配位印跡聚合物在分析化學中的應用進展

摘 要 分子印跡聚合物（MIP）是一種對目標分子（模板分子）具有選擇性結(jié)合能力的聚合物。配位印跡聚合物（CIP）是基于金屬離子與功能單體、模板分子間配位作用的分子印跡聚合物， 既沿襲了MIP的優(yōu)點， 又具有適用于極性環(huán)境等優(yōu)點， 在食品、環(huán)境、生物、醫(yī)藥等領域目標物的識別中有良好的應用潛力。本文介紹了CIP的原理和特點， 綜述了CIP在分析化學中的應用進展， 展望了CIP的發(fā)展前景。

關鍵詞 分子印跡聚合物； 配位印跡聚合物； 分析化學； 評述

1 引 言

配位印跡聚合物（Complex imprinted polymer， CIP）是一種對目標配合物（模板配合物）具有選擇性結(jié)合能力的聚合物， 是分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymer， MIP）的一個重要發(fā)展方向和研究熱點。CIP的常見制備流程類似于MIP， 如圖1所示：將模板分子、中心金屬與功能單體混合溶解在聚合溶劑（致孔劑）中， 三者形成配合物；然后加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑， 熱引發(fā)或紫外照射引發(fā)聚合后形成高度交聯(lián)的聚合物；最后通過適當?shù)娜軇┫疵摮ツ０迮浜衔铮?聚合物中形成了與原模板配合物大小、形狀和空間結(jié)構(gòu)互補并且具有多重作用位點的“空穴”。空穴（印跡空腔）在空間大小和形狀上以及化學作用方面都是與 圖1 配位印跡聚合物制備流程圖

Fig．1 Schematic representation of preparation procedures for complex imprinted polymer模板配合物相匹配的， 具有選擇性地與之重新結(jié)合的能力。在制備MIP時， 聚合物與模板分子的結(jié)合是基于靜電作用、范德華力、疏水作用、氫鍵等作用力， 其中氫鍵作用力是應用較為廣泛的一種。由于具有結(jié)構(gòu)預置性、廣泛適用性、良好的機械和化學穩(wěn)定性， MIP被廣泛應用于各個領域\\。但MIP的選擇性識別能力存在一些不足之處， 如氫鍵作用力易受極性環(huán)境的影響， 導致MIP的印跡效果減弱， 選擇性降低\\。因此， 在制備以水溶性分子為對象的MIP或把MIP應用于極性環(huán)境時受到限制\\。

基于金屬離子與功能單體、目標分子配位作用的CIP是解決上述問題的有效途徑之一。由于配位鍵比氫鍵、范德華力、靜電作用、疏水作用等具有更強的作用力， 且具有定向性， 有利于制備高選擇性的印跡聚合物；通過金屬配位作用結(jié)合的識別過程具有結(jié)合快速且可逆的優(yōu)點， 改善了共價作用的不足， 兼?zhèn)淞斯矁r作用和非共價作用的優(yōu)點；另外， 金屬配位作用在極性體系中可以穩(wěn)定存在， 這就使水溶性目標分子的印跡聚合物的制備和應用成為可能；金屬配位作用具有良好的熱力學穩(wěn)定性， 比較容易達到動力學平衡， 應用范圍廣泛；再者， 由于過渡金屬在不同氧化狀態(tài)下具有不同的化學特性， 以它和模板分子組成的化合物也就具有多種性質(zhì)和催化效應\\。

目前， CIP的制備多采用本體聚合法\\， 后處理過程繁雜， 需經(jīng)過粉碎、篩選等手續(xù)， 費時耗力， 且聚合物的吸附性、選擇性和利用率均會受到影響；其次使用較多的表面修飾法是在各種形狀底材（如膜\\、微球\\、纖維\\）的表面修飾一層CIP。該法可改善本體聚合法等方法中模板包埋過深或過緊， 從而導致無法洗脫下來和使用過程中“滲漏”的問題， 目標物質(zhì)較易離開或接近聚合物的印跡位點， 具有良好的應用性能。在固載CIP前， 底材往往需經(jīng)過處理， 從而帶有能鍵合聚合物的基團；或結(jié)合原位聚合法， 膜狀底材吸附預聚溶液后引發(fā)聚合得到貫穿底材的CIP\\。此外電聚合法在鉑電極表面固載CIP也有報道\\。雖然CIP的研究尚處于初級階段， 但因具有適用于極性體系的優(yōu)點已引起了廣泛關注。有關CIP研究的報道日趨增多， 下面將重點評述其在分析化學中的應用。2 配位印跡聚合物在分析化學中的應用

