CN111151227A - 半分子印迹材料及其制备方法和应用 - Google Patents

半分子印迹材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及分子印迹材料技术领域，具体提供一种半分子印迹材料及其制备方法和应用。该制备方法包括：将聚合物单体、半模板分子、溶剂进行混料处理，获得第一混合溶液；将第一混合溶液与交联剂、引发剂进行混料处理，并使发生反应，获得含半模板分子的聚合物；对含半模板分子的聚合物进行若干次洗脱，至半模板分子被洗除，得到半分子印迹材料；其中，半模板分子与目标模板分子具有相同的特征基团，且半模板分子特征基团的总量少于目标模板分子特征基团的总量。本发明的制备方法解决了直接以目标模板分子制成的分子印迹材料存在的目标模板分子残留、使用过程中泄露而出现假阳性等问题，从而提高检测灵敏度和准确性，检测精度提高至ppb级。

Description

半分子印迹材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于分子印迹材料技术领域，具体涉及一种半分子印迹材料及其制备方法和应用。
背景技术
在化学、生物监测中，通常需要对样品进行前处理，尤其是固相前处理具有使用方便等特性，近年来被广泛使用。为了提高检测的选择性，研究人员开发出一种分子印迹方法，即在合成聚合物材料时将聚合物单体与模板分子进行混合，随后在加入交联剂、引发剂的条件下，通过光或热引发单体聚合，使聚合物单体与交联剂通过自由基聚合在模板分子周围形成高联的刚性聚合物，最后将模板分子从刚性聚合物中洗去，则在刚性聚合物中留下对应的模板分子结构空穴，当将刚性聚合物用于检测时，待测物中存在与模板分子结构空穴相互互补的官能团时，则发生特异性结合，从而实现对待测物的识别与检测。但是，这种方法在具有高选择性的同时，会存在一些不可避免的缺陷，如由于模板分子与聚合物单体相互形成的作用力较强，而且被包裹的较深(在形成的聚合物内部而非表面)，导致在生产时，会存在模板分子无法完全洗去而残留在聚合物中，而且通常情况下，模板分子的残留量能够达到ppm级。ppm级的残留量在一些高灵敏度的检测过程中会因为泄露而造成假阳性，对检测造成干扰。很显然，目前使用分子印迹材料进行的检测，其检测分子浓度基本都在ppm级，容易出现检测不准确，同时无法掉落的小分子也会使得聚合物材料的吸附容量大大降低，加剧检测数据的失真度。
发明内容
针对目前分子印迹检测过程中，由于模板分子的残留导致后续使用时存在的假阳性、无法确定其真实结果等问题，本发明提供一种半分子印迹材料及其制备方法。
以及，由上述制备方法获得的半分子印迹材料的应用。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种半分子印迹材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01.将聚合物单体、半模板分子、溶剂进行混料处理，获得第一混合溶液；
步骤S02.将所述第一混合溶液与交联剂、引发剂进行混料处理，并使发生反应，获得含半模板分子的聚合物；
步骤S03.对所述含半模板分子的聚合物进行若干次洗脱，至所述半模板分子被洗除，得到半分子印迹材料；
其中，所述半模板分子与目标模板分子具有相同种类的特征基团，且所述半模板分子特征基团的总量少于所述目标模板分子特征基团的总量。
相应地，一种半分子印迹材料，所述半分子印迹材料采用如上所述的制备方法制备得到。
本发明半分子印迹材料的制备方法的有益效果在于：
相对于现有技术，本发的制备方法，通过利用半模板分子替代目标模板分子制成半分子印迹材料，解决了直接以目标模板分子制成的分子印迹材料存在的目标模板分子残留、使用过程中泄露而出现的假阳性等问题，从而提高检测灵敏度和准确性，检测精度可以由模板分子印迹材料的ppm级提高至ppb级。
本发明提供的半分子印迹材料的有益效果在于：本发明提供的半分子印迹材料，采用如上的方法进行制备，具有检测灵敏度高、准确性好且可以达到ppb级等特点，因此可广泛应用于疾病体外诊断、环境监测、食品安全检测、危化物检测等检测领域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及的名词解释：
