分子印跡技術及其在炸藥檢測中的應用

王 珂, 楊瑞琴

(中國人民公安大學,北京 100038)

0 引言

分子印跡技術(molecular imprinting technique,MIT)也稱作分子烙印技術,是以目標分子為模板分子,制備一種具有固定空穴大小和形狀以及有確定排列功能團的交聯(lián)聚合物。它具有三大特點:構效預定性(predetermination)、特異識別性(specific recognition)和廣泛實用性(practicability)[1]。它最初源于人們對抗體、抗原或酶的專一性的認識。當時Pauling首次提出抗體形成學說,認為抗體在形成時其三維結構會盡可能地同抗原形成多重作用位點,抗原作為一種模板就會“鑄造”在抗體的結合部位。雖然其理論經(jīng)后人的實踐證明是錯誤的,但卻為分子印跡理論的產(chǎn)生奠定了基礎。

1949年,Dickey提出了 “分子印跡”這一概念[2]。1973年 Wulff[3]研究小組首次成功制備出分子印跡聚合物。1993年 Mosbach[4]等人對茶堿分子印跡聚合物進行了研究報道。目前,分子印跡技術在生物傳感器、人工抗體模擬及色譜固定相分離等方面有了新的發(fā)展,并由此成為化學和生物學交叉的新興領域之一。

1 分子印跡技術的基本原理和步驟

(1)印跡分子與單體發(fā)生相互作用,形成印跡-單體聚合物。

(2)聚合反應。在印跡分子和交聯(lián)劑存在的條件下,對單體進行聚合。聚合方式有懸浮聚合、乳液聚合、表面印跡等。

(3)印跡分子的去除。采用萃取、酸解等手段將占據(jù)在識別位點上的絕大部分印跡分子洗脫下來。

(4)后處理。在適宜溫度下對印跡聚合物進行成型加工和真空干燥等后處理。如圖1所示[5]。

圖1 分子印跡技術的基本原理

2 分子印跡技術的分類

(1)共價法(預組織法)。主要由 Wulff及其同事創(chuàng)立。印跡分子首先通過較強的共價鍵與單體結合,然后交聯(lián)聚合,聚合后再將共價鍵斷裂而除去印跡分子。但是共價鍵作用力較強,在印跡分子自組裝或識別過程中結合和解離速度較慢,難以達到熱力學平衡,不適于快速識別,而且識別水平與生物識別相差甚遠。因此目前在固相萃取中很少使用。

(2)非共價法(自組織法)。主要由 Mosbach等人創(chuàng)立。印跡分子與功能單體之間預先自組織排列,以較弱的非共價鍵形成多重作用位點,聚合后這種作用保存下來。常見的非共價鍵包括氫鍵、靜電引力、金屬螯合作用、電荷轉(zhuǎn)移、疏水作用以及范德華力,最常用的是氫鍵。非共價鍵相互作用較弱,所以能在溫和條件下制備出印跡分子,使底物的結合和解離平衡可以很快達到,分子識別性好。但是在聚合反應時常需要加入過量的功能單體,這會在萃取時造成嚴重的非特異性吸附,從而降低萃取選擇性。

(3)半共價法。將上述兩種方法結合起來,即聚合時單體與印跡分子間作用力是共價鍵,而對印跡分子的識別過程中,采用非共價法,從而使分子印跡聚合物既保持了共價印跡的親和專一性,也同時具備條件溫和的特性,易于控制。該法的研究以Whitecomb等人為典型合成事例。半共價法可從根本上解決“模板滲漏”[6]對待測物萃取測定的影響。

3 分子印跡制備方法分類

分子印跡技術的制備方法到目前主要有以下幾類[7-8]。

(1)傳統(tǒng)方法(Traditional Method)。在溶劑中將功能單體排列在印跡分子周圍,交聯(lián)聚合后干燥,然后將其研磨、破碎,篩分得到一定粒徑的分子印跡介質(zhì),最后通過洗脫除去模板分子。這種方法比較簡單,但是存在后處理過程復雜、規(guī)則粒子的柱效率較低、大規(guī)模生產(chǎn)有困難、吸附量低、聚合物的性能難以調(diào)節(jié)等缺點。

