一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物及分子印迹电化学传感器

摘要

本发明涉及一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物及分子印迹电化学传感器。所述的印迹分子聚合物由苯硼酸类化合物0.02‑0.2mol/L、聚合物单体1.0‑2.0mol/L、聚合物交联剂0.1‑0.3mol/L、自由基引发剂0.1‑0.5mol/L、目标分子0.02‑0.2mol/L和水余量制备。将印迹分子聚合物，均匀涂在金属Pt电极上，之后将Pt电极放入干燥箱内，50℃聚合形成无色透明聚合物薄膜，自然冷却至室温后放入HCl溶液中，浸泡30‑40分钟，取出，用蒸馏水洗涤，干燥，得分子印迹电化学传感器。本发明制备过程简单，可快速简便识别出待测溶液中的葡萄糖分子，准确性率高。

说明书

技术领域

本发明属于功能性高分子材料制造领域，具体涉及到一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物及用其制备的分子印迹电化学传感器。

背景技术

分子印迹技术(molecular imprinting technique,MIT)也叫分子模板技术，是一种分子识别技术，其理论基础是Fischer的酶与底物作用的“锁钥模型”、Pauling提出的抗体形成学说、以及Dickey的“专一性吸附理论”，即以目标分子为模板分子，将具有结构上互补的功能化聚合物单体通过共价或非共价键与模板分子结合，并加入交联剂进行聚合反应，反应完成后将模板分子洗脱出来，形成一种具有固定空穴大小和形状及有确定排列功能团的交联高聚物。这种交联高聚物即为分子印迹聚合物(molecular imprinting polymers,MIPs)。分子印迹聚合物属于人工合成的分子识别系统，其具有选择性分子识别功能。与天然的生物分子识别体系，如单克隆抗体或受体相比，分子印迹聚合物具有高的稳定性和选择性，具有独特的物理、化学、机械性以及卓越的分子识别性能等。

分子印迹电化学传感器由识别目标待测物的分子印迹聚合物和将生物量转化为电信号的电化学转换器两部分组成，识别待测物的分子印迹聚合物以适当的方式固定在转换器的表面后，目标分子与分子印迹聚合物结合时，会产生一个物理或化学信号，然后转换器将此信号转换成一个输出信号，通过监测输出信号可实现对待测分子的测定

含硼酸基团的化合物与多元醇的相互作用机理在很多文献中已经报道过，在溶液pH＝6～8时，硼酸基与醇羟基形成共价键，从而形成多元硼酸酯结构。利用此原理，Shoji等使用带有硼酸的聚合物膜进行电极修饰，制备了电位式葡萄糖无酶传感器。当待测溶液中存在有机二醇分子时(如葡萄糖)，电位会随着硼酸基团与二醇分子之间络合常数的不同而发生变化，从而实现对葡萄糖的测定。是一种很具有发展前景的无酶葡萄糖电化学传感器，但是通过该方法对葡萄糖分析的选择性不高，而且对果糖的响应灵敏度远远高于对葡萄糖的响应灵敏度。

目前，运用印迹分子技术简单制备电化学传感器用于葡萄糖识别的方法在国内还未见报道。

发明内容

为克服上述现有技术的不足之处，本发明的目的之一是提供一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物及其制备方法。

本发明的目的之二是提供一种制备过程简单，运用印迹分子技术制备的基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器。采用本发明制备的印迹分子电化学传感器可以快速简便识别出待测溶液中的葡萄糖分子。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物，所述的印迹分子聚合物由苯硼酸类化合物0.02-0.2mol/L、聚合物单体1.0-2.0mol/L、聚合物交联剂0.1-0.3mol/L、自由基引发剂0.1-0.5mol/L、目标分子0.02-0.2mol/L和水余量制备。

优选的，所述苯硼酸类化合物为取代基中含有碳碳双键并且在一定条件下可以发生自由基聚合的苯硼酸类化合物；更优选的，所述的苯硼酸类化合物为3-丙烯酰胺基苯硼酸或3-(甲基丙烯酰胺基)苯硼酸。

优选的，所述的聚合物单体为丙烯酰胺。

优选的，所述的聚合物交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

优选的，所述自由基引发剂为可引发苯硼酸类化合物、聚合物单体和交联剂聚合的自由基引发剂。更优选的，所述的自由基引发剂为过硫酸铵。

优选的，所述的目标分子为多羟基化合物。更优选的，所述的多羟基化合物为葡萄糖。

一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物的制备方法，按上述的配比取料，于蒸馏水中，依次加入苯硼酸类化合物、目标分子、聚合物单体和聚合物交联剂，充分搅拌溶解后，加入自由基引发剂，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应10-16h。

