CN101870788B - 基于分子印迹纳米球的传感介质膜及其制备方法和应用 - Google Patents

基于分子印迹纳米球的传感介质膜及其制备方法和应用 Download PDF

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本发明公开了一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜及其制备方法和应用，其特征在于所述传感介质膜通过以下方法制备：(1)通过微乳液聚合法或沉淀聚合法合成分子印迹纳米球作为成膜组分原料；(2)将步骤(1)得到的分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂法在非导电或导电基底上旋涂固化形成基于分子印迹纳米球的传感介质膜。该介质膜的分子印迹聚合物种类品种可选范围大，有效避免了印迹聚合与成膜两种过程中溶剂不匹配的问题。

Description

基于分子印迹纳米球的传感介质膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜及其制备方法和应用。
背景技术
白光干涉反射光谱(Reflectometry Interference Spectroscopy，RIfS)技术利用可见光干涉的原理，通过分析干涉模式的变化来检测材料界面分子的富集量，具有使用简便、免标记和灵敏的优点。RIfS的核心是传感介质膜和膜上结合的分子构成法布里-佩罗(Fabry-Perot)干涉单元。国内外RIfS光谱应用集中在环保、临床检验以及生物材料生物相容性的研究。其敏感层主要为聚苯乙烯聚醚和聚硅氧烷等聚合物干涉层的传感介质膜，表面采用亲水高聚物进行修饰以提高吸附性能。但这样的传感介质膜缺乏分子选择性，除非进行复杂的表面修饰，否则难以对复杂体系进行定量研究。
分子印迹(molecular imprinting)材料是一种具有模拟生物分子识别能力的聚合物材料，不仅对特定模板分子有高度亲和性和选择性，同时具有抗恶劣环境能力强、稳定性好的优点。利用分子印迹聚合物薄膜作为RIfS的传感介质膜可有效提高RIfS传感器的选择性。用于传感介质膜的分子印迹聚合物薄膜一般在纳米级厚度，主要采用原位聚合和电化学聚合法制备。目前，RIfS传感器印迹聚合物介质膜的制备方法还存在局限性。
电化学聚合法所选基底需要是导电基底，同时单体必须能够通过电极的氧化还原反应形成聚合物。原位聚合法是印迹聚合物的形成过程与成膜过程同时进行，功能单体、模板分子和交联剂在辅助成膜材料存在下在基底上通过旋涂形成所需的薄膜，并进一步聚合形成印迹聚合物。然而，一方面成膜过程和印迹聚合过程可能相互干扰，降低薄膜的质量可控性；另一方面，印迹聚合物制备和旋涂成膜两个过程中溶剂都是重要的参数。因此现阶段采用原位聚合法中经常遇到两个过程的溶剂不一致甚至不匹配的问题，这就限定了一些分子印迹体系的原位聚合成膜，限制了众多印迹聚合物材料在RIfS传感器介质膜中的应用。本发明由此而来。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜，解决了现有技术中基于分子印迹聚合物形成的传感介质膜原位聚合制备时溶剂参数难以调配，导致分子印迹体系难以原位聚合成膜等问题。
为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：
一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜，其特征在于所述传感介质膜通过以下方法制备：
(1)通过微乳液聚合法或沉淀聚合法合成分子印迹纳米球作为成膜组分原料；
(2)将步骤(1)得到的分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂法在非导电或导电基底上旋涂固化形成基于分子印迹纳米球的传感介质膜。
优选的，所述传感介质膜的光学厚度在50～1000nm间。
本发明的另一目的在于提供一种制备基于分子印迹纳米球的传感介质膜的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)通过微乳液聚合法或沉淀聚合法合成分子印迹纳米球作为成膜组分原料；
(2)将步骤(1)得到的分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂法在非导电或导电基底上旋涂固化形成基于分子印迹纳米球的传感介质膜。
