r o d ew i t hm i p p a r t i c l e s b yc o a t i n gt h es u s p e n s i o no n t ot h eg ce l e c t r o d e n 撕o n ，o m c g ce l e c t r o d ew a s p r e p a r e d t h ee l e c t r o c h e m i s t r yb e h a v i o r so ft h ee l e c t r o d e sm o d i f i e db ym i pa n do m c w e r e s t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y n 倫o x i d i z i n gc u r r e n to ft h em i pm o d i f l e di sm e a s u r e di nak c ls o l u t i o nc p h6 2 2 、a 主 o 6 7 5 v ( v s a g a g c l s a t dk c i ) w i t hm o r p h i n ec o n c e n t r a t i o nv a r y i n gi nt h e0 2 - 2m m r a n g e n l es e n s i t i v i t yo f1 7 1 3 8 p a c m 2 m m ( r = 0 9 9 ) i so b t a i n e d 1 1 尬d e t e c t i o nl i m i to f 0 0 2 5 m ma tas i g n a l - t o n o i s eo f 3i sa c h i e v e d n a f i o n - o m c | g ce l e c t r o d ee x h i b i t ss t r o n ga n ds t a b l ee l e c t r o c a t a l y t i cr e s p o n s et o w a r d m o r p h i n e ，w h i c hs h o w sal a r g ed e t e r m i n a t i o nr a n g e ( 4 x l f f 4 x 1 0 - r e e ll - 1 ) a n dar e m a r k a b l y l o wd e t e c t i o nl i m i t ( 1 5 n g ) 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tb e t ht w om o d i f i e de l e c t r o d e sc a l le l e c t r o c a t a l y s i so x i d a t i o no f m o r p h i n e n e s om o d i f i e de l e c t r o d e sc a nb eu s e d 蠲m o r p h i n es e n s o r k e y w o r d s ：e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o n ；t i t r a t i o n ；e l e c t r o c a t a l y s i s ；m o l e c u l a r l yi m p r i n t e dp o l y m e r ； m o r p h i n e ；o r d e r e dm e s o p o r o u sc a r b o n ；e l e c t r o c h e m i c a ls e n 眥 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東北師范大學或其他 教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的 任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名： 日期：五p l 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解東北師范大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 即：東北師范大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權東北師范大學可以將學位論文的全部 或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其它復制手段保 存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 嘉溢e t 簽嘉毖 日 期：址五：琴期：2 趨2 ，! 