印迹光子聚合物及其制备方法和应用.pdf

本发明公开了一种含有分子印迹光子聚合物(MIPP)的大孔基体，以及该大孔基体的制造方法。所述大孔基体可以例如用于检测样品中的如金属离子等小分子。

权利要求书
1.  一种大孔基体，所述大孔基体用于检测样品中的金属离子，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，所述MIPP包含至少一个针对所述金属离子的特异性结合空腔。

2.  如权利要求1所述的大孔基体，其中，所述结合空腔包含一个或多个针对所述金属离子的结合位点。

3.  如权利要求1～2中任一项所述的大孔基体，其中，所述大孔基体的平均孔径为约150nm～约400nm。

4.  如权利要求1～3中任一项所述的大孔基体，其中，所述大孔基体是内部连通的。

5.  如权利要求1～4中任一项所述的大孔基体，其中，所述大孔基体具有珠、凝胶、隔膜、颗粒、薄膜或其组合的形式。

6.  如权利要求1～5中任一项所述的大孔基体，其中，所述大孔基体具有薄膜的形式。

7.  如权利要求6所述的大孔基体，其中，所述薄膜的厚度为约2μm～约100μm。

8.  如权利要求1～7中任一项所述的大孔基体，其中，所述大孔基体附着于固体支持体。

9.  如权利要求8所述的大孔基体，其中，所述固体支持体为玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。

10.  如权利要求1～9中任一项所述的大孔基体，其中，所述MIPP包含壳聚糖聚合物、聚乙二醇聚合物、壳聚糖-聚乙二醇共聚物、乙烯基聚合物或其组合。

11.  如权利要求10所述的大孔基体，其中，所述乙烯基聚合物为聚(4-乙烯基苯并-18-冠醚-6)、聚(N-甲基丙烯酰-半胱氨酸)、聚(乙烯基苯甲酸酯)或其组合。

12.  如权利要求1～11中任一项所述的大孔基体，其中，所述金属离子为重金属离子。

13.  如权利要求1～11中任一项所述的大孔基体，其中，所述金属离子为Pb2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+或其组合。

14.  如权利要求1～11中任一项所述的大孔基体，其中，所述金属离子为Pb2+。

15.  一种大孔基体的制备方法，所述大孔基体用于检测样品中的金属离子，所述方法包括：
提供胶体晶体模板，其中，所述胶体晶体模板包含固体支持体上的胶体晶体阵列；
使所述金属离子与至少一种单体在使所述金属离子能够与所述单体结合的条件下接触；
形成第一组合物，所述第一组合物包含所述胶体晶体模板和已与所述金属离子结合的所述单体；
将所述第一组合物保持在能够使所述单体聚合和所述金属离子印嵌的条件下，以形成第二组合物；和
从所述第二组合物中去除所述胶体晶体模板和所述金属离子，以制备所述大孔基体。

16.  如权利要求15所述的方法，其中，所述胶体晶体为高分子胶体、无机胶体、金属胶体、陶瓷胶体、涂布胶体、半导体胶体或其组合。

17.  如权利要求15所述的方法，其中，所述胶体晶体为二氧化硅胶体晶体、聚苯乙烯(PS)胶体晶体、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体或其组合。

18.  如权利要求15所述的方法，其中，所述胶体颗粒为二氧化硅胶体晶体。

19.  如权利要求15～18中任一项所述的方法，其中，所述胶体晶体包含平均直径为约150nm～约400nm的胶体颗粒。

20.  如权利要求18所述的方法，其中，所述二氧化硅胶体晶体包含平均直径为约200nm的胶体颗粒。

21.  如权利要求15～20中任一项所述的方法，其中，所述单体包含至少一个氨基、至少一个羟基、至少一个羧基或其组合。

22.  如权利要求15～21中任一项所述的方法，其中，所述固体支持体为玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。

23.  如权利要求15～22中任一项所述的方法，其中，所述金属离子经螯合作用与所述单体结合。

24.  如权利要求15～23中任一项所述的方法，其中，所述单体为壳聚糖、聚乙二醇或乙烯基单体。

25.  如权利要求24所述的方法，其中，所述乙烯基单体为4-乙烯基苯并-18-冠醚 -6、N-甲基丙烯酰-半胱氨酸或乙烯基苯甲酸酯。

26.  如权利要求15～25中任一项所述的方法，其中，所述保持步骤在聚合引发剂的存在下进行。

27.  如权利要求26所述的方法，其中，所述聚合引发剂为2,2-偶氮双异丁腈(AIBN)、偶氮亚胺或过氧化苯甲酰。

28.  如权利要求15～27中任一项所述的方法，其中，所述保持步骤在交联剂的存在下进行。

29.  如权利要求28所述的方法，其中，所述交联剂为戊二醛。

30.  如权利要求15～29中任一项所述的方法，其中，所述保持步骤在紫外光照射下进行。

31.  如权利要求15～30中任一项所述的方法，其中，所述去除步骤包括使所述第二组合物与洗脱剂接触。

32.  如权利要求31所述的方法，其中，所述洗脱剂为氢氟酸或甲苯。

33.  一种用于检测样品中的金属离子的方法，所述方法包括：
提供疑似含有所述金属离子的样品；
使所述样品与大孔基体接触，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，所述MIPP包含至少一个针对所述金属离子的特异性结合空腔；和
检测所述大孔基体的变化。

34.  如权利要求33所述的方法，其中，所述变化为色度变化。

35.  如权利要求33～34中任一项所述的方法，其中，所述检测步骤通过光学传感器进行。

36.  如权利要求33～34中任一项所述的方法，其中，所述检测步骤通过使用者肉眼观察进行。

37.  如权利要求33～36中任一项所述的方法，其中，所述大孔基体的所述色度变化与所述样品中的所述金属离子的浓度相关联。

38.  如权利要求33～37中任一项所述的方法，其中，所述样品中的所述金属离子的浓度为约0.1nM～约10mM。

39.  如权利要求33～38中任一项所述的方法，其中，所述金属离子为重金属离子。

40.  如权利要求33～38中任一项所述的方法，其中，所述金属离子为Pb2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+或其组合。