半模板分子：在本发明中，为了与目标模板分子做区别，定义了半模板分子，其具体指的是，半模板分子的特征基团与目标模板分子有相似的特征基团，但是半模板分子的特征基团总量少于目标模板分子特征基团的总量，即仅有部分目标模板分子的部分结构特征。或者说半模板分子具有目标模板分子的结构特征，但是，其结构特征少于目标模板分子的结构特征。如，目标模板分子具有苯环结构、非苯环结构，那么对应的半模板分子仅具有苯环结构，或者含有苯环结构和部分非苯环结构；又如，目标模板分子具有n(n≥2)个苯环结构，那么半模板分子最多具有n-1个苯环结构；再如，目标模板分子同时具有脂肪环结构和脂肪链结构，那么半模板分子只有脂肪环结构，或者有脂肪环结构和部分脂肪链结构；又再如，目标模板分子不含芳环和脂肪环，仅有脂肪链，那么半模板分子则只含脂肪链中体积占比最大的结构；或者说，目标模板分子具有n(n≥2)个官能团，那么半模板分子最多具有n-1个官能团，当目标模板分子仅有一个官能团，半模板分子的分子结构比模板分子的分子结构至少少一个非官能团基团，如乙醇只有一个羟基官能团，半模板分子则为甲醇，也就是缺少一个甲基基团。当然，本发明所说的半模板分子不局限与上述列举的这几种，其他与本发明的思想相类似的也属于本发明的发明思路。
本发明提供一种半分子印迹材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：
步骤S01.将聚合物单体、半模板分子、溶剂进行混料处理，获得第一混合溶液；
步骤S02.将所述第一混合溶液与交联剂、引发剂进行混料处理，并使发生反应，获得含半模板分子的聚合物；
步骤S03.对所述含半模板分子的聚合物进行若干次洗脱，至所述半模板分子被洗除，得到半分子印迹材料；
其中，所述半模板分子与目标模板分子具有相同的特征基团，且所述半模板分子特征基团的总量少于所述目标模板分子特征基团的总量。
下面对本发明的制备方法技术方案做进一步的详细解释。
本发明涉及的聚合物单体，为分子印迹材料技术领域中使用的功能单体，这些聚合物单体在交联剂和引发剂的作用下，可以发生聚合，从而在目标模板分子周围形成刚性的聚合物，在经过洗脱后，目标模板分子从聚合物中脱除，留下目标模板分子的结构空穴，鉴于这些功能单体均为分子印迹材料技术中的常见单体，因此这里不需要展开详细的列举，当然，如甲基丙烯酸就是其中的一种聚合物单体。还可以是4-乙烯苯硼酸、4-乙烯苯甲醛、4-乙烯苯胺、4-乙烯苯酚、丙烯酰胺、丙烯腈、对乙烯苯甲酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、2-(三氟甲基)丙烯酸、亚甲基丁二酸等中的任一种。
本发明涉及的半模板分子，关于半模板分子的定义，具体详见本发明名词解释。值得注意的是，这里所说的“半”，不是指的数学概念上的二分之一的意思，而是相对于目标模板分子而言，其缺少某部分官能团或者基团等，属于一种形象概念。具体来说半分子模板的选择遵循如下的原则：
(一).保留分子体积中占比最大的部分，具体如下：
1.如目标模板分子同时包含苯环结构和非苯环结构，则选用的半模板分子优先保留芳环结构，排除非芳环结构；若目标模板分子含有多个芳环结构，则选用的半模板分子则含有其中的1个到多个(相对于模板分子而言，至少缺少一个芳环结构)。
2.如目标模板分子结构不包含芳环，若包含脂肪环和脂肪链，则选用的半模板分子含有脂肪环结构，不含脂肪链结构；或者选用的半模板分子含有脂肪环结构和部分脂肪链结构。
3.若目标模板分子结构不包含芳环和脂肪环，有脂肪链，则选用的半模板分子含有目标模板分子脂肪链结构中体积占比最大的结构。
(二).至少保留部分特征官能团，具体如下：
1.若目标模板分子结构中同时含有多个官能团，则选用的半模板分子的官能团比目标模板分子至少少1个官能团，同时至少应当含有目标模板分子1个官能团。
2.若目标模板分子结构中只有一个特征官能团，则选用的半模板分子所缺少的部分为目标模板分子的非官能团部分(如当以乙醇作为目标模板分子时，由于其只含有1个羟基特征官能团，则选用的半模板分子为甲醇，去除的是甲基这个非官能团部分)。
3.本发明中的半分子印迹材料不适合于目标模板分子骨架只含有1个原子的结构过于简单的分子(如甲醛、甲醇、氨气等只含有1个碳原子或氮原子骨架)；同样也不适用于目标模板分子只含有1个芳环(如苯)、1个脂肪环(如环己烷、环丙烷等)。
本发明涉及的溶剂，同样是分子印迹材料技术领域中常用的溶剂，如可以是甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮、甲苯、十二醇、环己醇、二甲苯中的任一种或几种的混合物。溶剂在制备过程中，起到溶媒的作用，同时也起到致孔剂的作用。