多 學位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 電話： 郵編： 第一章、文獻綜述 1 1 嗎啡的研究概況 1 1 1 毒品的分類 各類毒品，根據(jù)不同的標準有不同的劃分方法。聯(lián)合國麻醉藥品委員會將毒品分為 六大類：嗎啡型藥物( 包括鴉片、嗎啡、可卡因、海洛因和罌粟植物等) 是最危險的毒品； 可卡因、可卡葉；大麻；安非它明等人工合成興奮劑；安眠鎮(zhèn)靜劑( 包括巴比妥藥物和 安眠酮) ；精神藥物，即安定類藥物。 1 1 2 毒品的共性 毒品種類繁多，但一般來說，毒品都有四個共同的特征：不可抗力，強制性地使 吸食者連續(xù)使用該藥，并且不擇手段地去獲得它；連續(xù)使用有不斷加大劑量的趨勢；對 該藥產(chǎn)生精神依賴性及軀體依賴性，斷藥后產(chǎn)生戒斷癥狀( 脫癮癥狀) ；對個人、家庭和 社會都會產(chǎn)生危害后果。 1 1 3 嗎啡的性質 嗎啡結構見圖1 1 ，結構式為c 1 7 h 1 9 n 0 3 h 2 0 。 圖i - i 嗎啡結構圖。 嗎啡是鴉片中最主要的生物堿( 含量約1 0 1 5 ) ，1 8 0 6 年法國化學家f 澤爾蒂納 首次從鴉片中分離出來。提煉出來的嗎啡，呈白色結晶粉末狀聞上去有點酸味。他用分 離得到的白色粉末在狗和自己身上進行實驗，結果狗吃下去后很快昏昏睡去，用強刺激 法也無法使其興奮蘇醒；他本人吞下這些粉末后也長眠不醒。據(jù)此他用希臘神話中的睡 眠之神嗎啡斯( m o r p h e u s ) 的名字將這些物質命名為“嗎啡”。 純凈嗎啡為無色或白色結晶或粉末，難溶于水，易吸潮。隨著雜質含量的增加顏色 逐漸加深，粗制嗎啡則為咖啡似的棕褐色粉末。非法生產(chǎn)的嗎啡一般被制成磚塊狀。嗎 啡鼻聞有酸味，但吸食時有濃烈香甜味。 嗎啡3 位上有酚羥基、6 位上有醇羥基、1 7 位有叔氮原子，所以嗎啡呈酸、堿兩 性。嗎啡3 位上含有酚羥基因此其水溶液易被氧化，氧化反應機理為自由基( 游離基) 反應。嗎啡鹽類的水溶液不穩(wěn)定，易被氧化變色，生成毒性較大的雙嗎啡( d i m o r p h i n e ， 也稱偽嗎啡) 。 1 1 4 嗎啡的用途 起初它被作為鎮(zhèn)痛劑應用于臨床，但由于它對呼吸中樞有極強的抑制作用，如同吸 食邪片一樣，過量吸食嗎啡后出現(xiàn)昏迷、瞳孔極度縮小、呼吸受到抑制，甚至于出現(xiàn)呼 吸麻痹、停止而死亡。 醫(yī)用嗎啡一般為嗎啡的硫酸鹽、鹽酸鹽或酒石酸鹽，易溶于水，常制成白色小片狀 或溶于水后制成針劑。其藥理作用有： ( 1 ) 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用：強烈的麻醉、鎮(zhèn)痛作用。嗎啡的麻醉、鎮(zhèn)痛作用是 自然存在的任何一種化合物無法比擬的。它的鎮(zhèn)痛范圍廣泛，幾乎適用于各種嚴重疼痛 包括晚期癌變的劇痛，一次給藥鎮(zhèn)痛時間可達4 5 小時，并且鎮(zhèn)痛時能保持意識及其他 感覺不受影響。此外還有明顯的鎮(zhèn)靜作用，能消除疼痛所引起的焦慮、緊張、恐懼等情 緒反應，顯著提高患者對疼痛的耐受力。嗎啡的鎮(zhèn)痛作用部位是第三腦室周圍、第三腦 室尾端至第四腦室頭端的神經(jīng)結構及導水管周圍灰質。 ( 2 ) 對呼吸系統(tǒng)的作用：嗎啡能抑制大腦呼吸中樞和咳嗽中樞的活動，使呼吸減 慢并產(chǎn)生鎮(zhèn)咳作用。急性中毒會導致呼吸中樞麻痹、呼吸停止至死亡 ( 3 ) 對心血管系統(tǒng)的作用：治療量嗎啡對血管和心率無明顯作用，大劑量嗎啡可 引起體位性低血壓及心動過緩。 ( 4 ) 對消化系統(tǒng)的作用：對胃腸道平滑肌、括約肌有興奮作用，使它的張力提高， 蠕動減弱，因此有止瀉和治便秘的效果。 1 1 5 嗎啡濫用的危害 嗎啡成癮者常用針劑皮下注射或靜脈注射，在同樣質量下，注射嗎啡的效果比吸食 鴉片強烈1 0 2 0 倍。吸食嗎啡對神經(jīng)中樞的副作用表現(xiàn)為嗜睡和性格的改變，引起某種 程度的愜意和欣快感；在大腦皮層方面，可造成人注意力、思維和記憶性能的衰退，長 期大劑量地使用嗎啡，會引起精神失常的癥狀，出現(xiàn)澹亡和幻覺；在呼吸系統(tǒng)方面，大 劑量的嗎啡會導致呼吸停止而死亡。嗎啡的極易成癮性使得長期吸食者無論從身體上還 是心理上都會對嗎啡產(chǎn)生嚴重的依賴性，造成嚴重的毒物癖，從而使嗎啡成癮者不斷增 加劑量以收到相同效果。 目前，中國吸毒人群呈逐年上升趨勢，禁毒形勢依然嚴竣。吸毒危害著整個社會安 定。毒品禍害無窮。非但害己而且害人，非但危及個人家庭，更危及國家民族。禁毒和 戒毒，無疑是國家和全體人民不可忽視的問題。 研制快速、靈敏的毒品檢測方法和儀器是禁毒工作的迫切需要。 1 1 6 嗎啡的檢測方法 嗎啡毒品的濫用，給人們的生活和生命財產(chǎn)帶來了極大的危害，因此，在醫(yī)療上控 制其精確用量及濫用者的認定和監(jiān)測方面，對嗎啡及其代謝物的檢測具有重要意義 1 - 2 。 