41.  如权利要求33～40中任一项所述的方法，其中，所述金属离子为Pb2+。

42.  一种用于检测样品中的金属离子的设备，所述设备包括：
至少一个光源；和
接收器，所述接收器被配置为可接收所述光源发出的射线的至少一部分，其中，所述接收器包括大孔基体，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，所述MIPP包含至少一个针对所述金属离子的特异性结合空腔。

43.  如权利要求42所述的设备，所述设备还包括至少一个光检测器，所述光检测器被配置为测量由所述接收器发射或吸收的光。

44.  如权利要求41～43中任一项所述的设备，其中，所述光源被配置为发出紫外或紫光射线。

说明书印迹光子聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及用于检测样品中如金属离子等小分子的组合物和方法。
背景技术
诸如铅离子等金属离子在各种水体、土壤、作物和食品中的存在已成为全球性环境问题。一些常用方法和仪器可以实现金属离子的感测和特异性检测；但是，其使用受到多种不利因素的限制，如复杂的样品预处理、耗时的操作和较高的仪器和操作成本。对于高选择性和灵敏性地检测样品中金属离子的快速低成本方法存在需求。
发明内容
本文涵盖的一些实施方式包括用于检测样品中的金属离子的大孔基体，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(molecularly imprinted photonic polymer,MIPP)，其中，MIPP包含至少一个针对金属离子的特异性结合空腔。在一些实施方式中，结合空腔包含一个或多个针对金属离子的结合位点。
在一些实施方式中，大孔基体的平均孔径为约150nm～约400nm。在一些实施方式中，大孔基体是内部连通(interconnected)的。在一些实施方式中，大孔基体具有珠、凝胶、隔膜(membrane)、颗粒、薄膜(film)或其组合的形式。在一些实施方式中，薄膜的厚度为约2μm～约100μm。在一些实施方式中，大孔基体附着于固体支持体。在一些实施方式中，固体支持体为玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。在一些实施方式中，MIPP包含壳聚糖聚合物、聚乙二醇聚合物、壳聚糖-聚乙二醇共聚物、乙烯基聚合物或其组合。在一些实施方式中，乙烯基聚合物为聚(4-乙烯基苯并-18-冠醚-6)、聚(N-甲基丙烯酰-半胱氨酸)、聚(乙烯基苯甲酸酯)或其组合。
在一些实施方式中，金属离子为重金属离子。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+或其组合。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+。
本文所涵盖的一些实施方式包括一种用于检测样品中的金属离子的大孔基体的 制备方法，所述方法包括：(a)提供胶体晶体模板，其中，所述胶体晶体模板包含固体支持体上的胶体晶体阵列；(b)使金属离子与至少一种单体在使金属离子能够与单体结合的条件下接触；(c)形成第一组合物，所述第一组合物包含胶体晶体模板和已与金属离子结合的单体；(d)将第一组合物保持在能够使单体聚合和金属离子印嵌(imprinting)的条件下，以形成第二组合物；和(e)从第二组合物中去除胶体晶体模板和金属离子，以制备大孔基体。
在一些实施方式中，胶体晶体为高分子胶体、无机胶体、金属胶体、陶瓷胶体、涂布胶体、半导体胶体或其组合。在一些实施方式中，胶体晶体为二氧化硅胶体晶体、聚苯乙烯(PS)胶体晶体、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体或其组合。在一些实施方式中，胶体颗粒为二氧化硅胶体晶体。在一些实施方式中，胶体晶体包含平均直径为约150nm～约400nm的胶体颗粒。在一些实施方式中，二氧化硅胶体晶体包含平均直径为约200nm的胶体颗粒。
在一些实施方式中，上述单体包含至少一个氨基、至少一个羟基、至少一个羧基或其组合。在一些实施方式中，固体支持体为玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。在一些实施方式中，金属离子经螯合作用与单体结合。在一些实施方式中，单体为壳聚糖、聚乙二醇或乙烯基单体。在一些实施方式中，乙烯基单体为4-乙烯基苯并-18-冠醚-6、N-甲基丙烯酰-半胱氨酸或乙烯基苯甲酸酯。
在一些实施方式中，所述保持步骤在聚合引发剂的存在下进行。在一些实施方式中，聚合引发剂为2,2-偶氮双异丁腈(AIBN)、偶氮亚胺或过氧化苯甲酰。在一些实施方式中，保持步骤在交联剂的存在下进行。在一些实施方式中，交联剂为戊二醛。在一些实施方式中，保持步骤在紫外光照射下进行。
在一些实施方式中，所述去除步骤包括使第二组合物与洗脱剂接触。在一些实施方式中，洗脱剂为氢氟酸或甲苯。
本文所涵盖的一些实施方式包括一种用于检测样品中的金属离子的方法，所述方法包括：提供疑似含有金属离子的样品；使样品与大孔基体接触，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，MIPP包含至少一个针对金属离子的特异性结合空腔；和检测大孔基体的变化。在一些实施方式中，变化为色度变化。
在一些实施方式中，检测步骤通过光学传感器进行。在一些实施方式中，检测步骤通过使用者肉眼观察进行。在一些实施方式中，大孔基体的色度变化与样品中的金 属离子的浓度相关联。在一些实施方式中，样品中的金属离子的浓度为约0.1nM～约10mM。
在一些实施方式中，金属离子为重金属离子。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+或其组合。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+。
