CN101747473A

CN101747473A - 表面功能化的分子印迹聚合物微球及其制备方法

Info

Publication number: CN101747473A
Application number: CN200810154007A
Authority: CN
Inventors: 张会旗; 祖佰祎; 张莹; 潘国庆; 郭先芝
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: CN101747473B

Abstract

本发明涉及一种表面功能化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，对模板分子具有优异的分子识别性能，粒径为1～5μm，且表面带有活性功能基团。它们是采用可控/“活性”自由基沉淀聚合新方法制备的，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

表面功能化的分子印迹聚合物微球及其制备方法

所属技术领域

本发明涉及一种表面功能化的分子印迹聚合物微球的制备方法，具体的说就是涉及表面具有可控自由基聚合引发基团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科学、材料科学、生物化学及超分子化学等学科基础上发展起来的一种制备具有专一性分子识别功能的聚合物材料的新方法，由其得到的聚合物被称为分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymers，MIPs)。MIPs不仅具有可与天然抗体-抗原体系相媲美的高亲和性与选择性，而且还具有优异的抗机械性能、耐化学品与耐热性能以及易制备和成本低的优点，因此在固相萃取、色谱分离、传感器、仿酶催化、有机合成、药物传递与药物合成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)。

MIPs通常是由普通自由基“本体”聚合(bulk polymerization)方法制备的，整个过程包括功能单体与模板分子通过自组装形成复合物、所得复合物与多烯类交联单体在有机溶剂中进行共聚合反应、对所得整块交联聚合物进行粉碎研磨、筛分及溶剂抽提、最终得到MIP颗粒。不过，此方法不仅费时费力，而且所得MIP颗粒的形状与大小很不规则，同时在研磨与筛分过程中还会导致MIPs的大量损失和印迹过程中在MIP内产生的印迹空穴的破坏。研究还发现，上述方法得到的分子印迹聚合物通常还具有较慢的吸附动力学。为克服上述缺点，人们将悬浮聚合、乳液聚合、种子聚合以及沉淀聚合等方法引入分子印迹领域来直接制备MIP微球，其中沉淀聚合方法由于具有操作简便、适用范围广、且不需加入任何表面活性剂和稳定剂等优点而成为目前制备MIP微球的最常用的方法(Ye，L.；Mosbach，K.Chem.Mater.2008，20：859-868)。不过，由普通沉淀聚合方法所得到的MIP微球通常难以进行表面功能化，从而极大地限制了它在功能化MIP微球制备方面的应用。

发明内容

为了克服普通沉淀聚合技术在制备表面功能化MIP微球方面的不足，本发明提供了一种新的制备方法，旨在制备表面具有活性功能基团的MIP微球。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品纯净等优点。

技术方案：

本发明首次将原子转移自由基聚合(可控自由基聚合)与沉淀聚合方法结合起来，开发了两种可控自由基沉淀聚合新方法，即正相与反相原子转移自由基沉淀聚合方法，并将其引入分子印迹研究领域。利用可控自由基聚合反应过程高度可控以及所得聚合物末端均具有活性引发基团的特点，直接制备表面具有活性引发基团的MIP微球。具体操作过程是将普通分子印迹沉淀聚合体系中的引发体系换成可控自由基聚合的引发体系，来引发功能单体与模板分子的复合物和交联单体的共聚合。

本发明提供的MIP微球的表面含有各种卤代烷基活性功能基团。所述的MIP微球是在功能单体、模板分子、交联单体、引发体系与致孔溶剂存在下制备的。

所述的表面功能化MIP微球上的活性功能基团为各种卤代烷基。

制备所述表面功能化的MIP微球的具体技术方案如下：

1)将模板分子、功能单体、交联剂按摩尔比1～2∶1～8∶3～40投料，烷基卤化物或普通自由基聚合引发剂、低价态或高价态过渡金属化合物、配体按摩尔比1～5∶1～5∶2～15投料。

