壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物及其制法

摘要

一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物，采用天然高分子壳聚糖与金属铜离子形成的配合物为功能单体，通过分子印迹技术印迹模板蛋白质分子，制备得到具有蛋白质选择性吸附和分离功能的蛋白质印迹聚合物。该聚合物同时利用壳聚糖分子与模板蛋白质分子，以及金属铜离子与模板蛋白质分子的相互作用，有效增加了印迹聚合物与模板蛋白质分子相结合的识别位点，从而提高了印迹聚合物对模板蛋白质分子的识别能力以及对模板蛋白质分子选择性吸附和分离能力。该印迹聚合物具有良好的蛋白质选择性吸附和分离效果，因此可作为蛋白质特异性选择性吸附和分离材料，同时该材料的制备方法简单方便，易于控制，可重复利用效果良好，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及高分子化学和蛋白质选择性吸附和分离领域，特别是涉及一种具有蛋白质选择性吸附和分离功能的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物及其制备方法和用途。

背景技术

近几十年来，蛋白质分离技术有了迅速的发展，人们一直希望能够人工合成具有类似生物分子亲和识别能力的蛋白质分离介质。分子印记技术是近年来发展起来的一种新颖有效的分离技术，目前，分子印迹所采用的模板分子由传统的小分子向蛋白质等大分子发展，根据分子的大小、空间结构和电荷分布等进行蛋白质分离的蛋白质分子印迹技术就是在这个背景下发展起来的[Analytica Chimica Acta，2004，504：163-166.]。

值得注意的是，天然聚合物壳聚糖是一种良好的蛋白质分子印迹功能单体，其具有良好的生物相容性，有利于保持蛋白质的生物活性和空间构象，近年来壳聚糖在蛋白质分子印迹中的研究已有报道[高分子材料科学与工程，2007，23(2)，235-237.]。此外，壳聚糖分子结构中含有羟基、氨基等官能团，可以与金属离子形成稳定的配位结构，利用壳聚糖制备金属离子的印迹聚合物的研究也有报道[高等学校化学学报.2006，8：1443-1447.]。由于金属离子能够特异性的配位键合蛋白质分子中的某些基团，可以利用蛋白质上的氨基酸残基与金属离子的相互作用来实现对模板蛋白的特异性选择和分离[Journal of Chromatography A.2008，1190：18-26.]。

在制备蛋白质印迹聚合物的现有技术中，一般需要通过化学聚合反应等步骤，反应较复杂，且在制备过程中容易导致蛋白质的变性失活等。此外，如何增加印迹聚合物对蛋白质的特异性识别作用位点，从而提高印迹聚合物对蛋白质的选择性吸附和分离效果，也是制备蛋白质印迹聚合物技术需要解决的问题。

基于上述背景技术，本发明采用天然高分子壳聚糖与金属铜离子形成的配合物为功能单体，采用分子印迹技术印迹模板蛋白质分子，制备具有蛋白质选择性吸附和分离功能的蛋白质印迹聚合物，该方法利用壳聚糖分子与模板蛋白质分子，以及金属铜离子与模板蛋白质分子的相互作用，有效增加了印迹聚合物与模板蛋白质分子相结合的识别位点，从而提高了印迹聚合物对模板蛋白质分子的识别能力以及对模板蛋白质分子选择性吸附和分离能力，同时制备过程简单方便，且制备条件温和。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物，其具有良好的选择性吸附模板蛋白质的能力，并且具有良好的蛋白质选择性分离功能，在蛋白质选择性吸附和分离具有广泛的用途；同时，该聚合物的制备方法简单方便，易于控制，可重复利用效果良好，成本低廉。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)，采用天然高分子壳聚糖与金属铜离子形成的配合物为功能单体，通过分子印迹技术印迹模板蛋白质分子，从而制备得到具有蛋白质选择性吸附和分离功能的蛋白质印迹聚合物。

