专利名称：适于水溶液体系的分子印迹聚合物微球树脂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种在纯水溶液中具有优异分子识别功能的分子印迹聚合物微球的简便制备方法，具体地说就是涉及一种表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的一步法制备方法。
背景技术：
分子印迹技术是近年来在高分子化学、生物化学、材料化学及仿生技术等学科基础上发展起来的一种制备具有专一性分子识别位点的合成受体的简便易行的新方法。由其制备的分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymers ,简称MIPs)具有对客体分子优异的亲和性与专一选择性、良好的稳定性及合成容易等优点，因而成为国际上分子识别领域研究的热点。目前分子印迹聚合物的应用研究已扩展到色谱固定相、固相提取、生物模拟检测与传感器、人工酶、有机合成与药物传递等众多方面，并在食品与环境安全检测等领域显示出巨大的应用前景。尽管分子印迹研究已经取得了巨大进展，在某些应用领域(如固相提取)甚至已进入了商品化阶段，但是此研究领域中仍然存在一些关键性的难题与挑战，大大限制了分子印迹聚合物材料更广泛的应用。其中之一即是如何制备在水溶液中具有优异分子识别性能的分子印迹聚合物。迄今发展起来的分子印迹聚合物通常只有在有机溶液体系中才能显示出优异的分子识别性能，而真正能适用于水溶液体系的分子印迹聚合物则非常有限。然而从经济上、生态上以及环境保护等各方面考虑，以水来代替有机溶剂都是非常必要的；从其潜在的在生物技术领域中的应用考虑，以水为溶剂则是必须的；而就其在环境与食品安全检测等领域中的实际应用来讲，使用在水溶液中具有优异分子识别性能的分子印迹聚合物则可达到直接快速检测的目的。尽管目前人们通过利用特殊设计的功能单体法(G. ffulff, R. Schonfeld, Adv. Mater. 1998,10,957-959 ;H. Asanuma, T. Hishiya,M.Komiyama，Adv. Mater. 2000，12，1019-1030 ;Ρ·Manesiotis，A.J.Hall，J.Courtois,K. Irgum, B. Sellergren, Angew. Chem. Int. Ed. 2005，44，3902-3906 ； J. L Urraca, A. J. Hall，M. C. Moreno-Bondi, B. Sellergren, Angew. Chem. Int. Ed. 2006，45，5158-5161)或米用常规分子印迹方法(L. I. Anderson，R. Miiller, G. Vlatakis，K. Mosbach，Proc. Natl. Acad. Sci.U. S. A. 1995，92，4788-4792 ; J. G. Karlsson, L. I. Andersson，I. A. NicholIs，Anal. Chim.Acta 2001,435,57-64)在此方面获得了一些研究进展，但是制备适于纯水溶液体系的分子印迹聚合物的有效方法尚不多见，因此开发适于纯水溶液体系的分子印迹聚合物的合成新方法具有重要的意义。通过改善分子印迹聚合物颗粒表面的亲水性来获得适于水溶液体系的分子印迹聚合物已被证明是一种行之有效的方法。例如B. Sellergren等人报道了通过在分子印迹聚合体系中引入亲水性单体甲基丙烯酸2-羟基乙酯来改善分子印迹聚合物的表面亲水性，最终得到了适于水溶液体系的分子印迹聚合物(B. Dirion, Z. Cobb, E. Schillinger,L. I. Andersson, B. Sellergren, J. Am. Chem. Soc. 2003,125 15101-15109)。不过该方法需要经过大量的高通量条件优化实验，极大地限制了其更广泛的应用。最近，本研究组报道了首先通过可逆加成-裂解链转移(RAFT)沉淀聚合法制备出“活性”分子印迹聚合物微球，然后在其表面进行亲水性单体的可控RAFT聚合，成功获得了适用于纯水溶液体系的表面接枝有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球，为制备适于纯水溶液体系的分子印迹聚合物开辟了一条简便易行的新途径(G. Pan, Y. Zhang, X. Guo, C. Li, H. Zhang, Biosens.Bioelectron. 2010,26 :976)。本工作是在我们上述工作的基础上，通过将亲水性大分子链转移剂引入到RAFT沉淀聚合体系中，实现了一步法制备表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的目的。由于亲水性大分子链转移剂可以很容易地通过亲水性单体的RAFT可控聚合或通过亲水性高分子的端基修饰得到，同时RAFT沉淀聚合还具有反应条件温和、适用单体范围广、且聚合过程高度可控等优点，因此采用亲水性大分 子链转移剂诱导的RAFT沉淀聚合法可以很方便地控制所得分子印迹聚合物微球及其表面亲水性高分子刷的各种参数，最终获得表面具有适宜亲水性的分子印迹聚合物微球，从而实现制备适于水溶液体系的分子印迹聚合物微球的目的。
