CN106749909B - 基于两性离子单体的l-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法 - Google Patents

基于两性离子单体的l-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于两性离子单体的L‑苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：将1‑乙烯基咪唑与1,3‑丙烷磺酸内酯进行烷基化反应，制备两性离子单体VSPIM；以L‑苯丙氨酸作为模板分子，以制备的VSPIM作为功能单体，以N,N‑亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以水作为溶剂，通过氧化还原反应引发聚合，得水凝胶；将所得的水凝胶在NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，然后用去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得印迹水凝胶。本发明利用两性离子基团来降低印迹水凝胶对蛋白质的非特异性吸附作用。

Description

基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料及其制备技术领域，涉及一种基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法。
背景技术
分子印迹技术是创造一种对特定分子在形状、大小以及官能团具有相互匹配功能的识别材料的过程。由分子印迹技术所制备的印迹聚合物具有众多优势，如高的特异识别性，好的机械和化学稳定性，以及较为容易制备过程等。因而，分子印迹技术已经广泛应用到了生物传感、生物分离、药物诊断与药物控制释放等领域。如今分子印迹技术发展迅速，然而它在生物分子印迹领域却面临着巨大挑战，其中最主要的难题便是，制备的生物分子印迹聚合物易受到蛋白质非特异性吸附的污染。如在生物医学领域的分子印迹技术中，蛋白质的非特异性吸附会造成细胞在界面上的进一步吸附、铺展、增殖、甚至死亡(石卿，苏延磊，姜忠义.材料表面抗蛋白质污染机理研究进展[J].中国科技论文在线，2010，5(3):172-175)；而在生物分子识别领域的印迹技术中，由于蛋白质的非特异性吸附，使得印迹聚合物识别精度大幅下降；在分子印迹膜的应用中，蛋白的污染会导致膜孔的阻塞，因而会影响整体膜性能的表现。因此，研发并改性具有抗蛋白质污染效果的印迹聚合物是目前生物分子印迹技术的前言热点。
目前，设计具有抗蛋白污染效果的聚合物一般通过以下两种方法为主：(1)采用聚乙二醇(PEG)在聚合物表面进行接枝和改性。PEG具有良好的抗蛋白吸附的能力，其应用范围最为广泛，PEG类材料的抗蛋白吸附机理是因为PEG分子在水相中能迅速形成水化聚合物链，具有很大的排除体积，从而阻止了蛋白质分子对PEG改性的聚合物表面的吸附。然而，由于PEG类材料易受到氧气和过渡金属离子的影响而导致其分解，因而大大限制了它在生物医学材料领域中的应用；(2)采用两性离子基团来阻止蛋白质污染的方法，是受到含有大量两性离子基团的卵磷脂具有良好抗蛋白质污染效果的思路所启发，作为一类新型的抗蛋白质污染材料，两性离子基团的抗污染作用是通过离子中带电的末端基强烈的溶剂化作用，使其形成一层水合层，因而能够有效的阻碍蛋白质的吸附。两性离子单体制备的聚合物具有良好的化学和机械稳定性，同时其抗蛋白污染作用优异，因而是目前抗蛋白吸附领域中重要的研究方向
另一方面，由于传统分子印迹技术局限于有机溶剂，因而将其应用于生物分子领域中也存在着重要的难题。这是因为传统印迹方法中，所用的溶剂大多为非极性有机溶剂，因而为了提高印迹聚合物的识别效果，研究方案中常采用具有氢键作用的功能单体与模板分子进行预聚合作用。然而，生物分子的溶解和稳定一般需要在水相中完成，由于水分子对氢键的强烈干扰作用，以氢键相互作用为主的传统印迹方法不再适用于生物分子印迹技术中。因此，设计和合成新型的静电或疏水性功能单体是生物分子印迹技术领域的研究重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，通过利用两性离子单体VSPIM与L-苯丙氨酸之间的静电、π-π以及氢键的多位点协同作用，提高印迹水凝胶对L-苯丙氨酸的选择和识别能力，利用两性离子基团来降低印迹水凝胶对蛋白质的非特异性吸附作用。
本发明所采用的技术方案是，基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯进行烷基化反应，制备两性离子单体VSPIM；
步骤2，以L-苯丙氨酸作为模板分子，以步骤1制备的两性离子单体VSPIM作为功能单体，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以水作为溶剂，通过氧化还原反应引发聚合，得水凝胶；
步骤3，将步骤2所得的水凝胶在NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液中L-苯丙氨酸在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，然后用去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得L-苯丙氨酸印迹水凝胶。
本发明的特点还在于，
其中步骤1的具体过程为：
步骤1.1，将1-乙烯基咪唑溶于乙腈中，然后加入1,3-丙烷磺酸内酯并在40～70℃下反应6～24小时，得白色沉淀。
步骤1.2，将步骤1.1得到的白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在真空干燥箱中干燥12～48小时，即得两性离子单体VSPIM。
其中步骤1.1中1-乙烯基咪唑与乙腈的摩尔比为1：3～6，1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯的摩尔比为1～1:2。
其中步骤1.2中干燥箱的温度为30～50℃。
其中步骤2的具体过程为：
步骤2.1，将作为模板分子的L-苯丙氨酸与作为功能单体的VSPIM溶解在水中，得溶液A；
