分子印跡技術(shù)及其應(yīng)用研究新進(jìn)展

馬大鵬

（赤峰學(xué)院 教務(wù)處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

分子印跡技術(shù)及其應(yīng)用研究新進(jìn)展

馬大鵬

（赤峰學(xué)院 教務(wù)處，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

分子印跡技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的分子識(shí)別技術(shù)，利用分子印跡技術(shù)制備的分子印跡聚合物具有特異識(shí)別性能，可以有效地分離開分子結(jié)構(gòu)類似的幾種物質(zhì)，因此，分子印跡技術(shù)已廣泛用于固相萃取、手性藥物分離、化學(xué)仿生傳感器等領(lǐng)域.本文介紹了分子印跡技術(shù)的研究新進(jìn)展.

分子印跡聚合物；固相萃取

1 引言

分子印跡技術(shù)(Molecularly Imprinting Techniques，MIT)，又稱分子模板技術(shù)，是指制備對(duì)某一特定目標(biāo)分子(模板分子、烙印分子或印跡分子)具有特異預(yù)定選擇性的聚合物的過(guò)程，它是涉及高分子化學(xué)、生物化學(xué)、材料化學(xué)等學(xué)科的一種用于分離純化的先進(jìn)技術(shù).它的先進(jìn)之處就在于它的預(yù)定性、特異識(shí)別性、廣泛實(shí)用性.基于上述優(yōu)點(diǎn)，分子印跡技術(shù)在許多領(lǐng)域都展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，如天然產(chǎn)物純化、臨床藥物分析、色譜中對(duì)映體和位置異構(gòu)體的分離、化學(xué)仿生傳感器、固相萃取、模擬酶催化、膜分離技術(shù)等領(lǐng)域[1].

分子印跡技術(shù)起源于免疫學(xué).早在20世紀(jì)40年代，Pauling提出模擬抗體和抗原的相互作用，以抗原作為模板來(lái)“鑄造”抗體的空間結(jié)合位點(diǎn)理論.雖然這一錯(cuò)誤理論被后人推翻，但卻給后來(lái)的研究帶來(lái)了啟示，化學(xué)家們發(fā)展了一項(xiàng)有效的分析技術(shù)稱為分子印跡技術(shù).1949年，Dickey[2]首先提出了“專一性吸附”這一概念，但開始并未引起人們足夠的重視.直到1972年，由德國(guó)的Wulf研究小組首次報(bào)道了人工合成有機(jī)分子印跡聚合物之后，分子印跡技術(shù)才逐漸被人們所接受.1993年，Mosbach K等人在Nature上發(fā)表有關(guān)茶堿分子印跡聚合物的研究報(bào)道后，分子印跡技術(shù)開始得到了迅猛的發(fā)展[3].

分子印跡物的合成可分為以下三步：

（1）在功能單體和模板分子之間制備出共價(jià)配合物或非共價(jià)加成產(chǎn)物；

（2）對(duì)這種單體-模板配合物(或加成物)進(jìn)行聚合；

（3）然后，將模板分子從聚合物中除去.

在第一步中，功能單體和模板分子二者之間可通過(guò)共價(jià)聯(lián)結(jié)(稱“共價(jià)印跡法”)，或通過(guò)處于相近位置的非共價(jià)聯(lián)結(jié)(“非共價(jià)印跡法”)而相互結(jié)合.第二步，配合物(或加成物)被“凍結(jié)”于高分子的三維網(wǎng)絡(luò)內(nèi).而由功能單體所衍生的功能殘基則按與模板互補(bǔ)方式而拓?fù)涞夭贾门c其中.在第三步，是將模板分子從聚合物內(nèi)除去，于是在高聚物內(nèi)，原來(lái)由模板分子所占有的空間形成了一個(gè)遺留的空腔.在合適的條件下，在一空腔可以滿意地“記住”模板的結(jié)構(gòu)、尺寸以至其他的物化性質(zhì)，并能有效而選擇性地去鍵合模板(或類似物)的分子.

依據(jù)功能單體和模板分子間形成的加成物性質(zhì)，存在著兩種形式的分子印跡法，即共價(jià)印跡法與非共價(jià)印跡法.共價(jià)印跡法是指功能單體和模板分子通過(guò)共價(jià)結(jié)合而相互連結(jié)的，此法的優(yōu)點(diǎn)是單體-模板所形成的配合物十分穩(wěn)定，且相互間存在著當(dāng)量關(guān)系，因此分子印跡過(guò)程(及高聚物內(nèi)客體鍵合點(diǎn)的結(jié)構(gòu)等)是明確而清晰的；可在較寬的聚合條件(如高溫、高或低的pH、或高極性溶劑中)下進(jìn)行聚合.缺點(diǎn)是單體-模板配合物的合成常較困難，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)；可以采用的可逆共價(jià)連結(jié)體系數(shù)目有限；在某些條件下，會(huì)因?yàn)榈谌絼×业墓ぷ鳁l件(使共價(jià)聯(lián)結(jié)斷裂)而使印跡效果變差；模板分子的結(jié)合和釋出速度都較慢.