发明内容
本发明旨在提供一种简便地制备适于水溶液体系且表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的的新方法，以弥补现有技术的不足，为适于水溶液体系的分子印迹聚合物的最终实用化奠定基础。本发明的技术构思是通过将亲水性大分子链转移剂引入到RAFT沉淀聚合体系，一步法制备表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球，得到适于纯水溶液体系的分子印迹聚合物。本发明的具体方法如下(I)将模板分子、功能单体、交联剂按摩尔比I 2 4 10 10 60投料于适当的反应溶剂中，功能单体与交联剂在体系中的体积分数为O. 5 5%。(2)加入功能单体与交联剂总量约O. 5 5%的引发剂，且引发剂与链转移剂摩尔比为I : 2 6。(3)链转移剂由小分子链转移剂与亲水性大分子链转移剂组成，其中小分子链转移剂所占摩尔百分数为O 95%。(4)将上述混合物完全溶解后，通氩气或氮气5 60分钟，除去氧气。将反应器密封后置于25 100°C油浴中反应3 24小时，超声分散5 30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先用甲醇/乙酸(体积比为10/1 10/10)的混合液清洗12 72小时，再用甲醇清洗12 48小时，直至没有模板分子洗出为止。然后于20 60°C真空干燥至恒重，即得到表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球。所用的功能单体为4_乙烯吡唆、2-乙烯吡唆、(甲基)丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、甲基丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮。所用的交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)、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。
所用引发剂为偶氮类或过氧化物类自由基引发剂。所用小分子链转移剂为双硫酯或三硫酯有机化合物。所用的大分子链转移剂为具有双硫酯或三硫酯端基的各种亲水性聚合物(包括聚乙二醇、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯、聚丙烯酰胺、聚N，N' -二甲基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等)。所用的溶剂为乙腈、乙腈/甲苯、乙腈/四氢呋喃、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戍醇、甲醇/水、乙醇/水、丙醇/水、丁醇/水、戊醇/水、丁酮或石蜡油。所采用的模板分子为茶碱、咖啡因、心得安、双酚A、各种抗生素(青霉素、红霉素、四环素、氟哌酸等)、农药(包括杀虫剂与除草剂)(双甲脒、二嗪磷、乙酰甲胺磷、溴氰菊 酯、2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)等)及激素(雌二醇、睾丸酮)。
图I.表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的一步法制备过程示意图。图2.利用大分子链转移剂诱导的RAFT沉淀聚合法制备的表面具有亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。图3.利用大分子链转移剂诱导的RAFT沉淀聚合法制备的表面具有亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的非印迹聚合物微球(对应于图2中的分子印迹聚合物)的扫描电子显微镜照片。图4.利用大分子链转移剂诱导的RAFT沉淀聚合法制备的表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2，4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。图5.利用大分子链转移剂诱导的RAFT沉淀聚合法制备的表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷的非印迹聚合物微球(对应于图2中的分子印迹聚合物)的扫描电子显微镜照片。图6.表面具有亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2,4-D为模板分子，实心符号)及其非印迹聚合物微球(空心符号)在纯水溶液中对2，4-D的吸附性能。图7.表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷的分子印迹聚合物微球(以2，4_D为模板分子，实心符号)及其非印迹聚合物微球(空心符号)在纯水溶液中对2，4_D的吸附性倉泛。