本文所公开的一些实施方式包括一种用于检测样品中的金属离子的设备，所述设备包括：至少一个光源；和接收器，所述接收器被配置为可接收光源发出的射线的至少一部分，其中，接收器包括大孔基体，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，MIPP包含至少一个针对金属离子的特异性结合空腔。在一些实施方式中，设备还包括至少一个光检测器，所述光检测器被配置为测量由接收器发射或吸收的光。在一些实施方式中，光源被配置为发出紫外或紫光射线。
附图说明
图1是图示了本申请范围内通过色度变化并使用含有MIPP的大孔基体检测金属离子的方法的实施方式的示意图。图1A显示了大孔基体及其与金属离子结合之前的颜色和带阻。图1B显示了大孔基体及其与金属离子结合之后的颜色和带阻。
图2描绘了本申请范围内的用于检测金属离子的设备的说明性实施方式(非按比例绘制)。
图3A～F是图示了本申请范围内的含有Pb2+-印迹MIPP的大孔基体的制备过程的实施方式的示意图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中参照了形成其一部分的附图。在图中，相同的符号通常指示相同的组成部分，除非上下文另外指出。具体实施方式、附图和权利要求中所描述的说明性实施方式并非意在限制。在不背离本文所呈现的主题内容的主旨或范围的情况下，可以利用其它的实施方式，也可以进行其它变化。容易理解的是，如本文一般性描述并如附图图示的本发明的各方面可以以各种不同设置进行排列、替换、合并、拆分和设计，而这些均在本文中得到明确预期。
本申请公开了用于检测样品中如金属离子等小分子的大孔基体，其含有分子印迹光子聚合物(MIPP)。如本申请所述，MIPP是通过光子晶体技术结合分子印迹技术制 得的聚合物，其包含至少一种针对目标小分子的特异性结合空腔。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体可以提供对包括金属离子(例如铅离子Pb2+)在内的小分子的高灵敏性、选择性且快速的检测。本申请还涉及这些大孔基体的制造方法、这些大孔基体的使用方法和包括这些大孔基体的小分子检测用设备。
含有分子印迹光子聚合物(MIPP)的大孔基体
分子印迹聚合物
分子印迹聚合物(MIP)是通过分子印迹技术制备的针对目标分子具有选择性吸附能力的聚合物。分子印迹可在如高分子有机材料等基底材料中生成目标分子特异性识别位点。分子印迹聚合物的制备通常包括将目标分子(即，要印嵌的分子)与一种官能性单体或多种官能性单体的混合物混合，以形成印迹/单体络合物，其中，目标分子通过共价键、离子键、疏水键、氢键或其他相互作用与官能性单体的互补部分相互作用或结合。然后使印迹/单体络合物聚合和/或交联成为高分子基体。目标分子随后与官能性分子分离(例如，断裂)，由此从聚合物基体中去除，从而在聚合物基体中留下“空腔”，其中，空腔具有与目标分子基本相似的形态与尺寸和/或针对目标分子的特异性识别位点。通常，分子印迹聚合物是具有多个分子尺度空腔的凝胶或高分子模具状结构，所述分子尺度空腔与目标分子互补，从而提供了与目标分子特异性结合的能力。
围绕模板实物的MIP聚合方法已描述于各种参考文献中，例如，Peter A.G.Cormack等,Journal of Chromatography B,804(2004)173-182(描述了MIP聚合有关方面的各种可用技术)、美国专利第4,127,730号(描述了分子印迹的共价方案)，和美国专利第5,110,833号(描述了分子印迹的非共价方案)。可以结合共价和非共价方案来合成MIP。例如，如Whitcombe等在“A new method for the introduction of recognition site functionality into polymers prepared by molecular imprinting:synthesis and characterization of polymeric receptors for cholesterol,”J.Am.Chem.Soc.,117:7105-7111(1995)中所公开的那样，可以使用共价型方案制备MIP，并使用非共价型方案通过非共价相互作用获得对目标分子的识别。如Wulff等在Macromol.Chem.Phys.190:1717,1727(1989)中所述，也可以结合共价型和非共价型方案制备MIP并且通过同一目标分子同时发生的共价和非共价相互作用而获得识别。结果，相互作用至少发生在识别位点的两个不同位点处。另外，美国专利第20100234565号还描述了用 于合成MIP的“半共价”方法。
可使用不同目标分子作为印迹目标以生成分子印迹聚合物。以下物质可用作印迹目标以制备相应的MIP：例如，小分子，如药物；刺激物；有机化学品；和金属离子，如Cu2+、Ni2+、Cd2+、Co2+、Hg2+、Pb2+以及贵金属和镧系金属的离子。
分子印迹光子聚合物(MIPP)
诸如光子水凝胶和光子离子液体聚合物等光子晶体聚合物能够高灵敏性地对如pH、金属离子、葡萄糖、肌酸酐和阴离子等各种刺激作出响应。在响应各种化学刺激时，将诱发光子晶体聚合物的光子带隙偏移，这可以导致光子晶体聚合物的颜色变化，因而随后能够通过使用比色法检测各种化学刺激。然而，光子聚合物通常是普遍性响应而非特异性响应(特别是对于源自分子或离子类似物的那些化学刺激)，因此它们一般不适合作为分析物检测用高特异性化学传感器。