步骤S02中提及的交联剂、引发剂同样是分子印迹材料技术领域中常见的交联剂、引发剂。如交联剂可以是乙二醇二甲基丙烯酸酯、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、N,N-亚甲基二丙烯酰胺、二乙烯基苯；引发剂可以是偶氮二异丁腈，所使用的交联剂、引发剂，在与聚合物单体混合后，在光或热等的条件下，使得聚合物单体通过自由基共聚合的方式发生聚合，从而获得将半模板分子包裹的聚合物材料。
在具体的制备过程中，还需要过滤产物，并且采用去离子水或者蒸馏水对制备得到的聚合物材料进行清洗的过程。
步骤S03中涉及的洗脱过程，在洗脱前，可以对聚合物材料进行破碎处理，如可以采采用研磨的方式进行研磨，或者球磨的方式进行球磨。随后采用洗脱液进行洗脱，具体的洗脱液也是分子印迹材料技术领域中常见的洗脱液，如可以是质量分数为1-30％的甲/乙酸的甲/乙醇/水/乙腈溶液、质量分数为1-10％的氢氧化钠/钾的甲醇/乙醇/水/乙腈溶液。通过洗脱，将包裹在聚合物内部的半模板分子洗除。
本制备方法，通过采用半模板分子替代目标模板分子，制备得到具有目标模板分子部分空穴的分子印迹材料，解决了目标模板分子在分子印迹材料中有残留，导致后续使用时会泄露而造成假阳性，影响检测真实性的问题。此外，由于半模板分子的结构相对于目标模板分子的结构更为简单，形成的分子作用力更小，因此更容易洗脱；在使用时，即使半模板分子没有被完全洗脱干净导致泄露，也不会被后续的液相、质谱等仪器方法或免疫学方法的抗体识别，不会对真实判别结果造成假阳性的影响。这样的方法可以使得背景更为干净，后续检测灵敏度可以做到ppb级别。
由于上述制备方法获得的半分子印迹材料，具有如上的特性，因此其可以用于所有涉及到检测的领域，如疾病体外诊断、环境检测、食品安全检测、危化物检测等。
为更有效的说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例做进一步解释。
实施例1
一种半分子印迹材料的制备方法，包括以下步骤：
(1).将0.1g萘(作为半模板分子)与150μL的甲基丙烯酸(作为聚合物单体)混匀后投入20mL的甲苯(作为溶剂)中，超声处理至均匀，得到第一混合溶液；
(2).向步骤(1)得到的第一混合溶液中分别加入3mL的乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA，作为交联剂)、5mg的偶氮二异丁腈(作为引发剂)，在氮气氛围下，80℃回流反应，获得块状物；
(3).将所述块状物进行球磨破碎处理，过400目的筛，随后用10％的醋酸乙醇溶液进行反复洗脱处理，至检测到洗脱液中无萘分子，经过干燥处理，得到的粉末即为半分子印迹材料。
为了验证实施例1获得的半分子印迹材料的性能，将实施例1获得的半分子印迹材料用于食品中苯并芘的快速检测，具体过程如下：
取3g已经添加了10ppb/g苯并芘的食用油，加入3mL正己烷混匀，获得样品液；
随后将所述样品液加入装有200mg实施例1获得的半分子印迹材料的柱子中，加压使得样品液以1～2滴/秒的速度通过；待所有样品液通过后，加入乙醇500μL，同样使得样品液以1～2滴/秒的速度通过，收集液体；取收集到的液体200μL，与800μL缓冲液混匀，使用检测限为10ppb的快速检测试纸条检测，结果显示阳性。同样地，领取收集到的液体200μL，注入高效液相色谱(HPLC)，通过计算得浓度为57ppb/mL。
由此可见，本实施例1获得的半分子印迹材料，采用萘作为半模板分子替代了苯并芘模板分子，使得食品中的苯并芘检测时，吸附更加快速，洗脱更加干净，而且即使半分子印迹材料中有未洗脱的萘分子，也不影响下游检测，因此半分子印迹材料相对于分子印迹材料更加适合快速检测。
采用萘作为半模板分子替代苯并芘模板分子能够更加快速的实现检测的机理为：由于苯并芘分子具有四个芳香环，巨大的π电子群可以与甲基、羰基形成很强的作用力，因此合成的分子印迹材料可产生的强作用力，使得苯并芘难以被洗脱完全；同时，在使用过程中，也需要极性很强的溶剂以及长时间来进行洗脱，对于快检并不合适。而参照苯并芘的结构特征后，使用具有两个芳环的萘作为半模板分子，减少了芳环的数目，即使两个芳环中的π电子群，其作用力也弱于苯并芘，使得附着、脱附变得更快更简单更完全，从而提高检测灵敏度和准确性。