1977年，Wulff等[1]合成了由p-乙烯基苯基硼酸和4-硝基苯基-α-D-甘露糖苷(作為模板)反應(yīng)而得到共價(jià)配體化學(xué)物，通過(guò)與甲基丙烯酸甲酯以及乙二醇雙甲基丙烯酸酯(交聯(lián)劑)的共聚反應(yīng)，然后是硼酸酯分解，使4-硝基苯基-α-D-甘露糖苷除去，這是第一個(gè)以共價(jià)印跡法制備分子印跡聚合物的實(shí)例.

非共價(jià)印跡法是功能單體和模板分子以非共價(jià)相互作用（如氫鍵、疏水作用、靜電相互作用以及配位鍵）相結(jié)合，此法的優(yōu)點(diǎn)是不必合成共價(jià)單體-模板配合物；可在溫和條件下將模板從聚合物中除去；模板分子的鍵合和釋出都有很快的速度.缺點(diǎn)是印跡過(guò)程的輪廓不夠清晰；聚合過(guò)程的條件必須仔細(xì)加以選擇，使混合物中非共價(jià)的加成物能最大程度的穩(wěn)定存在；由于在大量功能單體存在的條件下(為使平衡有利于加成物生成)常會(huì)出現(xiàn)非特征的鍵合點(diǎn)，于是就會(huì)降低體系結(jié)合底物的選擇能力.

還有一種共價(jià)與非共價(jià)印跡雜化體系法是將共價(jià)印跡法輪廓清晰的優(yōu)點(diǎn)與非共價(jià)印跡法能快速鍵合的長(zhǎng)處結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成雜化印跡法.在這里，高分子的制備和共價(jià)印跡法相同，但對(duì)模板分子的鍵合則采用非共價(jià)相互作用.此法可解決共價(jià)印跡中模板分子和功能單體的鍵合、釋放較慢這一缺點(diǎn).

2 分子印跡聚合物合成原理

分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)合成的材料主要有三種：模板分子(即所要印跡的物質(zhì))、功能單體、交聯(lián)劑，必要時(shí)還要加入造孔劑，其基本合成原理如圖1所示：

圖1 分子印跡圖示說(shuō)明

合成分子印跡聚合物中，對(duì)于所采用的聚合反應(yīng)要求是，在聚合時(shí)能夠保證體系中所有組分包括模板、交聯(lián)劑、單體和模板等所形成的非共價(jià)印跡保持完好不變，因此，在眾多聚合反應(yīng)中，自由基聚合的應(yīng)用最為廣泛.聚合反應(yīng)中常用的功能單體甲基丙烯酸、4-乙烯吡啶、4-乙烯苯基硼酸、丙烯酰胺等，交聯(lián)劑的選擇視反應(yīng)體系而定，有機(jī)溶劑中常用的交聯(lián)劑為乙二醇雙甲基丙烯酸酯(EDMA)和二乙烯基苯，而在水相中常用的交聯(lián)劑為N,N＇-亞甲基雙丙烯酰胺.必要時(shí)，在反應(yīng)過(guò)程中還要加入造孔劑(如聚乙二醇、乙腈、甲苯等)以形成合適的孔穴.同時(shí)，為了凸顯分子印跡聚合物的特異吸附性能，還要合成出非分子印跡聚合物(NIP).NIP的合成方法同MIP的合成方法，只是在合成過(guò)程中不必加入模板分子.

3 分子印跡效果評(píng)價(jià)

分子印跡聚合物的選擇識(shí)別性能優(yōu)劣可以通過(guò)印跡因子β來(lái)體現(xiàn).印跡因子β可以通過(guò)下列兩式計(jì)算，

Kd為靜態(tài)分配系數(shù)，ml/g；Cp為吸附平衡時(shí)EGCG在聚合物上的濃度，μmol/g；Cs為吸附平衡時(shí)溶液中EGCG的濃度，mmol/L；Kd,I為MIP對(duì)EGCG的靜態(tài)分配系數(shù)；Kd,N為相應(yīng)NIP對(duì)EGCG的靜態(tài)分配系數(shù)；β體現(xiàn)了印跡聚合物與空白聚合物在分子識(shí)別上的差異，β越大表明印跡效果越好.