步骤2.2，向步骤2.1所得的溶液A中依次加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分溶解，并向溶液中通氮除氧5～30分钟，再加入四甲基乙二胺，在15～30℃下反应3～18小时，即得水凝胶。
其中步骤2.1中L-苯丙氨酸与两性离子单体VSPIM的摩尔比为1～1:8，L-苯丙氨酸与水的摩尔比为1:300～800。
其中步骤2.2中两性离子单体VSPIM与N，N-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为2～8：1，过硫酸铵的加入量与四甲基乙二胺的加入量相同，二者的加入量均为两性离子单体VSPIM与N,N-亚甲基双丙烯酰胺总量的1％～3％
其中步骤3中NaCl溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，洗涤温度为15～30℃。
其中步骤3中去离子水用量为0.5～2L。
本发明的有益效果是，提供一种基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，这种以两性离子作为功能单体来制备印迹聚合物的方法，有效的克服了印迹聚合物在生物样品检测过程中由蛋白质非特异性吸附而引起的灵敏度下降、识别能力降低等问题。为分子印迹在医疗鉴定、生物分子传感和环境分析等领域的进一步发展奠定了良好的基础。
附图说明
图1是本发明基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法中制备的两性离子单体VSPIM的1H NMR图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯进行烷基化反应，制备两性离子单体VSPIM(VSPIM即1-乙烯基-3-磺酸丙基咪唑)；
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，将1-乙烯基咪唑溶于乙腈中，然后加入1,3-丙烷磺酸内酯并在40～70℃下反应6～24小时，得白色沉淀，1-乙烯基咪唑与乙腈的摩尔比为1：3～6，1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯的摩尔比为1～1:2；
步骤1.2，将步骤1.1得到的白色沉淀通过丙酮(丙酮是分析纯丙酮)洗涤，随后在真空干燥箱中干燥12～48小时，干燥箱的温度为30～50℃，即得两性离子单体VSPIM，参见图1；
步骤2，以L-苯丙氨酸作为模板分子，以步骤1制备的两性离子单体VSPIM作为功能单体，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以水作为溶剂，通过氧化还原反应引发聚合，得水凝胶；
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，将模板分子L-苯丙氨酸与步骤1所得的功能单体VSPIM溶解在水中，得溶液A，L-苯丙氨酸与功能单体VSPIM的摩尔比为1～1:8，L-苯丙氨酸与水的摩尔比为1:300～800；
步骤2.2，向步骤2.1所得的溶液A中依次加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分溶解，功能单体VSPIM与交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为2～8：1，并向溶液中通氮除氧5～20分钟，再加入四甲基乙二胺，过硫酸铵的加入量与四甲基乙二胺的加入量相同，二者的加入量均为功能单体VSPIM与交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺(摩尔)总量的1％～3％，在15～30℃下反应3～18小时，得到水凝胶；
步骤3，将步骤2所得的水凝胶在NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液中L-苯丙氨酸在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，然后用去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得具有抗蛋白污染作用的L-苯丙氨酸印迹水凝胶；NaCl溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，洗涤温度为15～30℃；去离子水采用0.5～2L。
实施例1
将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.3mol乙腈中，随后加入0.1mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在40℃下反应6小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在30℃的真空干燥箱中干燥12小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为71.3％；
将1×10-3mol的模板分子L-苯丙氨酸与1×10-3mol的功能单体VSPIM溶解在0.3mol的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入0.5×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和1.5×10-5mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧5分钟，随后迅速加入1.5×10-5mol的四甲基乙二胺，溶液在15℃下反应3小时，得水凝胶，将水凝胶在15℃下通过0.1mol/L的NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，随后采用0.5L的去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得印迹水凝胶，将得到的印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
为了说明印迹水凝胶的效果，现将印迹水凝胶与非印迹水凝胶进行对比；