(2)原位聚合法(Insitu Polymerization)。將混合液在反應的內(nèi)部直接交聯(lián)聚合制得連續(xù)型的分子印跡聚合物。其方法是把反應性單體(或其可溶性的預聚體)與催化劑全部加入分散相(或連續(xù)相)中。這種方法簡單,易處理,而且分子印跡聚合物具有連續(xù)性、均一性等特點。

(3)懸浮聚合法(Suspension Polymerization)。它是制備聚合物微球最簡便、最常用的方法之一。該法采用全氟化碳液體作為懸浮介質(zhì),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機溶劑——水懸浮介質(zhì),從而消除了非共價鍵印跡中存在的不穩(wěn)定的預組織體。由于自身的局限性,很難用水相懸浮聚合制備分子印跡聚合物。

(4)乳液聚合法(Emulsion Polymerization)。將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑溶于有機溶劑中,然后將溶液溶于水中,攪拌,乳化。最后加入引發(fā)劑交聯(lián)聚合,可以制備粒徑較均一的球形分子印跡介質(zhì)。

(5)表面印跡法(Surface Imprinting)。通過對含有模板分子的聚合物表面進行修飾,建立一種分子識別位點處于物體顆粒表面的方法,同時它克服了原來聚合物中模板分子會被包覆到聚合物內(nèi)部的弊端。

(6)溶膠-凝膠法(Sol-Gel)。將模板引入到無機網(wǎng)絡結構中,形成一種無機或無機-有機雜化的剛性材料。這種方法制備的催化劑兼顧溶膠-凝膠和分子印跡兩者的優(yōu)點,容易操作,可控性好。

4 分子印跡聚合物的特性

分子印跡聚合物具有預定性、識別性和實用性等特點。分子印跡具體的特性可見表1[9]。

表1 分子印跡聚合物的特性

5 分子印跡技術在炸藥檢測中的應用

爆炸案件嚴重危害了我國的公共安全和社會穩(wěn)定,準確地分析鑒定各類爆炸物質(zhì)是偵破案件的第一步。但是環(huán)境中爆炸殘留物的濃度很低,有大量雜質(zhì)和干擾物存在,所以我們只有對目標化合物分離富集后,才能對其進行分析檢測。

Tachon等人曾比較了不同疏水性 SPE材料的吸附性能,發(fā)現(xiàn)高分子 SPE吸附材料較 C18吸附材料的性能更好,從爆炸現(xiàn)場采集的法醫(yī)樣品用該法分離富集后,通過 LC/MS進行了分析測試[10]。一種簡便的半自動 SPE微柱(1/16英寸直徑,0.5～1.5mg LiChrolut EN或 Porapak R填料),被用于河水、井水及其他被污染水體中炸藥殘留的分離富集[11],對某些復雜的基質(zhì),甚至需要利用超臨界流體做萃取劑才能保證 SPE的效率[12]。Mu lligan等人用 SPE膜材料對被污染的地下水中的 RDX,TNT,HMX,TNB等目標化合物進行了現(xiàn)場的樣品制備,這一方法大大減少了樣品處理及運輸?shù)馁M用,處理后樣品可利用解離電噴霧離子化質(zhì)譜進行準確的分析[13]。SPE還可同靈敏度極高的離子遷移譜兩用,從而可準確地檢測出水樣中匹克級的爆炸物[14]。

傳統(tǒng)的液液萃取(LLE)易產(chǎn)生乳化、雜質(zhì)較多、需要樣品量較大而且不能用于自動化過程。固相萃取(SPE)自上世紀 70年代后期問世以來,就以其高效、可靠并且消耗溶劑少的優(yōu)點,在環(huán)境、藥物分析等諸多領域得到了快速的發(fā)展[15-16],它極大地彌補了液液萃取法的缺陷,具有很好的通用性。但是固相萃取技術對一些分析物的選擇性不高,因此研制對特定的目標化合物具有特異性吸附能力的固相萃取調(diào)料是十分必要的[17]。

