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氯磺隆分子印迹聚合物的合成、分子识别及其SPR传感器的研究

佘永新

   分子印迹技术(molecularly imprinted tchenology,MIT)是近年来发展起来的新技术。由于分子印迹聚合物(MIP)具有类抗体的特异性、高选择性、高强度等优点,与天然抗体相比制备简单,模板分子可回收重复利用,引起了极大关注。目前在国际上该技术已成功用于环境介质和食品中农兽药的检测,同时各种相关产品例如分子印迹固相萃取小柱(MI-SPE)、色谱整体柱、生物传感器等成熟产品已陆续在实践中使用。 磺酰脲类农药是一类高效、广谱、高选择性的除草剂,这类除草剂一般使用剂量小,但由于大多数属于长残效除草剂,在土壤和农作物中常常以痕量存在,现有的样品前处理方法不能满足当前快速检测的要求。基于分子印迹的除草剂类农药残留的提取、富集技术研究还处于初始阶段,在现有的MIP研究中,多是基于单一目标化合物的特异性分离设计的。而实际应用中,除草剂如磺酰脲类等农药多以混合物的形式使用,本论文基于分子识别原理,结合磺酰脲类农药的结构特性,选择合适的模板分子,优化功能单体与模板分子的比例,通过不同的制备方法研制出具有高度“类”特异性、选择性的分子印迹聚合物(MIP)及其微球;采用紫外光谱、高效液相色谱、电镜等手段对印迹分子聚合物进行表征分析,同时开发出磺酰脲类农药分子印迹国相萃取(MI-SPE)小柱,实现磺酰脲类农药残留的高效富集和分子印迹检测,在此基础上,初步研究了以MIP为敏感材料的SPR传感器检测技术。 本论文的主要研究成果和结论包括: (1)利用本体聚合和沉淀聚合法构建了以氯磺隆为模板的合成分子印迹聚合物的制备体系,合成了具有类特异性吸附3种磺酰脲类农药的分子印迹聚合物及其微球。试验以氯磺隆和单嘧磺隆等多种磺酰脲类农药为目标分析物,选择具有共性结构的模板分子,选择合适的功能单体、交联剂、体系分散剂和聚合引发剂等,获得了能同时吸附单嘧磺隆(MNS)、噻吩磺隆(TFM)、氯磺隆(CS)的分子印迹聚合物的体系。通过紫外光谱分析预测法研究了模板分子和不同功能单体的相互作用,确定了最佳的功能单体及其与模板分子的配比,筛选和优化了聚合体系中交联剂的种类和比例,分析了影响热聚合的因素及其制备条件。试验确定了不同合成方法中分子印迹聚合物的最佳制备程序,在本体聚合方法中,模板分子(CS)、功能单体(DEMA)和交联剂(EGDMA)的配比为1:4:20,致孔剂为乙腈,其用量为2 mL;在沉淀聚聚合方法中,试验确定了以模板分子(CS)、功能单体(DEMA)和交联剂(TRIM)的配比为1:4:4,致孔剂为乙腈,其用量为80 mL。其它制备条件均为预聚合时间为30 min;通氮气除氧的时间为10 min;超声作用10 min,60℃水浴聚合24 h。吸附性能试验结果表明:本体聚合法合成MIP对CS的最大吸附量为1200μg/g,沉淀聚合法制备的MIP对模板分子CS的吸附容量高达1400μg/g,这些聚合物同时对其结构类似物MNS和TFM具有一定的吸附能力。 (2)通过紫外光谱、红外光谱、高效液相色谱和扫描电子显微镜等技术手段对分子印迹聚合物(MIP)及微球的表面形态、吸附能力、特异性和选择性进行了识别机理的研究。利用Scatchard曲线分析其吸附性能,结果表明:MIP上的结合位点是不均匀的,是由两类结合位点构成的,其中高亲和性结合位点的解离常数Kd和最大结合量Qmax分别为0.083μg/mL和246.6μg/g;低亲和性结合位点的解离常数Kd和最大结合量Qmax分别为0.298μg/mL和477.7μg/g。功能单体与模板分子之间的分子自组装紫外光谱表明了印迹聚合物对模板分子的识别取决于模板分子与印迹聚合物空间位点的可逆互作效应。采用HATR-FTIR技术对饱和吸附前后聚合物的红外图谱进行了研究,结果表明:聚合物中的羰基-C=O和-CH3等活性基团均参与氢键的形成。此外,磺酰脲类农药共性结构中的酰胺基团对氢键的形成起关键作用,进一步解释聚合物及其微球对CS、MNS和TFM类特异性的识别机理。 (3)研究制备了能吸附3种磺酰脲类农药的通用性分子印迹固相萃取柱,并对其萃取条件进行了研究,建立了玉米样品中磺酰脲类农药残留的MI-SPE-LC-MS/MS检测方法。采用沉淀聚合方法合成了高度特异性、选择性的磺酰脲类农药的分子印迹微球,并以其为填料,研制了类特异性和通用性固相萃取小柱,确定了以乙腈为上样溶剂和淋洗溶剂,3 mL甲醇-乙酸(9:1,v/v)为洗脱溶剂的萃取条件。利用已制备的MIPs微球固相萃取小柱对玉米样品中的磺酰脲类农药进行了富集与净化,评价了MI-SPE小柱的实用性和去除干扰物的性能,建立了玉米中氯磺隆、单嘧磺隆和噻吩磺隆农药的高效压液相色谱-串联四极杆质谱检测方法,该方法检出限(LOD)为0.02μg/kg-1.45μg/kg,样品浓度在1μg/kg-50μg/kg范围线性关系良好,回收率为75%-110%。 (4)探索性地开展了基于分子印迹敏感膜芯片的表面等离子共振传感器(SPR)的研究,设计和研究了Vinyl基团共价键法、肽键法和PVC/MIP共聚膜法三种SPR芯片制备方法。试验分别对三种方法合成的芯片形貌、厚度、SPR角度、结合动力学等进行了分析研究,结果表明,三种方法合成的MIP芯片均具有SPR反应,均引起SPR角度的改变,MIP膜层厚度可控制在150 nm-2μm范围之间,在目标分析物结合试验中均表现出不同程度的吸附性能。相比较其他两种MIP-SPR芯片方法,PVC共聚膜法SPR芯片对目标分析物具有较好的吸附性能和选择性,该方法简单易操作,制备的MIP-SPR芯片稳定性好,为进一步开展实际样品中氯磺隆等磺酰脲类农药的分子印迹SPR传感器检测方法研究奠定了基础。……   
[关键词]:磺酰脲类农药;分子印迹聚合物;MI-SPE;识别机理;SPR传感器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业科学院2010年