分子印迹技术应用研究

黄新苹，刘远方

(郑州师范学院，河南郑州 450044)

1 分子印迹技术的发展

分子印迹技术(MIT)是指制备对某一特定的目标分子(模板分子、印迹分子或烙印分子)具有特异选择性的聚合物的过程。洗去目标分子以后，能在分子印迹聚合物(MIPs)中留下在形状、大小以及识别位点都与目标分子相匹配的空穴，该空穴能重新识别目标分子。它可以被形象地描绘为制造识别“分子钥匙”的“人工锁”技术［1］。MIT有三大特点:①预定性，即可根据不同目的制备不同MIPs，以满足不同需要;②识别性，即MIPs按照模板分子定做成可专一识别的模板分子;③实用性，可与酶和底物、抗原和抗体、受体和激素等天然分子识别系统相比拟，由于是化学方法合成，又有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能力，表现出高度稳定性和可长期反复使用的特点。

分子印迹技术来源于免疫学的发展。20世纪40年代，Pauling［2］提出以抗原为模板来合成抗体的理论，他所提出的结合位点和空间匹配的观点成为分子印迹的基本思想。1949年，Dickey在制备硅胶吸附剂时提出了可以视为“分子印迹”萌芽的“专一性吸附”的概念。但这一学术思想在此后一段时间并没有引起人们足够的重视。1972年，德国的Wulff研究小组首次报道了人工合成分子印迹聚合物之后，分子印迹技术越来越得到学术界和工业界的关注，之后其发展十分迅猛。1993年 Mosbach等［3］在《Nature》上发表有关茶碱分子 MIPs的报道后，每年公开发表的论文数几乎直线上升。1997年成立的分子印迹协会(Society of Molecular Imprinting，即SMI)的统计表明［4］，全世界有100个以上的学术机构和企事业团体在从事MIPs的研究及开发工作。由于MIPs是人工合成的聚合物，其对特定分子具有特异的选择性。该聚合物具有制备容易、成本低廉、对加热、有机溶剂及强酸强碱等稳定、具有抗恶劣环境的能力、使用寿命长等优点。因此，它在许多领域展现了良好的应用前景。

2 分子印迹技术的原理及分类

分子印迹技术的原理是将待分离的模板分子与交联剂在聚合物单体溶液中进行共聚得到颗粒介质，然后洗脱掉包埋于颗粒介质中的模板分子，得到保留有模板分子空间结构印迹的MIP介质。分子印迹制备通常要经过3个步骤:①功能单体与模板分子的功能基在适当条件下可逆结合，形成复合物;②加入交联剂(或与惰性溶剂、致孔剂一起加入)，引发聚合反应，形成MIPs;③用有机溶剂将模板分子从所得MIPs中洗脱掉，以获得与模板分子相匹配的三维空穴，而该空穴可再次选择性地与模板分子结合(见图1)。

图1 分子印迹示意图

根据模板分子与单体结合方式的不同，印迹技术可分为非共价法、共价法和半共价法［5-6］。非共价法中，MIPs的合成和识别都依赖于模板分子与功能单体间的非共价键(氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷移动、输水作用、范德华力等);在共价法中，模板分子与功能单体之间形成的是可逆共价键。共价法制备的MIPs选择性好，但可逆化学反应种类有限、印迹过程复杂，而且MIPs识别速度慢，限制了其普遍适用性。半共价法是前两种方法的综合，即合成反应中单体与模板分子之间的作用力是共价键，而识别过程中目标分子与MIPs的作用是非共价的。

3 分子印迹技术应用现状

分子印迹技术已经被广泛地研究并应用于药物分析检测、天然产物化学、生物传感器、膜分离、模拟酶催化等多个学科领域之中。其在各类物质的分离、分析和制备上均展示了良好的性能与应用前景。

3.1 药物分析检测

从20世纪90年代，分子印迹技术由于其对目标分子的强亲和力和高选择性，被应用于多种环境污染物和重金属的富集、检测之中。MIT不仅对重金属 Pb2+［7］、Cd(Ⅱ)［8］、Th(Ⅳ)［9］的检测，还可检测多环芳烃(PAHs)［10］、内分析干扰素雌酮、17β -雌二醇、炔雌酮［11］等有机污染物。

刘祥军等［12］研究了以甲磺隆为印迹分子通过一步溶胀法制备了球形印迹聚合物，将聚合物填装到Φ5 mm×40 mm不锈钢柱管中作为富集柱，在富集柱后串联反相C18柱，进行水中甲磺隆的富集，检测限能达ng/mL。

Tamayoa等［13］用分子印迹技术检测蔬菜中残留的苯基脲类除草剂，采用硅胶为牺牲载体的新方法合成分子印迹聚合物，以isoproturon和利谷隆(1inuron)做模板分子，以甲基丙烯酸(MAA)和三氟甲基丙烯酸(TFMAA)做功能单体，加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、偶氮二异丁氰(AIBN)和无水甲苯，再加入有孔硅胶，剧烈摇动使聚合物混合物渗透至硅胶孔内，采用热引发制备聚合物，最后用甲醇抽提除去模板分子。用该聚合物装填HPLC柱可直接检测蔬菜样品中的苯基脲类除草剂，检测限可达100 ng/g。