本发明还提供了上述壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物的方法：壳聚糖先通过其分子链上带有的羟基或氨基官能团与金属铜离子形成配合物，再将模板蛋白质BSA分子进行包埋印迹，进而采用洗脱液除去该印迹聚合物内的模板蛋白质分子，使其内部留下与模板蛋白质分子能够相互识别的位点和空穴结构，从而制备具有蛋白质选择性吸附和分离功能的蛋白质印迹聚合物。

本发明提供的制备步骤包括：壳聚糖与金属铜离子配合物的制备，蛋白质印迹聚合物球形颗粒的制备，蛋白质印迹聚合物球形颗粒的交联，以及模板蛋白质的洗脱。

(1)壳聚糖与金属铜离子配合物的制备：

称取1.5g～3g壳聚糖，加入到50mL～100mL质量百分比为2％乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖充分溶解后，超声除去气泡，制备3mg/mL的壳聚糖溶液，然后向其中加入0.1～0.2gCuSO₄·5H₂O，搅拌反应12～24小时，使混合物颜色变成澄清的蓝色溶液；

(2)蛋白质印迹聚合物球形颗粒的制备：

向步骤(1)中所得的溶液中，加入模板蛋白质牛血清白蛋白，搅拌12～24小时后，使其充分溶解混合均匀得混合物，再将混合物以2～4mL/min的滴加速度逐滴加入到1L～2L氢氧化钠溶液中，得到白色球形颗粒；待白色球形颗粒沉淀到底部后，分离出白色球形颗粒并用去离子水反复冲洗4～6次，直到溶液pH值至7，得到蛋白质印迹聚合物球形颗粒；

(3)蛋白质印迹聚合物球形颗粒的交联：

将步骤(2)中所得的蛋白质印迹聚合物球形颗粒转移到50mL～100mL的蒸馏水中，并用氢氧化钠溶液调节溶液的pH值至10，然后加入环氧氯丙烷作为交联剂，在室温下反应20～24小时后，分离出交联后的印迹聚合物球形颗粒，再用去离子水反复冲洗4～6次，得到交联后的印迹聚合物球形颗粒；

(4)模板蛋白质的洗脱：

将步骤(3)中交联后的印迹聚合物球形颗粒用十二烷基硫酸钠溶液进行洗脱模板蛋白质BSA，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，直至洗脱溶液中蛋白质吸光值为0，即得到上述壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物。

上述步骤(1)中，加入CuSO₄·5H₂O的量为0.1～0.2g。

上述步骤(2)中，加入模板蛋白质牛血清白蛋白的量为0.15g～0.3g，氢氧化钠溶液的浓度为2M。

上述步骤(3)中，采用氢氧化钠溶液的浓度为2M～4M，加入环氧氯丙烷的量为0.2～0.4g。

上述步骤(4)中，十二烷基硫酸钠溶液的质量百分比浓度为9.1％。

本发明所述的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物可以作为蛋白质选择性吸附和分离功能材料的用途。

本发明蛋白质印迹聚合物采用具有良好生物相容性的壳聚糖，同时引入金属铜离子，利用壳聚糖分子链上带有的羟基、氨基官能团，形成壳聚糖与金属铜离子配合物作为功能单体印迹模板蛋白质分子。

本发明蛋白质印迹聚合物采用具有良好生物相容性的壳聚糖，同时引入金属铜离子，利用壳聚糖分子链上带有的羟基、氨基官能团，形成壳聚糖与金属铜离子配合物作为功能单体，牛血清白蛋白为模板蛋白质，通过分子印迹技术制备蛋白质印迹聚合物。本发明首先通过壳聚糖所带有的羟基以及氨基官能团与过渡金属铜离子通过配位键形成配合物作为功能单体，再将模板蛋白质通过简单的滴加成球的办法包埋在其内部，采用环氧氯丙烷作为交联剂进行交联，再利用十二烷基硫酸钠溶液作为模板蛋白质的洗脱液，除去模板蛋白质，从而在蛋白质印迹聚合物内部留下与模板蛋白质相匹配的识别位点及空穴结构。由于该蛋白质印迹聚合物同时利用壳聚糖分子与模板蛋白质分子，以及金属铜离子与模板蛋白质分子的相互作用，有效增加了印迹聚合物与模板蛋白质分子相结合的识别位点，从而提高了印迹聚合物对模板蛋白质分子的识别能力以及对模板蛋白质分子选择性吸附和分离能力。本发明采用简单方便的滴加成球方法将模板蛋白质包埋在壳聚糖与金属铜离子功能单体的内部，经过环氧氯丙烷交联，再用十二烷基硫酸钠溶液洗脱模板蛋白质，制备出对蛋白质具有选择性吸附和分离功能的蛋白质分子印迹聚合物。