一种基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器，制备方法如下：将上述的一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物，均匀涂在金属Pt电极上，之后将Pt电极放入干燥箱内，50℃聚合形成无色透明聚合物薄膜，自然冷却至室温后放入HCl溶液中，浸泡30-40分钟，取出，用蒸馏水洗涤，干燥。

本发明的基本原理如下：

在目标分子(如葡萄糖)存在的条件下，充当分子模板的目标分子(如葡萄糖)与功能性单体苯硼酸类化合物混合，在一定量二次蒸馏水中与聚合物单体丙烯酰胺和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺聚合，从而使葡萄糖分子周围占据着高度交联的聚合结构。聚合结束后，用一定浓度的酸溶液洗脱，去除聚合物上结合的目标分子，聚合物主体上就形成了与目标分子(如葡萄糖)空间构型相互匹配的具有多重作用点的孔穴，此孔穴与目标分子(葡萄糖)在形状、大小等方面具有良好的互补性，因此这种印迹聚合物对葡萄糖及与葡萄糖分子结构相似的客体分子具有较高的特异识别性能。

上述的一种基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器在检测葡萄糖中的应用。方法如下：将上述制备的目标分子为葡萄糖的印迹分子聚合物修饰的金属Pt电极，浸泡在一定浓度的葡萄糖-PBS(pH＝7.5)溶液中，提取葡萄糖分子，接下来用该电极在25℃，pH＝7.5的PBS溶液中进行循环伏安曲线扫描，通过葡萄糖分子在电压为-0.6V处的氧化峰来识别葡萄糖分子。

本发明的有益效果是：本发明制备过程简单，操作简便，可简单快速识别出待测溶液中的葡萄糖分子，准确性率高。

附图说明

图1是对实施例1和对比例1中制备的印迹分子聚合物的红外谱图。

图2是实施例2、对比例3和对比例4制备的修饰电极的电化学循环伏安曲线。

图3是实施例2的3#电极和实施例3的4#电极的电化学循环伏安曲线。

图4是印迹分子聚合物制备示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1一种基于硼酸基团的印迹分子聚合物

(一)制备方法：

称取0.0179g(0.1M)3-丙烯酰胺基苯硼酸，加入到1ml二次蒸馏水中，超声震荡使其完全分散，形成白色悬浮液。再依次加入0.0396g(0.2M)葡萄糖、0.0711g(1.0M)丙烯酰胺，0.0308g(0.2M)N,N-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，加入0.0454g(0.2M)过硫酸铵，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应11h，得基于硼酸基团的印迹分子聚合物。

(二)对比例1：

在1ml二次蒸馏水中，依次加入0.0711g(1.0M)丙烯酰胺，0.0308g(0.2M)N,N-亚甲基双丙烯酰胺，0.0396g(0.2M)葡萄糖，充分搅拌溶解后，加入0.0454g(0.2M)过硫酸铵，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应11h，得含有葡萄糖的印迹分子聚合物。

(三)对比例2：

称取0.0179g(0.1M)3-丙烯酰胺基苯硼酸，加入到1ml二次蒸馏水中，超声震荡使其完全分散，形成白色悬浮液。再依次加入0.0711g(1.0M)丙烯酰胺，0.0308g(0.2M)N,N-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，加入0.0454g(0.2M)过硫酸铵，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应11h，得含有3-丙烯酰胺基苯硼酸的印迹分子聚合物。

(四)检测

印迹分子洗脱：取实施例1制备的基于硼酸基团的印迹分子聚合物、对比例1制备的含有葡萄糖的印迹分子聚合物，用微量取样器分别滴在干净干燥的载玻片上，50℃干燥，使印迹分子聚合物从乳白色悬浊液形成无色透明聚合物膜。然后将其放入0.01M HCl溶液中浸泡，洗脱聚合物中的葡萄糖分子，30分钟后取出，干燥，如图4所示。进行红外光谱检测，结果如图1所示。

图1中结合实施例1(图中b)和对比例1(图中a)，其中，1450cm^-1、1536cm^-1、1640cm^-1处为苯环的C＝C伸缩振动吸收，710cm^-1、798cm^-1处为二取代苯的特征吸收。1380cm^-1处为B-O伸缩振动，1110cm^-1处为B-C伸缩振动。将图1中a与b相对比，说明本发明的印迹分子聚合物主体中含有3-丙烯酰胺基苯硼酸。