有關嗎啡的檢測方法的研究幾乎涉及了現(xiàn)代分析化學的所有技術【3 - 4 包括氣相色譜 2 法【5 1 川，液相色譜法【1 ，高效液相色譜法【1 2 】，紫外光譜法嘲，氣相色譜與質譜聯(lián)用方法 【1 4 1 ，熒光法【閽，化學發(fā)光法【聞，表面細胞質基因組共振法【用，電化學方法f 1 8 - 2 4 ，通常用 液液萃取或者固相萃取來提純嗎啡分子【2 5 1 ，盡管色譜和氣相色譜一質譜聯(lián)用都是發(fā)展的 比較好的嗎啡檢測方法，并且有低的檢出限，但是由于使用儀器體積大，設備昂貴而阻 礙了它們的實際應用，對快速、簡便的嗎啡檢測設備仍有很大的需求。 利用抗體和抗原關系檢測生物樣品的免疫測定方法是另一種比較流行的嗎啡檢測 技術【1 5 1 ，酶聯(lián)免疫法是這些免疫法中最受青睞的檢測方法【2 ”3 。1 司，用這種方法，樣品的 準備非常簡單方便，最重要的是這是一種最經(jīng)濟的嗎啡檢測方法，但是，由于它是勞動 集約過程且準確率低而阻礙了它的實際應用，用氣相色譜和免疫色譜方法制成的試紙檢 出限為3 0 0 n g m l 【凋，但是嗎啡在人體的濃度變化范圍很大，例如當用嗎啡治療【1 2 】的時候 嗎啡的濃度范圍在8 - 8 0 n g m l ，尿液中的嗎啡濃度會隨時間的變化而變化【2 9 】，因此這些簡 單的測定方法的最大缺點就是它們相對高的檢測限和低的靈敏度。 嗎啡也可以用電化學方法檢測，電流檢測有望成為一種便攜、快速的嗎啡檢測方法， 因為它能根據(jù)嗎啡濃度輸出對應的電流結果【3 0 , 3 “，用電流法可以實現(xiàn)活體檢測【1 8 】，嗎啡 的電流檢測主要是通過嗎啡的電化學催化氧化來實現(xiàn)的，這個方法適用于高效液相色譜 法【3 2 】和分子印跡技術【3 3 1 ，有高的靈敏度和選擇性，修飾電極通常采用電化學檢測。電極 修飾以后檢測器的靈敏度和選擇性得到明顯改善，目前與嗎啡檢測有關的電化學方法報 道的有六氰基高鐵酸鈷修飾玻碳電極實現(xiàn)嗎啡的電催化氧化1 1 8 】，此電極有高的穩(wěn)定性。 用普魯士藍修飾電極檢測嗎啡【3 4 1 ，此方法中普魯士藍是人為合成的嗎啡過氧化酶，但是 合成過程復雜耗時。 嗎啡傳感器的另一個問題是檢測方法的靈敏度問題，生物樣品的成分像尿液、血清、 體液都是復雜的，檢測方法必須對嗎啡有高的選擇性，m i p 對生物樣品有高的選擇性是 眾所周知的【3 5 1 ，m i p 膜的性質已經(jīng)被廣泛研究口6 】，但是嗎啡印跡膜還未應用到嗎啡傳感 器上，電流研究組也報道了分子印跡膜可以用于電化學檢測嗎啡1 3 7 j 。 1 2 分子印跡的研究概況 1 2 1 分子印跡技術 分子印跡技術是近年迅速發(fā)展起來的一項新技術，該技術的關鍵是制備對目標分子 具有特異識別性且高度穩(wěn)定的聚合物一分子印跡聚合物。分子印跡聚合物對環(huán)境、醫(yī)藥 等領域所使用的許多化合物有很好的選擇性，其識別性不易受強酸、強堿、金屬離子和 其它多種溶液的影響，耐機械應力、高溫、高壓。分子印跡聚合膜的制備對于傳感器研 究也有特殊的意義。 1 2 2 分子印跡簡述 分子印跡技術( m o l 咖l 盯i m p r i n t i n gt e c h n i q u e ，m i t ) 3 8 】自2 0 世紀7 0 年代以來發(fā)展十 分迅猛。特別是1 9 9 3 年m o s b a c h 等【3 明在 ( n a t u r e ) 上發(fā)表有關茶堿分子印跡聚合物 ( m o l e c u l a ri m p r i n t e dp o l y m e r s ，m i p s ) 的報道后，每年公開發(fā)表的論文數(shù)幾乎直線上升。如 1 9 9 2 年為1 2 篇，而1 9 9 9 年估計為1 5 0 篇左右。據(jù)m o s s b a c h 的報道【4 1 】，截1 1 = 1 9 9 8 年底，公 3 開發(fā)表有關m i t 的論文超過5 0 0 篇。而1 9 9 7 年成立的分子印跡協(xié)會( s o c i e t yo f m o l e c u l a r l m p r i m i n g ，s m l ) 的統(tǒng)計表明( 刪，全世界至少有1 0 0 個以上的學術機構和企事業(yè)團體在 從事m i p s 的研究及開發(fā)工作。 m i t 之所以發(fā)展如此迅速，主要是因為它有三大特點：即預定性( p r e d e t e r m i n a t i o n ) 、 識別性( r e c o g n i t i o n ) 和實用( p r a c t i c a b i l i t y ) 。由于m i p s 具有抗惡劣環(huán)境的能力，表現(xiàn)出 高度的穩(wěn)定性和長的使用壽命等優(yōu)點，因此，它在許多領域，如色譜中對映體和異構體的 分離、固相萃取、化學仿生傳感器、模擬酶催化、臨床藥物分析、膜分離技術等領域展 現(xiàn)了良好的應用前景【4 1 州。分子印跡技術對于研究酶的結構、認識受體一抗體作用機理 以及在分析化學等方面具有重要的理論意義和使用價值【蚓。近年來，已有一些文獻介紹 了這方面的理論和最新研究成果 4 4 - 5 2 。