本发明壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物，能够在蛋白质分离领域获得广泛应用，而且这种采用简单滴加成球制备对蛋白质具有选择性吸附和分离功能的聚合物的方法，操作简单可控，成本低廉，可重复利用效果良好，对蛋白质的选择性吸附和分离领域具有较大的应用价值。

附图说明

图1是非印迹聚合物(CS-NIP)、壳聚糖蛋白质印迹聚合物(CS-MIP)、以及壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量对比图。

图2是壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)经过多次洗脱后对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量图。

具体实施方式

本发明是一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物，其通过蛋白质分子印迹技术获得。

下面结合具体实施例对本发明制备方法作进一步说明，但不限定本发明。

一、一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物

该印迹聚合物以壳聚糖与金属铜离子配合物为功能单体，牛血清白蛋白为模板蛋白质，通过分子印迹技术制备，其内部含有能够与模板蛋白质相互作用的识别位点及空穴结构，使其对于模板蛋白质具有选择性吸附和分离功能。

二、一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物的制备方法

制备：首先将壳聚糖溶解在乙酸溶液中，再向所得的壳聚糖溶液中加入CuSO₄·5H₂O，通过壳聚糖分子结构中含有羟基、氨基官能团与金属铜离子形成配合物，再向该溶液中加入模板蛋白质牛血清白蛋白，后采用医用注射器(7#针头)逐滴加入到氢氧化钠溶液中，得到蛋白质印迹聚合物球形颗粒，用去离子水反复冲洗后，在碱性条件下用环氧氯丙烷进行交联，再通过十二烷基硫酸钠溶液洗脱模板蛋白质。

上述制备方法的具体步骤包括：

(1)壳聚糖与金属铜离子配合物的制备：

称取1.5g～3g壳聚糖，加入到50mL～100mL质量百分比为2％乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖充分溶解后，超声除去气泡，制备3mg/mL的壳聚糖溶液，然后向其中加入0.1～0.2gCuSO₄·5H₂O，搅拌反应12～24小时，使混合物颜色变成澄清的蓝色溶液；

(2)蛋白质印迹聚合物球形颗粒的制备：

向(1)中所得的溶液中，加入0.15g～0.3g模板蛋白质牛血清白蛋白，搅拌12～24小时后，使其充分溶解混合均匀，再用医用注射器(7#针头)以2～4mL/min的滴加速度逐滴加入到1L～2L的2M氢氧化钠溶液中，得到白色球形颗粒。待白色球形颗粒沉淀到底部后，分离出白色球形颗粒并用去离子水反复冲洗4～6次，直到溶液pH值至7；

(3)蛋白质印迹聚合物球形颗粒的交联：

将(2)中所得的蛋白质印迹聚合物球形颗粒转移到装有50mL～100mL蒸馏水的锥形瓶中，并用2M～4M的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值至10，向溶液中加入0.2～0.4g环氧氯丙烷作为交联剂，在室温下反应20～24小时后，分离出交联后的印迹聚合物球形颗粒，再用去离子水反复冲洗4～6次；

(4)模板蛋白质的洗脱：

将(3)中交联后的印迹聚合物球形颗粒用质量百分比为9.1％十二烷基硫酸钠溶液进行洗脱模板蛋白质BSA，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，直至洗脱溶液中蛋白质吸光值为0。

