交聯(lián)改性方法的基本原理精選(九篇)

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第1篇：交聯(lián)改性方法的基本原理范文

【關(guān)鍵詞】環(huán)氧樹脂 涂料 研制 應(yīng)用

引言

環(huán)氧樹脂是1930年由瑞士Pierre Castan和美國SOGreenlee合成的。1947年先是美國Devoeand Reynolds，后是殼牌公司取得瑞士汽巴公司專利生產(chǎn)權(quán)，先后實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的粘結(jié)性、附著性、穩(wěn)定性、耐化學(xué)品性、絕緣性及機械強度等特性，被廣泛地用于涂料、黏合劑及復(fù)合材料等各個領(lǐng)域。中國于1956年開始研制環(huán)氧樹脂，并于1958年試產(chǎn)成功。環(huán)氧樹脂涂料是人們廣泛采用的防護涂料品種之一，環(huán)氧樹脂涂料形成的涂膜不僅對腐蝕介質(zhì)有屏蔽作用，而且能鈍化被保護金屬，起到電化學(xué)的作用，環(huán)氧樹脂涂料形成的涂膜以優(yōu)異“濕態(tài)”黏結(jié)力，使其他涂料望塵莫及。因此，環(huán)氧樹脂涂料一直是涂料領(lǐng)域研究的熱點。

1 環(huán)氧樹脂涂料的概述

以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)的涂料稱為環(huán)氧樹脂涂料，含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的化合物屬于環(huán)氧樹脂。環(huán)氧基團是由一個氧原子和兩個碳原子組成的環(huán)，具有高度的活潑性，使環(huán)氧樹脂能與多種類型固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。

1.1 環(huán)氧樹脂涂料的分類

環(huán)氧樹脂涂料是合成樹脂涂料的主要產(chǎn)品之一，大體上有五種分類方法（表1）。

在涂料工業(yè)中，以環(huán)氧樹脂涂料用途及狀態(tài)分類居多。

1.2 環(huán)氧樹脂涂料的組成

環(huán)氧樹脂涂料是由基料（包括環(huán)氧樹脂、環(huán)氧酯和改性用的合成樹脂）、固化劑、著色顏料及體質(zhì)顏料（或稱顏填料）、溶劑（包括水）、各種功能性助劑等材料組成。

1.3 環(huán)氧樹脂涂料的特性

1.3.1 附著力好

環(huán)氧樹脂涂料具有優(yōu)良附著力主要是由環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)及其固化反應(yīng)特點決定的。環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中具有環(huán)氧端基、羥基及醚鍵等極性基團，這些基團的存在使環(huán)氧樹脂分子與相鄰界面產(chǎn)生電磁吸附或化學(xué)鍵，因此環(huán)氧樹脂涂料涂膜與金屬、木材、混凝土等基材的表面能產(chǎn)生很強的黏結(jié)力。環(huán)氧涂料在交聯(lián)固化成膜中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較低，涂料在成膜過程中，很多因素都會導(dǎo)致涂膜內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生而造成涂膜的最終缺陷，尤其是涂膜對底材附著力的降低。

1.3.2 耐蝕性好

在環(huán)氧涂料固化成膜后，由于分子中含有穩(wěn)定的苯環(huán)和醚鍵，因此對化學(xué)介質(zhì)的穩(wěn)定性較好，如能適應(yīng)中等濃度的酸、堿和鹽等介質(zhì)。又因環(huán)氧樹脂涂料固化后成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又能耐油類的浸漬，也可以大量用于油輪、飛機等整體油箱內(nèi)壁襯里等的防腐。

1.3.3 韌性好

與熱固性酚醛樹脂涂料相比較，環(huán)氧涂料因含芳環(huán)結(jié)構(gòu)而堅硬，因含有醚鍵從而便于分子鏈的旋轉(zhuǎn)，具有一定的韌性，而不像酚醛樹脂很脆（因其交聯(lián)間距比環(huán)氧樹脂短）。環(huán)氧樹脂交聯(lián)間距長，便于內(nèi)旋轉(zhuǎn)，又因環(huán)氧樹脂分子量大，所以交聯(lián)間距長。

2 環(huán)氧樹脂涂料的研制

環(huán)氧樹脂涂料以狀態(tài)可分為四類：溶劑型環(huán)氧樹脂涂料、無（少）溶劑型環(huán)氧樹脂涂料，粉末型環(huán)氧樹脂涂料及水性環(huán)氧樹脂涂料。在這四種環(huán)氧樹脂涂料中，其中水性環(huán)氧樹脂涂料和粉末型環(huán)氧樹脂涂料的發(fā)展前景最為廣闊，所以本文主要介紹水性環(huán)氧樹脂涂料和粉末型環(huán)氧樹脂涂料的研制。