非印迹水凝胶的制备过程为：将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.3mol乙腈中，随后加入0.1mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在40℃下反应6小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在30℃的真空干燥箱中干燥12小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为71.3％；
将1×10-3mol的两性离子单体VSPIM溶解在0.3mL的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入0.5×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和1.5×10-5mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧5分钟，随后迅速加入1.5×10-5mol的四甲基乙二胺，溶液在15℃下反应3小时，得水凝胶，随后采用0.5L的去离子水，洗涤水凝胶中未反应的单体，最终得到非印迹水凝胶。将得到的非印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
经测试，实施例1制备的印迹水凝胶对L-苯丙氨酸的吸附量为18.5mg g-1，印迹因子(IF＝QMIH/QNIH)为2.86；同时，为了验证印迹水凝胶的抗蛋白吸附效果，研究中将它们用于1mg mL-1的牛血清白蛋白溶液进行吸附，印迹水凝胶和非印迹水凝胶对牛血清白蛋白的吸附量分别为3.2mg g-1和3.6mg g-1，低的蛋白质吸附量说明由两性离子单体VSPIM制备的水凝胶具有良好的抗蛋白质非特异性吸附的能力。
实施例2
将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.5mol乙腈中，随后加入0.15mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在50℃下反应15小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在40℃的真空干燥箱中干燥30小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为86.5％；
将1×10-3mol的模板分子L-苯丙氨酸与5×10-3mol的功能单体VSPIM溶解在0.5mol的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入1×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和1.2×10-4mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧15分钟，随后迅速加入1.2×10-4mol的四甲基乙二胺，溶液在25℃下反应15小时，得水凝胶，将水凝胶在25℃下通过0.3mol/L的NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，随后采用1.5L的去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得印迹水凝胶，将得到的印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
为了将印迹水凝胶说明印迹水凝胶的效果，现将印迹水凝胶与非印迹水凝胶进行对比；
非印迹水凝胶的制备过程为：将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.5mol乙腈中，随后加入0.15mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在50℃下反应15小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在40℃的真空干燥箱中干燥30小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为86.5％；
将5×10-3mol的功能单体VSPIM溶解在0.5mol的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入1×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和1.2×10-4mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧15分钟，随后迅速加入1.2×10-4mol的四甲基乙二胺，溶液在25℃下反应15小时，得水凝胶，随后采用1.5L的去离子水，洗涤水凝胶中未反应的单体，最终得到非印迹水凝胶。将得到的非印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
经测试，实施例2制备的印迹水凝胶对L-苯丙氨酸的吸附量为24.8mg g-1，印迹因子(IF＝QMIH/QNIH)为2.94。同时，为了验证印迹水凝胶的抗蛋白吸附效果，研究中将它们用于1mg mL-1的牛血清白蛋白溶液进行吸附，印迹水凝胶和非印迹水凝胶对牛血清白蛋白的吸附量分别为2.1mg g-1和1.8mg g-1，低的蛋白质吸附量说明由两性离子单体VSPIM制备的水凝胶具有良好的抗蛋白质非特异性吸附的能力。
实施例3
将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.6mol乙腈中，随后加入0.2mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在70℃下反应24小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在50℃的真空干燥箱中干燥48小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为86.5％；
