一种有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的制备方法

摘要

本发明涉及一种制备表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的新方法。所述表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球是通过表面含C=C双键的分子印迹聚合物微球与亲水性大分子链转移剂在普通自由基引发剂存在条件下进行化学偶联反应制得的。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品结构明确等优点。所得表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球在医学临床免疫分析、食品安全、环境监测、生物技术等众多领域具有广阔的应用前景。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种制备表面具有亲水性高分子刷的分子印迹聚合物微球的新方法，具体地 说就是涉及一种新的表面接枝方法，通过这种方法可以得到表面具有亲水性高分子刷的分子 印迹聚合物微球。

背景技术

分子印迹技术是一种制备具有特异性识别位点的聚合物受体的简便高效的新方法，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 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，而且还具有可与天然 生物受体相媲美的高亲和性与选择性，因此在固相萃取、色谱分离、免疫分析、传感器、仿 酶催化、有机合成、药物传递与生物药物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)。

尽管分子印迹研究已取得了巨大进展，在某些应用领域(如固相提取)MIPs甚至已进入了 商品化实用阶段，但是目前人们得到的MIPs通常只有在有机溶液体系中才能对有机小分子 显示出优异的分子识别性能，而真正适用于水溶液体系的以有机小分子为模板的MIPs则非 常有限。这极大地阻碍了MIPs在仿生免疫分析与传感器等领域中的实际应用。

最近，我们发展了一系列制备适用于水溶液体系的表面具有亲水性高分子刷的MIP微球 的新方法。归纳起来可分为“两步法”与“一步法”途径。“两步法”途径是通过首先利用 可控／“活性”自由基沉淀聚合技术制备表面具有可控自由基聚合引发或链转移基团的MIP微 球，然后再以其为固载化引发剂或链转移剂，进行亲水性单体的表面可控自由基聚合，得到 表面具有亲水性高分子刷的MIP微球(Pan，G.；Zhang，Y.；Guo，X.；Li，C.；Zhang，H.Biosens. Bioelectron.2010，26，976-982；Pan，G.；Ma，Y.；Zhang，Y.；Guo，X.；Li，C.；Zhang，H.Soft Matter 2011，7，8428-8439)。“一步法”途径是将亲水性大分子链转移剂(或大分子RAFT试剂)引入到 可逆加成-裂解链转移(RAFT)沉淀聚合体系中，一步法制备适于纯水溶液体系的表面具有亲水 性高分子刷的MIP颗粒(Pan，G.；Zhang，Y.；Ma，Y.；Li，C.；Zhang，H.Angew.Chem.Int.Ed.2011， 50，11731-11734；Ma，Y.；Pan，G.；Zhang，Y.；Guo，X.；Zhang，H.Angew.Chem.Int.Ed.2013，53， 1511-1514)。上述两种制备方法虽均能制备适于水溶液体系的表面具有亲水性高分子刷的MIP 微球，但是也存在各自的缺点。“一步法”由于必须将亲水性的大分子链转移剂直接加入到 分子印迹聚合体系中，这会对功能单体与模板分子间的自组装产生不利影响。此外一步法聚 合体系复杂，致使所得MIP微球表面的亲水性高分子刷的密度无法得到，因此限制了产品的 结构表征；而“两步法”途径制备表面具有亲水性高分子刷的MIP微球时，其表面所接枝的 亲水性高分子刷的分子量受反应条件影响很大，重复生产时很难获得具有相同分子量的亲水 性高分子刷的MIP微球，从而会大大影响产品性能的稳定性。此外，此方法还有所得MIP微球 上的亲水性高分子刷的分子量无法直接测定的困难。

发明内容

为了克服上述方法制备表面具有亲水性高分子刷的MIP微球方面的不足，本发明提供了 一种新的制备方法，旨在更加简便高效地制备表面具有确定分子量与接枝密度的亲水性高分 子刷的MIP微球。本发明具有合成方法简单、适用范围广、产品结构明确等优点。

技术方案：

本发明开发了一种通过亲水性大分子链转移剂与表面具有C=C双键的MIP微球的偶联 反应制备表面具有亲水性高分子刷的MIP微球的简便易行的方法，技术构思是通过亲水性大 分子链转移剂首先与普通自由基引发剂产生的自由基发生链转移反应生成亲水性大分子自由 基，然后该大分子自由基再与MIP微球上的C=C双键反应，得到表面具有亲水性高分子刷 的MIP微球。

