分子印迹技术功能单体光谱筛选及在食品检测中的应用

杨卫海 张吉 夏明星 孙铮 严守雷

(1.黄岛出入境检验检疫局 山东青岛 266555;2.华中农业大学)

分子印迹技术功能单体光谱筛选及在食品检测中的应用

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(1.黄岛出入境检验检疫局 山东青岛 266555;2.华中农业大学)

本文综述了分子印迹技术功能单体的光谱筛选方法,并对其在固相萃取、传感器、色谱分离等食品安全检测中的应用进行了概括,同时展望了分子印迹技术的应用前景和发展趋势。

分子印迹技术;功能单体;食品检测

1 前言

分子印迹技术(Molecularly imprinted technology)是1977年由Wulff[1]及其合作者首次提出的一种功能高分子研究方法。该方法制备的分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymer,MIP)具有较好的物理和化学稳定性,成本低,易制备,且具有特异识别性,现已广泛应用于色谱分离、仿生传感器、固相萃取、模拟酶催化及分析检测等领域。在分子印迹技术中,功能单体的选择对分子印迹聚合物的识别性能起着至关重要的作用。只有筛选出满足制备方法、模板、溶剂等不同因素需要的功能单体,才能制备出性能优良、符合需求的分子印迹聚合物。

目前,将分子印迹技术应用到食品安全检测领域成为国内外研究的热点。近年来,我国食品安全问题日益突出,如三聚氰胺毒奶粉事件、瘦肉精事件、海南毒豇豆等,这些无不为食品安全敲响了警钟。目前国内外涉及化学物质有害残留检测的方法主要有化学方法、色谱法和免疫法等,这些方法过程复杂,各自存在一定的缺点。因此,研发更为快速、准确、灵敏的检测方法,对解决我国食品安全问题具有重要的意义。

2 光谱法筛选分子印迹功能单体

分子印迹聚合物的识别能力取决于模板分子与功能单体分子间作用力的强弱,选择合适功能单体种类及与模板分子的配比至关重要。大多数模板分子的结构较复杂,不能直接判断出合适的功能单体,必须采用实验的方法来确定最佳的功能单体的种类和配比。随着光谱技术的发展,紫外光谱法(UV)、荧光光谱(FR)、红外光谱法(IR)及核磁共振法(NMR)等成为常用的光谱筛选方法。

2.1 紫外光谱

紫外光谱法设备简单,操作方便,成为广大分子印迹工作者选择分子印迹功能单体的首选方法。具体做法是,在印迹反应的溶剂中固定模板分子的浓度,加入不同浓度的功能单体,低温预组装,从而形成复合物,再测定其紫外光谱的变化,如光谱红移或蓝移、吸光度大小等变化,确定模板分子与功能单体间发生作用的强弱。目前已广泛用于吲哚乙酸[2]、久效磷[3]、2,4,6-三硝基甲苯[4]等多种分子印迹体系的筛选。但是,UV光谱主要适于模板分子与功能单体发生作用后吸收光谱发生变化的体系,且其谱带过于简单,只能粗略推断模板分子与功能单体的作用比例,不能确定其结合位点。

2.2 红外光谱

红外光谱也可以反映出单体-模板预组织复合物的结构信息。当N-H,O-H,以及C=O等与其他的氢供体形成氢键时,这些化学键将会有所弱化,因此他们的伸缩振动带移向较低频率。在红外光谱中这些谱带可以与其他信号清楚地加以区别,因此可以作为探测氢键的有力探针。杨俊等[5]利用红外光谱研究了可天宁和MAA在CCl4中的作用,结果发现CCl4溶液中可天宁的红外光谱在加入MAA之后其谱图发生了变化,1723.42 cm-1处四氢吡咯内酰胺中羰基的伸缩振动峰向低波数方向移动至1688.93 cm-1,表明四氢吡咯内酰胺中羰基氧原子是与MAA形成氢键结合的另一识别位点。

2.3 荧光光谱

根据荧光光谱的前后变化可以判断模板分子与功能单体的作用大小。荧光猝灭因猝灭机制不同,可分为动态猝灭和静态猝灭。动态猝灭过程是指蛋白质荧光体与荧光猝灭剂分子间,因相互碰撞而导致的荧光猝灭过程;静态荧光猝灭作用是指荧光供体分子与荧光猝灭剂分子之间借助分子间力,彼此结合形成了具有一定结构的不发荧光的基态复合物,而导致荧光强度减弱的现象。王华芳等[6]利用荧光光谱方法研究了3-氨基苯硼酸(APBA)与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,二者的反应受到体系pH值、离子强度等关键因素的影响,明晰了3-氨基苯硼酸与牛血清白蛋白之间的作用机理,二者间形成了较强的化学键。

2.4 核磁共振

在对均相样品的分析中,NMR是获得分子结构信息最有力的工具之一,它可提供更大的信息量和更高的准确度,从而确定作用位点和作用强度,是一种更具潜力的快速筛选方法。例如,当氢键形成时,氢键质子的电子密度降低,其NMR信号会移向低场。申中兰等[7]利用1H-NMR在氘代氯仿中研究了甲胺磷分子与MAA分子的作用,结果发现在加入MAA后,甲胺磷分子中与氨基N原子相连的氢质子的位移由3.160×10-6在预组装后向低场移至3.587×10-6,同时MAA中羧基质子的位移由10.090×10-6在预组装后向高场移至9.006×10-6。由此说明,甲胺磷中NH2的N原子和磷酸酯P=O中氧原子与MAA的羧基之间产生了氢键作用形成配合物。