优选的，所述方法步骤(1)沉淀聚合法包括将印迹模板分子、功能单体在适宜的溶剂中溶解后加入交联剂和引发剂进行聚合反应；反应后洗脱去掉印迹模板分子得到分子印迹纳米球。
优选的，所述方法中模板分子选自氯霉素、己烯雌酚；所述交联剂选自二甲基丙烯酸乙二醇酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的一种。
优选的，所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述功能单体选自N，N-二乙基胺乙基甲基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸、亚甲基丁二酸、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶、乙烯基咪唑、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺中的一种。
优选的，所述方法步骤(1)制备的分子印迹纳米球的粒径范围在50-800nm间。
优选的，所述方法步骤(2)所述成膜溶剂选自聚苯乙烯、聚乙烯醇溶液。
本发明的又一目的在于提供一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜在作为白光干涉反射光谱传感器的传感介质方面的应用。
本发明技术方案可以在非导电和导电基底上制备基于分子印迹纳米球的RIfS传感器介质膜，其关键在于利用独立制备的纳米级印迹微球作为成膜组分，将分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂技术在所选基底上形成厚度可控的分子印迹薄膜。成膜过程与分子印迹聚合物的制备完全无关，成膜质量可通过通常的旋涂技术进行优化和提高。同时，分子印迹纳米球通过悬浮方式分散于辅助成膜材料的溶液中，成膜溶剂不影响分子印迹聚合物的选择。
本发明的分子印迹纳米球(Molecularly imprinted polymericnanospheres，MIPNs)可以通过现有技术中已有的方法来制备，如微乳液聚合法和沉淀聚合法。微乳液聚合与普通乳液聚合的差别是在体系中引入了助表面活性剂的同时，采用了高速搅拌法、高压均化法和超声波分散法等微乳化工艺。微乳液聚合法中由于乳液具有高稳定性、粒径大小均一以及速溶的特点，在克服常规聚合体系中存在的一些问题如控制相对分子质量及其分布方面具有潜在的优势。微乳液聚合法合成的微球粒径分布比较窄，通常它适用于制备粒径在50nm到500nm之间的微球。然而由于助表面活性剂以及表面活性剂的存在，在某种程度上，对纳米微球的纯度有一定的影响，甚至影响纳米微球的某些性能。而沉淀聚合法与微乳液聚合法相比不需在反应体系中加入任何稳定剂，并由于其高交联的刚性表面，聚合物微球能稳定存在；而且印迹分子结合的位点分布均匀，结合系数高，制备快速方便，微球粒径分布范围窄，应用非常广泛。
本发明将预先制备的分子印迹纳米球悬浮在合适的辅助成膜材料的溶液中，通过旋涂技术制备包含分子印迹纳米球的薄膜作为RIfS传感器的介质膜。使分子印迹聚合与成膜两个过程相互分开，可互不干扰地进行优化选择，从而提高了传感器介质膜的质量可控性。同时，通过独立过程预先制备印迹纳米球，印迹聚合物材料的种类没有限制，大大扩展了用于为RIfS传感器介质膜的分子印迹聚合物种类。
依本发明的方法，介质膜中分子印迹聚合物的浓度可精确调节。所得薄膜的光学厚度可在100-1000nm内调节。薄膜吸附模板分子后的光学厚度变化与模板分子的浓度呈线性关系，可作为为RIfS传感器的介质膜。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
1.本发明技术方案中选择独立制备的纳米级印迹微球作为成膜组分，将印迹聚合过程和成膜过程分开，得到了基于分子印迹纳米球的传感介质薄膜。本发明制备传感器介质膜的方法与原位制备分子印迹薄膜不同，本方法选择预先制备的纳米级印迹微球作为成膜组分，将印迹聚合物的形成过程与传感器介质膜的成膜过程分离，有效改善了所制备介质膜的稳定性，扩展了能够用于传感器介质膜的印迹聚合物种类。
2、本发明避免了原位制备印迹薄膜的缺陷，有效提高印迹薄膜的质量稳定性和增加用于制备RIfS传感器介质膜的印迹聚合物种类。将其应用于白光反射干涉光谱(RIfS)传感技术领域，使得所述分子印迹纳米球薄膜的光学厚度在纳米范围内可控，可制备光学厚度在几十纳米到1微米的分子印迹聚合物薄膜；而且所述分子印迹纳米球薄膜可作为白光反射干涉传感器的传感介质膜，薄膜吸附模板分子后光学厚度的变化与模板分子的浓度呈线性变化关系。这些特性都为白光反射干涉光谱的研究和应用带来了方便，而且印迹聚合物种类品种可选范围大。