2)烷基卤化物或普通自由基聚合引发剂的量与体系内加入的功能单体和交联剂中的双键总量之摩尔比为1∶30～800。

3)致孔溶剂在反应体系中的体积分数＞95％。

4)将上述组分完全混溶后通氩气或氮气5～60分钟除氧，置于50～100℃油浴中聚合6～48小时，反应结束后超声分散5～20分钟，过滤得到含有模板分子的聚合物微球。

5)将含有模板分子的聚合物微球用乙酸/甲醇的混合液(体积比为9/1～7/3)索氏抽提24～72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，得到所述MIP微球。

所述功能单体为：4-乙烯吡啶(4-VP)、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。

所述交联剂为：双甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、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。

所述正相原子转移自由基沉淀聚合引发体系为：烷基卤化物(卤代烷烃、苄基卤化物、α-卤代酯、α-卤代腈或α-卤代酮)/低价态过渡金属化合物[Cu(I)、Fe(II)、Ru(II)或Ni(II)]/配体[2，2′-联吡啶、4，4′-二烷基2，2′-联吡啶、五甲基二乙基三胺(PMDETA)、三[2-(二甲氨基)乙基]胺(Me₆TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫碱]。

反向原子转移自由基沉淀聚合引发体系为：普通自由基聚合引发剂[偶单二异丁腈、过氧化苯甲酰等]/高价态过渡金属[Cu(II)、Fe(III)、Ru(III)或Ni(III)]/配体[2，2′-联吡啶、4，4′-二烷基2，2′-联吡啶、五甲基二乙基三胺(PMDETA)、三[2-(二甲氨基)乙基]胺(Me₆TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫碱]。

所述致孔溶剂为：乙腈、甲醇、甲醇/水、乙腈/甲苯或氯仿。

所述模板分子为：双酚A(BPA)、2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)、茶碱、咖啡因、氟哌酸、雌二醇或心得安。

附图说明

图1：原子转移自由基沉淀聚合反应示意图。

图2：利用正相原子转移自由基沉淀聚合法制备的MIP微球(以BPA为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图3：利用正相原子转移自由基沉淀聚合法制备的NIP微球(对应于图1中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

图4：利用反相原子转移自由基沉淀聚合法制备的MIP微球(以BPA为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图5：利用反相原子转移自由基沉淀聚合法制备的NIP微球(对应于图4中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

图6：利用正相原子转移自由基沉淀聚合法制备的MIP微球(以2，4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图7：利用正相原子转移自由基沉淀聚合法制备的NIP微球(对应于图6中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

图8：利用反相原子转移自由基沉淀聚合法制备的以2，4-D为模板分子的MIP微球的扫描电子显微镜照片。

图9：利用反相原子转移自由基沉淀聚合法制备的NIP微球(对应于图8中的MIP)的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

实例1.

将模板分子BPA(0.3424g)、功能单体4-VP(160μL)、交联剂EGDMA(0.85mL)、CuCl(5.2mg)与30mL无水乙腈加入一个100mL的圆底烧瓶中，反应液通氩气除氧15分钟后，加入配体PMDETA(22μL)，继续通氩气15分钟后加入2-氯丙酸乙酯(7.2mg)，将反应瓶封口后置于60℃的油浴中反应24h后过滤，利用索氏提取器以甲醇/乙酸(9∶1v/v)对所得聚合物微球抽提48h、再以乙腈抽提24h，40℃真空干燥48h，得MIP微球，收率62％。

在同样条件下，但不加入BPA进行上述反应，制备非印迹聚合物(non-imprinted polymer，NIP)微球，收率60％。

实例2

将模板分子BPA(0.3423g)、功能单体4-VP(160μ)、交联剂EDMA(0.85mL)、CuCl₂(7.2mg)与30mL无水乙腈加入一个100mL的圆底烧瓶中。通氩气除氧15分钟后，加入配体PMDETA(22μL)，继续通氩气15分钟后加入偶氮二异丁腈(AIBN)(8.6mg)，随后将反应瓶封口并置于60℃的油浴中反应24h后过滤，利用索氏提取器以甲醇/乙酸(9∶1v/v)对所得聚合物微球抽提48h、再以乙腈抽提24h，40℃下真空干燥48h，得MIP微球，收率85％。