如本申请所公开，光子晶体聚合物可以与分子印迹技术联合使用，以制备分子印迹光子聚合物(MIPP)。MIPP是在由如二氧化硅胶体晶体等胶体晶体制备的模板上制造的MIP。胶体晶体模板的多孔性使聚合性单体、目标分子和已结合的单体-目标分子能够渗透至胶体晶体模板的孔隙空间中，并使单体在孔隙空间内能够原位聚合。在蚀刻胶体晶体并洗脱印迹目标分子之后，MIPP形成大孔高分子基体。在一些实施方式中，含有MIPP的高分子基体包含有序三维大孔结构。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体具有反蛋白石结构。例如，大孔基体具有至少一个经由去除胶体晶体获得的大孔和至少一个分子尺度的空腔(即，纳米空腔)，所述空腔具有与目标分子基本相似的外观形态和尺寸。在一些实施方式中，大孔基体中有至少两个大孔是连通的。在一些实施方式中，大孔基体是内部连通的。目标分子形状的纳米空腔能够选择性地接收目标分子，因而能够将样品中的目标分子导引至其中的选择性结合位点。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体具有目标分子可特异性进入的至少一个残余纳米空腔。在一些实施方式中，大孔基体以可读的光信号响应于化学刺激。
如本文中所使用的，术语“结合空腔”是指含有MIPP的大孔基体中的分子尺度的空腔，所述空腔具有与目标分子基本相似的外观形态和尺寸。在一些实施方式中，结合空腔是目标分子特异性的。如本文中所使用的，术语“结合位点”是指含有MIPP的大孔基体的结合空腔中存在的位点，所述位点可以与如金属离子等目标分子特异性结合。在一些实施方式中，结合空腔包含一个针对目标分子的结合位点。在另一些实施 方式中，结合空腔包含两个以上针对目标分子的结合位点。目标分子与结合位点之间的结合相互作用不受任何方式的限制。结合相互作用的非限制性实例包括形成弱键合，例如范德华键、氢键、π供体-π受体键合和疏水性相互作用；和形成强键合，例如离子键、共价键和离子-共价键。
本申请所公开的大孔基体可以包括各种聚合物，如壳聚糖聚合物、聚乙二醇聚合物、壳聚糖-聚乙二醇共聚物、乙烯基聚合物、丙烯酸聚合物和丙烯酰胺聚合物或其组合。在一些实施方式中，乙烯基聚合物为聚(4-乙烯基苯并-18-冠醚-6)、聚(N-甲基丙烯酰-半胱氨酸)、聚(乙烯基苯甲酸酯)、聚(乙烯基吡啶)、聚(乙烯基咪唑)或其组合。在一些实施方式中，大孔基体包含壳聚糖聚合物、聚乙二醇聚合物和壳聚糖-聚乙二醇共聚物。在一些实施方式中，大孔基体包含聚(乙烯基吡啶)。不受缚于任何特定理论，认为聚合物(如壳聚糖聚合物)含有大量官能团，例如氨基、羟基和羧基；因此，在聚合物(如壳聚糖)中的官能团与金属离子(如铅离子)之间可以发生螯合作用，例如强螯合作用。而且，不受缚于任何特定理论，认为聚乙二醇可以通过分子构象变化而形成与金属离子匹配的冠醚状结构，并且这些相互作用可以改善大孔基体响应于如金属离子(包括铅离子)等目标分子的灵敏性，以及改善响应的选择性。
在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体的平均孔径为约50nm～1000nm、约100nm～约800nm、约120nm～约600nm、约140nm～约500nm、约150nm～约400nm、约170nm～约350nm、约190nm～约300nm或约180nm～约250nm。在一些实施方式中，大孔基体的平均孔径为约50nm、约100nm、约150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm、约600nm、约700nm、约800nm和这些值中任意二者之间的范围。在一些实施方式中，大孔基体的平均孔径为约150nm～约400nm的平均直径。在一些实施方式中，大孔基体的平均孔径为约200nm。
含有MIPP的大孔基体可以是各种形式。例如，大孔基体可以是珠、凝胶、隔膜、颗粒、纤维、箔、薄膜或其组合的形式。在一些实施方式中，大孔基体是珠、凝胶、隔膜、颗粒、薄膜或其组合的形式。在一些实施方式中，大孔基体处于薄膜、例如多孔聚合物薄膜的形式。在一些实施方式中，大孔基体是水凝胶的形式。在一些实施方式中，大孔基体是薄膜的形式。薄膜的厚度不受任何方式的限制。例如，薄膜的厚度可以为约0.1μm～约1000μm、约0.5μm～约500μm、约1μm～约300μm、约1.5μm～ 约200μm、约2μm～约100μm、约5μm～约80μm、约10μm～约50μm或约20μm～约40μm。在一些实施方式中，薄膜的厚度可以为约0.1μm、约0.5μm、约1μm、约1.5μm、约2μm、约5μm、约10μm、约20μm、约50μm、约100μm、约150μm、约200μm和这些值中任意二者之间的范围。
在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体附着于固体支持体上。固体支持体的实例包括但不限于玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。
本申请中所公开的一些实施方式包括用于检测金属离子的大孔基体，其中，所述大孔基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，MIPP包含至少一个针对金属离子的特异性结合空腔。在一些实施方式中，金属离子为重金属离子。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+或其组合。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+。
含有MIPP的金属离子检测用大孔基体的制造方法
本文所公开的一些实施方式包括金属离子检测用大孔基体的制造方法，其中，所述基体包含分子印迹光子聚合物(MIPP)，其中，MIPP包含至少一个针对金属离子的特异性结合空腔。
如上所述，MIPP是使用光子晶体聚合物结合分子印迹技术而合成的。MIPP是在由胶体晶体(如二氧化硅胶体晶体)制备的模板上制造的分子印迹聚合物。例如，可以使用胶体制备胶体晶体模板，所述胶体晶体模板使聚合性单体、目标分子和已结合的单体-目标分子能够渗透至其孔隙空间中，并使单体能够在孔隙空间中原位聚合。在一些实施方式中，在蚀刻胶体晶体并洗脱出印迹目标小分子之后，MIPP形成反蛋白石结构的大孔高分子基体。在一些实施方式中，大孔基体具有经由去除胶体晶体获得的至少一个大孔以及外观形态和尺寸与目标分子基本相似的至少一个结合空腔。