目前分子印跡技術己成為生化領域的研究熱點。 分子印跡技術就是在模板分子周圍構造高度交聯(lián)的剛性高分子【5 3 1 ，除去模板分子后在聚 合物的網(wǎng)絡結構中留下具有結合能力的反應基團，對模板客體分子表現(xiàn)出高度的選擇識 別性。 1 2 3 制備方法 目前，被用于印跡聚合物制備的主要的方法有： ( 1 ) 溶液聚合法溶液聚合法是應用較多的印跡聚合物的制備方法。這種方法以光 照或加熱的方式引發(fā)自由基進行溶液聚合，然后將形成的塊狀聚合物研磨成一定大小的 無定形顆粒，操作簡單，但比較費時，研磨后損失較多p ”。 ( 2 ) 原位聚合法原位聚合是采用印跡分子、功能單體、交聯(lián)劑及致孔劑在柱內直 接聚合而形成整體柱的方法，是另外一種步驟較為簡單的方法【5 6 1 。s e l l e r g r e n 以丙醇 為溶劑，用原位聚合的方式制備了噴他脒印跡柱，在用于含噴他脒的生物樣品處理時， 富集程度達5 4 倍。在原位聚合方法中，需要選擇合適的致孔劑以制備有一定通透性的 聚合物，因此對致孔劑的條件有苛刻的限制，目前這種方法的應用還很歲5 7 1 。 ( 3 ) 懸浮聚合法m a t s u i 將印跡分子及單體溶于氯仿，加入含有聚乙烯醇的水溶 液，用懸浮聚合的方法合成了球形印跡聚合物，這種方法省去了研磨和篩分的步驟，但 水包油懸浮聚合局限于能溶于疏水性有機溶劑的非極性印跡分子【5 8 】。 ( 4 ) 種子聚合法經(jīng)多步溶脹的種子聚合法也被用于印跡聚合物的制備。這種方法 可以得到粒徑均勻的聚合物顆粒，但是步驟較為復雜。h a g i n a k a 和s a n b e 采用種子聚合 的方法合成了新型的多層球形聚合物【5 9 】聚合物內層為印跡層，外層為親水層，這種結構 能夠阻擋大分子進入內層，也叫限制進入層( r e s t r i c t e da c c e s s m e d i a ，r a i d ) 【6 0 j 。在使 用這種聚合物進行生物樣品的固相提取時，蛋白分子不能進入吸附層而在前沿流出，可 以省去預除蛋白的步驟而直接進行操作【6 1 】，因此，非常適用于生物樣品中待測物的分離 富集。 ( 5 ) 表面印跡法p r a s a d 和b a n e r j e e 用對氨基苯甲酸、二氯乙烷與硅膠反應，在 印跡分子存在的條件下，合成了硅膠表面鍵合印跡固定相，用于進行藥物及血液樣品的 凈化b 內酞胺抗生素的富集【6 2 】。與完全用高分子單體合成的印跡聚合固定相相比，硅膠 表面鍵合印跡固定相具有溶脹系數(shù)小和傳質速度快的優(yōu)點，為印跡聚合物的合成提供了 4 另一個可供選擇的途徑【6 3 1 。另外，印跡微孔濾膜也被用于環(huán)境污染物的分離測定。 p i l e t s k y 等用光引發(fā)接枝聚合的方法，在聚丙烯微孔濾膜表面引入印跡聚合層，用于富 集和檢測水中的除草劑，在流通量為1 2 0l m - = h 一，的條件下仍能對印跡分子有很好 的吸附作用，并有很好的選擇性 e 4 l 成為一種可進行固相分離的新材料。 1 2 4m i p 的制備過程 分子印跡聚合物的制備通常包括五個步驟： ( 1 ) 選擇功能單體 根據(jù)單體與印跡分子作用力的大小預測，設計，合成帶有能與印跡分子發(fā)生作用的 功能基的單體：共價型單體包括4 一乙烯苯硼酸、4 一乙烯苯甲醛、4 一乙烯苯胺、4 一乙烯苯 酚等。非共價型單體包括丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、對乙烯苯甲酸、對乙 基苯乙烯、亞甲基丁二酸、二丙烯酰胺一2 一甲基一1 一丙磺酸、卜乙烯基咪唑、4 一乙烯基 吡啶，2 一乙烯基吡啶等。印跡分子主要有糖類( 包括甘露糖、半乳糖、果糖) 、氨基酸及 其衍生物、蛋白質、核苷酸及其衍生物、嘌呤，嘧啶、等生物堿、羧酸、二醛、膽固醇、 維生素、酶、抗原、神經(jīng)遞質如乙酰膽堿、殺蟲劑、除草劑、染料、藥物掣鯽。 ( 2 ) 溶劑選擇 非共價型m i p s 中，反應溶劑對分子間作用力和m i p s 的形態(tài)影響很大。溶劑還起著 致孔劑的作用。所用溶劑不但對印跡分子等應具有較高的溶解性，最好還能夠促進印跡 分子與功能分子間的相互作用，至少不干擾這種效應。須依據(jù)印跡分子與功能單體間可 能的作用力類型選擇適宜極性的溶劑。在極性溶劑中，印跡分子主要靠疏水作用與功能 單體結合；在非極性溶劑中則主要靠氫鍵等作用與功能單體結合。般地，極性強的溶 劑會降低印跡分子與功能單體間的結合，特別是干擾氫鍵的形成，生成的m i p s 識別 性能較差，故應盡可能采用介電常數(shù)低的溶劑，如甲苯、氯仿、二氯甲烷等。 ( 3 ) 聚合反應 在印跡分子和交聯(lián)劑存在的條件下，對單體進行聚合。聚合方式有懸浮聚合、乳液 聚合、表面印跡等。為維持良好的特定空間構型，一般需要加入交聯(lián)劑以得到較高的聚 合物( 通常為8 0 ) 。常用交聯(lián)劑有：雙甲基丙烯酸乙二醇酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三 甲氧基丙烷、三甲基丙烯酸酯，n ，甲基雙丙烯酰胺、二乙烯基苯等。 ( 4 ) 去除印跡分子 采用盡可能溫和的物理手段將占據(jù)在識別位點上的絕大部分印跡分子洗脫下來。 ( 5 ) 后處理 在適宜的操作條件下對印跡分子聚合物進行成型加工和真空干燥等后處理。上述過 程所制備的b i i p 應具備良好的物理化學和生物穩(wěn)定性好、吸附容量高、使用壽命長、形 狀與尺寸特異性好等特點，以獲得較高的應用效率l 嗍。 1 2 5 分子印跡的表征方法 m i p s 性質的表征到目前還沒有一個統(tǒng)一的理論描述，主要原因是因為m i p s 的應用 范圍很廣泛，在不同的應用領域，可以有不同的表征方法。例如在色譜固定相、手性分離 和固相萃取應用中，一般用分離因子a 【6 8 - 7 1 、分離度r s f 6 7 6 8 0 7 2 、保留時間t g 7 3 1 、結合常數(shù) 5 k d 7 ”、離解常數(shù)k a 【7 4 】、富集系剡7 5 1 等來表征m i p s 的選擇性的好壞：而在化學傳感器的 應用中，則需要借用各種電化學參數(shù)如電流、電容、電導、電壓以及各種光學參數(shù)和質量 參數(shù)如光強度和質量等來表征。其轉換裝置有化學修飾場效應晶體管( c h e m i c a l l y m o d i f i e df i e l de f f e c tt r a n s i s t o r c m f e t s ) 、光學積分儀( o p t i c a li n t e g r a t e r ) 、質量敏感裝 置( m a s s s e n s i t i v ed e v i c e s ) 如石英晶體微量天平( q u a r t zc r y s t a m i c r o b a l a n c e s ，q c m s ) ”1 s 】 和表面聲波傳感器( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e s ，s a w s ) 【6 7 ，在催化應用領域則以催化效率、 反應速度、結合量等參數(shù)來描述m i p s 的催化活性。 1 2 6 分子印跡技術的應用研究進展 分子印跡聚合物所具有的優(yōu)勢使其作為識別元件，特別適合于傳感器技術。根據(jù)轉 換器的工作原理，傳感器可分為電化學傳感器( 包括電位型、電導型、電流型) 、壓電傳 感器、光學傳感器和熱學傳感器等類型，目前，分子印跡聚合物主要應用在前三類傳感 器中1 7 9 1 。 ( 1 ) 傳感器 分子印跡電化學傳感器將分子印跡技術引入電化學檢測系統(tǒng)中，當分子印跡聚 合物與溶液中的待測分子結合后，使電極的電信號發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對待測物的檢測。 k i r s c h 等以1 2 羥基芘( 1 2 o h p ) 為模板，苯乙烯為功能單體，采用熱聚合法制備直徑小 于5 3p m 的分子印跡聚合物顆粒，將顆粒與碳素墨水d 1 4 混勻后鋪展在絲印碳電極上， 制成的m i p 2 s p c e 作為工作電極與a g a g c i 參比電極組成電化學傳感器，對1 2 o h p 進行測定，有良好的選擇性，測定范圍為0 1 1m o l l 在相同濃度時，對1 2 一o h p 的吸附 分別是1 萘酚和苯酚的5 倍和2 0 倍 s h ；s e r g e y e v a 等以阿特拉津為模板，甲基丙烯酸為 功能單體，采用紫外光聚合法，在兩塊固定距離6 0 1 2 0 i l m 的石英玻板之間制備m m 膜，將此膜置于電化學檢測池的兩支鉑電極之間，組成電導傳感器，溶液中的待測分子 被m 口膜吸附后，電導率發(fā)生改變，通過觀察電信號的變化測定阿特拉津的濃度，該傳 感器的檢出限低至5n m o l l ；d e l a n e y 等采用接枝聚合技術在巰基十六烷修飾的金電極 表面直接合成m i p 膜【7 l 】將此電極與飽和甘汞電極( s c e ) 組成電容性傳感器，測定水溶液 中敵草凈，響應時間約為5m i n ，電容每變化一個單位對應待測物的濃度變4 3m m o l s 2 1 。 壓電生物傳感器壓電石英生物傳感器也稱石英晶體微天平【1 0 6 ( q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e ，q c m ) ，對其表面的質量變化非常敏感。應用m i p 對傳感器電極表面進行 修飾，分子在改性電極表面上的特定鍵合會導致壓電石英晶體金屬電極的細微負載質量 改變【l 。質量的增加使q c m 的諧振頻率降低，通過監(jiān)測q c m 的頻率的變化確定表 面吸附質量。q c m 作為轉換器廣泛應用于傳感器技術中，m i p 與o c m 結合，構成能夠檢 測特定分子的m i p - q c m 傳感器。k o b a y a s h i 等以咖啡因為模板，聚丙烯睛為聚合劑，采 用相轉化沉淀法制備厚約0 1m i l l 的m i p 膜，將膜貼在石英晶體的金電極上，組成測定 咖啡因的m i p - q c m 傳感器。