实施例2
一种鱼肉中的氧氟沙星半分子印迹材料的合成及应用
氧氟沙星的结构式如式I箭头左侧所示。为提高氧氟沙星的回收率和模板洗涤过程中的清洗效率，在保留母核特征结构特征的基础上，去掉其甲基哌嗪环，得到如式I箭头右侧所示模板分子。
Figure BDA0002240946540000081
(1).将0.1g模板分子(作为半模板分子)与250μL的甲基丙烯酸(作为聚合物单体)混匀后投入20mL的甲苯(作为溶剂)中，超声处理至均匀，得到第一混合溶液；
(2).向步骤(1)得到的第一混合溶液中分别加入7mL的乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA，作为交联剂)、10mg的偶氮二异丁腈(作为引发剂)，在氮气氛围下，80℃回流反应，获得块状物；
(3).将所述块状物进行研磨破碎处理，过400目的筛，随后用10％的醋酸乙醇溶液进行反复洗脱处理，至检测到洗脱液中无目标分子，经过干燥处理，得到的粉末即为半分子印迹材料。
取6克加标浓度为10ppb/g氧氟沙星的鱼糜，加入10mL乙酸乙酯提取，离心后将提取液以1-2滴/秒的速度流过装有250mg上实施例2获得的半分子印迹材料的柱子。随后加入1％乙酸的乙腈溶液1mL，以1-2滴/秒的速度流过柱子，收集洗脱液。将洗脱液与检测试纸条的缓冲溶液稀释6倍，用灵敏度为100ppb的喹诺酮类抗生素试纸条检测，显示为阳性。取洗脱液200μL，使用质谱-液相色谱联用分析仪，根据曲线标定浓度为171ppb/g。
实施例3
一种硝基呋喃类分子印迹材料的合成及应用
硝基呋喃类药物一般衍生化后进行检测，衍生化前的结构式如式II箭头左侧任一种所示。为实现硝基呋喃类药物的选择性富集，只保留邻硝基苯苄氨部分(为了不参与双键偶联，双键改为单键)，如式II箭头右侧所示得到模板分子。
Figure BDA0002240946540000091
(1).将0.08g模板分子(作为半模板分子)与250μL的甲基丙烯酸(作为聚合物单体)混匀后投入20mL的乙腈(作为溶剂)中，超声处理至均匀，得到第一混合溶液；
(2).向步骤(1)得到的第一混合溶液中分别加入7mL的乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA，作为交联剂)、10mg的偶氮二异丁腈(作为引发剂)，在氮气氛围下，80℃回流反应，获得块状物；
(3).将所述块状物进行研磨破碎处理，过400目的筛，随后用10％的醋酸乙醇溶液进行反复洗脱处理，至检测到洗脱液中无目标分子，经过干燥处理，得到的粉末即为半分子印迹材料。
取6克加标浓度为1ppb/g呋喃西林的牛肉碎，加入10mL乙酸乙酯提取，离心后将提取液以1-2滴/秒的速度流过装有250mg实施例3获得的半分子印迹材料的柱子。随后加入1％乙酸的乙腈溶液1mL，以1-2滴/秒的速度流过柱子，收集洗脱液。将洗脱液与检测试纸条的缓冲溶液稀释6倍，用灵敏度为2ppb的喹诺酮类抗生素试纸条检测，显示为阳性。取洗脱液200μL，使用质谱-液相色谱联用分析仪，根据曲线标定浓度为4ppb/g。
实施例4
一种苏丹红III分子印迹材料的合成及应用
如式III所示，将苏丹红III结构拆解，保留3个苯环，得到如式III右侧所示的模板分子。
Figure BDA0002240946540000101
(1).将0.1g式III右侧所示的模板分子(作为半模板分子)与3mL3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合，室温搅拌30分钟，随后加入活化的球形二氧化硅12g及3mLTEOS，室温搅拌30分钟，加入1mL三乙胺，80度过夜回流。
(2)将(1)中固体过滤，大量乙醇清洗，真空干燥8h。
(3)将(2)中固体加入1M盐酸乙醇溶液中，回流4h。随后过滤，用大量乙醇清洗。重复3次。真空干燥8h。
(4)将(3)中固体加入水中，回流4h，过滤。先后用0.05M氢氧化钠及纯水清洗。真空干燥24h，得到半分子印迹材料。
取5mL加标浓度为50ppb辣椒油，加入10mL水，涡旋离心后将上层溶液以1-2滴/秒的速度流过装有500mg实施例4获得的半分子印迹材料的柱子。随后加入甲醇溶液1mL，以1-2滴/秒的速度流过柱子，收集洗脱液。吹干溶液，用磷酸缓冲液复溶，用灵敏度为100ppb的喹诺酮类抗生素试纸条检测，显示为阳性。取洗脱液200μL，使用液相色谱联用分析仪，根据曲线标定浓度为137ppb。