4 分子印跡聚合物的應(yīng)用

4.1 固相萃取

利用制備出的分子印跡聚合物來(lái)裝填吸附分離柱，對(duì)含有目標(biāo)物質(zhì)的混合溶液進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附.李小紅等[4]以甲胺磷為模板分子、甲基丙烯酸為功能單體、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯為交聯(lián)劑，用懸浮聚合法制備了甲胺磷分子印跡聚合物微球，并將其裝柱，用來(lái)固相萃取牛奶中的甲胺磷，產(chǎn)物對(duì)甲胺磷的吸附率為87.4%，遠(yuǎn)高于其結(jié)構(gòu)類似物乙酰甲胺磷和水胺硫磷的吸附率(15%)；顏流水等[5]以槲皮素為模板分子、丙烯酰胺(AM)為功能單體、乙二醇雙甲基丙烯酸酯(EDMA)為交聯(lián)劑，制備了槲皮素分子印跡聚合物固相萃取柱，產(chǎn)物對(duì)槲皮素有很高的選擇識(shí)別性能.Christophe Gomy等[6]更是用2-(脲乙烯基甲基丙烯酸)偶氮苯作為功能單體，甲氨蝶呤模擬物為模板，合成了具有光敏性的分子印跡聚合物，可以通過(guò)照射光的波長(zhǎng)變化來(lái)控制聚合物對(duì)基板分子的吸附和脫附.

4.2 化學(xué)仿生傳感器

利用分子印跡技術(shù)修飾的電化學(xué)傳感器，即為化學(xué)仿生傳感器或稱為分子印跡傳感器，這種傳感器由兩部分構(gòu)成：識(shí)別待測(cè)物的分子印跡敏感膜和將生物量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電化學(xué)轉(zhuǎn)換器，可識(shí)別待測(cè)物的分子印跡敏感膜制備出來(lái)后，以適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ谵D(zhuǎn)換器的表面.當(dāng)待測(cè)分子與MIP敏感膜接觸時(shí)，會(huì)通過(guò)某種作用產(chǎn)生一個(gè)物理或化學(xué)信號(hào)，轉(zhuǎn)換器將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可定量的輸出信號(hào)，此信號(hào)與被分析物的濃度有關(guān)，通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的實(shí)時(shí)測(cè)定[7].與普通的化學(xué)傳感器相比，分子印跡傳感器具有高度選擇性，在測(cè)定中可以避免結(jié)構(gòu)類似物的干擾，可用于混合物中某一組分的測(cè)定.目前，分子印跡傳感器已在氨基酸衍生物、神經(jīng)性毒劑、藥物及農(nóng)藥的檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.Yasuo[8]等利用4-乙烯基苯硼酸與葡萄糖合成出分子印跡聚合物，并將其用亞甲基雙丙烯酰胺接枝到銦錫氧化物電極的表面，制備了分子印跡傳感器，利用循環(huán)伏安法檢測(cè)樣品中葡萄糖的含量，檢出限可達(dá)0-9mg/mL，響應(yīng)時(shí)間隨葡萄糖濃度在3-5min之間變化，可用于糖尿病人血液中葡萄糖含量的測(cè)定；Agnieszka等[9]用組胺作為模板分子，以雙噻吩衍生物為功能單體，制備了組胺壓電傳感器，其檢出限為5nmol/L；B.Rezaei等[10]制備了可檢測(cè)抗痙攣藥物普里米酮的分子印跡傳感器，檢出限為5.1×10-3μg/mL；謝成根等以水楊酸為模板分子，采用循環(huán)伏安法電聚合形成聚吡咯膜，以固定電位過(guò)氧化法去除印跡分子，制備了水楊酸分子印跡膜電極，檢出限為0.8μmol/L，能有效地避免結(jié)構(gòu)類似物苯甲酸分子對(duì)水楊酸測(cè)定的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)水楊酸高選擇性的檢測(cè)；馬永飛等[11]制備了可檢測(cè)出土壤中莠去津(除草劑)的分子印跡膜電化學(xué)傳感器，檢出限可達(dá)3.0×10-9mol/L.

4.3 對(duì)映體和位置異構(gòu)體的分離

分子印跡聚合物可以分離手性異構(gòu)體或?qū)τ钞悩?gòu)體.Reza Panahi[12]等以L-賴氨酸為模板分子、甲基丙烯酸為功能單體，用乙二醇雙甲基丙烯酸酯進(jìn)行交聯(lián)，合成了賴氨酸印跡聚合物，并用其從稀的水溶液中分離L-賴氨酸，吸附量達(dá)27.26mg/g，可用于L-賴氨酸和D-賴氨酸的分離.王輝等制備了(5R)-芐基海因分子印跡聚合膜，這種聚合膜可以對(duì)(5R)-芐基海因和(5S)-芐基海因進(jìn)行手性分離.