復雜樣品中爆炸殘留物的分離富集技術是確保定性分析可靠性的關鍵,因此利用分子印跡技術研制 TNT等爆炸物具有高選擇性的固相萃取分離介質(zhì),并建立起分子印跡固相萃取法分離富集泥土和水樣中痕量 TNT、HMX、RDX等爆炸殘留物的方法和標準,以及分子印跡固相萃取同 LC-MS,GC-MS,離子遷移譜的聯(lián)用對案件偵破至關重要。

為清除紅水中的大量硝基苯類化合物,孟子暉[18]等人用分子烙印技術研究了 TNT的選擇性吸附。以 TNT為模板分子、TRIM為交聯(lián)劑、丙烯酸銨為單體,合成了分子印跡聚合物(MIP),非烙印聚合物(NIP)用同樣的方法在不加模板分子 TNT的條件下合成。利用 MIP從甲醇水溶液中清除 TNT,其吸附性能由 RP-HPLC檢測。吸附動力學曲線如圖2所示。

前 20分鐘 MIP的吸附速率較快,幾乎成線性,然后吸附速率有所降低,在 40分鐘后基本達到飽和平衡。MIP使溶液中的 TNT的濃度在 30分鐘內(nèi)由13.7mg/L降至 1.10mg/L,吸附率高達 92%,說明MIP對模板分子 TNT有很好的選擇性。

謝成根[19]等人研制了表面分子自組裝的 TNT印記聚合物納米管陣列,TNT模板分子通過氨基和硝基的強電荷轉(zhuǎn)移作用自發(fā)組裝到了固相萃取柱上的氧化鋁孔壁上,形成了新的基礎上的表面分子印跡。與此同時,多余的 TNT模板分子進一步充實成體的混合物,逐步聚合形成印跡聚合物的納米管陣列。這種印跡納米管陣列對 TNT的吸附容量是普通的 TNT印記聚合物 2.5～3.0倍。

圖2 TNT印跡聚合物的吸附動力學曲線

快速、可靠并且廉價的檢驗技術對于微量炸藥檢測顯得至關重要,Gudrun Bunte[20]等人研制了基于 TNT分子印跡聚合物的傳感器涂層材料,涂層的厚度大約在 20～500nm左右,實驗發(fā)現(xiàn)每小時每微克印跡聚合物能吸附氣相 TNT150匹克。

Natalie R.Walker[21]等人研制了用分子印跡凝膠吸附氣相 TNT的傳感器。這種化學傳感器利用集成光波導光譜可以檢測爆炸物 TNT的存在。微米厚度的分子印跡溶膠凝膠傳感膜放置在光譜層上方,如圖3所示。

圖3 TNT化學傳感器

當凝膠膜結合 TNT后會導致光譜吸收強度的減弱,可以使用單模式的 IOWs對靈敏度進行檢測,實驗結果表明在空氣流速約 40 mL/min時,氣相TNT的最小檢測限為匹克(ppb)級。由于傳感膜上有對 TNT特異的結合位點,這種傳感器對 TNT有高度的選擇性。實驗證明,如果傳感器和爆炸物有充分的接觸時間,就可以檢測出爆炸物質(zhì)的存在。

美國 Wooster學院的 Burkett等人在第229屆美國化學會年會上介紹了他們所開發(fā)的用分子印跡的凝膠吸附 TNT的技術,這種凝膠也主要用于傳感器。

6 展望

縱觀分子印跡技術的發(fā)展過程,目前已經(jīng)在化學生物傳感器、親和分離以及模擬酶催化等研究領域中發(fā)揮了重要作用,分子印跡聚合物的出現(xiàn)為解決分析、分離過程中的選擇性提供了一條有效的途徑。隨著研究的不斷深入和應用領域的不斷擴展,我們可以看到分子印跡技術有著廣闊的前景。

近年來,在國內(nèi)外各種因素的影響下,我國的爆炸案件數(shù)量呈上升的趨勢。如有些犯罪嫌疑人利用爆炸手段進行敲詐勒索、行兇殺人等等。因此,利用分子印跡技術結合固相萃取技術對環(huán)境中的爆炸殘留物進行分離、富集和濃縮,能夠為查明爆炸原因、偵破案件提供重要的線索和證據(jù)。

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