在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体的制造方法包括：(a)提供胶体晶体模板，其中，所述胶体晶体模板包含固体支持体上的胶体晶体阵列；(b)使金属离子与至少一种单体在使金属离子能够与单体结合的条件下接触；(c)形成第一组合物，所述第一组合物包含胶体晶体模板和已与金属离子结合的单体；(d)将第一组合物保持在能够使单体聚合和金属离子印嵌的条件下，以形成第二组合物；和(e)从第二组合物中去除胶体晶体模板和金属离子，以制备大孔基体。在一些实施方式中，将胶体沉积在固体支持体上以制备胶体晶体模板。可以使用各种支持体基底作为固体支持体，例如 玻璃、金属表面、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料、PTFE、甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、混合纤维素酯、聚碳酸酯、聚丙烯及其组合。在一些实施方式中，固体支持体为玻璃、尼龙、纸张、硝化纤维素、塑料或其组合。在一些实施方式中，固体支持体为玻璃。在一些实施方式中，固体支持体为PMMA。
本申请所公开的方法和组合物中可以使用具有任何形状的任何适当的胶体颗粒。胶体颗粒可以根据具体应用所需的最佳有序度和所得晶格间距进行选择。胶体(即，胶体颗粒)可以由下述材料制造，所述材料包括但不限于：如二氧化硅和氧化铝等无机基底；如聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等高分子材料；和如过渡金属、贫金属(post-transition metal)和半导体等金属。胶体可以包含如二氧化硅或氧化铝等单一材料，或者多种材料的组合，其包括但不限于金属、无机物或高分子材料的组合。胶体可以利用本领域已知技术制备。在一些实施方式中，胶体为高分子胶体、无机胶体、金属胶体、陶瓷胶体、涂布胶体、半导体胶体或其组合。在一些实施方式中，胶体为二氧化硅胶体、聚苯乙烯胶体、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体或其组合。
胶体可以为均质或非均质混合物。当由单一材料构成时，胶体是均质的。当由多种材料的组合构成时，胶体可以为该多种材料组合的均质混合物，或者不同材料可以分开在胶体的不同区域。例如，包含聚合物和无机材料的胶体可以具有处于胶体芯部的无机材料和在胶体外层的高分子材料。本领域技术人员将理解，具有至少两层材料的胶体可用于本文所公开的组合物和方法中，并且可以调整各层的组成和厚度以满足所需应用的需要。
可以使用各种尺寸的胶体颗粒。例如，胶体颗粒的平均直径可以为约50nm～1000nm、约100nm～约800nm、约120nm～约600nm、约140nm～约500nm、约150nm～约400nm、约170nm～约350nm、约190nm～约300nm或约180nm～约250nm。胶体颗粒的平均直径可以是约50nm、约100nm、约150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm、约600nm和这些值中任意二者之间的范围。在一些实施方式中，胶体颗粒的平均直径为约150nm～约400nm。在一些实施方式中，胶体颗粒为二氧化硅胶体颗粒。在一些实施方式中，二氧化硅胶体颗粒的平均直径为约200nm。
用于制备胶体混合物的溶剂的实例包括但不限于水、醇(如乙醇和丙醇)和任何极性质子溶剂。胶体溶液的浓度可以为约0.1质量%～约99质量%、约0.5质量%～约 50质量%、约0.8质量%～约40质量%、约1质量%～约30质量%、约2质量%～约20质量%、约3质量%～约10质量%或约5质量%～约8质量%。胶体溶液的浓度可以为约0.1质量%、约0.5质量%、约1质量%、约1.5质量%、约2质量%、约5质量%、约10质量%、约20质量%、约30质量%和这些值中任意二者之间的范围。在一些实施方式中，胶体溶液的浓度为约1质量%。
在一些实施方式中，通过促进用于将胶体沉积至固体支持体上的溶剂蒸发，来实现胶体结晶成为胶体晶体。结晶步骤采用的条件可以取决于所使用的溶剂、胶体的种类、胶体的尺寸、胶体溶液的浓度、结晶过程温度以及本领域技术人员显而易见的其他因素。用于使胶体晶体结晶的溶剂的实例包括但不限于水、醇(如乙醇和丙醇)和任何极性质子溶剂。本领域技术人员将理解，可以改变包括pH、溶剂的盐浓度、压力在内的其他变量，以产生具有所需特性的胶体晶体阵列。
胶体晶体的实例包括但不限于二氧化硅胶体晶体、聚苯乙烯(PS)胶体晶体、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)晶体及其任意组合。胶体晶体的形状不受任何方式的限制。例如，胶体晶体可以为正方形、圆形、椭圆形、三角形、矩形、多边形和环形的形状。在一些实施方式中，胶体晶体为二氧化硅胶晶。
在本申请所述的组合物和方法中，可以使用各种聚合性单体来结合目标分子，例如金属离子。在一些实施方式中，单体具有至少一个针对金属离子的结合位点。在一些实施方式中，单体具有至少两个针对金属离子的结合位点。在一些实施方式中，单体具有至少三个针对金属离子的结合位点。金属离子与单体之间的结合键的种类不受任何方式的限制，例如，结合键可以是共价或非共价键。在一些实施方式中，金属离子经螯合作用与单体结合。可用于结合金属离子的单体的实例包括但不限于：壳聚糖；聚乙二醇；丙烯酸树脂；丙烯酰胺；侧链中具有螯合基团(例如冠醚基团、巯基、羧基和酰氨基)的乙烯基单体，如4-乙烯基苯并-18-冠醚-6、N-甲基丙烯酰-半胱氨酸、乙烯基咪唑、乙烯基吡啶和乙烯基苯甲酸酯。在一些实施方式中，单体包含至少一个能够与金属离子螯合的官能团。在一些实施方式中，单体包含至少两个能够与金属离子螯合的官能团。在一些实施方式中，单体包含至少一个氨基、至少一个羟基、至少一个羧基、至少一个冠醚基或其组合。在一些实施方式中，单体中的官能团充当结合金属离子的螯合配体，从而能够形成单体与金属离子的稳定螯合化合物。