具体实施例方式实例I将O. 83mmol 2,4-D加入装有60mL甲醇/水(4 1，v/v)的IOOmL圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入O. 83mmol的4-乙烯批唳。充分接触半小时后,再分别加入2. 50mmolEDMA、0. 055mmol小分子链转移剂二硫代苯甲酸异丙苯酯(CDB)、0. 033mmol聚N-异丙基丙烯酰胺大分子链转移剂和O. 028mmol偶氮二异丁腈(AIBN)。通気气除氧30min后将反应体系密封，置于60°C恒温油浴中，反应6h，抽滤得反应产物。
先后用甲醇/乙酸(9 l,v/v)与甲醇清洗反应产物，直到无模板分子洗出为止。晾干后于40°C下真空干燥48h，得到表面具有亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的分子印迹聚合物微球。表面接枝亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的非印迹聚合物微球的制备中除不加模板分子外，其他过程同上。实例2将O. 83mmol 2，4_D加入装有60mL甲醇/水(4 1，v/v)的IOOmL圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入O. 83mmol的4-乙烯批唳。充分接触半小时后,再分别加入2. 50mmolEDMA、0. 055mmol小分子链转移剂二硫代苯甲酸异丙苯酯(CDB)、0. IlOmmol聚乙二醇大分子链转移剂和O. 028mmol偶氮二异丁腈(AIBN)。通IS气除氧30min后将反应体系密封，置于60°C恒温油浴中，反应10h，抽滤得反应产物。先后用甲醇/乙酸(9 1，v/v)与甲醇对反应产物进行清洗，直至无模板分子洗出为止。晾干后于40°C下真空干燥48h，得到表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷的分子印迹聚合物微球。表面接枝亲水性聚乙二醇高分子刷的非印迹聚合物微球的制备中除不加模板分子外，其他过程同上。实例3将O. 25mmol茶碱加入装有IOOmL甲醇/水(4 I, v/v)的250mL圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入Immol甲基丙烯酸,充分混合半小时后,再先后加入4mmolEDMA、0. 09mmol小分子链转移剂⑶B、0. 09mmol聚N-异丙基丙烯酰胺大分子链转移剂及
O.04mmol AIBN。搅拌半小时后，通氩气除氧30min，将反应体系密封，置于60°C恒温油浴中，反应6h，抽滤得反应产物。先后用甲醇/乙酸(9 1，v/v)与甲醇对反应产物进行清洗，直至无模板分子洗出为止。晾干后于40°C下真空干燥48h，得到表面具有亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的分子印迹聚合物微球。表面接枝亲水性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子刷的非印迹聚合物微球的制备中除不加模板分子外，其他过程同上。实例4将O. 25mmol茶碱加入装有IOOmL甲醇/水(4 : I, v/v)的250mL圆底烧瓶中，磁子搅拌使其完全溶解，然后加入Immol甲基丙烯酸,充分混合半小时后,再先后加入4mmolEDMA、0. 09mmol小分子链转移剂CDB、0. 09mmol聚乙二醇大分子链转移剂及O. 04mmolAIBN0搅拌半小时后，通氩气除氧30min，将反应体系密封，置于60°C恒温油浴中，反应10h，抽滤得反应产物。先后用甲醇/乙酸(9 1，v/v)与甲醇对反应产物进行清洗，直至无模板分子洗出为止。晾干后于40°C下真空干燥48h，得到表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷的分子印迹聚合物微球。表面接枝亲水性聚乙二醇高分子刷的非印迹聚合物微球的制备中除不加模板分子外，其他过程同上。
权利要求
1.一种表面亲水性的分子印迹聚合物微球，其特征是交联度> 50%，粒径为O. 2 5微米，粒径分布较窄，且在纯水溶液中对模板分子具有优异的分子识别性能。