2.1 水性環(huán)氧樹脂涂料的研制

水性環(huán)氧樹脂是指通過物理或化學(xué)的方法，使環(huán)氧樹脂以微?；蛞旱蔚男问椒稚⒃谝运疄檫B續(xù)相的分散介質(zhì)中而配制的穩(wěn)定的分散體系。通常只有在固化劑中或者基料中引入羥基、羧基、氨基、醚鍵和酰氨基等親水基團，才能制得水性環(huán)氧樹脂涂料。它既具有溶劑型環(huán)氧涂料良好的耐化學(xué)品性、附著性、物理機械性、附著性、電氣絕緣性，又有低污染、價格便宜、施工簡便等特點，所以水性環(huán)氧樹脂涂料迅速發(fā)展到各行各業(yè)。根據(jù)制備方法的不同，環(huán)氧樹脂水性化可主要分為機械法、化學(xué)改性法和相反轉(zhuǎn)化法三種。

2.1.1 機械法

機械法即直接乳化法，是用球磨機、膠體磨、均氏器等設(shè)備將固體環(huán)氧樹脂預(yù)先磨成微米級的環(huán)氧樹脂粉末，在加熱的條件下加入乳化劑，機械攪拌即可得到水性環(huán)氧樹脂乳液。所采用的乳化劑較多是聚氧乙烯烷基酯（HLB值為9.0-1 6.5）、聚氧乙烯烷基醚（HLB值為10.8-16.5）及聚氧乙烯烷芳基醚（HLB值為10.9-19.5）等。用此方法制得的環(huán)氧樹脂乳液的優(yōu)點是制作工藝簡單，所需乳化劑的用量少，但乳液中環(huán)氧樹脂分散相微粒的粒徑較大（可達50 μm），粒子形狀不規(guī)則，粒度分布較寬，所制得的乳液穩(wěn)定性差，同時粒子間因容易發(fā)生相互碰撞而產(chǎn)生團聚，并且該乳液的成膜性也不好。

2.1.2 化學(xué)改性法

化學(xué)改性法又稱自乳化法，即將親水基團嵌段或接枝引入到環(huán)氧樹脂分子鏈上，使環(huán)氧樹脂獲得自乳化的性質(zhì)，當(dāng)對這種改性聚合物加水進行乳化時，疏水性高聚物分子鏈就會聚集成微粒，極性基團或者離子基團分布在這些微粒的表面，由于這些基團帶有同種電荷而相互排斥，只要滿足一定的動力學(xué)條件，就可以形成穩(wěn)定的水性環(huán)氧樹脂乳液，這是化學(xué)改性法制備水性環(huán)氧樹脂的基本原理。根據(jù)引入的具有表面活性作用的親水基團性質(zhì)的不同，化學(xué)改性法制備的水性環(huán)氧樹脂乳液可分為醚化型、酯化型、接枝型3種。

2.1.3 相反轉(zhuǎn)化法

相反轉(zhuǎn)化法是一種制備高分子量環(huán)氧樹脂乳液比較有效的方法，Ⅱ型水性環(huán)氧樹脂涂料體系所選用的乳液通常采用相反轉(zhuǎn)化法來制備。較常用的制備方法是在高剪切力的條件下，將乳化劑與環(huán)氧樹脂均勻混合，然后在一定的剪切條件下地向體系中緩慢地加入水，隨著加水量的逐漸增加，整個體系逐步由油包水型轉(zhuǎn)變?yōu)樗托?，形成均勻穩(wěn)定的體系。乳化過程通常是在常溫下進行，對于固態(tài)環(huán)氧樹脂，往往需要借助于少量溶劑和加熱使環(huán)氧樹脂粘度降低后再進行乳化。

2.2 粉末型環(huán)氧樹脂涂料的研制

環(huán)氧樹脂粉末涂料以雙酚A型環(huán)氧樹脂、脂肪族環(huán)氧樹脂和線形酚醛樹脂等為主體，配以固化劑、著色劑等助劑，在一定溫度下經(jīng)混煉，冷卻粉碎，分級過篩而制得。環(huán)氧樹脂粉末涂料無污染，涂膜堅固，熔融黏度低，流平性好，不需要底漆涂膜，所以其得到了廣泛的應(yīng)用。

目前對環(huán)氧樹脂涂料的生產(chǎn)主要采用的是一步法和二步法的生產(chǎn)工藝。一步合成法又可以分為水洗法和溶劑萃取法兩種；二步合成法又可以分為本體聚合法和催化聚合法兩種。在一步合成法中，水洗法和溶劑萃取法基本上是相同，只是在樹脂合成以后的處理方法不同。水洗法的處理方法是將樹脂直接用水洗至中性和無氯離子為止，這樣導(dǎo)致用水量非常大，往往要洗十幾遍才能達到目的。