制备所述的表面具有亲水性高分子刷的MIP微球的具体技术方案如下：

1)将表面含C=C双键的MIP微球与亲水性大分子链转移剂按MIP微球表面C=C双键 与亲水性大分子链转移剂的摩尔比1∶1～100投料。

2)将普通自由基引发剂与亲水性大分子链转移剂按摩尔比1∶0.15～30投料。

3)将溶剂按其与表面含C=C双键的MIP微球比例为0.04～2升／克投料。

4)将上述组分混匀，除去体系中的氧气后密封。

5)将密封好的反应体系在25～200℃温度下反应1～500小时，得到表面具有亲水性高分 子刷的MIP微球。

所述表面含C=C双键的MIP微球是由各种沉淀聚合法直接得到或由MIP微球表面修饰 引入C=C双键得到的，其表面C=C双键的含量为0.005～0.50毫摩尔／克。

所述亲水性大分子链转移剂为：具有双硫酯或三硫酯端基的亲水性聚合物，所述亲水性 聚合物优选选自：聚醇、聚(内酰胺)、聚氨酯、聚(甲基)丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚 乙烯醚、聚酯、聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚环氧烷、聚(羧酸)，聚酰胺、聚酐、聚磷腈、纤 维素、肝素、葡聚糖、多肽、纤维蛋白和弹性蛋白、多糖、透明质酸、藻酸盐、明胶和几丁 质、白蛋白、寡肽、短链肽和寡核苷酸及由得到上述聚合物的单体获得的共聚物，更优选为 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(甲基)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、聚([2-(甲基丙烯酰氧基)乙基］二甲基-(3-磺丙 基)氢氧化铵)、聚(3-2-N-甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基磺酸丙基胺)、聚(2-甲基丙烯酰氧乙基 磷酸胆碱)、(氧(11-(3-磺酰基丙基三甲基-缩水甘油基)十一烷基酯硫代甲基)乙烯-氧基(正十二 烷基硫代甲基)乙烯)共聚物、聚(丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)、聚(甲基丙烯酰乙基磺基甜菜 碱)、聚(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)、聚(3-甲基丙烯酸磺丙酯钾盐)、聚(4-[二甲基(2’- 甲基丙烯酰氧基乙基)铵]丁酸酯)、聚(甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐)、聚(甲基丙烯酸甲酯磺基 甜菜碱)、聚(甲基丙烯酰胺磺基甜菜碱)、聚(苯乙烯磺酸盐)、聚(苯乙烯磺酸)、聚丙烯酸、聚 甲基丙烯酸、聚甲基丙烯氨酸钠、甲氧基三(乙二醇)甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸共聚物、聚(乙 二醇)、聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯、聚环氧烷、聚环氧乙烷、聚(低聚(乙二醇)甲基醚甲 基丙烯酸酯)、聚(甲基丙烯酸氧乙二醇酯)、聚(N-甲基甘氨酸)、聚(L-谷氨酸)、聚(L-赖氨酸)、 聚(N-异丙基甲基丙烯酰胺)、聚（Ｎ-羟甲基丙烯酰胺)、聚(N-［(2,2-二甲基-1，3-二氧戊环)甲基) 丙烯酰胺)、聚(N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺)、聚(丙烯酸2-羟乙酯)、聚(2，3-二羟基丙基甲基丙 烯酸酯)、聚(醚胺)、聚（Ｎ-乙烯基吡咯烷酮)、聚(N-乙烯基己内酰胺)、聚(2-噁唑啉)及其衍生 物、聚(2-(二乙基氨基)乙基丙烯酸酯)、聚(2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯)、聚(2-(二乙基 氨基)乙基甲基丙烯酸酯)、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(1-乙烯基咪唑)、聚(N-丙烯酰吗啉)、聚(磷 酸乙基乙二醇酯)及由得到上述聚合物的单体获得的共聚物。。

所述自由基引发剂为：偶氮类自由基引发剂、过氧化物类自由基引发剂、或氧化还原类 引发剂。

所述溶剂为：酰胺类溶剂如N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、六甲基磷酰三胺等， 砜和亚砜类溶剂如二甲基亚砜、二甲基砜、环丁砜等，醚类溶剂如四氢呋喃、1，4-二氧六环、 正丁醚等，酮类溶剂如丙酮、丁酮、庚酮等，醇类溶剂如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、 戊醇、己醇等，腈类溶剂如乙腈等，卤代烷溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等，芳香 类溶剂如苯、α，α，α-三氟甲苯等，其他常见溶剂如N-甲基吡咯烷酮、水等，以及上述溶剂的 混合溶剂。

