一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法与流程

本发明涉及高分子材料技术领域，特别是一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法。

背景技术：

分子印迹高分子聚合物材料已经广泛应用于固相萃取，催化剂，以及化学与生化分子的传感。分子印迹高分子聚合物材料的传统制备方法是把模板分子和单体混合然后聚合交联，聚合物基质包裹模板分子。把模板分子从聚合物基质中去除后，聚合物基质中留下了印迹了模板分子的空隙，这样的聚合物就是分子印迹高分子聚合物材料。目标分析物（模板）分子可以和分子印迹高分子聚合物材料中的互补性分子空位结合而嵌入空位，而竞争分子由于分子大小、形状、以及相互作用力与分子空位匹配得不够好而很难嵌入空位（图1)。传统分子印迹方法仅用一次聚合来形成分子印迹空位。分子印迹高分子聚合物聚合物材料具有特征的模板认知空位，由印迹模板分子的单体聚合后去除模板分子而形成。单体与模板分子通过共价键或非共价键而相互作用，以非共价键为主。单体聚合后模板分子被包裹在高分子材料基体中。紧接着，模板分子被从高分子聚合物材料基体中去除而留下印迹空位。分子认知是通过具有和模板分子相同大小、形状和功能互补的分子结合空位实现的。有许多专利阐述传统分子印迹高分子聚合物材料。在美国专利20150342869中，硅烷、四烷基（c1-c4）正硅酸盐、造孔溶剂以及一种c14-c20脂肪酸聚合形成了分子印迹高分子聚合物材料。如果化妆品配方加入这种分子印迹高分子聚合物材料，据说有防止及护理头皮屑的功效。有一些专利阐述双重聚合，但是与分子印迹无关。

技术实现要素：

为解决现有技术中分子印迹高分子聚合物所存在的缺陷和问题，提供一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）将单体、引发剂、交联剂、模板分子用水或有机溶剂一起或分步溶解后混合均匀；

（2）在第一种反应条件下进行初次聚合先印迹模板分子的某部位；（3）然后在第二种反应条件下进行第二次聚合再印迹模板分子的另外部位；

（4）如有需要可以再进行更多次聚合印迹模板分子的其余部位；

（5）最后去除模板以及未聚合或未交联的单体及低分子量齐聚体和其他杂质，即得到基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料。

所述的两次或多次的聚合条件各不相同。

所述的聚合包括，但不限于缩合、自由基、热、电、乳液、溶液、悬浮、沉淀、光、等离子体、可逆加成-碎片链转移、原子转移自由基、氮氧化物辅助、开环聚合。

所述的聚合所用的单体可以包括，但不限于硅烷、丙烯酸类、烯烃、环氧树脂、双酚a、酰胺、亚胺、氟化单体、离子液体、甘油、脂肪酸、氨基酸、核苷酸、单糖。

所述的聚合所用的单体可以有一个，两个或多个可以聚合的功能部分，同时也可以有一个，两个或多个可以和模板分子相互作用的功能团。

所述的模板分子某部位被第一次聚合印迹，另外部位被第二次聚合印迹，如果有第三次或更多次聚合的话，依次类推。

为了便于大的模板分子进出，可以制造印迹开口，通过某次低交联或无交联聚合印迹分子的一端分子作为保护，最后才把这次的低交联或无交联聚合物去除留下较大的印迹开口便于目标分子进出。

当有需要认知一类分子而不仅仅是一个分子的时候，印迹空位可以选择性地只与这一类目标分子特征部位相互作用。

当有需要认知一类分子而不仅仅是一个分子的时候，印迹空位可以选择性地只与这一类目标分子特征部位相互作用。

同一个模板分子被功能单体两次或多次地依次印迹，模板分子驱除后留下的分子印迹空位形状精确化，引起局部分子间作用力的单体局部功能团种类和空间位置固定化，对模板分子具有特征选择性吸附，分子印迹空位可以有开口便于目标分子进入，印迹空位可以和目标分子所有部位相互作用或者选择性地只与特征部位相互作用。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法，这种分子印迹高分子材料的制备方法，同一个模板分子被功能单体两次或多次地依次印迹，可以把模板分子驱除后留下的分子印迹空位形状精确化，把引起局部分子间作用力的单体局部功能团种类和空间位置固定化，达到对模板分子具有更高的选择性吸附，更好的灵敏度，和更好的抗干扰性。传统印迹方法只用一次聚合来形成分子印迹空位，一个大的生物分子一般有许多功能团、几个次单位、不同大小形状、ph质变化时不同的空间构型、以及分子手性或局部手性，传统分子印迹高分子材料制备中所用的简单粗糙的一步聚合印迹技术难以印迹这样的复杂生物大分子，而本发明则能把一步聚合两步或多步化从而有效地解决这个问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法作进一步说明。