2.2.1 溶劑法工藝流程

先將一定比例的雙酚A、環(huán)氧氯丙烷和有機溶劑投入反應(yīng)釜中進行攪拌，加熱溶解以后，在50℃-75℃之間滴加NaOH水溶液使其反應(yīng)。NaOH水溶液滴加完畢后，將反應(yīng)溫度升至85℃-95℃，繼續(xù)保溫8h-9h，然后加入大量溶劑進行萃取，再經(jīng)水洗、過濾、脫去溶劑即得成品。此方法反應(yīng)溫度易控制，成品樹脂透明度好，機械雜質(zhì)和凝膠粒子少，產(chǎn)品收率高。

2.2.2 溶劑的選擇

不同溶劑對環(huán)氧樹脂合成的影響，當(dāng)用二甲苯、甲苯及氯苯作為溶劑時得到的產(chǎn)品是不合格的。這可能是因為雙酚A在這些溶劑中溶解溫度太高，導(dǎo)致反應(yīng)溫度過高，使雙酚A與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)速度過快，生成的環(huán)氧樹脂分子量分布過寬。而使用混和溶劑使得雙酚A的溶解溫度大大降低，因此聚合溫度可控制在較低溫度范圍之內(nèi)（85℃-90℃）。這樣，雙酚A與環(huán)氧氯丙烷的聚合速度可以得到很好的控制，從而可得到合格的產(chǎn)品。

2.2.3 堿濃度的影響

NaOH溶液的濃度對環(huán)氧樹脂合成的影響，當(dāng)NaOH溶液濃度過高時得到的環(huán)氧樹脂不能成為粉末狀固體。這可能是由于堿濃度過高，反應(yīng)速度快，樹脂的分子量分布過寬所致。

2.2.4 堿用量的影響

堿用量的對環(huán)氧樹脂合成的影響，當(dāng)雙酚A：環(huán)氧氯丙烷：NaOH的摩爾比例為1：1.218：1.350時，有機氯含量約0.0001當(dāng)量/100g大大低于HG2-74 1-72標(biāo)準(zhǔn)（

2.2.5 反應(yīng)時間的影響

反應(yīng)時間對環(huán)氧樹脂合成的影響，從不同的反應(yīng)時間得到不同的環(huán)氧值可以看出，當(dāng)反應(yīng)時間小于8h時，其環(huán)氧值大于0.13，說明環(huán)氧樹脂的分子量偏低，聚合度小于4。當(dāng)反應(yīng)時間大于11h時，其環(huán)氧值小于0.12，說明環(huán)氧樹脂的分子量過高，聚合度大于4。因此反應(yīng)時間為8h-9h最好。

3 環(huán)氧樹脂涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 防腐蝕涂料

人們以防腐蝕涂料的特定要求為依據(jù)，設(shè)計出溶劑型、無溶劑型（包括粉末）和高固體分等環(huán)氧防腐蝕性涂料，應(yīng)用于鋼材表面、飲水系統(tǒng)、電機設(shè)備、油輪、壓載艙、鋁及鋁合金表面和特種介質(zhì)的防腐蝕，獲得了優(yōu)異的效果。

3.2 艦船涂料

海上的潮氣、鹽霧、強烈的紫外線和微堿性海水浸濕等苛刻環(huán)境，對涂料是一種嚴(yán)峻考驗。環(huán)氧涂料附著力強，防銹性和耐水性優(yōu)異，機械強度和耐化學(xué)藥品性良好，在艦船防護中起重要作用。將環(huán)氧涂料用于船殼、水線和甲板等部位，發(fā)揮了耐磨、耐水、耐油和黏結(jié)性強等特點。環(huán)氧飲水艙涂料已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

3.3 電氣絕緣涂料

環(huán)氧涂料形成的涂層具有電阻系數(shù)大、介電強度高、介質(zhì)損失小和三防（耐濕熱、耐霉菌、耐鹽霧）性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于浸漬電機和電器等設(shè)備的線圈，繞阻和各種絕緣纖維材料，以及各種組合配件表面的涂覆，還可用于黏結(jié)各種絕緣材料和導(dǎo)線涂料的涂裝及制作各種澆注料等。

3.4 食品罐頭內(nèi)壁涂料

可利用環(huán)氧涂料的耐腐蝕性和優(yōu)異的黏結(jié)性，制成抗酸、硫等介質(zhì)的食品罐頭的涂料；還可將環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸（丙烯酸）進行接枝反應(yīng)，制得飲料內(nèi)壁涂料，它是一種水溶性環(huán)氧涂料，用于啤酒和飲料瓶內(nèi)壁，已工業(yè)化生產(chǎn)，使用效果良好。

3.5 水性涂料

用環(huán)氧脂配制的水性電泳涂料具有獨特的性能。涂層不但具有良好的防腐蝕性，而且具有一定的裝飾性和保色性。電泳涂料除在汽車工業(yè)上應(yīng)用外，還用于醫(yī)療器械、電器和輕工產(chǎn)品等領(lǐng)域。雙組分環(huán)氧樹脂涂料對核反應(yīng)堆裝備進行防護，容易除去放射性污染。