附图说明：

图1.利用化学偶联方法将亲水性高分子刷接枝到MIP微球上的过程流程图。

图2.表面含C=C双键的MIP微球(以2,4-D为模板)的扫描电子显微镜照片。

图3.表面含C=C双键的MIP微球(以2,4-D为模板)对应的非印迹聚合物微球的扫描电子显 微镜照片。

图4.利用化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷(M_n=5000)的MIP微球(以 2,4-D为模板分子)的扫描电子显微镜照片。

图5.利用化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷(M_n=5000)的MIP微球(以 2,4-D为模板分子)对应的非印迹聚合物微球的扫描电子显微镜照片。

图6.利用化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺)高分子刷(M_n,NMR= 10300)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.利用化学偶联方法得到的表面具有亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺)高分子刷(M_n,NMR= 10300)的MIP微球(以2,4-D为模板分子)对应的非印迹聚合物微球的扫描电子显微镜照 片。

图8.表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷(M_n=1000，2000，5000，10000)(a)以及聚(N-异丙基 丙烯酰胺)高分子刷(M_n，NMR=2470，6200，10300，14600)(b)的MIP微球(以2,4-D为模 板分子)在甲醇／水(4∶1体积比)、水、纯牛奶与纯牛血清中对2,4-D的专一性吸附性能(吸 附温度为25℃，2,4-D的浓度为0.02mM，MIP与非印迹聚合物的浓度均为16mg/mL)。

图9.表面具有亲水性聚乙二醇高分子刷(M_n＝1000，2000，5000，10000)以及聚(N-异丙基丙 烯酰胺)高分子刷(M_n，NMR=2470，6200，10300，14600)的MIP微球(以2,4-D为模板分 子)及其非印迹聚合物(CP)微球在(a)纯牛奶与(b)纯牛血清中对2,4-D及其类似物苯 氧乙酸(POAc)的选择性吸附性能(吸附温度为25℃，2,4-D与POAc的浓度均为0.02 mM，MIP与CP的浓度均为16mg／mL)。

具体实施方式

实例1

将150mg以2,4-D为模板的MIP微球(双键含量为0.0408mmol／g)加入装有30mL二甲 基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0736mmol的聚乙二醇大分子链转移剂(M_n=5000)和0.0238 mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于60℃恒温油浴中，反 应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚乙二醇大分子刷(M_n=5000)的非印迹聚合物微球过程同上。

实例2

将150mg以2,4-D为模板的MIP微球(双键含量为0.0408mmol／g)加入装有30mL二甲 基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0736mmol的聚(N-异丙基丙烯酰胺)大分子链转移剂(M_n,NMR=10300)和0.0238mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于60℃ 恒温油浴中，反应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺)大分子刷(M_n,NMR=10300)的非印迹聚合物微球过 程同上。

实例3

将50mg以心得安为模板的MIP微球(双键含量为0.0383mmol／g)加入装有10mL二甲 基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0245mmol的聚乙二醇大分子链转移剂(M_n=5000)和0.0159 mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于60℃恒温油浴中，反 应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚乙二醇大分子刷(M_n＝5000)的非印迹聚合物微球过程同上。

实例4

将50mg以心得安为模板的MIP微球(双键含量为0.0383mmol／g)加入装有10mL二甲 基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0245mmol的聚(N-异丙基丙烯酰胺)大分子链转移剂(M_n，NMR=10300)和0.0159mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于60℃ 恒温油浴中，反应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺)(M_n,NMR=10300)的非印迹聚合物微球过程同上。

实例5

将50mg以阿替洛尔为模板的MIP微球(双键含量为0.0568mmol／g)加入装有10mL二 甲基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0245mmol的聚乙二醇大分子链转移剂(M_n=10000)和 0.0159mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于60℃恒温油浴 中，反应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚乙二醇大分子刷(M_n=10000)的非印迹聚合物微球过程同上。

实例6

将50mg以阿替洛尔为模板的MIP微球(双键含量为0.0568mmol／g)加入装有10mL二 甲基甲酰胺的茄型瓶中，然后加入0.0245mmol的聚(N-异丙基丙烯酰胺)大分子链转移剂(M_n，NMR＝14600)和0.0159mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。冻抽五次除氧后将反应体系密封，置于 60℃恒温油浴中，反应48h，高速离心得反应产物。

表面接枝亲水性聚(N-异丙基丙烯酰胺)(M_n,NMR=14600)的非印迹聚合物微球过程同上。