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《北京大学》 2005年
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分子印迹聚合物亲和性和选择性的理论预测与调控

武利庆  
【摘要】:分子印迹聚合物(MIP)是一种具有分子识别能力的新型高分子材料,由于它具有预定性、识别性和实用性三大特点,因此在近年来发展非常迅速。与生物抗体相比,MIP的制备简单,具有抗恶劣环境的能力,表现出高度的稳定性和使用寿命长等优点。因此,它被广泛应用于色谱分离、固相萃取、生物传感器、模拟酶催化、临床药物分析等领域。虽然分子印迹已在各方面得到了广泛的应用,但对其分子识别机理的研究不够深入,从设计制备到评价和应用需要的周期较长,大大限制了其商业化的进程。 本文首先对国际和国内大量的关于MIP的研究进行了充分调研,总结归纳出目前MIP研究领域中的几个主要问题是:分子识别机理研究相对薄弱;MIP从设计、制备到评价的周期长,盲目性较大;一些小分子及含有分子内氢键的化合物印迹原性较差。根据文献调研并结合本课题组的前期工作,提出了论文的研究重点是建立一套用于指导MIP制备和预测MIP亲和性和选择性的理论模型,以解决MIP研究中缺乏理论指导的问题。同时开展印迹原性较差的模板分子的间接印迹(调控印迹)研究,以扩大MIP的适用范围。论文主要研究内容及创新点如下: 系统、全面地利用计算机模拟研究了几种MIP体系,建立了MIP亲和性和选择性预测的理论模型。该模型可以很好地模拟MIP的预组装、聚合、洗脱模板分子、以及与类似物的再结合等过程。先后考察了分子力场,CNDO、AM1、PM3等半经验算法和从头算算法对理论预测结果的影响,结果发现半经验的PM3算法以及从头算比较适合于MIP体系的理论预测。对烟酰胺和对羟基苯甲酸体系的系统研究表明理论预测的亲和性及选择性与实验结果一致。即:模板及其类似物与功能单体间的相互作用能与其在相应的MIP上的保留(容量因子)呈正相关性。 在选择性和亲和性理论研究的基础上,我们将所建立的计算机模拟方法应用到功能单体种类的筛选、功能单体比例的优化以及致孔剂的筛选上。研究选择烟酰胺为模板,甲基丙烯酸、丙烯酸、4-乙烯基吡啶、苯乙烯、丙烯酰胺和丙烯腈为功能单体,甲苯、乙腈、氯仿和甲醇作为致孔剂。利用上述理论预测模型, WP=6 结合MIP预组装体系中模板与功能单体之间相互作用的物料平衡,同时在理论计算中增加溶剂影响选项,得到以下三个结论:(1)对给定的模板分子,选择与其作用能大的功能单体有利于获得高亲和性和选择性的MIP;(2)理论计算中增加溶剂影响选项可以获得与实验结果更接近的结果;理论计算时对非质子性溶剂(甲苯、氯仿、乙腈)只考虑致孔剂的介电常数即可,但对质子性溶剂还需考虑致孔剂与功能单体及模板形成氢键对模板-功能单体形成预组装复合物的影响;(3)功能单体与模板的比例直接影响所制备的MIP对模板的色谱容量因子及印迹指数,并对模板类似物的选择性因子产生影响。对本论文所研究的体系,该比例在4:1-6:1之间比较合适。 利用计算模拟研究了多个MIP体系的分子识别的机理。(1)发现使用非手性功能单体时,L-扁桃酸MIP的手性选择性主要来源于模板孔穴的手性选择性;(2)解释了不同情况下分子内氢键对于分子印迹效果的影响:2-酰胺基吡啶由于形成分子内氢键,降低了它与功能单体甲基丙烯酸之间的氢键相互作用,从而使得相应的MIP的分子识别特性较差;虽然水杨酸也含有分子内氢键,但是它在与甲基丙烯酸相互作用时分子内氢键可以通过单键的旋转而打开,形成稳定的分子间氢键,所以水杨酸的MIP显示了良好的分子识别特性;以L-扁桃酸为模板、甲基丙烯酸为功能单体的MIP在识别水杨酸时也可以诱导水杨酸打开分子内氢键形成分子间氢键从而产生较强的保留,这与酶与底物结合时的“诱导-契合”现象类似;(3)不同功能单体-模板比例时所形成的复合物中功能单体与模板之间的相互作用能不同,这是所制备的MIP多抗性的来源之一。 以2-酰氨基吡啶为模板,4-乙烯基吡啶为功能单体时,由于存在分子内氢键而不能显示出印迹效果,而以2-酰氨基吡啶的铜络合物作为模板的MIP对络合物表现出良好的印迹效果,从而达到了间接识别2-酰氨基吡啶的目的。研究还发现该MIP对络合物的中心阳离子和配体阴离子都具有非常高的选择性,表明铜离子、2-酰氨基吡啶和乙酸根以络合物的形式被识别。将上述分子印迹的原理扩展到简单有机酸(甲酸、乙酸和丙酸)的间接分子印迹研究。结果显示通过这些酸的铜离子络合物作为模板进行间接分子印迹可以获得对这些有机酸具有良好的间接识别能力的MIP,这一思想具有良好的拓展性。 从总体上讲,本论文建立了MIP亲和性和选择性预测以及MIP制备条件优化 WP=7 的理论模型,该模型的预测结果与实验结果一致,丰富和发展了MIP理论,对指导MIP实践具有重要意义。同时,提出了利用金属络合物间接分子印迹法解决具有分子内氢键和简单有机酸类低印迹原性化合物的分子印迹问题,是解决一些分子印迹中的特殊问题的新思路。
【学位授予单位】:北京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:O631

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