4 環(huán)氧樹脂涂料的發(fā)展趨勢

隨著四大支柱產(chǎn)業(yè)的不斷興起，環(huán)氧樹脂涂料的需求量也在不斷的增加。今后，罐用涂料、防腐蝕涂料、功能性涂料和環(huán)保型涂料將成為環(huán)氧樹脂涂料的支柱產(chǎn)品和開發(fā)應(yīng)用的主戰(zhàn)場。

4.1 罐用涂料

開發(fā)食品級環(huán)氧樹脂涂料方興未艾，前途無量。食品罐用涂料的一般要求：一是以符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)及高安全性作為保證條件；二是保持包裝食品有長久原味，同時應(yīng)減少因燃燒或加熱而產(chǎn)生二氧化碳的量；三是所用環(huán)氧樹脂等組分都應(yīng)具有高純度、高穩(wěn)定性和特殊改性，保證涂膜優(yōu)異的防腐性和防霉性；四是盡可能的減少有機溶劑的用量。

4.2 防腐涂料

第2篇：交聯(lián)改性方法的基本原理范文

關(guān)鍵詞 分子印跡傳感器； 生物大分子； 綜述

1 引 言

1.1 分子印跡技術(shù)

1.1.1 分子印跡的發(fā)展 分子印跡起源于20世紀(jì)30年代，Polyakov[1]和Dicky[2]首次提出了特異性吸附的硅膠，研究其對甲基橙和乙基橙的特異性吸附能力。此后，研究者一直局限于“抗原-抗體”相互作用的思維。直到1972年，Wulff等[3]提出了“分子印跡（Molecular imprinting）”的概念，成功制備了具有對D-甘油酸對映選擇性的分子印跡聚合物，使分子印跡技術(shù)取得了突破性的進展。1993年Vlatakis 等[4]在《Nature》上發(fā)表了關(guān)于茶堿分子印跡聚合物的研究，對分子印跡具有的特異性識別能力進行了第一次系統(tǒng)性的描述，形象地將分子印跡聚合物稱為“塑料抗體”[5]。該文章的發(fā)表直接促進了分子印跡技術(shù)在近20年內(nèi)的飛速發(fā)展。目前，分子印跡技術(shù)已在材料學(xué)[6]、分析化學(xué)[7]、生物化學(xué)[8，9]、生物醫(yī)藥[10]學(xué)科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，分子印跡在蛋白質(zhì)乃至生物大分子方面的應(yīng)用仍然是最具有挑戰(zhàn)性的課題之一。1985年，Glad等[11]利用有機硅烷單體制備了蛋白質(zhì)分子印跡聚合物，在高效液相色譜中表現(xiàn)出對糖蛋白的親和性。由于生物大分子尺寸巨大、構(gòu)象復(fù)雜，分子印跡技術(shù)在生物大分子的應(yīng)用進展緩慢。直到表面分子印跡技術(shù)[12]及抗原決定簇[13]印跡方法的興起，生物大分子印跡漸漸成為了分子印跡研究的熱點。本文主要就分子印跡技術(shù)在生物大分子傳感器中的應(yīng)用進展進行綜述。

1.1.2 分子印跡技術(shù)基本原理 分子印跡技術(shù)主要原理[14]是將功能單體、模板分子以交聯(lián)劑或者電聚合的方式通過特殊的作用力相結(jié)合制備出分子印跡聚合物，而后通過一定的溶劑或者其它方式洗脫除去模板分子留下與模板分子大小、形狀、空間構(gòu)型都互補的孔穴，從而具有對模板分子進行特異性識別的能力。構(gòu)成分子印跡技術(shù)的基本要素有： （1）功能單體 與模板分子形成識別位點；（2）交聯(lián)劑 將功 能單體與模板分子固定下來形成具有一定空間構(gòu)象的高聚物；（3）引發(fā)劑 通常分子印跡有化學(xué)聚合和電聚合兩種方式，在化學(xué)聚合中需要特定的引發(fā)方式如光、電、熱、化學(xué)物質(zhì)等將已連接單體的模板分子通過交聯(lián)劑形成分子印跡聚合物；（4）洗脫劑 對已聚合的物質(zhì)進行洗脫處理，從而形成對目標(biāo)物質(zhì)具有特異性識別能力的孔穴。