將傳感器浸入含咖啡因的樣品液中，m i p 吸附咖啡因后，q c m 的諧振頻率下降，約3 0 m i n 達到穩(wěn)定，頻率每下降1h z ，對應于電極上的質量增加 0 0 6 1 n g 。壓電生物傳感是一門新興的分支學科，可用于液相、氣相和液固界面等的研 究，測定靈敏度高，可檢測低至p g n g 級的質量變化或p m o l l - n m o l l 級的濃度變化， 6 樣本量可小至p g 或1 1 l 級，q c m 除具有質量效應外，還具有更多的如粘度、電導率、流 變特性等非質量效應，與n i p 的結合使其表面具備特異性，這兩個新興技術的結合將為 相關研究領域提供獨特有利的補充l s 3 】。 m i p 光學傳感器化學發(fā)光法( c l ) 的原理是通過測定反應物在氧化還原或發(fā)光反 應中發(fā)射出一定波長的發(fā)射光的特性，對被測物質進行檢測。光學應用又可分為熒光型、 分光光度計型、冷光型、稀有元素光纖探針、紅外漸消波等方法。熒光以其靈敏度和穩(wěn) 定性成為傳感器中一種很重要的探測技術。熒光探測應用于n i p 系統(tǒng)主要有熒光標記的 被分析物：加入的試劑與殘余的功能基團形成熒光化合物：熒光物質直接作為功能單體 參與形成空腔，其充當識別元件又作為探測元件：直接用熒光物質做模板【l o ”。利用鑭系 化合物做光纖的探針，通過鑭光譜窄的激勵和發(fā)射峰可以提供極好的靈敏性和選擇性的 分析。但鑭系化合物形成適當?shù)呐湮惑w時能顯出極長的冷光時間。利用其做痕量分析可 至1 0 。8 數(shù)量級。將分子印跡技術與斕系冷光結合起來是一種有效的傳感器設計方法【l 啁。 在中紅外光譜區(qū)域( m i r ；3 5 0 0c m - 1 - 5 0 0c m - 1 ) 有機分子光譜顯示出高度的特定性，m i r 光譜、漸消波感應技術( e w s ) 與w i p 結合會提高傳感器的特定選擇性。用m i p e u 3 + 化學 發(fā)光傳感器檢測有機磷農(nóng)藥草甘麟、氯蟀硫磷、二嘖磷和神經(jīng)毒劑梭曼的水解產(chǎn)物頻哪 基醇甲基磷酸酯，檢出限均低于9l l g ，l ，響應時間均在1 5 m i n 內。光學傳感器的信號 通過光纖傳輸，損耗較小，容易實現(xiàn)遠距離檢測【馴。 ( 2 ) 分離技術 手性分離自1 9 9 2 年，美國食品醫(yī)藥管理局( f d a ) 就明確要求凡是新的光學活 性藥物都必須把光學異構體分離出來，分別測定其藥物動力學和毒理學的各項指標。這 就給分離對映異構體技術的改進提出了新的要求。目前盡管已有手性合成、酶法拆分等 技術，但分子印跡技術在分離對映異構體方面有其獨到之處【8 5 】目前有關分子印跡技術的 文獻報道5 0 以上以手性分離為研究對象，涉及的分離過程主要有色譜分離和電泳分離， 瑞典的m o s b a c h 課題組開展了不少領先性的工作i s 6 。 膜分離將w i p 應用于膜分離的物質有氨基酸及其衍生物、肽、除草劑等。 k o b a y a s h i 等采用相轉化法制備了茶堿的m i p 薄膜。該薄膜是丙烯睛、丙烯酸的共聚物。 吸附實驗發(fā)現(xiàn)，茶堿的吸附量遠大于咖啡因，這表明在相轉化的過程中，n i p 對茶堿形 成了分子的形狀“記憶”。對薄膜的表征提供了茶堿和共聚物間相互作用的證據(jù)。 y o s h i k a w a 制備了四肽h _ c h 3 的m i p 薄膜，通過n d la c - t r y p t o p h a n 的電滲析實驗發(fā)現(xiàn) 該薄膜對l 異構體有選擇性1 8 7 1 。s h e a 等研究了能選擇性地透過某些天然分子的m i p 薄 膜，并實現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化。該類分離膜處理量大、容易放大、對目標分子具有很 高的選擇性吸附容量。 固相萃取這種方法可用于醫(yī)藥、食品和環(huán)境分析試樣的制備嘲。通常，試樣的制 備包括溶劑萃取，由于分子印跡的出現(xiàn)，可以用固相萃取代替溶劑萃取，并且可利用分子 印跡聚合物選擇性富集目標分析物。由于印跡聚合物既可在有機溶劑中使用，又可在水溶 液中使用，故與其它萃取過程相比，其具有獨特的優(yōu)點【明。自從s e l l e r g r e n 首次報道了 將m i p 用于固相萃取后，這方面的報道便相繼出現(xiàn)，主要化合物有2 一氨基吡啶、苯達松、 吲哚一3 乙醇、s 一萘普生、尼古丁、鬃0 安、三嗪類、沙瑪爾丁、它莫西芬等。m a t s u i 等 采用懸浮聚合的方法制得了球形的m i p ，用于水中提取三嗪類除草劑中的西瑪三嗪，西瑪 三嗪可被濃縮5 6 倍，回收率達9 1 9 0 l a n d e r s s o n 也研制了一種用于固相萃取m i p 。t a n k e r 等人研制的m i p 可以從牛肝中富集除草劑莠去津，提高了高效液相色譜法的精度，使其檢 測限達5 x 1 曠g 。