3、本发明技术方案中所述分子印迹纳米球的粒径可在50-800nm间变化。所述分子印迹纳米球薄膜采用常规的旋涂技术制备。将一定浓度的印迹纳米微球悬浮在成膜高分子材料的溶液中，利用匀胶机采用通常的旋涂技术在RIfS传感器基底上制备纳米级厚度的介质膜。所用的成膜高分子材料包括但不限于聚苯乙烯、聚乙烯醇。制备方法简单易用，方便工业上实施。
综上所述，本发明提供了用于白光反射干涉光谱(RIfS)传感器的选择性介质膜及其制备技术。具体地说，该介质膜的制备方法采用非原位的方法制备分子印迹聚合物薄膜作为RIfS传感器的选择性介质膜。首先制备所需的纳米尺寸的分子印迹微球，所得的印迹微球按照通常的方法脱去模板分子。将脱去模板分子的印迹微球悬浮于成膜材料的溶液中，再采用通常的旋涂技术在RIfS传感器基底上制备纳米级光学厚度的薄膜。由于印迹材料的制备过程与成膜过程分离，有效避免了两种过程中溶剂不匹配的问题，扩展了可用于制备RIfS传感器选择性介质膜的分子印迹聚合物种类。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明实施例1制备的氯霉素印迹纳米球的扫描电镜照片；
图2为本发明实施例1氯霉素印迹纳米球薄膜的扫描电镜照片；
图3为本发明实施例1所制备的氯霉素印迹纳米球薄膜吸附氯霉素前后的RIfS光谱；
图4为本发明实施例1氯霉素印迹纳米球薄膜光学厚度的变化与氯霉素溶液浓度的关系；
图5为本发明实施例2制备的己烯雌酚印迹纳米球的扫描电镜照片；
图6为本发明实施例2己烯雌酚印迹纳米球薄膜吸附己烯雌酚前后的RIfS光谱；
图7为本发明实施例2己烯雌酚印迹纳米球薄膜光学厚度的变化与己烯雌酚溶液浓度的关系。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1基于氯霉素分子印迹纳米微球的介质膜的制备
本例中的分子印迹聚合物为氯霉素印迹聚合物。成膜材料为聚苯乙烯(PS)甲苯溶液。氯霉素印迹纳米球的制备如下：模板分子氯霉素(0.1527g)和功能单体DEAEM(0.189ml)充分溶解于200mL乙腈中，超声充分混合，再加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)(2.3625ml)和引发剂AIBN(20mg)，通N2 10min后密封，置于旋转蒸发仪上70℃加热。待反应聚合完全后，将溶液沉降离心，置于烘箱中60度烘干除去溶剂，收集白色聚合物，用甲醇-乙酸(8∶2，V/V)溶液洗脱，直至洗脱液中检测不到模板分子，最后用甲醇洗去残留乙酸，真空干燥至恒重。图1为所制备的氯霉素印迹纳米球的扫描电镜照片，粒径约400nm。
介质膜的制备如下：取1ml PS的甲苯溶液(32mg/ml)与5mg纳米球混合超声10分钟，将干净的镀有Ta2O5氧化物的载玻片放置在匀胶机上，取上述混合溶液旋涂，先以100-1000转/分的转速甩膜5-30秒，然后以2000-6000转/分的转速甩膜30-180秒，之后玻片放入40-80度的真空干燥箱中，30-90分钟后取出。图2为所得薄膜的扫描电镜照片，氯霉素印迹纳米球的分布比较均匀。
图3为所制备的氯霉素印迹纳米球薄膜吸附氯霉素前后的RIfS光谱，反映出薄膜吸附氯霉素分子后导致薄膜的光学厚度发生明显变化。
图4显示所制备的氯霉素印迹纳米球薄膜在不同浓度的氯霉素溶液中吸附1小时后，光学厚度的变化与氯霉素溶液浓度呈很好的线性关系，可以作为RIfS传感器检测氯霉素的工作曲线。在一个例子中，在牛奶中掺入定量的氯霉素，利用标准的固相萃取提取牛奶中的氯霉素，用高效液相色谱检测萃取液中氯霉素的含量为4.49mmol/L，回收率为90.2％(HPLC：检测波长254nm，流动相为甲醇/水＝60/40(V/V)，流速为1ml/min，固定相为硅胶键合的C18 Kromasil(i.d.4.6×20mm)色谱柱)；而三次通过RIfS光谱检测得到氯霉素印迹纳米球薄膜在萃取液中吸附前后的光学厚度变化为2.05±0.03nm，由图4工作曲线得到氯霉素浓度为4.55±0.07mmol/L，相对标准偏差为1.5％，回收率为91％。印迹膜的RIfS光谱检测结果与色谱定量检测结果一致，说明本发明所制备的印迹薄膜可以作为RIfS光谱传感器的介质膜。
实施例2基于己烯雌酚分子印迹纳米微球的介质膜的制备