基于功能單體與模板分子之間的相互作用力的不同，研究者提出了3種聚合物結(jié)合方式： （1）由Wulff等[3]提出的預(yù)組裝法，功能單體與模板分子間以可逆的共價鍵相結(jié)合，通過打斷共價鍵的方式去除模板分子，由于共價鍵較為穩(wěn)定，其所形成的分子印跡聚合物也較穩(wěn)定，印跡孔穴的結(jié)合位點較為均一，但同時也導(dǎo)致了洗脫過程和響應(yīng)時間較長。（2）Vlatakis 等 [4]提出了以“非共價作用”自組裝模板分子，主要以氫鍵、范德華力、π鍵等弱作用力將單體與模板分子相結(jié)合，降低了模板分子洗脫的難度，加快了響應(yīng)時間。（3）1995年，Whitcombe等[15]結(jié)合了共價作用和非共價作用，提出了“半共價法”，在聚合過程中用共價鍵的形式結(jié)合，而通過非共價作用進行特異性識別，提高了分子印跡聚合物的穩(wěn)定性的同時，加快了印跡識別的響應(yīng)時間，成功制備了膽固醇分子印跡聚合物。

1.1.3 分子印跡技術(shù)特點與應(yīng)用 分子印跡技術(shù)具有顯著的特點： （1）構(gòu)象預(yù)定性 分子印跡聚合物中的模板分子是預(yù)先設(shè)定的，根據(jù)模板分子的不同，可以選擇不同的單體進行分子印跡聚合物的制備。（2）識別特異性 模板分子在經(jīng)過單體、交聯(lián)劑的共同作用下形成剛性空間結(jié)構(gòu)，在洗脫模板分子后，聚合物空腔中依然存在與模板分子特異性結(jié)合的位點，從而達到類似于抗原-抗體的相互作用機制。（3）環(huán)境耐受性 聚合物具有的剛性結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)良的環(huán)境耐受性，耐酸堿、耐高溫、抗惡劣環(huán)境等。（4）使用壽命長 可重復(fù)使用、造價低廉和穩(wěn)定性高。這些特點為分子印跡材料在仿生傳感器[16，17]、靶細胞給藥[18]、模擬酶[19，20]、固相萃取[21，22]等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。但分子印跡技術(shù)應(yīng)用的模板多數(shù)為有機物[23～27]、金屬離子配合物[28，29]等小分子化合物，而對生物大分子如蛋白質(zhì)、DNA、病毒等的應(yīng)用總體處于研究的初期階段。因此，有必要對分子印跡在生物大分子中的應(yīng)用進行總結(jié)，從而尋求更大的突破。

1.2 生物大分子及印跡技術(shù)

生物大分子指的是作為生物體內(nèi)主要活性成分的各種分子量達到上萬或更多的有機分子。生物大分子大多數(shù)是由簡單的生物單分子聚合而成的，蛋白質(zhì)的組成單位是氨基酸，核酸的組成單位是核苷酸等，它們是構(gòu)成大分子的基本物質(zhì)[30]。蛋白質(zhì)、核酸和多糖是3類主要的生物大分子，它們在分子結(jié)構(gòu)和生理功能上差別很大，然而，在以下幾個方面又顯示出共性： （1）在活細胞內(nèi)，生物大分子和相應(yīng)的生物小分子之間的互變，通常通過脫水縮合，或加水分解。蛋白質(zhì)鏈（或稱肽鏈）、核酸鏈和糖鏈都有方向性，盡管方向性的體現(xiàn)各不相同。（2）蛋白質(zhì)、核酸和多糖分子都有各具特征的高級結(jié)構(gòu)，正確的高級結(jié)構(gòu)是生物大分子執(zhí)行其生物功能的必要前提。（3）在活細胞中，三類生物大分子密切配合，共同參與生命過程，很多情況下形成生命活動必不可少的復(fù)合大分子，如白、糖蛋白。隨著生物醫(yī)學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展，對蛋白質(zhì)等生物大分子的檢測也受到了極大的關(guān)注，建立快速、簡單、特異性強、高通量的生物大分子檢測方法已經(jīng)成為分析科學(xué)的研究重點之一。從1991年Dhal等[31]利用Cu2+的配位作用，制備了對咪唑化合物進行分子識別的表面分子印跡聚合物至今，將分子印跡技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)[16，32，33]、DNA[34～37]、細胞[38，39]、病毒[40，41]等生物大分子檢測識別的研究一直是分子印跡應(yīng)用的主要方向之一。據(jù)Web of Science統(tǒng)計，相關(guān)的年發(fā)表文獻量由1996年的10余篇增加到2014年的100余篇。