另外，由于m i p 的優(yōu)良特性，使得這一技術將在苛刻的環(huán)境( 比如有機溶 劑、有毒、強酸強堿、高溫高壓等) 中分離應用表現(xiàn)出不可比擬的優(yōu)判9 1 - 9 2 。 ( 3 ) 模擬酶催化 分子印跡技術最富挑戰(zhàn)性的應用研究是對酶的人工模擬催化。多年來，化學家們試 圖制備出與酶的性能相近的化學催化劑，但進展極其緩慢。分子印跡技的出現(xiàn)，使這一 狀況大為改觀【州。g o n - z a l e z 以吡多醛為印跡分子，用4 一乙烯基咔唑為單體制備出分子 印跡高聚物，它促進了氨基酸衍生物的質子轉移。用聚乙烯咔唑作為印跡聚合物能促進 模板分子的酯水解能力。由于過渡態(tài)能促進產(chǎn)物的形成，所以印跡過渡態(tài)類似物成為最 普遍的制備模擬酶的方法【9 5 】。此外，分子印跡作用對酶的活性調控也會產(chǎn)生重要的影響。 d a v i s 綜述了分子印跡納米催化材料的性能及研究情況【9 6 】。m o f i h a r a 等分別以( r ) 和 ( s ) - n - b e n z y l a - m e t h y l b e n z y l a m i n e 為模板在硅膠表面形成了一個分子印跡的空穴，這種 材料對苯甲酸的乙?；写呋D移功能。當手性的印跡分子重新結合到有關的空穴上 后，催化活性消失【9 ”。這說明空穴的手性識別來源于印跡空間結構。研究發(fā)現(xiàn)m i p 可以 催化四氯噻吩與馬來酸酐之間的d i e l s - a l d e r 反應，迄今為止，還未曾發(fā)現(xiàn)天然酶能催 化反應。在這一反應中，m i p 之所以具有催化作用是由于過渡狀態(tài)的生成降低了反應體 系的活化能，并排除了副產(chǎn)物s o ：這樣就大大降低了抑制物的濃度。 1 2 7 分子印跡技術的發(fā)展方向 盡管目前分子印跡技術發(fā)展的速度比較快，而且也得到比較廣泛的應用，仍然存在 許多問題有待于進一步解決。預計今后一段時期內，分子印跡技術將在下述方面得到研 究開發(fā) 9 7 - 1 0 1 1 。 ( 1 ) 分子印跡和識別過程的機理將從目前的定性和半定量描述向完全定量描述發(fā) 展，從分子水平上真正弄清楚印跡和識別過程。 ( 2 ) 合成種類更多、性能更好的功能單體和交聯(lián)劑，改善分子印跡聚合物的“印 跡”，分子印跡和識別過程將從有機相環(huán)境轉向水相環(huán)境。 ( 3 ) 手性分離和固相萃取氨基酸、手性藥物有望產(chǎn)業(yè)化。 ( 4 ) 印跡技術將從氨基酸、藥物等小分子、超分子逐漸過渡到核苷酸、多肽、蛋白質 等生物大分子。甚至生物活體細胞。 ( 5 ) m 口用于催化劑和仿生傳感器的制造將獲得較快發(fā)展。 隨著化學、生物學、材料學以及分析技術的不斷進步，分子印跡技術將會在分離、 化學和生物傳感、模擬酶催化等許多領域發(fā)揮越來越大的作用。 1 3 分子印跡技術仿生傳感器 在醫(yī)藥、化工、生物技術、環(huán)境污染監(jiān)控等領域，傳感設備對于檢測不同的分析物 8 有著重要的意義。近2 0 多年來，傳感器技術領域有了很大的進展，生物傳感器以突出 的快速和靈敏性得到研究者的密切關注并不斷更新和發(fā)展，但因為它們的識別性是基于 脆弱的生物體( 酶或抗體) 的，所以同時存在著難以儲存和不穩(wěn)定的缺點，難以得到更大 規(guī)模的應用?；谌斯ぷR別系統(tǒng)的化學傳感器有著更加廣泛的可變性，尤其是當被分析 物無相關的生物分子識別元件的時候。印跡聚合物n i p 即為一種有效的人工識別系統(tǒng)。 通過對聚合過程的改進、功能單體的選擇、傳感器元件的改進和多種不同的數(shù)據(jù)分析， t t i p 能獲得很高的選擇性。這種穩(wěn)定的合成高分子具有選擇性的分子識別能力，因為高 分子基質中的識別位點與被分析物的形狀和官能團的位置都呈互補關系。一些印跡聚合 物的選擇性和親合常數(shù)甚至達到了自然識別系統(tǒng)的單克隆抗體或受體的水平。 1 3 1 印跡聚合物作為傳感器識別元件的機理 通常將n i p 作為傳感器設備的識別元件固定在傳感器與被分析物的界面。被分析物 在識別元件上的鍵合作用經(jīng)傳感器轉變?yōu)殡娪嵦柌⒎糯?。它既可以制成膜也可以制成?孔的微珠填于柱中。 l i p 用作傳感器識別元件有以下主要優(yōu)點【l 昭1 0 5 1 。 量身定做，對相應的模板分子或相似物( 可為醫(yī)藥、環(huán)境、等方面的化舍物) 有 著極好的特定選擇性； 有機合成，避免了必須從生物體內制備抗體，這樣很容易進行放大生產(chǎn)； 操作穩(wěn)定，識別性質不受酸、堿、熱、壓力或有機相處理的影響，且能夠反復 使用。此識別元件在混合物中以高度的選擇性識別目標分子，并經(jīng)轉換器產(chǎn)生可測量的 輸出信號，此信號與被分析物的濃度有關系，當被分析物與識別元件作用時，會產(chǎn)生一 個或多個物理化學參數(shù)的變化，這個變化可能產(chǎn)生離子、電子、氣體、光、熱或質量的 改變，轉換器將這些參數(shù)轉變?yōu)榭煞糯蟮碾娸敵鲂盘?。