馬大鵬

（赤峰學院 教務處，內蒙古 赤峰 024000）

分子印跡技術及其應用研究新進展

馬大鵬

（赤峰學院 教務處，內蒙古 赤峰 024000）

分子印跡技術是近年來迅速發(fā)展起來的一種先進的分子識別技術，利用分子印跡技術制備的分子印跡聚合物具有特異識別性能，可以有效地分離開分子結構類似的幾種物質，因此，分子印跡技術已廣泛用于固相萃取、手性藥物分離、化學仿生傳感器等領域.本文介紹了分子印跡技術的研究新進展.

分子印跡聚合物；固相萃取

1 引言

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

分子印跡技術起源于免疫學.早在20世紀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“鑄造”抗體的空間結合位點理論.雖然這一錯誤理論被后人推翻，但卻給后來的研究帶來了啟示，化學家們發(fā)展了一項有效的分析技術稱為分子印跡技術.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，由德國的Wulf研究小組首次報道了人工合成有機分子印跡聚合物之后，分子印跡技術才逐漸被人們所接受.1993年，Mosbach K等人在Nature上發(fā)表有關茶堿分子印跡聚合物的研究報道后，分子印跡技術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配合物或非共價加成產物；

（2）對這種單體-模板配合物(或加成物)進行聚合；

（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共價聯(lián)結(稱“共價印跡法”)，或通過處于相近位置的非共價聯(lián)結(“非共價印跡法”)而相互結合.第二步，配合物(或加成物)被“凍結”于高分子的三維網絡內.而由功能單體所衍生的功能殘基則按與模板互補方式而拓撲地布置與其中.在第三步，是將模板分子從聚合物內除去，于是在高聚物內，原來由模板分子所占有的空間形成了一個遺留的空腔.在合適的條件下，在一空腔可以滿意地“記住”模板的結構、尺寸以至其他的物化性質，并能有效而選擇性地去鍵合模板(或類似物)的分子.

依據功能單體和模板分子間形成的加成物性質，存在著兩種形式的分子印跡法，即共價印跡法與非共價印跡法.共價印跡法是指功能單體和模板分子通過共價結合而相互連結的，此法的優(yōu)點是單體-模板所形成的配合物十分穩(wěn)定，且相互間存在著當量關系，因此分子印跡過程(及高聚物內客體鍵合點的結構等)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)下進行聚合.缺點是單體-模板配合物的合成常較困難，同時也不經濟；可以采用的可逆共價連結體系數目有限；在某些條件下，會因為第三步劇烈的工作條件(使共價聯(lián)結斷裂)而使印跡效果變差；模板分子的結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)反應而得到共價配體化學物，通過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，然后是硼酸酯分解，使4-硝基苯基-α-D-甘露糖苷除去，這是第一個以共價印跡法制備分子印跡聚合物的實例.

非共價印跡法是功能單體和模板分子以非共價相互作用（如氫鍵、疏水作用、靜電相互作用以及配位鍵）相結合，此法的優(yōu)點是不必合成共價單體-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.缺點是印跡過程的輪廓不夠清晰；聚合過程的條件必須仔細加以選擇，使混合物中非共價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)常會出現(xiàn)非特征的鍵合點，于是就會降低體系結合底物的選擇能力.

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

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)、功能單體、交聯(lián)劑，必要時還要加入造孔劑，其基本合成原理如圖1所示：

圖1 分子印跡圖示說明

合成分子印跡聚合物中，對于所采用的聚合反應要求是，在聚合時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印跡保持完好不變，因此，在眾多聚合反應中，自由基聚合的應用最為廣泛.聚合反應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)劑的選擇視反應體系而定，有機溶劑中常用的交聯(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，在反應過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，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，只是在合成過程中不必加入模板分子.

3 分子印跡效果評價

分子印跡聚合物的選擇識別性能優(yōu)劣可以通過印跡因子β來體現(xiàn).印跡因子β可以通過下列兩式計算，

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

4 分子印跡聚合物的應用

4.1 固相萃取

利用制備出的分子印跡聚合物來裝填吸附分離柱，對含有目標物質的混合溶液進行動態(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，用來固相萃取牛奶中的甲胺磷，產物對甲胺磷的吸附率為87.4%，遠高于其結構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，產物對槲皮素有很高的選擇識別性能.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，可以通過照射光的波長變化來控制聚合物對基板分子的吸附和脫附.