與小分子印跡技術(shù)相比，大分子印跡技術(shù)存在更大的困難和挑戰(zhàn)。首先，模板分子的洗脫及識別困難是大分子印跡技術(shù)面臨的最主要問題。目前報道中，強酸、強堿、乙醇、PBS緩沖是常規(guī)印跡技術(shù)中洗脫的常用手段，而在蛋白質(zhì)等大分子印跡中，因尺寸較大，洗脫效果一直存在效率過低的問題[8]。此外，高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致了目標(biāo)分子擴散受到限制，從而結(jié)合能力低，平衡時間較長。表面分子印跡技術(shù)是目前解決模板分子傳質(zhì)阻力較大的主要方法，例如印跡納米絲或印跡納米微球等[33，42，43]。在此基礎(chǔ)上，利用蛋白酶的降解作用來洗脫模板蛋白受到蛋白分子印跡研究者的重視[44]，Moreira等[32]在酰胺化的金電極表面先固定肌紅蛋白，采用丙烯酰胺類功能單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺作交聯(lián)劑在電極表面自組裝分子印跡層，然后用蛋白酶K消解除去模板肌紅蛋白。以鐵氰化鉀為離子探針，采用方波伏安法（SWV）測量，檢出限達0.28 μg/mL，其原理如圖1。

Wang等[45]在玻璃基質(zhì)表面利用硼酸親和作用先共價結(jié)合模板糖蛋白，通過自聚合多巴胺和間氨基苯硼酸形成親和力導(dǎo)向可控的表面分子印跡聚合物，在高pH環(huán)境中顯示高效的硼酸親和作用，在酸性環(huán)境中呈現(xiàn)較低的親和作用。以辣根過氧化氫酶（HRP）為例，當(dāng)pH=9.0時解離常數(shù)Kd=6.6×10 9，pH=3.0時， Kd=2.7×10 7，且在pH調(diào)整中并不影響分子印跡的特異性識別能力，表現(xiàn)出良好的選擇性。其原理如圖2。

此外，用于制備MIP的介質(zhì)種類有限。在有機相中制備MIP已經(jīng)日漸成熟，而以水溶液為介質(zhì)的制備研究卻較少，而生物分子酶、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)通常在水環(huán)境中較穩(wěn)定。研究水相中生物大分子印跡膜的合成方法是一個重要方向。最后，生物大分子印跡識別的機理還沒有得到較為完整且系統(tǒng)的理論，大分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和印跡聚合物作用力的多樣性都成為其機理研究主要困難，只有解決了這個問題才會使大分子印跡傳感器得到進一步的發(fā)展。

2 生物大分子的分子印跡方法

將分子印跡技術(shù)應(yīng)用到蛋白質(zhì)等大分子至今，其印跡方法可以分為： （1）整體印跡[46～48]（Bulk imprinting），整體印跡又稱為包埋法，主要特征是模板分子大都聚合在印跡物內(nèi)部，在印跡過程中由于傳質(zhì)阻力的增大存在再識別的效率不高，聚合物有效尺寸過低等問題。常用的聚合方法有本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合和沉淀聚合等。（2）表面印跡法 （Surface imprinting）， 區(qū)別于整體印跡技術(shù)的三維印跡，表面分子印跡是指在載體或者基質(zhì)表面制備分子印跡聚合物，由于其識別位點位于載體或者基質(zhì)的表面，在一定程度上降低了印跡孔穴洗脫和再識別的傳質(zhì)阻力，特別適合于蛋白質(zhì)等生物大分子的分離檢測。表面印跡的方式主要有電聚合[49]、印跡微球[50]、印跡納米粒子[33，51，52]等。（3）抗原決定基法[13，53，54]（Epitope approach）又名“子結(jié)構(gòu)”印跡方法[55]，受抗原-抗體相互通過一小段活性位點進行識別的啟發(fā)，近年來，研究者在蛋白質(zhì)分子印跡中，將一小段暴露的蛋白多肽序列作為模板分子進行印跡，得到的聚合物不僅能識別這一段多肽序列，更能進一步的識別整個蛋白質(zhì)大分子，從而避免了由于蛋白尺寸過大導(dǎo)致的識別效率過低、傳質(zhì)阻力過大等困難，同時，小段多肽聚合物材料具有更優(yōu)良的特異性識別作用，近年受到越來越多的研究者的關(guān)注。

3 大分子印跡傳感器

受益于分子印跡聚合物類似于生物識別系統(tǒng)（抗原-抗體、酶-底物、激素-受體等）的高選擇特異性，且具有比生物識別材料更好的環(huán)境耐受性、更低的制作成本、更好的穩(wěn)定性。生物傳感器的敏感元件使用的酶、激素等生物敏感材料對適用條件和環(huán)境的苛刻要求，極大地限制了其發(fā)展。分子印跡技術(shù)不僅擁有生物傳感器的高識別能力，同時具有生物敏感材料所缺少的高穩(wěn)定性的特點，因而分子印跡傳感器是生物傳感器的理想發(fā)展方向之一。隨著分子印跡聚合物的模板分子不只是局限于小分子印跡，將分子印跡應(yīng)用于傳感器方向?qū)⒂懈鼮閺V闊的應(yīng)用前景，例如制作一些具有免疫抑制性的人工抗體。