将1×10-3mol的模板分子L-苯丙氨酸与8×10-3mol的功能单体VSPIM溶解在0.8mol的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入1×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和2.7×10-4mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧15分钟，随后迅速加入2.7×10-4mol的四甲基乙二胺，溶液在30℃下反应18小时，得水凝胶，将水凝胶在30℃下通过0.5mol/L的NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，随后采用2L的去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得印迹水凝胶，将得到的印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
为了说明印迹水凝胶的效果，现将印迹水凝胶与非印迹水凝胶进行对比；
非印迹水凝胶的制备过程为：
将0.1mol的1-乙烯基咪唑溶于0.6mol乙腈中，随后加入0.2mol的1,3-丙烷磺酸内酯，反应物在70℃下反应24小时，得到的白色沉淀，将该白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在50℃的真空干燥箱中干燥48小时，得两性离子单体VSPIM，其产率为86.5％；
将8×10-3mol的功能单体VSPIM溶解在0.8mol的水中，得溶液A，向溶液A中依次加入1×10-3mol的N,N-亚甲基双丙烯酰胺和2.7×10-4mol的过硫酸铵，充分溶解后，向溶液中通氮除氧15分钟，随后迅速加入2.7×10-4mol的四甲基乙二胺，溶液在30℃下反应18小时，得水凝胶，随后采用2L的去离子水，洗涤水凝胶中未反应的单体，最终得到非印迹水凝胶。将得到的非印迹水凝胶在真空烘箱中30℃干燥24小时。
经测试，实施例2制备的印迹水凝胶对L-苯丙氨酸的吸附量为29.6mg g-1，印迹因子(IF＝QMIH/QNIH)为3.23。同时，为了验证印迹水凝胶的抗蛋白吸附效果，研究中将它们用于1mg mL-1的牛血清白蛋白溶液进行吸附，印迹水凝胶和非印迹水凝胶对牛血清白蛋白的吸附量分别为1.2mg g-1和0.9mg g-1，低的蛋白质吸附量说明由两性离子单体VSPIM制备的水凝胶具有良好的抗蛋白质非特异性吸附的能力。

Claims (9)

1.基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1，将1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯进行烷基化反应，制备两性离子单体VSPIM；
步骤2，以L-苯丙氨酸作为模板分子，以步骤1制备的VSPIM作为功能单体，以N,N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，以水作为溶剂，通过氧化还原反应引发聚合，得水凝胶；
步骤3，将步骤2所得的水凝胶在NaCl溶液中洗涤，并用紫外分光光度计测量洗脱液中L-苯丙氨酸在259nm处的特征峰，洗涤过程一直持续到洗脱液的紫外光谱中无法观察到259nm处的特征峰为止，然后用去离子水，洗脱水凝胶表面的NaCl，即得L-苯丙氨酸印迹水凝胶。
2.根据权利要求1所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
步骤1.1，将1-乙烯基咪唑溶于乙腈中，然后加入1,3-丙烷磺酸内酯并在40～70℃下反应6～24小时，得白色沉淀；
步骤1.2，将步骤1.1得到的白色沉淀通过丙酮洗涤，随后在真空干燥箱中干燥12～48小时，即得两性离子单体VSPIM。
3.根据权利要求2所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤1.1中1-乙烯基咪唑与乙腈的摩尔比为1：3～6，1-乙烯基咪唑与1,3-丙烷磺酸内酯的摩尔比为1～1:2。
4.根据权利要求2所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤1.2中干燥箱的温度为30～50℃。
5.根据权利要求1所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，将作为模板分子的L-苯丙氨酸与作为功能单体的两性离子VSPIM溶解在水中，得溶液A；
步骤2.2，向步骤2.1所得的溶液A中依次加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵充分溶解，并向溶液中通氮除氧5～30分钟，再加入四甲基乙二胺，在15～30℃下反应3～18小时，得水凝胶。
6.根据权利要求5所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤2.1中L-苯丙氨酸与两性离子单体VSPIM的摩尔比为1～1:8，L-苯丙氨酸与水的摩尔比为1:300～800。
7.根据权利要求5所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤2.2中两性离子单体VSPIM与N，N-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为2～8：1，过硫酸铵的加入量与四甲基乙二胺的加入量相同，二者的加入量均为两性离子单体VSPIM与N,N-亚甲基双丙烯酰胺总摩尔量的1％～3％。
8.根据权利要求1所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤3中NaCl溶液的浓度为0.1～0.5mol/L，洗涤温度为15～30℃。
9.根据权利要求1所述的基于两性离子单体的L-苯丙氨酸印迹水凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤3中去离子水用量为0.5～2L。
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