4.2 化學仿生傳感器

利用分子印跡技術修飾的電化學傳感器，即為化學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成：識別待測物的分子印跡敏感膜和將生物量轉化為電信號的電化學轉換器，可識別待測物的分子印跡敏感膜制備出來后，以適當的方式固定在轉換器的表面.當待測分子與MIP敏感膜接觸時，會通過某種作用產生一個物理或化學信號，轉換器將此信號轉換成一個可定量的輸出信號，此信號與被分析物的濃度有關，通過監(jiān)測輸出信號可實現(xiàn)對待測物的實時測定[7].與普通的化學傳感器相比，分子印跡傳感器具有高度選擇性，在測定中可以避免結構類似物的干擾，可用于混合物中某一組分的測定.目前，分子印跡傳感器已在氨基酸衍生物、神經性毒劑、藥物及農藥的檢測等領域得到廣泛應用.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)伏安法檢測樣品中葡萄糖的含量，檢出限可達0-9mg/mL，響應時間隨葡萄糖濃度在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，能有效地避免結構類似物苯甲酸分子對水楊酸測定的干擾，實現(xiàn)對水楊酸高選擇性的檢測；馬永飛等[11]制備了可檢測出土壤中莠去津(除草劑)的分子印跡膜電化學傳感器，檢出限可達3.0×10-9mol/L.

4.3 對映體和位置異構體的分離

分子印跡聚合物可以分離手性異構體或對映異構體.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(5R)-芐基海因和(5S)-芐基海因進行手性分離.

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

5 分子印跡技術的最新挑戰(zhàn)

由于分子印跡是一個綜合性概念，并易于操作，因此許多較寬范圍和通用性的應用戰(zhàn)略已被提出并加以實施.雖說方法的基本概念已經實現(xiàn)，同時一些高聚物也已取得了實際應用，但這一技術仍處于發(fā)展之中.作為一種目標來說，從對具有0.1nm級尺寸的簡單分子，擴充到對具有納米級的復雜分子的新戰(zhàn)略和概念也已得到發(fā)展.

5.1 水相中的分子印跡技術

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寬的空隙和差異.存在的差異之一是接受體鍵合目標分子的環(huán)境，或溶劑有所不同.已報道過的多種合成印跡聚合物，僅在有機溶劑中才能表現(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向非有機即水相體系，其主要困難是在水中時，溶劑會妨礙印跡的實現(xiàn)：(1)大量水存在時，模板分子和功能單體的自組裝過程最易受水分子的干擾，因為水分子會與功能單體競爭和模板分子形成氫鍵；(2)用于水相中的水溶性交聯(lián)劑不能充分地增強高聚物，因此所得的高聚物在用作固定相時，就會出現(xiàn)剛性不足的問題.為解決這些問題，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，即在水中提供一個疏水環(huán)境，讓模板分子和功能單體在這個疏水環(huán)境中進行自組裝，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“預組織”，高聚物結合的金屬離子也有望用于水相的分子識別體系中，如果金屬離子能通過分子印跡技術而適當地固定于高聚物上，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，在氣-水界面上，其物理-化學性質和水中大不相同，因而在該處就可較容易的形成氫鍵.

5.2 同兩類功能單體實現(xiàn)合作性識別

在分子印跡識別的概念中，可以將兩種或多種功能單體置于與模板分子相互補的位置，當有多種單體同時鍵合同一模板分子時，則對模板分子的選擇性會增加，可見，盡管一種單體的常規(guī)印跡技術可以改進其選擇性，但通過第二種單體的引入，印跡效應將得到巨大提高.

5.3 將無機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材料，也可用無機材料來代替，經表面改性的硅膠早已用作HPLC的固定相.最近，具有不同性質的多種無機材料已被用于一些獨特的分子印跡技術中，如(1)在硅膠母體上的共價印跡，(2)用作印跡母體的TiO2超薄膜，(3)通過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)展和成就來看，無論是作為固相萃取材料、選擇性催化劑還是人工受體、化學傳感器的應用都反映了分子印跡技術是集高分子合成化學、物理化學、生物化學等眾多相關學科的優(yōu)勢而發(fā)展起來的交叉學科.目前，隨著分子印跡技術的迅速發(fā)展，其應用領域也將大幅拓寬，但是分子印跡技術也存在一些問題需要進一步研究，如：分子印跡技術的機理將更加明確；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別的需要；分子印跡技術商業(yè)化的加速[13]；分子印跡技術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