通过上述步骤，得到一种壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物。

附图说明

附图1是非印迹聚合物(CS-NIP)、壳聚糖蛋白质印迹聚合物(CS-MIP)、以及壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量对比图。

附图2是壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)经过多次洗脱后对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量图。

具体实例：

实施例1

称取1.5g壳聚糖，加入到50mL质量百分比为2％乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖充分溶解后，超声除去气泡，制备3mg/mL的壳聚糖溶液，然后向其中加入0.1g CuSO₄·5H₂O，搅拌反应12小时，使混合物颜色变成澄清的蓝色溶液；再向其中加入0.15g模板蛋白质牛血清白蛋白，搅拌12小时后，使其充分溶解混合均匀，再用医用注射器(7#针头)以3mL/min的滴加速度逐滴加入到1L的2M氢氧化钠溶液中，得到白色球形颗粒。待小球在氢氧化钠溶液静置10分钟，白色球形颗粒沉淀到底部，过滤出白色球形颗粒并用去离子水反复冲洗4次，直到溶液pH值至7；将蛋白质印迹聚合物球形颗粒转移到装有50mL蒸馏水的锥形瓶中，并用2M的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值至10，向溶液中加入0.2g环氧氯丙烷作为交联剂，在室温下反应20小时后，通过过滤取出交联后的印迹聚合物球形颗粒，再用去离子水反复冲洗4次；将交联后的印迹聚合物球形颗粒用质量百分比为9.1％十二烷基硫酸钠溶液进行洗脱模板蛋白质BSA，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，直至洗脱溶液中蛋白质吸光值为0。即制得具有蛋白质选择性吸附和分离功能的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)。

实施例2

称取3g壳聚糖，加入到100mL质量百分比为2％乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖充分溶解后，超声除去气泡，制备3mg/mL的壳聚糖溶液，然后向其中加入0.2g CuSO₄·5H₂O，搅拌反应24小时，使混合物颜色变成澄清的蓝色溶液；再向所得的溶液中，加入0.3g模板蛋白质牛血清白蛋白，搅拌24小时后，使其充分溶解混合均匀，再用医用注射器(7#针头)以4mL/min的滴加速度逐滴加入到2L的2M氢氧化钠溶液中，得到白色球形颗粒。待小球在氢氧化钠溶液静置20分钟，白色球形颗粒沉淀到底部，过滤出白色球形颗粒并用去离子水反复冲洗6次，直到溶液pH值至7；将所得的蛋白质印迹聚合物球形颗粒转移到装有100mL蒸馏水的锥形瓶中，并用4M的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值至10，向溶液中加入0.4g环氧氯丙烷作为交联剂，在室温下反应24小时后，通过过滤取出交联后的印迹聚合物球形颗粒，再用去离子水反复冲洗6次；将交联后的印迹聚合物球形颗粒用质量百分比为9.1％十二烷基硫酸钠溶液进行洗脱模板蛋白质BSA，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，直至洗脱溶液中蛋白质吸光值为0。即制得具有蛋白质选择性吸附和分离功能的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)。

实施例3

称取1.5g壳聚糖，加入到50mL质量百分比为2％乙酸溶液中，搅拌至壳聚糖充分溶解后，超声除去气泡，制备3mg/mL的壳聚糖溶液，然后向其中加入0.1g CuSO₄·5H₂O，搅拌反应24小时，使混合物颜色变成澄清的蓝色溶液；再向所得的溶液中，加入0.15g模板蛋白质牛血清白蛋白，搅拌24小时后，使其充分溶解混合均匀，再用医用注射器(7#针头)以2mL/min的滴加速度逐滴加入到1L的2M氢氧化钠溶液中，得到白色球形颗粒。待小球在氢氧化钠溶液静置20分钟，白色球形颗粒沉淀到底部，过滤出白色球形颗粒并用去离子水反复冲洗6次，直到溶液pH值至7；将所得的蛋白质印迹聚合物球形颗粒转移到装有50mL蒸馏水的锥形瓶中，并用2M的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值至10，向溶液中加入0.2g环氧氯丙烷作为交联剂，在室温下反应24小时后，通过过滤取出交联后的印迹聚合物球形颗粒，再用去离子水反复冲洗6次；将交联后的印迹聚合物球形颗粒用质量百分比为9.1％十二烷基硫酸钠溶液进行洗脱模板蛋白质BSA，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，直至洗脱溶液中蛋白质吸光值为0。即制得具有蛋白质选择性吸附和分离功能的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)。