“十一五”期间，我国“863”计划将分子印迹技术在食品中农药、兽药残留检测领域的应用作为重点技术进行支持，并以现代农业技术领域专题的形式进行立项。

3.2 天然产物化学

MIT的特异识别功能在天然产物的分离纯化中展示独特魅力，对植物有效成分的分离纯化提供了新的思路。在天然产物化学应用中，可分以下几种方式:以分子印迹聚合物作为色谱固定相;SPE填料用作色谱前处理;制成薄膜和传感器等。郑细鸣等以柚皮素为模板分子制得的单分散分子印迹聚合物微球对柚皮素有着良好的特异吸附性［14］。颜流水等［15］以咖啡因为模板分子，经紫外光引发原位聚合的方法制备了分子印迹毛细管整体柱，研究了制备过程中影响分子印迹毛细管整体柱性能的主要因素，优化了色谱分离条件。实验结果表明，所制备的分子印迹毛细管整体柱对咖啡因具有高度选择性，咖啡因与结构相似物的最高分离度为2.57。这一方法用于测定绿茶饮料、百事可乐和复方药片中咖啡因的含量，已获得满意结果。

对各种类型的活性成分，如黄酮的提取、多元酚的富集、香豆素的分离、蒽醌的纯化等方面都具有独特的优势［16］。分子印迹技术以其高亲和性、高选择性为天然产物的分离与检测提供了新的广阔平台。

3.3 生物传感器

特殊识别现象在传感器技术中扮演了一个重要的角色。分子印迹系统的有利之处在于其识别位是“特制的”，并且同时引入了固相聚合支撑物。MIP有非常高的特异性及物理化学稳定性，科学家们在这一方面作了大量尝试。1991年，Mosbach等首次将印迹与传感器技术结合起来，利用MIP作为识别元件，制备出生物传感器并申请了专利，后来陆续有人报道了关于氨基联苯、吗啡、莠去津等的MIP传感器的研究。目前利用分子印迹聚合物生产的传感器已用于实际测定中，并且可望用于光学传感器。分子印迹聚合物制成的传感器已经用于除草剂、糖类、核酸和氨基酸及其衍生物、医药、毒素、溶剂和蒸气等的检测。

MIP还可作为仿生传感器的分子识别元件，这种分子识别作用可以通过信号转化器(压电晶体、电极、光极、电阻等)输出。这类仿生传感器除具有生物传感器的高选择性外，还具有耐酸碱、有机溶剂及苛刻环境因素的影响，从而具有稳定性好、寿命长的优点，是一类非常优良的传感器。目前已经用于MIP仿生传感器的分析对象有咖啡因［17］、尼古丁［18］、葡萄糖［19］等。提高 MIP 的选择性，从而使这类传感器能够获得更大的响应值和更小的干扰，将有望使这类传感器得到实际应用［20］。

3.4 膜分离

将MIP应用于膜分离的物质有氨基酸及其衍生物、肽、除草剂等。Lai P等［21］采用相转化法制备了茶碱的MIP薄膜。从槐属植物苦参中提取分离苦参碱，结果显示该分子印迹膜对苦参碱的吸附量可达71.4%，表明此法可有效应用于然药物有效成分的提取。Lehmann等［22］开发出一种新型的复合膜，该膜的支撑作用与印迹纳米粒子的表面选择性结合，该类分离膜不仅具有处理量大、容易放大等特点，而且对目标分子具有很高的吸附选择性和容量。基于分子印迹技术制备的分离膜为分子印迹技术走向规模化和商业化树立了很好的示范。

3.5 模拟酶催化

分子印迹最富挑战性的应用研究是对酶的人工模拟。Mosbach等［23］利用硝基苯—甲基—磷酸酯为模板得到了分子印迹聚合物(MIPs)，并将其用于对硝基苯乙酸酯的水解，结果表明MIPs加速了水解过程。此外，分子印迹对酶的活性调控也将起重要作用。Cheng等［24］制备了一种分子印迹聚合物——红色素分子印迹聚合物，像酶一样具有活性，能够识别红色素的空穴，不仅可充当催化中心，还具有分子识别的重要作用。催化在手性拆分和不对称合成中广泛应用，市场对光学纯药物的需求也对产品合成和提纯工艺提出更高的要求。模拟酶的分子印迹聚合物不仅具有很好的结构选择性，而且能大大加速水解过程，为合成分子印迹模拟酶和纳米材料的应用得供了新途径。

4 结束语

综上所述，分子印迹技术在近年来发展较快，已显示出良好的应用前景。未来分子印迹技术的发展可能集中于以下几个方向:①从分子水平上研究MIP与印迹分子间的相互作用，利用现代计算机技术研究MIP与印迹分子的构象及其相互作用，对于MIP的分子设计、单体选择等提供重要的理论基础，以最终实现MIP与印迹分子间的高选择性相互作用。②研究领域需从目前的小分子领域拓展到大分子领域，对于大分子如蛋白、核酸、多糖的印迹，甚至对于超分子水平的细胞与病毒的印迹是一个具有极大潜在应用价值的方向。③需要不断开发新的功能单体的种类，特别是针对MIP的合成技术。④从应用的角度出发，在保持MIP与印迹分子高选择性相互作用的前提下，提高单位MIP中的印迹位点的数量具有非常重要的意义。

［1］姜忠义，吴 洪.分子印迹技术［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［2］Linus P.A theory of the structure and process of formation of antibodies［J］.Am Chem Soc，1940，62(2):643-657.