3 分子印迹技术在食品检测中的应用

3.1 在固相萃取中的应用

分子印迹聚合物具有特异性和亲和性,用作固相萃取剂,可以弥补普通吸附剂选择性差的不足,克服生物或环境样品体系复杂、预处理繁杂等缺点,为样品的采集、富集和分析提供了很大的方便。王颜红等[8]制备了对阿特拉津具有特异性识别的分子印迹固相萃取柱,其最大结合量比游离态的聚合物微球高600倍,结合时间为游离态的1/60,采用液相色谱法检测其回收率达90%。与市售C18柱相比,回收率更好,净化更彻底,减少了杂质峰对分析的影响,提高了灵敏度,利于仪器的保护和保养。

3.2 在传感器中的应用

分子印迹聚合物作为传感器的敏感材料,化学性质稳定,成本低,可多次重复使用,易于保存。目前主要用于检测的有光学传感器、电化学传感器及压电传感器。严守雷[3]把丁酰肼分子印迹聚合物结合到压电石英晶体金电极上,对苹果中的丁酰肼进行了分析,进行多次测定发现该方法的回收率为85%-103%,变异系数为7.9%(n=5)。随着MIP研究的不断深入,将制备出含有多种印迹聚合物的敏感层,对食品中有害物质进行在线监测和多分析物的同时检测。

3.3 在色谱分离中的应用

作为色谱固定相,MIP已被广泛地应用于高效液相色谱(HPLC)、毛细管电色谱(CEC)、薄层液相色谱(TLC)。刘祥军等[9]在高效液相色谱柱中原位聚合,直接制备了三甲氧基苄啶的分子印迹聚合物整体柱,此整体柱具有良好的通透性,可以在高流速下使用,同时对模板分子具有特异的亲和性和选择性,印迹因子达到了10.3,而相应的磺胺类药物在印迹柱上没有保留,此印迹整体柱可望用于实际样品中三甲氧基苄啶的富集检测及含量测定。将MIP应用于CEC,MIP的高选择性与CEC的高分离效率相结合,可以降低印迹分子等的化学物质消耗,具有极大的发展前景。

4 前景展望

随着各种分析技术的发展,用来筛选分子印迹最佳功能单体的方法也将会越来越多,比如计算机模拟法、组合化学法等。但是,目前可供选择的功能单体的种类却不多,制约着分子印迹技术的发展。所以,合成更多种类的功能单体将是功能单体发展的趋势。

分子印迹聚合物的出现在功能材料领域具有划时代的意义。然而,如何将分子印迹聚合物的应用到实际样品的分析检测还存在许多关键问题。随着生物技术、光电技术等先进技术的发展,促进各种技术的有效结合,发展快速方便的检测方法,必将在食品分析领域发挥重要作用。

[1] Wulff G.Enzyme-analoguebuilt polymers and their use for the m-solution of raeemates[J].Tetrahedron Lett.,1973,44:4329-4332.

[2] 高志刚,周杰,曲金详.植物激素吲哚酸分子模板聚合物的分子识别特性[J].分析化学,2003,31(10):1173-1177.

[3] 严守雷,房彦军,高志贤.农药久效磷分子印迹聚合物合成及其亲合性评估[J],高分子学报,2006,1:160-163.

[4] 杜自卫,刘学涌,赵小东.沉淀聚合法制备TNT分子印迹聚合物微球[J].化学通报,2009,11:1041-1044.

[5] 杨俊,朱晓兰,苏庆德,等.可天宁印迹聚合物分子识别特性的光谱与XPS研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(6):1152-1155.

[6] 王华芳,李文友,何锡文,等.荧光法研究3-氨基苯硼酸与牛血清白蛋白间的相互作用[J].化学学报,2007,65(1):43-48.

[7] 申中兰,杨俊,朱晓兰,等.甲胺磷分子印迹聚合物的结合机理及其分子识别特性的光谱学研究[J].光谱学与光谱分析,2009,29(1):78-81.

[8] 王颜红,霍佳平,张红,等.阿特拉津分子印迹固相萃取柱的制备及应用[J].分析化学,2010,38(5):678-682.

[9] 刘祥军,刘吉众,赵睿,等.三甲氧基苄啶分子印迹整体柱的制备及色谱性能[J].高等学校化学学报,2007,28(10):1878-1880.

The Selection Methods of Functional Monomer in Molecular Imprinting and Application in Food Detection

Yang Weihai1,2,Zhang Ji1,Xia Mingxing1,Sun Zheng1,Yan Shoulei2

(1.Huangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Qingdao,Shandong,266555;2.Huazhong Agricultural University)

In this paper,the basic principle and the classification of molecularly imprinted technology were introduced,the applications of solid-phase exaction,sensor technology and chromatographic analysis were reviewed,and the prospect is also introduced.

Molecular Imprinting Technology;Food Safety;Analysis and Detection

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