实施例2一种基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器

(一)制备方法

1.印迹分子聚合物：称取0.0358g(0.2M)3-丙烯酰胺基苯硼酸，加入到1ml二次蒸馏水中，超声震荡使其完全分散，形成白色悬浮液。再依次加入0.0396(0.2M)葡萄糖、0.0711g(1.0M)丙烯酰胺，0.0308g(0.2M)N,N-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，加入0.0454g(0.2M)过硫酸铵，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应11h，得基于硼酸基团的印迹分子聚合物。

2.修饰电极的制备：将获得的基于硼酸基团的印迹分子聚合物，用微量取样器滴在金属Pt电极(1*1cm²)上，使印迹分子聚合物均匀涂抹在电极上，之后将电极放入干燥箱内，50℃聚合，使其在电极表面上形成无色透明聚合物薄膜，自然冷却至室温后，将电极浸泡在适量0.01M>

(二)对比例3

1.印迹分子聚合物：对实施例2制备的含有葡萄糖的印迹分子聚合物。

2.修饰电极的制备：将实施例2制备的含有葡萄糖的印迹分子聚合物，用微量取样器滴在金属Pt电极(1*1cm²)上，使印迹分子聚合物均匀涂抹在电极上，之后将电极放入干燥箱内，50℃聚合，使其在电极表面上形成无色透明聚合物薄膜，自然冷却至室温后，用二次蒸馏水冲洗，然后将电极放入干燥箱内干燥，得分子印迹电化学传感器，记为1#。

(三)对比例4

1.印迹分子聚合物：称取0.0358g(0.2M)3-丙烯酰胺基苯硼酸，加入到1ml二次蒸馏水中，超声震荡使其完全分散，形成白色悬浮液。再依次加入0.0711g(1.0M)丙烯酰胺，0.0308g(0.2M)N,N-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，加入0.0454g(0.2M)过硫酸铵，搅拌溶解后，氮气保护下，0℃冰水浴缓慢搅拌反应11h，得含有3-丙烯酰胺基苯硼酸的印迹分子聚合物。

2.修饰电极的制备：将获得的含有3-丙烯酰胺基苯硼酸的印迹分子聚合物，用微量取样器滴在金属Pt电极(1*1cm²)上，使印迹分子聚合物均匀涂抹在电极上，之后将电极放入干燥箱内，50℃聚合，使其在电极表面上形成无色透明聚合物薄膜，自然冷却至室温后，用二次蒸馏水冲洗，然后将电极放入干燥箱内干燥，得基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器，记为2#。

(四)检测

将上述制备的1#、2#和#3分子印迹电化学传感器，在25℃，pH＝7.5PBS缓冲溶液中进行伏安曲线扫描，结果如图2所示。

由图2可知，1#电极，在电压为-0.6V时，有明显葡萄糖氧化峰出现，说明对比例1的聚合物主体与葡萄糖分子形成了空间构型相互匹配的结构，对葡萄糖分子起到了的固定作用。2#电极，在电压为-0.6V时，没有明显氧化峰出现，说明对比例4的聚合物主体在测试电压下，所产生的电化学信号不会对葡萄糖氧化峰的读取造成干扰。3#电极，在电压为-0.6V时，没有明显氧化峰出现，说明作为模板的葡萄糖分子经盐酸洗脱后，脱离了聚合物主体，使聚合物主体上形成了与葡萄糖空间构型相互匹配的具有多重作用点的孔穴，并且此孔穴与葡萄糖分子在形状、大小等方面具有良好的互补性。

实施例3一种基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器在识别葡萄糖分子中的应用

以实施例2制备的基于硼酸基团的分子印迹电化学传感器(印迹分子聚合物修饰的Pt电极3#)，进行试验。

葡萄糖分子再吸附：取印迹分子聚合物修饰的Pt电极3#，浸泡在0.02M葡萄糖-PBS溶液(pH＝7.5)中，30分钟后取出，用二次蒸馏水洗去电极上残留的葡萄糖-PBS溶液，然后将电极放入干燥箱内，干燥，得重新吸附了葡萄糖分子的Pt电极，记为4#。

检测：将电极3#和电极4#，在25℃，pH＝7.5的PBS缓冲溶液中进行伏安曲线扫描，结果如图3所示。

由图3可知，与电极3#相对照，在电压为-0.6V时，电极4#有明显氧化峰出现，说明4#电极中有葡萄糖分子的存在，而且与电极3#对比可以说明，本发明的基于硼酸基团的印迹分子聚合物修饰电极可以对葡萄糖分子有识别作用。