图1是形成分子印迹高分子材料的概要流程；

图2是用于演示两次及多次聚合的硅烷单体及丙烯酸单体和模板刀豆a蛋白质分子；

图3是图示设计两次及多次聚合制备基于分子印迹高分子材料的化学传感器，由模板分子分步印迹聚合可以实现精确定义及控制的分子印迹空位；

图4是图示在硅烷单体和模板刀豆a蛋白质分子的混合溶液中的小粒子和大粒子。

具体实施方式：

如图1至图4所示，本发明的一种基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料的制备方法，本发明用硅烷单体及丙烯酸单体以刀豆a蛋白质分子为模型模板分子进行两次聚合制备的分子印迹高分子聚合物材料来演示。本发明所用的单体可以由多种单体混合而成，并不限于硅烷和丙烯酸两次聚合。演示用的硅烷单体及丙烯酸单体和模板刀豆a蛋白质分子见图2，包括以下几种：

·氨丙基三甲氧基硅烷或氨丙基三乙氧基硅烷(aptms或aptes)：只有一个氨基功能团的硅烷单体。

·n-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷（aeaptms）：有两个氨基功能团的硅烷单体。

·甲基丙烯酸酯氧基-丙基三甲氧基硅烷（maptms）：双功能的硅烷及丙烯酸单体，既是硅烷单体又是丙烯酸单体。

·四乙氧基硅烷（teos）：用作硅烷单体聚合的交联剂，对丙烯酸聚合不起作用。

·偶氮二异丁腈（aibn）：用作丙烯酸单体聚合的交联剂，对硅烷聚合不起作用。

·刀豆a蛋白质分子（cona）：模型模板分子，一种凝集素，分子量10.4-11.2万道尔顿。

图3示意了两次及多次聚合印迹，但是单体并不限于图2中所列举例子，聚合方法并不限于图3中所列举例子。图2中的氨丙基三乙氧基硅烷（aptes）是含氨基功能团的硅烷单体，其氨基容易和模板分子以氢键方式相互作用。甲基丙烯酸酯氧基-丙基三甲氧基硅烷（maptms）是双功能的硅烷及丙烯酸单体，既是硅烷又是丙烯酸。它的酯基可以和模板分子进行氢键作用。四乙氧基硅烷（teos）用于做硅烷单体聚合的交联剂。首先，让氨丙基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酸酯氧基-丙基三甲氧基硅烷，以及四乙氧基硅烷吸附在ph8.3的缓冲溶液中的模板刀豆a蛋白质凝集素分子上。然后，硅烷逐渐水解产生硅醇组，在溶液陈化过程中硅醇组进一步部分聚合（缩合反应）。接着，溶液涂布在底物上，比如镀金的石英晶片。在室温干燥以及陈化过程中，硅醇组进一步聚合交联在金表面形成有一定交联度的-(o-si-o-)n聚硅烷。膜于金表面结合得相当牢固。四乙氧基硅烷交联剂可以有效控制初次的硅烷聚合。如果四乙氧基硅烷过量，交联度就太高导致模板分子被高度交联的基质束缚得过于紧，后续模板的去除过程就容易导致分子印迹空位破裂、变形以及塌陷，这样的话对于目标模板分析物的灵敏度和选择性都会降低。如果四乙氧基硅烷量不够，交联度不足以固定待印迹的模板分子的位置，在随后的步骤中模板分子可能会移动，造成印迹空位大小形状以及空间构造于模板分子不完全一样，对于目标模板分析物的灵敏度和选择性也会降低。通过初次的硅烷单体聚合，刀豆a蛋白质分子部分位点与聚合基体中的氨基和酯基有氢键作用，这些位点的空间位置被固定，整个蛋白质分子被大体固定了。室温干燥以及陈化后，加热干膜以引发第二次聚合，也就是甲基丙烯酸酯的聚合。这是甲基丙烯酸酯单体的自由基聚合，由偶氮类或者过氧化物类引发剂在紫外光或者热作用下引发。更多种类或数量的丙烯酸单体以及交联剂可以用于丙烯酸聚合，便于得到合适聚合度以及交联度的第二次聚合。在这个举例反应中，加热到90摄氏度保留2个小时就足以聚合丙烯酸单体了。第二次聚合合适的聚合度和交联度使得聚合基质进一步包裹了模板分子。第二次聚合让聚合基质中的酯基位置被进一步固定，使得与酯基有相互作用的模板分子被进一步固定，整个模板分子被基质包裹的更严密一些。如有需要，可以在此演示体系中加入更多的单体以及不同的引发剂，以实现多次聚合达到更精准地控制分子印迹空位大小尺寸、几何形状、周边基质功能团的种类以及密度和空间构型。最后，去除模板分子以产生精确定义以及控制的分子印迹空位。本发明把粗糙的一步聚合精细化多步化聚合，可以更好地调控分子印迹空位与模板分子更加匹配，以达到对目标模板分析物高选择性和高灵敏度。