CIP與MIP的在結(jié)構(gòu)上主要差異是CIP的“模板分子”， 即“模板配合物”包括兩個部分：中心配位金屬和配體（目標分子）， 其識別作用的原理類似于配體交換吸附劑， 但具有更好的選擇性和適應性。CIP使用的中心離子經(jīng)常是Cu2＋， Co2＋， Zn2＋， Ni2＋等過渡金屬離子。制備時根據(jù)功能單體及目標分子的配位能力來選擇中心金屬， 金屬離子和抗衡離子的種類均會影響印跡效果和選擇性識別能力；模板分子一般帶有含N， O， S等可提供電子對的官能團， 且具有易與金屬形成配合物的結(jié)構(gòu)特點。生物體內(nèi)的許多物質(zhì)， 如蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、核酸、糖等， 均具有多種配位基， 如氨基酸分子中的羧基、氨基和咪唑基；核酸分子中的堿基和磷酸基。近年來， 有關配位印跡聚合物的研究日趨增多， 本文主要概述了CIP在分析化學中的應用。應用對象包括吡啶類、咪唑類、羧酸類、有機膦類、氨基酸類、多肽及蛋白質(zhì)類物質(zhì)等。

2.1 在吡啶類物質(zhì)分析中的應用

2，2′聯(lián)吡啶（2，2′Dipyridine， 2，2′Dpy）須通過金屬離子才能起特定的藥理作用。Zeng等\\以4乙烯基吡啶（4Vinylpyridine， 4Vpy）為功能單體， 以Cu2＋和2，2′聯(lián)吡啶為模板分子， 制備了顆粒狀聚合物， 然后制成碳糊電極， 利用循環(huán)伏安法測試了該電極對2，2′聯(lián)吡啶的結(jié)合能力。2，2′聯(lián)吡啶還可與Zn2＋\\和Ni2＋\\形成配合物。王學軍等\\研究了印跡聚合物對2，2′聯(lián)吡啶、4，4′聯(lián)吡啶、1，10鄰菲羅啉和4，4′二甲基2，2′聯(lián)吡啶吸附容量的差異。但以上報道均未將印跡材料用于實際樣品的分析。 Huang等\\首次將配位印跡技術和固相微萃取（Solid phase microextraction， SPME）技術結(jié)合， 集成了兩者的優(yōu)勢， 在硅烷化處理后的光纖維上化學鍵合了2，2′DpyCu印跡的CIP涂層， 其制備流程圖如圖2所示。CIPSPME萃取頭可在水相環(huán)境中選擇性識別模板配合物， 吸附容量分別為MIP和非印跡聚合物（Nonimprinted polymer， NIP）的2.2和2.6倍。由于極性溶劑的干擾， 基于氫鍵作用的MIP只有很弱的印跡效果， 而基于配位鍵的CIP具有較好的印跡效果和選擇性。CIPSPME萃取頭的耐溶劑性和熱穩(wěn)定性較好， 且使用70次后表面形貌沒有明顯改變或者損壞。方法的線性范圍10～200

Wu等\\制備了2酰胺基吡啶乙酸銅為模板的印跡聚合物， 邁出了解決分子內(nèi)氫鍵問題的第一步。該研究組在研究2酰胺基吡啶的印跡聚合物時發(fā)現(xiàn)， 模板分子未起到印跡的作用， 推測是因為2酰胺基吡啶形成了分子內(nèi)氫鍵， 減弱了與功能單體的作用。而加入Cu2＋后， 印跡聚合物的選擇性得到了很大的提高。Takeuchi等\\制備了（—）金雞吶啶為對象的印跡聚合物， 對比了以甲基丙烯酸（Methacrylic acid， MAA）或金屬卟啉或兩者混合作為功能單體時， 所得聚合物親和能力及選擇性的差異。結(jié)果表明， 使用兩種功能單體時， 印跡聚合物對模板分子的親和力和選擇性最佳， 這可能是因為印跡和分析過程中同時利用了配位作用力和氫鍵作用力的結(jié)果。