在一些实施方式中，将胶体晶体模板和已与金属离子结合的单体保持在适于单体 聚合的条件下。例如，单体可以在聚合引发剂的存在下进行聚合。聚合引发剂的非限制性实例包括2,2-偶氮双异丁腈(AIBN)、偶氮亚胺、过氧化物(如过氧化苯甲酰)及其组合。单体可以在交联剂的存在下进行聚合。交联剂的非限制性实例包括戊二醛、乙二醛、二甲基丙烯酸乙二醇酯及其组合。在一些实施方式中，单体在紫外光照射下进行聚合。
可以使用多种洗脱剂去除胶体晶体模板和金属离子以制备如本申请所述的含有MIPP的大孔基体。在一些实施方式中，使用至少一种洗脱剂。在一些实施方式中，使用至少两种洗脱剂。在一些实施方式中，用于去除胶体晶体模板的洗脱剂与用于去除金属离子的洗脱剂相同。在某实施方式中，用于去除胶体晶体模板的洗脱剂与用于去除金属离子的洗脱剂不同。洗脱剂的非限制性实例包括氢氟酸、甲苯和氯仿。在一些实施方式中，胶体晶体模板包含二氧化硅胶体晶体，并且洗脱剂为氢氟酸。在另一些实施方式中，胶体晶体模板包含PS和/或PMMA，并且洗脱剂为甲苯。在一些其他实施方式中，胶体晶体模板包含PS，并且洗脱剂为氯仿。
含有MIPP的多孔基体可以用在任何适当支持体上。支持体可以是MIPP能够结合、粘合、沉积、原位合成、填充和/或封装于其上或其中的任何柔性或刚性固体基板。支持体可以具有任何类型(nature)，例如生物、非生物、有机或无机类型或其组合。支持体可以为具有任何尺寸或任何形状的任何形式，例如，颗粒、凝胶、片、管、球、毛细管、尖端(tip)、薄膜或孔(well)的形式。例如，含有MIPP的大孔基体可以沉积和/或应用在下述支持体之上或之中，所述支持体选自多孔板、条带、纸张、基片、玻璃、二氧化硅板、薄层、多孔表面、非多孔表面或微流体系统。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体沉积和/或应用在玻璃上。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体沉积和/或应用在纤维素基底上。
金属离子的检测方法和设备
本申请的一些实施方式包括用于检测样品中如金属离子等小分子的方法和设备。
用于检测如金属离子等小分子的方法可以包括：提供疑似含有金属离子的样品，并使该样品与本申请所述的大孔基体接触。在一些实施方式中，金属离子与大孔基体的结合诱发大孔基体的光子学和/或结构性质的变化。该变化可以利用本领域已知的任意手段进行检测。可用于检测样品中是否存在金属离子的大孔基体光子学性质包括但不限于阻带性质、带隙性质或色散性质。在一些实施方式中，大孔基体的变化为体 积变化。在一些实施方式中，大孔基体的变化为形状变化。在一些实施方式中，该变化为色度变化。在一些实施方式中，该变化为结构变化。
在一些实施方式中，使用含有MIPP的大孔基体的阻带来检测样品中的金属离子。在一些实施方式中，使用含有MIPP的大孔基体的带偏移来检测样品中的金属离子。可以通过例如测量大孔基体反射光或透射光，来检测金属离子与含有MIPP的大孔基体结合后的阻带以及阻带变化。本领域技术人员将理解，包含不同种类的材料的大孔基体将具有不同的阻带。在一些实施方式中，与未结合金属离子的大孔基体的阻带或阻带峰相比，金属离子与含有MIPP的大孔基体的结合诱发的阻带或阻带峰的位移如下：约1nm、约5nm、约10nm、约15nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm、约90nm、约100nm、约150nm、约200nm、约250nm或约300nm。
本申请所公开的大孔基体可以选择性地结合金属离子，如Pb2+。如图1的示意性说明，在一些实施方式中，如Pb2+等金属离子的结合引起大孔基体体积的膨胀或收缩。在一些实施方式中，大孔基体的体积变化引起光子晶体结构的带隙偏移，从而产生颜色变化，这将能够实现金属离子的比色检测。本申请所公开的大孔基体可用于检测是否存在如Pb2+等金属离子，以及用于测量金属离子的浓度。在一些实施方式中，含有MIPP的大孔基体对是否存在如Pb2+等金属离子和/或金属离子的浓度(或浓度变化)的响应可转化为可检测信号。在一些实施方式中，可检测信号为光信号，如大孔基体的颜色变化。在一些实施方式中，颜色变化可通过使用者肉眼观察或通过光学传感器检测。在一些实施方式中，光信号可通过紫外-可见分光光度计检测。
在一些实施方式中，使用含有MIPP的大孔基体的结构性质来检测样品中是否存在金属离子。在一些实施方式中，大孔基体的形状或体积改变。在一些实施方式中，大孔基体膨胀或收缩。大孔基体整体或局部的膨胀或收缩可以利用干涉法测量。在一些实施方式中，与不存在金属离子的大孔基体相比，金属离子与大孔基体的结合诱发大孔基体膨胀或收缩至少约1体积%、约5体积%、约10体积%、约15体积%、约20体积%、约30体积%、约40体积%、约50%或更高。
使用本申请公开的组合物和方法能够检测的金属离子的非限制性实例包括重金属离子、贵金属离子、养分金属(nutritious metal)离子和稀土金属离子。重金属离子的实例包括As3+、As5+、Cd2+、Cr6+、Pb2+、Hg2+、Sb3+、Sb5+、Ni2+、Ag+和Tl3+。在一 些实施方式中，金属离子为Cu2+、Ni2+、Cd2+、Co2+、Hg2+、Ca2+或Pb2+。在一些实施方式中，金属离子为Cu2+、Cd2+、Cr3+、Cr6+、Hg2+或Pb2+。在一些实施方式中，金属离子为Pb2+。
本申请所述的大孔基体可用于检测各种类型样品中的金属离子。在一些实施方式中，样品为环境样品、食品样品、生物样品。在一些实施方式中，样品为水性样品。水性样品的实例包括但不限于海水、废水、血液、尿液、污水、工厂排放物、地下水、受污染河水、工业废液、电池废液、电镀废水、化学分析中的液体废物和实验室废液。在一些实施方式中，废水产生自工业工厂，如印刷、有色金属制造、采矿、熔炼、电解、电镀、化学品、医药、涂料和颜料等工业工厂。在一些实施方式中，未处理样品是汽车尾气。