［3］Mosbach K，Mayes A G.213th ACS National Meeting＆Exposition Programme［C］.San Francisco ，1997:48-61.

［4］Further information on the society for mol.imprinting may be found［EB/OL］.http:∥www.ng.hik.se/SMI.

［5］Masque N，Marce R M，Borrull F，et al.Synthesis and evaluation of a molecularly imprinted polymer for selective on-line solid-phase extraction of nitro phenol from environmental water［J］.Anal Chem，2000，72:4122-4126.

［6］Caro E ，Marce R M ，Borrull F，et al.Application of molecularly imprinted polymers to solid-phase extraction of compounds from environmental and biological samples［J］.Trends in Analytical Chemistry，2006，25(2):143-154.

［7］Gawin M，Konefal J，Trzewik B，et al.Preparation of a new Cd(II)-imprinted polymer and its application to determination of cadmium(II)via flow-injection-flame atomic absorption spectrometry［J］.Talanta，2010，80(3):1305-1310.

［8］Jiang W，Su H J，Huo H Y，et al.Synthesis and properties of surface molecular imprinting adsorbent for removal of Pb2+［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，2010，160(2):467-476.

［9］Lin C R，Wang H Q，Wang Y Y，et al.Selective solidphase extraction of trace thorium(IV)using surface-grafted Th(IV)-imprinted polymers with pyrazole derivative［J］.Talanta，2010，81(1-2):30-36.

［10］Krupadam R J，Khan M S，Wate S R.Removal of probable human carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons from contaminated water using molecularly imprinted polymer［J］.Water Research，2010，44(3):681-688.

［11］Paula Fernández- álvareza，Mathieu Le Noir，Benoit Guieyssea.Removal and destruction of endocrine disrupting contaminants by adsorption with molecularly imprinted polymers followed by simultaneous extraction and phototreatment［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，163:1107-1112.

［12］刘祥军，赵 睿，刘国荃，等.分子印迹聚合物富集水中除草剂甲磺隆的研究［J］.高等学校化学学报，2007，10:1878-1880.

［13］Tamayoa FG，Martinestebanb A.Selective high performance liquid chromatography imprinted-stationary phases for the screening of phenylurea herbicides in vegetable samples［J］.Chromatogr A，2005，1098:116-1221.

［14］郑细鸣，涂伟萍.柚皮素分子印迹聚合物微球的制备［J］.材料导报，2006，20(9):131-133.

［15］颜流水，王宗花，罗国安，等.分子印迹毛细管整体柱液相色普法测定咖啡因［J］.分析化学学报，2004，(2):148-152.

［16］赵玉兰，余雯静，郑 利.分子印迹技术在天然植物功效成分提取中的应用［J］.香料香精化妆品，2010，(5):30-33.

［17］Weng C H，Yeh W M，Ho K C，et al.A microfluidic system utilizing molecularly imprinted polyme films for amperometric detection of morphine［J］.Sensors and Actuators B，2007，121:576-582.

［18］Thoelen R，Vansweevelt R，Duchateau J，et al.A MIP-based impedimetric sensor for the detection of low-MW molecules［J］.Biosensors and Bioelectronics，2008，23:913-918.

［19］Cheng Z L，Wang E K，Yang X R.Capacitive detection of glucose using molecularly imprinted polymers［J］.Biosensors and Bioelectronics，2001，16(3):179-185.

［20］何东旭，陈玎玎，祁克宗，等.分子印迹固相萃取在兽药残留分析中的研究［J］.兽药与饲料添加剂，2008.13(4):20-23.

［21］Lai J P，He X W，Jiang Y，et al.Preparative separation and detemination of matrine from the Chinese medicinal plant Sophoral favescens Ait by molecularly imprinted solidphase extraction［J］.Anal Bioanal Chem，2003，375(2):264-269.

［22］Lehmann M，Brmnner H，Tovar G E M.Molecularly imprinted nanoparticles as selective phase in composite membranes: hydrodynamics and separation in nanoscalebeds［J］.Chemie Ingenieur Technik，2003，75(1-2):149-153.

［23］Klaus Mosbach，Andreas Leonhardt.Enzyme-mimicking polymers exhibiting specific substrate binding and catalytic functions［J］.Reactiv Polymers，Ion Exchangers，Sorbents，1987，6(2-3):258-290.

［24］Cheng Z Y，Li Y Z.The role of molecular recognition in regulating the catalytic activity of peroxidase-like polymers imprinted by a reductant substrate［J］.Journal of Molecular Catalysis A:Chemical，2006，256(1-2):9-15.