分子印跡聚合物的合成是分子印跡研究的關(guān)鍵步驟，當(dāng)洗脫完成后MIPs與模板分子結(jié)合，產(chǎn)生物理或者化學(xué)信號，轉(zhuǎn)換器（壓電晶體、電極、電阻等）將信號轉(zhuǎn)換為可定量輸出的檢測信號，通過檢測信號實現(xiàn)對待測物質(zhì)的檢測，這就是一個傳感的過程，根據(jù)轉(zhuǎn)換信號的不同，可以大致的分為光學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器、質(zhì)量型傳感器。

3.1 光學(xué)型印跡傳感器

光學(xué)傳感與分子印跡聯(lián)用通常有熒光[56]、發(fā)光[57]和表面等離子共振[58]（SPR）型。光學(xué)傳感具有的高靈敏度，分子印跡光學(xué)傳感的檢出限在小分子檢測中通常能達到ng級，因此，人們正在積極探索將其應(yīng)用于痕量大分子檢測的可能性。Sunayama等[59]合成了一種由甲基丙烯?；?、仲胺基、苯甲酸基三種功能團構(gòu)成的單體，在改性的玻璃基質(zhì)上制備了溶菌酶分子印跡膜，在移除溶菌酶分子后，在MIP仲胺基上引入熒光染料，只有當(dāng)靶蛋白與分子印跡膜重新結(jié)合后，才能產(chǎn)生熒光信號，通過熒光信號的差異檢測目標(biāo)蛋白，測定結(jié)果可與SPR相媲美。采用類似的策略，Sunayama等[60]合成了一種新的功能單體MDTA，將蛋白識別信號轉(zhuǎn)換為熒光信號，其檢測原理如圖3。Liu等[61]用磁性納米粒子來進行MIP表面印跡物的分離，用熒光探針檢測信號，建立了對目標(biāo)酶蛋白的選擇性檢測的新方法。其在Fe3O4磁性納米粒子表面印跡了對DNase I具有特異選擇性的聚合納米材料，通過外加磁場分離出目標(biāo)酶蛋白聚合物，進而洗脫出DNase I，用熒光探針進行酶含量的檢測。

3.2 分子印跡電化學(xué)傳感器

分子印跡電化學(xué)傳感器（MIECSs）是目前最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的傳感器體系，根據(jù)響應(yīng)信號的不同可以分為電流（安培和伏安）、電位、電導(dǎo)、電容（阻抗）、場效應(yīng)等類型。其中報道最多的傳感器主要是電流型和電容型，它們的主要區(qū)別是MIPs與模板分子進行重吸附后產(chǎn)生的檢測信號的不同。分子印跡電化學(xué)傳感器的印跡敏感膜制備方法大致有電聚合法、滴涂法、原位引發(fā)聚合以及自組裝法。電聚合法是使用最為廣泛且較為成熟的聚合膜制備方法，通?？梢苑譃楹汶娢环ā⒑汶娏鞣ㄒ约把h(huán)伏安法。循環(huán)伏安法可通過對電化學(xué)參數(shù)及掃描圈數(shù)來控制成膜的厚度，重現(xiàn)性良好且操作較為簡便而應(yīng)用廣泛。電聚合采用的功能單體有導(dǎo)電型和非導(dǎo)電型。在大分子印跡領(lǐng)域，還對單體的生物相容性提出了要求。導(dǎo)電型印跡膜單體通常有吡咯、苯胺等，非導(dǎo)電型單體主要采用鄰苯二胺、對氨基苯硫酚、苯酚等。

3.2.1 電容（阻抗）型傳感器

電容型分子印跡傳感器依據(jù)的是以印跡膜選擇性識別目標(biāo)分子前后電容或阻抗的變化作為檢測信號，其優(yōu)點是不需要外加試劑或者探針，可以提供實時信號，特別適用于一些非電活性物質(zhì)的檢測。

Cai等[16]在玻璃基板上生長碳納米管陣列，嵌入SU8-2002聚合材料，以苯酚為單體，構(gòu)建了人體鐵蛋白的阻抗型電化學(xué)傳感器，檢測的線性范圍達到1×10 12 ～ 1×10 7 g/L，其原理見圖4。Zhang等[62]用溶膠-凝膠及自組裝技術(shù)在Au電極表面聚合了人血清白蛋白，運用壓電石英晶體阻抗技術(shù)及電化學(xué)阻抗技術(shù)，以鐵氰化鉀為探針分子，對人血清白蛋白進行了定量檢測，檢出限為10 6 mg/mL。