最適合的轉換器為微電子轉換器， 如石英晶體微天平( q c m ) 、表面聲波( s a w ) 、場效應晶體管( p e t ) 和光學設備。 1 3 2 分子印跡聚合物的識別作用 一般認為分子印跡聚合物對模板分子的識別由以下三個方面的因素決定： ( 1 ) 分子印跡聚合物中功能單體與模板分子的選擇性反應 這些選擇性反應包括形成可逆性共價鍵的反應和形成非共價鍵( 包括氫鍵、離子鍵、 金屬配位鍵、p - p 作用力、疏水作用力和范德華作用力) 的反應。凡是能影響這些反應發(fā) 生的因素都能影響印跡聚合物對模板分子的識別作用。具體的有1 1 1 0 ： 功能基的抑制劑即能與功能基發(fā)生反應的物質，該抑制劑與功能基發(fā)生反應后 不僅使功能基喪失活性，而且占據(jù)空穴的空間，使模板分子不能與功能基結合。 功能基空間取向的改變某些物質和條件比如溶劑和溫度等可以使功能基的空 間取向發(fā)生改變。不論是形成共價鍵還是形成非共價鍵的反應都有一定的方向性，如功 能基的空間取向和模板分子功能基的空間取向不匹配，則會明顯影響兩者的結合強度和 結合速度，甚至會使反應不能發(fā)生。 靜電斥力和空間位阻效應印跡聚合物是一種高度交聯(lián)的共聚物，其聚合物鏈以 及鏈上存在的其它基團等都可以阻礙模板分子和聚合物功能基發(fā)生印跡反應，使聚合物 選擇性和親和性降低甚至喪失。 9 溶劑的某些性質對印跡反應的發(fā)生有很大的影響，比如溶劑的極性、介電常數(shù)、 質子化作用及絡合作用等。這些因素是通過對聚合物和底物的分子作用來影響兩者之間 的選擇性和親和力的。溶劑對聚合物的影響可歸于上述第一種情況功能基的抑制劑。 溶劑對底物的影響是通過形成氫鍵等弱的相互作用，使底物與功能基的反應活性受到影 響。這對分子自組裝方法的影響較大。因為分子自組裝就是通過這些弱的相互作用實現(xiàn) 的，底物分子一旦與溶劑形成氫鍵或其他類型的鍵，就很難再與聚合物功能基發(fā)生作用。 所以自組裝分子印跡聚合物的制備都是在非極性有機溶劑中進行的。但最近關于以水為 溶劑的分子印跡技術已有了突破性的進展。在這些研究中，雖然還不能在水相中直接制 備分子印跡聚合物，但分子印跡聚合物能夠在水相中識別底物。這一點至少可以表明在 水相中是可以發(fā)生印跡反應的。實驗證明：作用位點的數(shù)量以及聚合物能與模板分子發(fā) 生作用的功能基的個數(shù)對印跡聚合物的選擇性和親和力有很大的影響。通常，前者越多， 聚合物對底物的選擇性和親和力也越高，后者一般是由模板分子上功能基的數(shù)量決定 的，這方面的研究還很少。但是很多實驗事實己經(jīng)證實了專一性結合位點的數(shù)量對印跡 聚合物的選擇性和親和力有重要作用?！?。 1 4 有序介子l 碳的研究概況 1 4 。1 介孔碳研究意義 納米材料是近年來受到人們極大重視的一個領域，納米粒子通常是指尺寸為 l - l o o n m 的超細微粒。納米顆粒由于尺寸小，位于表面的原子所占體積分數(shù)很大，產(chǎn)生 相當大的表面能，且隨著尺寸的減小，比表面積急劇增大，表面原子數(shù)及比例迅速增大， 原子配位不足，使表面原子有很高的化學活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結合。 介孔材料被發(fā)現(xiàn)的時間與碳納米管相近。介孔材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，已成為納米材料 的主攻方向。介孔材料( 孔徑5 - 5 0 h m ) 具有從一維到三維有序孔道結構、較大的比表 面積和孔容、均一且在納米尺度上可調的孔徑、可控的形貌、表面可功能化以及無生理 毒性等，在選擇性吸附與分離、高效特性催化、傳感及光、電、磁領域有著巨大潛在實 際應用意義而引起人們的關注，從而成為近年來多個學科領域研究的一大熱點。特別是 介孔的孔道中可以裝進其他粒子，由于孔徑相同，裝進去的粒子很均勻，因此可以形成 組合體效應。介孔材料還是一種很好的活性材料，很容易進行表面修飾和表面改進。 介孔材料研究的重要突破是1 9 9 2 年m o b i l 公司的科學家們首次成功地合成了m 4 1 s 系列，具有大的均一孔結構，高比表面積和孔體積，包括六角型i i c m - 4 1 i 1 1 1 】，立方 m c m - 4 8 1 1 2 和薄層狀m c m 一5 0 。此后，各種介孔材料相繼被開發(fā)出來。有序介孔材料分為 硅系和非硅系兩大類，有序介孔碳( o r d e r e dm e s o p o r o u sc a r b o n ，o m c ) 屬于非硅系介 孑l 材料，發(fā)現(xiàn)較晚，1 9 9 9 年人們首次合成了有序介孔碳c m k - i 1 1 3 1 ，其合成方法還在發(fā) 展中。 與純介孔硅材料相比，有序介孔碳材料表現(xiàn)出特殊性質，例如在強酸堿中的高度穩(wěn) 定性，高機械穩(wěn)定性和特別重要的導電性。介孔碳材料在吸附 i f 9 - 1 2 0 、催化反應、分離 1 0 0 2