本发明得到得壳聚糖金属离子配合物蛋白质印迹聚合物具有良好的蛋白质选择性吸附及分离功能，可作为蛋白质选择性吸附和分离功能材料中具有广泛的用途。

下表1为壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)，以及非印迹聚合物(CS-NIP)、壳聚糖蛋白质印迹聚合物(CS-MIP)对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量、经过多次洗脱后对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量、以及对不同蛋白质的吸附选择性的图表。其中BSA为牛血清白蛋白，Lys为溶菌酶，OVA为卵清蛋白。

表1

在表1中，蛋白质的相对选择性由不同蛋白质的吸附量比值来表示，从表中可以看出CS/Cu-MIP对BSA与OVA的吸附量的比值由印迹前的0.24倍上升到达到了1.23倍，即相对选择性提高了5.1倍，这表明壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物可以在这两种蛋白质中很好的选择性吸附模板蛋白质牛血清白蛋白BSA；而以Lys为对比蛋白时，CS/Cu-MIP对蛋白质的相对选择性提高了16.5倍，这些结果表明CS/Cu-MIP具有较好的选择性识别模板蛋白质的效果，对模板蛋白质具有良好的选择性吸附作用，可以作为蛋白质选择性吸附和分离功能材料。

附图1是非印迹聚合物(CS-NIP)、壳聚糖蛋白质印迹聚合物(CS-MIP)、以及壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量对比图。测试过程为：分别称取0.5g上述三种聚合物粒子于三个小烧杯中，然后向小烧杯中分别加入浓度为1mg/mL的模板蛋白质(BSA)溶液8mL进行震荡吸附，达到平衡后，采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，测试上述三种聚合物粒子对于模板蛋白质(BSA)的吸附量。从图1中可以看出，非印迹聚合物对BSA的吸附量较小(0.48mg/g)；而壳聚糖蛋白质印迹聚合物吸附量有了显著的增加，达到了6.15mg/g。值得注意的是，壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物对牛血清白蛋白的吸附量达到10.51mg/g，对于模板蛋白质(BSA)的吸附量相对于非印迹聚合物提高了21.9倍，这说明制备的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)通过引入铜离子，增加了与蛋白质的识别位点，经过洗脱留下了与模板蛋白质相匹配的孔穴结构，有效增加了CS/Cu-MIP对模板蛋白质BSA的吸附量，以上结果表明制备的壳聚糖金属离子配合物蛋白质印迹聚合物具有良好的蛋白质选择性吸附作用，可作为蛋白质选择性吸附和分离功能材料。

附图2是壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)经过多次洗脱后对模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的吸附量图。测试过程为：将吸附有模板蛋白质牛血清白蛋白(BSA)的壳聚糖与金属铜离子配合物蛋白质印迹聚合物(CS/Cu-MIP)采用质量百分比浓度为9.1％的十二烷基硫酸钠溶液作为洗脱剂洗脱除去BSA后，再将洗脱后的CS/Cu-MIP浸入BSA溶液中进行震荡吸附直至达到吸附平衡，重复上述洗脱与吸附步骤，并采用紫外-可见分光光度计在280nm波长处检测洗脱液中的模板蛋白质浓度，测试每次模板蛋白质牛血清白蛋白吸附量的变化。由图2可以看出，随着重复次数的增加吸附量有所减少，而用十二烷基硫酸钠溶液对模板蛋白质分子进行四次洗脱后，CS/Cu-MIP对模板蛋白质的吸附量仍可以达到第一次洗脱后的82.59％(即8.68mg/g)，这说明CS/Cu-MIP具有良好的可重复利用效果。