那么如何通过制备方法来调控这种分子印迹聚合物材料呢。

每一次聚合反应后，可以对印迹空位进行测试看看模板分子与产生的印迹空位结合的情况，以判断每一步分子印迹聚合是否刚好、不足或过头。目标模板分析物分子与印迹空位上的相应功能团相互作用而吸附在空位上，分子印迹空位的大小尺寸、几何形状、周边基质功能团的种类以及密度和空间构型则影响吸附牢固度、吸附分子种类。分子印迹空位则影响吸附分子的数量。譬如可以用石英微天平进行评估。石英共振频率变化足够大，就说明灵敏度足够高。石英共振频率只对目标模板分析物分子产生变化而对干扰分子不产生变化，说明选择性很好。分子印迹聚合是不足还是过头比较难判断，需结合干扰分子的吸附情况进行判断。目标模板分析物分子吸附量低的情况下，如果干扰分子吸附量大，应该是印迹聚合不足，反之则是印迹聚合过头了。如果印迹聚合不足，可以加多一步或多步聚合直到印迹聚合足够。如果印迹聚合过头了，则需要调整之前的一次聚合，包括交联剂以及相应的单体的种类和数量。这样，分子印迹就可以很好地控制以达到预期要求的灵敏度和选择性。

一个大的生物分子一般有许多功能团、几个次单位、不同大小形状、ph质变化时不同的空间构型、以及分子手性或局部手性。传统分子印迹高分子聚合物材料制备中所用的简单粗糙的一步聚合印迹技术难以印迹这样的复杂生物大分子。而本发明则能通过把一步聚合两步或多步化从而有效地解决这个问题。生物大分子的复杂特征在两步或多步的聚合印迹中得以一一被精确地印迹下来。本发明基于两次或多次聚合形成的分子印迹高分子聚合物材料通过以上特殊制备方法具有如下一些重要特征：

1)分子印迹空位可以有开口

一个大的模板生物分子通常有几个纳米大小，如果聚合基质完全把它包裹，那么模板的去除会遇到困难。只能把大的模板分子用酸、碱、氧化剂以及生物酶降解成小碎片，然后用溶剂萃取、表面活性剂乳化或电泳等各种方法把小碎片给清除，留下印迹空位。然而，即使把大的模板生物分子降解清除了留下了分子印迹空位，目标模板分析物同样的大生物分子也难以通过层层障碍到达闭合的印迹空位。表面印迹是一种办法，但是由于二维表面容量远小于三维空间，灵敏度会受到影响。本发明可以通过有选择性地只印迹大分子的比较有特性的一端而另一端先用低交联或未交联的聚合物保护起来，再溶解低交联或未交联的聚合物，被保护起来的那一端就可以做成印迹开口通道。