本文所述的组合物和方法能够检测宽范围浓度的金属离子，包括非常低的浓度。例如，样品中金属离子的浓度可以为约10-12mol/L(10-12M)～约10mM(10-3M)、约10-11M～约10-4M、约10-10M～约10-5M和约10-9M～约10-6M。样品中金属离子的浓度可以为约10-13M、10-12M、约10-11M、约10-10M、约10-9M、约10-8M、约10-7M、约10-6M、约10-5M、约10-4M、约10-3M、约10-2M和这些值中任意二者之间的范围。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度小于约10-8M。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度为约10-9M。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度为约10-10M。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度为约10-11M。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度为约10-12M。在一些实施方式中，样品中金属离子的浓度为约10-13M。
本文所述的组合物和方法还能够实现金属离子的迅速检测。例如，样品与含有MIPP的大孔基体接触从而能够检测金属离子和/或测量金属离子浓度所需的最短时间可以为约60分钟、约50分钟、约40分钟、约30分钟、约20分钟、约10分钟、约5分钟、约4分钟、约3分钟、约2分钟、约1分钟、约0.5分钟、约0.2分钟、约0.1分钟或更短，或者这些值中任意二者之间的范围。在一些实施方式中，样品与含有MIPP的大孔基体接触从而能够检测金属离子和/或测量金属离子浓度所需的最短时间为至多约1秒、至多约3秒、至多约6秒、至多约9秒、至多约12秒、至多约18秒、至多约24秒、至多约30秒、至多约1分钟、至多约5分钟或至多约10分钟，或者这些值中任意二者之间的范围。
本申请的一些实施方式包括用于检测样品中如金属离子等小分子的设备。在一些实施方式中，该设备包括：至少一个光源；和接收器，所述接收器被配置为接收光源发出的射线的至少一部分，其中，接收器包含本申请所述的大孔基体。在一些实施方式中，光源提供的强度和波长足以激发大孔基体。适当的光源是本领域技术人员已知的，并且是可商购的。
在一些实施方式中，上述设备还包括至少一个光检测器，所述光检测器被配置为测量接收器发射或吸收的光。在一些实施方式中，光源被配置为发出紫外或紫光射线。在一些实施方式中，该设备还包括外壳，其中，所述外壳容纳含有MIPP的大孔基体，并被配置为在含有MIPP的大孔基体附近接收样品。例如，在使大孔基体与疑似含有金属离子的样品接触之前、过程中和/或之后，可以使含有MIPP的大孔基体暴露于预定入射角的如激光等光源。阻带、阻带峰或折射率的变化指示出金属离子与大孔基体的结合。光检测器可以是适应大孔基体发出的检测光的光传感器。
图2描绘了本申请范围内的目标分子检测用设备的说明性实施方式。设备200可以包括外壳210和舱口250，外壳210容纳含有MIPP的大孔基体220、光源230和光检测器240。光源230被配置为发出能够有效地由大孔基体220产生荧光的射线。例如，光源230可以是发出蓝色或紫外射线的InGaN半导体。光检测器240可以被配置为测量大孔基体220的光发射或光吸收。舱口250可以被配置为可将样品接收至外壳中。由此，例如，可以将疑似含有一种或多种目标分子(如铅离子等)的样品通过舱口250置入外壳210中，从而使样品接触大孔基体220。光源230然后可以发射光，并且通过光检测器240检测大孔基体220的吸收或反射。然后可将吸收或反射的量与样品中是否存在如铅离子等目标分子相关联。
实施例
在以下实施例中进一步详细地公开其他一些实施方式，这些实施例不以任何方式意在限制权利要求的范围。
实施例1
Pb2+-印迹光子聚合物的制备
Pb2+-印迹光子聚合物薄膜的制备过程如图3所示的流程图说明。
a)二氧化硅胶体晶体的制备
将平均粒径为约200nm的二氧化硅胶体颗粒分散在无水乙醇溶液中。在恒温恒 湿条件下，在清洁的玻璃基底上经由胶体颗粒自组装生成二氧化硅胶体晶体(图3-A)。
b)铅离子和单体的螯合
将壳聚糖和聚乙二醇用作聚合物官能性分子，以形成水凝胶。将Pb(NO3)2用作印迹Pb2+源。将壳聚糖和聚乙二醇单体在pH=4～6的酸性溶液中于超声波下分散并与Pb(NO3)2混合4小时，以使Pb2+和单体在水溶液中能够充分螯合。所获得的络合物(其中铅离子与壳聚糖和聚乙二醇单体螯合)的示意性说明如图3-B中所示。
c)单体聚合和铅离子印嵌
将聚合引发剂2,2-偶氮双异丁腈(AIBN)和交联剂戊二醛在超声波下混入含有Pb2+、壳聚糖和聚乙二醇单体的酸性水溶液中，以引发壳聚糖和聚乙二醇的聚合和交联。然后将该混合物逐滴添加至步骤a)中所制备的二氧化硅胶体晶体模板中，直至模板变透明，并且使用清洁的有机玻璃板(如PMMA基板)覆盖该胶体晶体模板。将已吸附Pb2+-螯合单体水溶液的胶体晶体板在紫外灯下进行聚合，聚合时长为1小时～3小时。壳聚糖和聚乙二醇在戊二醛的存在下交联，形成其中埋入二氧化硅胶体晶体的固体聚合物薄膜。聚合和印嵌过程的示意性说明如图3-C和D中所示。
d)胶体晶体模板的去除和铅离子的洗脱
将步骤c)中获得的固体聚合物薄膜浸入4质量%的氢氟酸溶液中约1小时，以去除埋入的二氧化硅胶体晶体。将所获得的多孔聚合物薄膜用1M盐酸清洗，直至在清洗液中不能检测到Pb2+，这表明Pb2+已从聚合物薄膜中完全洗脱出。然后聚合物薄膜用超纯水和0.1M pH=7.4的磷酸盐缓冲液清洗数次，直至薄膜为中性。
如图3-E和F所示，多孔聚合物含有许多经去除二氧化硅胶体晶体而生成的大孔，以及大量外观形态和尺寸与Pb2+基本匹配的空腔(即，Pb2+印迹纳米空腔)。多孔聚合物内部连通的大孔结构有利于离子扩散，从而能够对样品中的目标金属离子作出快速灵敏的响应。这些性质对聚合物薄膜赋予了较高的Pb2+亲合性和选择性。
实施例2
确立利用Pb2+印迹光子聚合物测量铅离子浓度的标准