將聚合物制成膜狀， 既克服了顆粒狀印跡聚合物聚合時間長和需要篩分的缺點， 又縮短了洗脫時間。馬向霞等\\采用紫外光引發(fā)原位聚合的方法制備了帶支撐膜的鈷離子配位印跡聚合物膜；膜滲透實驗表明， 在一定濃度Co2＋存在下， 印跡膜對模板分子表現(xiàn)出良好的滲透選擇性； 還考察了溶液中陽離子和陰離子的種類對印跡膜滲透模板分子的影響。

2.2 在咪唑類物質(zhì)分析中的應用

二乙酸亞胺能和Cu2＋形成穩(wěn)定的配合物， Dhal等\\利用二乙酸亞胺的苯乙烯衍生物為功能單體， 合成了Cu2＋為中心離子的二咪唑類CIP， 并用電子自旋共振內(nèi)標法測試了該聚合物對模板分子和結(jié)構(gòu)類似物的結(jié)合能力及選擇性， 分離因子為1.17～1.35。為了穩(wěn)定功能單體在空腔中的排布， 使用了功能單體∶交聯(lián)劑=5∶95（摩爾比）的高比例。模板分子既能和中心離子形成二配位的復合物， 又在聚合物中產(chǎn)生空間結(jié)構(gòu)互補的空腔， 為分離結(jié)構(gòu)類似物提供了有效的方法。

改變金屬離子的種類可以調(diào)節(jié)CIP與模板分子的親和性能。Plunkett等\\使用Cu2＋\\二乙酸（Cu2＋\\diacetic acid， CuVBIDA）為功能單體， 以甲醇為致孔劑， 在表面處理過的硅膠上印跡了單咪唑和二咪唑類為模板分子的聚合物， 洗脫模板分子后填充到液相色譜柱中。Cu2＋與咪唑基的強作用力使聚合物里留下了穩(wěn)定的互補空腔， 但同時因此模板分子在色譜柱中的保留過強， 結(jié)合后難以洗脫。他們先以Zn2＋沖洗填充柱， 使Cu2＋被Zn2＋取代。Zn2＋與咪唑基的作用力比Cu2＋小一些， 所得的固定相可較好地分離模板分子及其結(jié)構(gòu)類似物。

馬卡迪\\以烯基卟啉鋅為功能單體， 苯并咪唑為模板分子合成了印跡聚合物， 利用競爭吸附法檢測了印跡聚合物的吸附能力。實驗結(jié)果表明， 印跡聚合物對模板分子具有較高的特異性吸附能力；印跡過程是分子空間匹配以及金屬卟啉配位等多種作用相互協(xié)同的過程。在此基礎上， 進一步采用酪氨酸為模板分子， 利用聚合物柱吸附法考察了含金屬卟啉印跡聚合物在水相中對模板分子的識別能力， 獲得了具有水相識別性能的印跡聚合物。同時將金屬卟啉負載于聚苯乙烯二乙烯苯微球上制得了新型HPLC填料， 初步實驗結(jié)果表明， 該填料對咪唑類化合物能起到一定的分離效果。

2.3 在羧酸類物質(zhì)分析中的應用

Li等\\以Co2＋作為模板分子（S）萘普生和功能單體4Vpy間的作用橋梁， 加強了它們之間的自組裝作用。（S）萘普生Co2＋印跡聚合物對萘普生對映體的區(qū)分能力優(yōu)于NIP和（S）萘普生MIP， 說明金屬鈷的引入提高了分子印跡聚合物的特異性吸附能力。劉鶯等\\以CuVBIDA為功能單體， 甲醇為聚合溶劑， 制備了L扁桃酸的CIP。將它作為色譜固定相， 系統(tǒng)考察了流動相的pH值、甲醇含量以及緩沖溶液的濃度對其手性分離能力的影響。Sumi等\\研制了Cu2＋水楊酸的印跡聚合物， 模擬了抗炎藥水楊酸銅的藥物傳遞系統(tǒng)。以X射線分光光譜、火焰原子化吸收光譜和高效液相色譜方法監(jiān)測了水楊酸銅在聚合物中的洗脫、裝載和釋放， 結(jié)果表明， 印跡聚合物有著更高的裝載容量和釋放量。吡啶二羧酸（Dipicolinic acid， DPA）是桿菌孢子的主要成分之一\\， Gültekin等\\利用DPA與Cr3＋的配位作用力， 使用分散聚合法制備了基于熒光響應的金銀納米簇表面印跡傳感器， 對DPA的檢出限為0.1