2)印迹空位可以有维度空间盈余

一个生物大分子通常不是严格球形。如果印迹空位和生物大分子一模一样大小，那么只有将目标分析物生物大分子调整到某一个角度才能顺利进入空位，而且次角度非常之小。如果印迹空位能比分子稍微大一些，则此进入角度就会变大一些，便于印迹空位捕捉目标分析物分子。本发明可以通过印迹功能团多少以及聚合印迹次数来控制印迹空位留有一些维度空间盈余，目标分析物分子进入印迹空位的角度加大，灵敏度得以提高。

3)印迹空位可以选择性地与目标分析物分子特征部位相互作用

一个大分子上通常有许多功能团。同一类大分子上通常由一些特征性的功能团或片段。有时候需要印迹一类分子，而不仅仅是一个分子。印迹一类分子的好处是印迹高分子材料可以和这一类分子都相互作用。用作化学传感器的话，可以检测一类分子。本发明可以选择性地聚合印迹一类分子的特征功能团，通过两次或多次聚合来实现。

本发明所用的聚合包括，但不限于缩合（比如硅烷），自由基，热，电，乳液，溶液，悬浮，沉淀，光，等离子体，可逆加成-碎片链转移，原子转移自由基，氮氧化物辅助，开环聚合，等。

本发明两次或多次聚合印迹高分子聚合物材料也可以同时印迹两种或多种模板分子。第一种模板分子可以用初次聚合印迹，第二种模板分子用第二次聚合印迹，依次类推。或者，初次聚合可以印迹多种模板分子的某些功能团，然后第二次聚合可以印迹多种模板分子的另一些功能团，依此类推。

本发明两次或多次聚合印迹高分子聚合物材料可以由表面印迹制备。模板分子先吸附在粒子或者底物表面，然后进行两次或多次聚合印迹，最后把聚合物从粒子或底物表面上剥离下来。剥离方法可以用洗脱或者溶解吸附表面。

本发明的两次或多次聚合印迹高分子聚合物材料制备过程会比传统的单步印迹方法更复杂更耗时，但是所获得的技术优势非常显著，解决了大生物分子印迹聚合物材料选择性和灵敏度低的问题。

实施例子

下面举例说明本发明两次或多次聚合印迹高分子聚合物材料的制备过程，以非印迹高分子聚合物材料为对照。

1)预混合物a:200微升氨丙基三甲氧基硅烷或氨丙基三甲氧基硅烷氨丙基三乙氧基硅烷，100微升甲基丙烯酸酯氧基-丙基三甲氧基硅烷，100微升四乙氧基硅烷，8毫克偶氮二异丁腈。

2)预混合物b:10.0毫克刀豆a蛋白质分子溶解在4.0毫升1倍浓度磷酸盐缓冲盐溶液或去离子水中。（如果制备非印迹高分子材料，不加刀豆a蛋白质分子）

3)初次聚合–水解缩合反应制备ab溶液：移取40微升a到b里面，混匀，陈化25分钟。

4)预混合物c:移取20微升ab（上层溶液）到140微升磷酸盐缓冲盐溶液或去离子水中，混匀。

5)继续初次聚合并把高分子材料涂布固定在金表面：移取40微升c到12毫米直径的镀金圆形石英晶片上。

6)室温自然干燥。

7)第二次聚合：加热到90摄氏度保持2小时。

8)去除模板分子：用去50毫升离子水、10倍浓度的磷酸盐缓冲盐溶液、乙醇以及去离子水各洗3遍。

如表1所示，膜厚300纳米的印迹高分子材料选择性比膜厚150纳米的印迹高分子材料只是略微差一些。当硅烷单体加入到刀豆a蛋白质分子水溶液中并搅拌均匀，硅烷单体的甲氧基或乙氧基开始水解，产生si-oh硅醇组，硅醇组再互相反应部分缩合形成si-o-si硅氧键。随着反应时间变长，缩合反应产生更多的si-o-si硅氧键，继而形成聚硅烷粒子。随着反应时间增加，粒子逐渐生长变大，在不搅拌的情况下由于重力作用粒子开始下沉。小粒子下沉比较慢，大粒子下沉比较快。慢慢反应溶液下层出现了更多的聚硅烷大粒子，而聚硅烷小粒子大多滞留在反应溶液是上层（图4）。小粒子具有比较大的比表面，有利于提高灵敏度。因此，采用上端溶液比较好。如表1所示，样品#270918a由上层溶液制备而成，具有最高的目标分子干扰分子频率变化比df1/df2（1/9.8）比从中层溶液制备而成的样品#270918b的目标分子干扰分子频率变化比df1/df2（1-刀豆a蛋白质分子，2–牛血清蛋白质分子）1/10略高一些。而从底层溶液制备而成的样品#270918c对目标分子-刀豆a蛋白质分子完全不吸附，只吸附干扰分子牛血清蛋白。频率变化由石英微天平测得。