根据实施例1中所述的工序制备铅离子印迹三维光子聚合物。将该多孔聚合物铺展在无色透明有机玻璃板上，以制备试纸。提供一组具有已知的不同浓度的铅离子水溶液。将各条试纸插入溶液组中的各铅离子溶液中。利用紫外-可见分光光度计测量各试纸的色度响应。记录各试纸的带隙位置。试纸的带隙位置和铅离子浓度据预期是 关联的，由此带隙位置可指示样品中铅离子的浓度。因此，可使用铅离子浓度已知的样品组记录的带隙位置作为测量铅离子浓度的标准。
实施例3
使用Pb2+印迹光子聚合物检测铅离子
根据实施例1中所述的工序制备铅离子印迹三维光子聚合物。将该多孔聚合物铺展在无色透明有机玻璃板上，以制备试纸。将试纸插入疑似含有Pb2+的水性样品中。使用紫外-可见分光光度计测量插入样品前后试纸的带隙位置。带隙位置的偏移指示样品中存在Pb2+。
实施例4
使用Pb2+印迹光子聚合物测试Pb2+浓度
根据实施例1中所述的工序制备铅离子印迹三维光子聚合物。将该多孔聚合物铺展在无色透明有机玻璃板上，以制备试纸。将试纸插入具有未知Pb2+浓度的水性样品中。利用紫外-可见分光光度计测量试纸的带隙位置。样品中Pb2+浓度通过以下方式确定：将测得的带隙位置与根据实施例2中所述工序确立的用于测量铅离子浓度的标准物进行比较。
虽然本文已公开了各个方面和实施方式，不过其它方面和实施方式对于本领域技术人员仍是显而易见的。本文公开的各个方面和实施方式目的在于进行说明而并非意在进行限制，真实的范围和主旨由以下权利要求所指定。
本领域技术人员将了解，对于本文所公开的上述过程与方法以及其他过程与方法而言，该过程和方法所实现的功能可以以不同顺序实施。此外，所概述的步骤和操作仅提供作为实例，并且一些步骤和操作可以是可选的、可合并为更少的步骤和操作或者可扩展为额外的步骤和操作，而不偏离所公开的实施方式的主旨。
对于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员都可以在对上下文和/或应用适当的情况下将其从复数形式转化为单数形式或从单数形式转化成复数形式。为了清楚，本文中可以明确地说明各种单数/复数变换。
本领域技术人员应理解的是，通常，本文所用的术语，尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中所用的术语，通常意在表示“开放式”术语(例如，术语“包括”应理解为“包括但不限于”，术语“具有”应理解为“至少具有”，术语“包含”应理解为“包含但不限于”，等等)。本领域技术人员还应理解的是，如果意图表示引入权利要 求表述的特定数量，则这种意图将明确表述在权利要求中，而在没有这种表述时，就不存在这种意图。例如，为了帮助理解，以下所附的权利要求可能包含引导性短语“至少一个(种)”和“一个(种)或多个(种)”的用法，用来引入权利要求表述。然而，即使同一权利要求包含了引导性短语“一个(种)或多个(种)”或“至少一个(种)”和诸如“一个”或“一种”等不定冠词，对此类短语的使用也不应解读为是以下含义：由不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求表述，会将包含这些引入的权利要求表述的特定权利要求限定为包含仅一个(种)如此表述的实施方式(例如“一个”和/或“一种”应理解为是表示“至少一个(种)”或“一个(种)或多个(种)”)；对于使用定冠词来引入权利要求表述的情况也同样如此。此外，即使明确记载了引入权利要求表述的特定数量，本领域技术人员也会认识到应当将此类表述解释为是表示至少所述数量(例如，如果仅记载了“两种表述”而无其他修饰，其含义是至少两种表述或两种以上表述)。此外，在使用与“A、B和C等中的至少一种”类似的限定时，通常，此类表述意在具有本领域技术人员通常理解此类限定的含义(例如，“具有A、B和C中至少一种的系统”应包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等的系统)。在使用与“A、B或C等中的至少一种”类似的限定时，通常，此类表述意在具有本领域技术人员通常理解此类限定的含义(例如，“具有A、B或C中至少一种的系统”应包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等的系统)。本领域技术人员还应理解的是，不论在说明书、权利要求书还是附图中，表示两种以上择一性事项的任何选言性词语实际上都应理解为涵盖了包括这些事项中的某一项、任一项或全部两项在内的可能性。例如，短语“A或B”将理解为包括了“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，如果以马库什组的方式描述了本发明的特征和方面，则本领域技术人员会认识到还藉此以马库什组中的任何单独成员或成员子组的方式描述了本发明。
本领域技术人员应理解的是，出于任何目的和所有目的，例如在提供书面说明方面，本文公开的所有范围还包括这些范围的任何或全部可能的子范围和子范围的组合。对于任何列出的范围，都应容易地认识到充分地描述了并能够得到被分割为至少两等份、三等份、四等份、五等份、十等份等的同一范围。作为非限制性实例，本文所述的每个范围都可以容易地分割为下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。本领域技术人员还应理解的是，所有例如“至多”、“至少”、“大于”、“小于”等用语都 包括了所述的数字，并且指可以继续分割为上述子范围的范围。最后，本领域技术人员还应理解，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1～3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组。类似的，具有1～5个单元的组是指具有1、2、3、4或5个单元的组，以此类推。
由上可知，已出于说明性目的而在本文中描述了本发明的各种实施方式，并且可以进行各种修改而不脱离本发明内容的范围和实质。因此，本文所公开的各种实施方式并不意在起限制作用，真实范围和实质如以下权利要求所指出。