另外，分子印跡聚合物還可應(yīng)用于模擬酶催化、臨床藥物分析、分子印跡催化劑等方面.

5 分子印跡技術(shù)的最新挑戰(zhàn)

由于分子印跡是一個(gè)綜合性概念，并易于操作，因此許多較寬范圍和通用性的應(yīng)用戰(zhàn)略已被提出并加以實(shí)施.雖說(shuō)方法的基本概念已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)一些高聚物也已取得了實(shí)際應(yīng)用，但這一技術(shù)仍處于發(fā)展之中.作為一種目標(biāo)來(lái)說(shuō)，從對(duì)具有0.1nm級(jí)尺寸的簡(jiǎn)單分子，擴(kuò)充到對(duì)具有納米級(jí)的復(fù)雜分子的新戰(zhàn)略和概念也已得到發(fā)展.

5.1 水相中的分子印跡技術(shù)

分子印跡聚合物雖可和天然抗體相比較，但它們間仍存在相當(dāng)寬的空隙和差異.存在的差異之一是接受體鍵合目標(biāo)分子的環(huán)境，或溶劑有所不同.已報(bào)道過(guò)的多種合成印跡聚合物，僅在有機(jī)溶劑中才能表現(xiàn)出它的功能，而天然抗體則是在水中工作的，因此，研究者們已將注意力轉(zhuǎn)向非有機(jī)即水相體系，其主要困難是在水中時(shí)，溶劑會(huì)妨礙印跡的實(shí)現(xiàn)：(1)大量水存在時(shí)，模板分子和功能單體的自組裝過(guò)程最易受水分子的干擾，因?yàn)樗肿訒?huì)與功能單體競(jìng)爭(zhēng)和模板分子形成氫鍵；(2)用于水相中的水溶性交聯(lián)劑不能充分地增強(qiáng)高聚物，因此所得的高聚物在用作固定相時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)剛性不足的問(wèn)題.為解決這些問(wèn)題，研究者們探索出了多種方法：(1)模板分子和功能單體在水中的疏水相互作用，即在水中提供一個(gè)疏水環(huán)境，讓模板分子和功能單體在這個(gè)疏水環(huán)境中進(jìn)行自組裝，如環(huán)糊精中的疏水空腔即可提供這樣的環(huán)境；(2)以金屬和配體相配合的“預(yù)組織”，高聚物結(jié)合的金屬離子也有望用于水相的分子識(shí)別體系中，如果金屬離子能通過(guò)分子印跡技術(shù)而適當(dāng)?shù)毓潭ㄓ诟呔畚锷?，則模板分子就能在水中作選擇性鍵合；(3)在氣-水界面上的分子印跡技術(shù)，在氣-水界面上，其物理-化學(xué)性質(zhì)和水中大不相同，因而在該處就可較容易的形成氫鍵.

5.2 同兩類功能單體實(shí)現(xiàn)合作性識(shí)別

在分子印跡識(shí)別的概念中，可以將兩種或多種功能單體置于與模板分子相互補(bǔ)的位置，當(dāng)有多種單體同時(shí)鍵合同一模板分子時(shí)，則對(duì)模板分子的選擇性會(huì)增加，可見(jiàn)，盡管一種單體的常規(guī)印跡技術(shù)可以改進(jìn)其選擇性，但通過(guò)第二種單體的引入，印跡效應(yīng)將得到巨大提高.

5.3 將無(wú)機(jī)凝膠作為母體用于分子印跡

作為分子印跡的母體不一定限于有機(jī)材料，也可用無(wú)機(jī)材料來(lái)代替，經(jīng)表面改性的硅膠早已用作HPLC的固定相.最近，具有不同性質(zhì)的多種無(wú)機(jī)材料已被用于一些獨(dú)特的分子印跡技術(shù)中，如(1)在硅膠母體上的共價(jià)印跡，(2)用作印跡母體的TiO2超薄膜，(3)通過(guò)分子印跡法得到螺狀硅膠.

6 展望

從分子印跡聚合物研究的發(fā)展和成就來(lái)看，無(wú)論是作為固相萃取材料、選擇性催化劑還是人工受體、化學(xué)傳感器的應(yīng)用都反映了分子印跡技術(shù)是集高分子合成化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)等眾多相關(guān)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)而發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科.目前，隨著分子印跡技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將大幅拓寬，但是分子印跡技術(shù)也存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如：分子印跡技術(shù)的機(jī)理將更加明確；更多功能單體和交聯(lián)劑將被引入以滿足不同類型的分子印跡識(shí)別的需要；分子印跡技術(shù)商業(yè)化的加速[13]；分子印跡技術(shù)將向高選擇性和微型化方向發(fā)展.

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1673-260X（2012）02-0022-03