本例中的分子印迹聚合物为己烯雌酚印迹聚合物。成膜材料为聚苯乙烯(PS)甲苯溶液。己烯雌酚印迹纳米球的制备如下：模板分子己烯雌酚(0.1342g)和功能单体丙烯酰胺(AA)(0.1422g)充分溶解于100mL乙腈中，超声充分混合，再加入交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)(1.9ml)和引发剂AIBN(19mg)，通N210min后密封，置于旋转蒸发仪上60℃加热。待反应聚合完全后，将溶液沉降离心，置于烘箱中60度烘干除去溶剂，收集白色聚合物，用甲醇-乙酸(8∶2，V/V)溶液洗脱，直至洗脱液中检测不到模板分子，最后用甲醇洗去残留乙酸，真空干燥至恒重。图5为所制备的己烯雌酚印迹纳米球的扫描电镜照片，粒径约为100nm。
介质膜的制备如下：取1ml PS的甲苯溶液(50mg/ml)与5mg纳米球混合超声10分钟，将干净的载玻片放置在匀胶机上，取上述混合溶液旋涂，先100-1000转/分的转速甩膜5-30秒，然后以2000-6000转/分的转速甩膜30-180秒，之后玻片放入40-80度的真空干燥箱中，30-90分钟后取出。
图6为所制备的己烯雌酚印迹纳米球薄膜吸附己烯雌酚前后的RIfS光谱，反映出薄膜吸附己烯雌酚分子后导致薄膜的光学厚度发生明显变化。
图7显示所制备的己烯雌酚印迹纳米球薄膜在不同浓度的己烯雌酚溶液中吸附1小时后，光学厚度的变化与己烯雌酚溶液浓度呈很好的线性关系，可以作为RIfS传感器检测己烯雌酚的工作曲线。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分子印迹纳米球的传感介质膜，其特征在于所述传感介质膜通过以下方法制备：
(1)通过沉淀聚合法合成分子印迹纳米球作为成膜组分原料；所述沉淀聚合法包括将印迹模板分子、功能单体在适宜的溶剂中溶解后加入交联剂和引发剂进行聚合反应；反应后洗脱去掉印迹模板分子得到分子印迹纳米球的步骤；
(2)将步骤(1)得到的分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂法在非导电或导电基底上旋涂固化形成基于分子印迹纳米球的传感介质膜。
2.根据权利要求1所述的基于分子印迹纳米球的传感介质膜，其特征在于所述传感介质膜的光学厚度在50～1000nm间。
3.一种制备权利要求1所述的基于分子印迹纳米球的传感介质膜的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)通过沉淀聚合法合成分子印迹纳米球作为成膜组分原料；所述方法沉淀聚合法包括将印迹模板分子、功能单体在适宜的溶剂中溶解后加入交联剂和引发剂进行聚合反应；反应后洗脱去掉印迹模板分子得到分子印迹纳米球的步骤；
(2)将步骤(1)得到的分子印迹纳米球、辅助成膜材料在成膜溶剂中混合，利用旋涂法在非导电或导电基底上旋涂固化形成基于分子印迹纳米球的传感介质膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方法中模板分子选自氯霉素、己烯雌酚；所述交联剂选自乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的一种。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述功能单体选自N，N-二乙基胺乙基甲基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸、亚甲基丁二酸、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶、乙烯基咪唑、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺中的一种。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方法步骤(1)制备的分子印迹纳米球的粒径范围在50-800nm间。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述方法步骤(2)所述成膜溶剂选自聚苯乙烯、聚乙烯醇溶液。
8.一种权利要求1所述的基于分子印迹纳米球的传感介质膜在作为白光干涉反射光谱传感器的传感介质方面的应用。
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