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在小分子链转移剂与亲水性大分子链转移剂共同诱导下进行可逆加成-裂解链转移(RAFT)沉淀共聚合得到的。
2.根据权利要求I所述的分子印迹聚合物微球，其特征是表面接枝有各种亲水性高分子刷。
3.根据权利要求I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茶碱、咖啡因、心得安、双酚A、各种抗生素(青霉素、红霉素、四环素、氟哌酸等)、农药(包括杀虫剂与除草剂)(双甲脒、二嗪磷、乙酰甲胺磷、溴氰菊酯、2，4_ 二氯苯氧乙酸(2，4-D)等)及 激素(雌二醇、睾丸酮)。
4.根据权利要求I所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的单烯类功能单体为4-乙烯吡唆、2-乙烯吡唆、(甲基)丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、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I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、三甲基丙烯酸三羟甲基丙酯、二乙烯苯或N，N'-亚甲基双丙烯酰胺。
6.根据权利要求I所述的分子印迹聚合物微球，其特征在于所述的亲水性大分子链转移剂为具有双硫酯或三硫酯端基的各种亲水性聚合物(包括聚乙二醇、聚N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸2-羟基乙酯、聚丙烯酰胺、聚N，N' -二甲基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯等)；小分子链转移剂为双硫酯或三硫酯有机化合物。
7.根据权利要求I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、溶剂、自由基引发剂与链转移剂混匀，通氩气或氮气5 60分钟除氧。将反应器置于25 100°C油浴中反应3 24小时，超声分散5 30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先用甲醇/乙酸(体积比为10/1 10/10)的混合液清洗12 72小时，再用甲醇清洗12 48小时，直至没有模板分子洗出为止。然后于20 60°C真空干燥至恒重，即得到表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球。
3)通过改变功能单体、交联单体、引发剂、小分子链转移剂、大分子链转移剂、模板分子以及溶剂的种类和用量，制备一系列对不同模板分子具有分子识别功能、且表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球。
8.根据权利要求7所述的表面接枝亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是所述的引发剂为偶氮类或过氧化物类自由基引发剂。
9.根据权利要求7所述的表面接枝亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是聚合所用的溶剂为乙腈、乙腈/甲苯、乙腈/四氢呋喃、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、甲醇/水、乙醇/水、丙醇/水、丁醇/水、戊醇/水、丁酮或石蜡油。
10.根据权利要求7所述的表面接枝亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备方法，其特征是所述的溶剂、功能单体、交联剂、引发剂、小分子链转移剂及大分子链转移剂的用量如下 1)模板分子、功能单体与交联剂的摩尔比为I 2 4 10 10 60，功能单体与交联剂在体系中的体积分数为O. 5 5%。
2)引发剂量为功能单体与交联剂总量的0.5 5%，且引发剂与链转移剂(包括小分子链转移剂与亲水性大分子链转移剂)摩尔比为I : 2 6。
3)在小分子链转移剂与亲水性大分子链转移剂组成的链转移剂中，小分子链转移剂所 占摩尔百分数为O 95%。
全文摘要
本发明涉及一种适于水溶液体系的分子印迹聚合物微球的简便制备方法。所述分子印迹聚合物微球交联度在50％以上，粒径为0.2～5微米，且其表面接枝有亲水性高分子刷。它们是采用亲水性大分子链转移剂诱导的可逆加成-裂解链转移(RAFT)沉淀聚合技术一步法合成的。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。
文档编号B01J20/26GK102952236SQ201110249358
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者张会旗, 潘国庆, 张莹, 马悦 申请人:南开大学