在同样条件下，但不加入BPA进行上述反应，制备NIP微球，收率81％。

实例3

将模板分子2，4-D(0.1105g)、功能单体4-VP(0.2103g)、交联剂EGDMA(1.1893g)、CuCl(0.0069g)与30mL无水乙腈加入一个100mL的圆底烧瓶中。反应液通氩气除氧15分钟后，加入配体Me₆TREN(0.0484g)，继续通氩气15分钟后加入2-氯丙酸乙酯(9.6mg)，将反应瓶封口后置于60℃的油浴中反应24h后过滤，利用索氏提取器以甲醇/乙酸(9∶1v/v)对所得聚合物微球抽提48h、再以乙腈抽提24h，40℃下真空干燥48h，得MIP微球，收率35％。

在同样条件下，但不加入BPA进行上述反应，制备NIP微球，收率48％。

实例4

将模板分子2，4-D(0.1105g)、功能单体4-VP(0.2103g)、交联剂EGDMA(1.1893g)、CuCl₂(9.4mg)与30mL无水乙腈加入一个100mL的圆底烧瓶中。反应液通氩气除氧15分钟后，加入配体Me₆TREN(0.0484g)，继续通氩气15分钟后加入AIBN(0.0115g)，将反应瓶封口后置于60℃的油浴中反应24h后过滤，利用索氏提取器以甲醇/乙酸(9∶1v/v)对所得聚合物微球抽提48h、再以乙腈抽提24h，40℃下真空干燥48h，得MIP微球，收率59％。

在同样条件下，但不加入BPA进行上述反应，制备NIP微球，收率72％。

Claims

1.一种表面功能化的分子印迹聚合物微球，其特征是粒径在1～5微米、粒径分布较窄，表面带有活性功能基团。

所述分子印迹聚合物微球是在模板分子存在下，由单烯类功能单体与多烯类交联单体共聚得到的聚合物微球(交联度＞60％)。

2.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活性功能基团是各种卤代烷基。

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双酚A、2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)、茶碱、咖啡因、氟哌酸、雌二醇或心得安。

4.根据权利要求1所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所属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(EGDMA)、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。

6.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5～20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乙酸/甲醇的混合液(体积比为9/1～7/3)索氏抽提24～72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，即得到分子印迹聚合物微球。

3)通过改变功能单体、交联单体、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的分子印迹聚合物微球。

4)通过改变聚合引发体系的种类，制备一系列表面具有不同卤代烷基活性功能基团的分子印迹聚合物微球。

7.根据权利要求6所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征在于所述的模板分子、单烯类功能单体、多烯类交联单体、聚合引发体系和致孔溶剂的用量如下：

1)致孔溶剂在反应体系中的体积分数＞95％。

2)模板分子、功能单体、交联单体的摩尔比为1～2∶1～8∶3～40。

3)引发剂量与体系内加入的功能单体和交联单体中双键总量的摩尔比为1∶30～800。

8.根据权利要求6所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征在于所述的聚合引发体系是正相或反相原子转移自由基聚合的引发体系。

1)正相原子转移自由基聚合引发体系的组成为：烷基卤化物(包括卤代烷烃、苄基卤化物、α-卤代酯、α-卤代腈或α-卤代酮)/低价态过渡金属[Cu(I)、Fe(II)、Ru(II)或Ni(II)]/配体[2，2′-联吡啶、4，4′-二烷基2，2′-联吡啶、五甲基二乙基三胺(PMDETA)、三[2-(二甲氨基)乙基]胺(Me₆TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫碱]＝1～5∶1～5∶2～15。

2)反相原子转移自由基聚合引发体系的组成为：普通自由基聚合引发剂(偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰等)/高价态过渡金属[Cu(II)、Fe(III)、Ru(III)或Ni(III)]/配体[2，2′-联吡啶、4，4′-二烷基2，2′-联吡啶、五甲基二乙基三胺(PMDETA)、三[2-(二甲氨基)乙基]胺(Me₆TREN)或N-烷基2-吡啶基席夫碱]＝1～5∶1～5∶2～15。

9.根据权利要求6所述的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是所用的溶剂为乙腈、甲醇、甲醇/水、乙腈/甲苯或氯仿。