3.2.2 電流型傳感器 電流型分子印跡傳感器是目前電化學(xué)傳感器應(yīng)用最多的類型，以識別前后電流變化作為響應(yīng)信號，既可以直接檢測電活性印跡分子的氧化-還原電流，也能通過底物探針如鐵氰化鉀[63]對非電活性物質(zhì)進行間接測定。常規(guī)的電流型分子印跡傳感器靈敏度不高，特別是在大分子如蛋白質(zhì)檢測方面。如何提高傳感器的靈敏度是目前重要的研究方向。納米材料為該問題的解決提供了一個有力的工具[64]。Wang等[49]在石墨烯改性玻碳電極上修飾離子液體，用電聚合吡咯的方法制備了牛血紅蛋白分子印跡電極（圖5），用鐵氰化鉀為離子探針，采用DPV法測定目標(biāo)蛋白在電極上印跡前后的電流變化值實現(xiàn)對BHb的測定，檢出限達30 pg/L。實踐證明，納米材料在印跡傳感器信號放大中有廣闊的應(yīng)用前景[65～70]。

3.2.3 電位型傳感器 分子印跡電位型傳感器采用的響應(yīng)信號是分子識別前后電極電位的變化，識別過程中探針或模板分子不需要擴散穿過印跡膜，降低了信號響應(yīng)時間。Wang等[71]通過在Au涂層表面自組裝多羥基硫醇單分子膜建立對肌紅蛋白和血紅蛋白的電位型分子印跡傳感器，傳感器表現(xiàn)出了對目標(biāo)蛋白的優(yōu)異選擇性。Moreira等[72]采用了類似的方法在硅珠表面自組裝有機硅烷的單分子膜構(gòu)建了肌紅蛋白的電位型傳感器。

3.3 質(zhì)量型傳感器

分子印跡質(zhì)量型傳感器主要包括壓電石英晶體微天平型[73，74]（QCM）及表面聲波傳感器型（SAW）。其中較為常用的是QCM型，它是在石英晶體電極表面固定識別元件，通過印跡識別前后振幅、頻率等的變化得到目標(biāo)分子質(zhì)量及濃度信息來達到檢測目標(biāo)分子的目的。而SAW與QCM的區(qū)別是共振頻率更高，具有更高的靈敏度。Rick等[75]用溶菌酶和細胞色素C混合蛋白作為模板分子，采用間氨基苯硼酸（APBA）作為功能單體，在過硫酸銨的引發(fā)下，將聚合的印跡物涂覆在QCM金電極表面，通過比較識別前后的頻率變化來對物質(zhì)濃度進行檢測。結(jié)論顯示出此聚合物電極具有特異性識別混合蛋白的能力，對模板蛋白的檢出限低至1.39 × 10 9 mol/L（圖6）。Reddy等[76]合成了以牛血紅蛋白和胰島素為模板，采用丙烯酰胺類功能單體，制備了親水型分子印跡水凝膠，利用QCM對目標(biāo)蛋白進行檢測。文章同時考察了四種丙烯酰胺類功能單體的特異性結(jié)合能力，通過計算印跡膜與非印跡膜的識別位點數(shù)比值α確定在最佳條件下丙烯酰胺功能單體具有最佳的特異性吸附能力。

3.4 在分子成像中的應(yīng)用

分子成像是近年來將分子生物學(xué)與成像技術(shù)相結(jié)合的新領(lǐng)域，它具有可視化、動態(tài)采集、全面反映等特點。隨著原子力顯微鏡、分子成像技術(shù)等的逐漸普及和分子造影技術(shù)的長足發(fā)展，分子印跡技術(shù)也逐步用于分子成像可視化分析[77]。此外，分子印跡-分子成像技術(shù)近年來也不再局限于界面表征，Alessandro等[78]用納米二氧化硅作為載體材料，有機硅烷作為功能單體，利用表面印跡的方法和分子成像技術(shù)對番茄叢矮病毒和蕪菁黃花葉病毒的印跡行為進行識別和分析。隨著高分辨率及高通量電子顯微鏡的普及，印跡技術(shù)在分子成像中的應(yīng)用將會更加廣泛，病毒、細菌等生物活體的在線監(jiān)測也將具有良好的研究前景。

4 生物大分子分子印跡傳感器的展望

分子印跡技術(shù)利用仿生原理進行分子識別，它具有的高度特異性和對生物活性物的高親和性及良好的穩(wěn)定性都為其在生物大分子的分析應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著生命分析科學(xué)的發(fā)展，大分子印跡技術(shù)將不再局限于蛋白質(zhì)、DNA等的識別檢測，細胞、細菌乃至病毒等帶有生命體征的“模板”將會是分析工作的下一個重點。其次，新材料的應(yīng)用，例如石墨烯、MOF材料、C60等的應(yīng)用對提高大分子分析檢測的靈敏度和穩(wěn)定性有巨大的潛力。最后，印跡傳感器的微型和便攜化，例如芯片實驗室等，同樣是分析工作的重要領(lǐng)域。傳感器的微型化優(yōu)勢不僅僅表現(xiàn)在野外現(xiàn)場檢測，在大規(guī)模的傳染性疾病的臨床檢測中，同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

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