表1

如表2所示，低浓度的硅烷和刀豆a蛋白质分子混合溶液（#170817a以及#170817d）有利于形成聚硅烷小粒子，因此可以改善选择性。表2实验结果证明了第二次聚合-甲基丙烯酸聚合进一步提高了选择性。当硅烷和刀豆a蛋白质分子混合溶液被稀释20倍（#170817a），印迹高分子材料对目标分子-刀豆a蛋白质分子的选择性提高了10.03倍，目标分子干扰分子频率变化比df1/df2从1/5.9（#131216a）增加到1.7/1（#170817a）。样品#170817a以及#131216a都只是一次聚合（硅烷聚合）印迹高分子材料。样品#170817d是两次聚合印迹高分子材料，初次聚合是硅烷聚合，第二次聚合是丙烯酸聚合。样品#170817d的目标分子干扰分子频率变化比df1/df2进一步提高到4.1/1，比单次聚合的样品#170817a高了2.41倍。也就是说，第二次聚合-丙烯酸聚合进一步提高了对目标分子的选择性。

表2

另一种选择是，初次聚合-硅烷聚合也可以在溶液中先完成。如表3所示，样品#021017e硅烷聚合在氨水催化下在溶液中完成，然后粒子依靠范德华力附着在金表面。其的目标分子干扰分子频率变化比df1/df2是1/2.4（重复数据点1/2.7），比只在溶液中部分聚合的样品#131216a的df1/df21/5.9要好2.46倍。样品#021017a3陈化时间90分钟比样品#131216a的陈化时间20分钟长得多，其所得的df1/df21/7.5（重复数据点1/6.9）要比样品#131216a的df1/df21/5.9更小，选择性更差。陈化时间太长（譬如90分钟）的话，上层溶液含有的小颗粒大部分也许下沉了或者变大了，其含有的小颗粒变得太少了。这也证明了选取含小颗粒数量多的上层清液的必要性。陈化时间也得控制好。

表3

如表4所示，用非水溶液体系制备二次或多次聚合印迹高分子材料印迹高分子材料也很成功。非水溶液体系的陈化时间也是关键参数，要严格控制不要过长。25分钟足够。样品#091017a和#091017b陈化时间分别为5和24小时，它们的df1/df2分别为1/10.6和1/15.1，远小于25分钟陈化的样品#131216a的df1/df21/5.9。

表4

如表4所示，样品#091017c使用1%十二烷基硫酸钠（sds）试剂来清除模板蛋白质分子，许多文献和专利都用这个试剂来清除蛋白质分子。无可否认这个试剂清除蛋白质分子是非常有效的。但是，本发明的实验证明了这个试剂清除模板蛋白质分子非常容易留下后遗症，可能使得一些印迹空位破裂，导致对目标模板分析物分子的灵敏度下降一半以上。

如表5所示，制备样品#170817d和样品#180917a的水溶液陈化时间是分别是25分钟和24小时，其目标分子干扰分子频率变化比df1/df2从4.1/1降低到1/5.8，下降了23.78倍，对目标模板分子的选择性吸附大大降低。而且，灵敏度也下降了很多。这两个样品都未用氨水做硅烷聚合催化剂，粒子会随着反应时间而增大或聚集成大粒子。所以，水溶液体系的聚合陈化时间也是重要参数，要严格控制。

表5

根据本发明的实施例已对本发明进行了说明性而非限制性的描述，但应理解，本发明的保护范围并不局限于此，在不脱离由权利要求所限定的相关保护范围的情况下，本领域的技术人员可以做出变更和/或修改，在此基础之上的任何修改、等同替换等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。