实施例5
一种磺胺二甲嘧啶分子印迹材料的合成及应用
如式IV所示，对磺胺二甲嘧啶进行处理，保留磺胺特征结构，去掉二甲嘧啶环，得到如式IV右侧所示的模板分子。
Figure BDA0002240946540000111
(1).将0.1g式IV右侧所示的模板分子(作为半模板分子)与3mL3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合，室温搅拌30分钟，随后加入活化的球形二氧化硅12g及3mLTEOS，室温搅拌30分钟，加入1mL三乙胺，80度过夜回流。
(2)将(1)中固体过滤，大量乙醇清洗，真空干燥8h。
(3)将(2)中固体加入1M盐酸乙醇溶液中，回流4h。随后过滤，用大量乙醇清洗。重复3次。真空干燥8h。
(4)将(3)中固体加入水中，回流4h，过滤。先后用0.05M氢氧化钠及纯水清洗。真空干燥24h，得到半分子印迹材料。
取6g加标浓度为5ppb鸡肉，加入10mL乙酸乙酯，离心后取上清，以1-2滴/秒的速度流过装有100mg实施例5获得的半分子印迹材料的柱子。随后加入0.5％甲酸的甲醇溶液1mL，以1-2滴/秒的速度流过柱子，收集洗脱液。用缓冲液稀释4倍，用灵敏度为10ppb的喹诺酮类抗生素试纸条检测，显示为阳性。取洗脱液200μL，使用质谱-液相色谱联用分析仪，根据曲线标定浓度为21ppb。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01.将聚合物单体、半模板分子、溶剂进行混料处理，获得第一混合溶液；
步骤S02.将所述第一混合溶液与交联剂、引发剂进行混料处理，并使发生反应，获得含半模板分子的聚合物；
步骤S03.对所述含半模板分子的聚合物进行若干次洗脱，至所述半模板分子被洗除，得到半分子印迹材料；
其中，所述半模板分子与目标模板分子具有相同种类的特征基团，且所述半模板分子特征基团的总量少于所述目标模板分子特征基团的总量。
2.如权利要求1所述的半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，若所述目标模板分子具有n个苯环结构，所述半模板分子具有n-1个苯环结构，其中n≥2。
3.如权利要求1所述的半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，若所述目标模板分子具有若干个苯环结构和非苯环结构，所述半模板分子仅具有如前述的苯环结构，或者具有前述的苯环结构和部分所述非苯环结构。
4.如权利要求1所述的半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，若所述目标模板分子具有脂肪环和脂肪链结构，则所述半模板分子仅具有所述脂肪环结构，或者具有所述脂肪环结构和部分所述脂肪链结构。
5.如权利要求1所述的半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，若所述目标模板分子具有脂肪链结构，则所述半模板分子含所述脂肪链中体积占比最大的结构。
6.如权利要求1所述的半分子印迹材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物单体选自4-乙烯苯硼酸、4-乙烯苯甲醛、4-乙烯苯胺、4-乙烯苯酚、丙烯酰胺、丙烯腈、对乙烯苯甲酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酰胺、2-(三氟甲基)丙烯酸、亚甲基丁二酸中的任一种；
所述溶剂选自甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮、甲苯、十二醇、环己醇、二甲苯中的任一种或几种的混合物；
所述交联剂选自乙二醇二甲基丙烯酸酯、三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、N,N-亚甲基二丙烯酰胺、二乙烯基苯中的任一种；
所述引发剂为偶氮二异丁腈。
7.一种半分子印迹材料，其特征在于，所述半分子印迹材料采用如权利要求1～6任一项所述的半分子印迹材料的制备方法制备得到。
8.如权利要求7所述的半分子印迹材料在环境监测、食品安全检测、危化物检测领域中的应用。
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