分子印迹技术及其应用研究新进展

马大鹏

（赤峰学院 教务处，内蒙古 赤峰 024000）

分子印迹技术及其应用研究新进展

马大鹏

（赤峰学院 教务处，内蒙古 赤峰 024000）

分子印迹技术是近年来迅速发展起来的一种先进的分子识别技术，利用分子印迹技术制备的分子印迹聚合物具有特异识别性能，可以有效地分离开分子结构类似的几种物质，因此，分子印迹技术已广泛用于固相萃取、手性药物分离、化学仿生传感器等领域.本文介绍了分子印迹技术的研究新进展.

分子印迹聚合物；固相萃取

1 引言

分子印迹技术(Molecularly Imprinting Techniques，MIT)，又称分子模板技术，是指制备对某一特定目标分子(模板分子、烙印分子或印迹分子)具有特异预定选择性的聚合物的过程，它是涉及高分子化学、生物化学、材料化学等学科的一种用于分离纯化的先进技术.它的先进之处就在于它的预定性、特异识别性、广泛实用性.基于上述优点，分子印迹技术在许多领域都展现了良好的应用前景，如天然产物纯化、临床药物分析、色谱中对映体和位置异构体的分离、化学仿生传感器、固相萃取、模拟酶催化、膜分离技术等领域[1].

分子印迹技术起源于免疫学.早在20世纪40年代，Pauling提出模拟抗体和抗原的相互作用，以抗原作为模板来“铸造”抗体的空间结合位点理论.虽然这一错误理论被后人推翻，但却给后来的研究带来了启示，化学家们发展了一项有效的分析技术称为分子印迹技术.1949年，Dickey[2]首先提出了“专一性吸附”这一概念，但开始并未引起人们足够的重视.直到1972年，由德国的Wulf研究小组首次报道了人工合成有机分子印迹聚合物之后，分子印迹技术才逐渐被人们所接受.1993年，Mosbach K等人在Nature上发表有关茶碱分子印迹聚合物的研究报道后，分子印迹技术开始得到了迅猛的发展[3].

分子印迹物的合成可分为以下三步：

（1）在功能单体和模板分子之间制备出共价配合物或非共价加成产物；

（2）对这种单体-模板配合物(或加成物)进行聚合；

（3）然后，将模板分子从聚合物中除去.

在第一步中，功能单体和模板分子二者之间可通过共价联结(称“共价印迹法”)，或通过处于相近位置的非共价联结(“非共价印迹法”)而相互结合.第二步，配合物(或加成物)被“冻结”于高分子的三维网络内.而由功能单体所衍生的功能残基则按与模板互补方式而拓扑地布置与其中.在第三步，是将模板分子从聚合物内除去，于是在高聚物内，原来由模板分子所占有的空间形成了一个遗留的空腔.在合适的条件下，在一空腔可以满意地“记住”模板的结构、尺寸以至其他的物化性质，并能有效而选择性地去键合模板(或类似物)的分子.

依据功能单体和模板分子间形成的加成物性质，存在着两种形式的分子印迹法，即共价印迹法与非共价印迹法.共价印迹法是指功能单体和模板分子通过共价结合而相互连结的，此法的优点是单体-模板所形成的配合物十分稳定，且相互间存在着当量关系，因此分子印迹过程(及高聚物内客体键合点的结构等)是明确而清晰的；可在较宽的聚合条件(如高温、高或低的pH、或高极性溶剂中)下进行聚合.缺点是单体-模板配合物的合成常较困难，同时也不经济；可以采用的可逆共价连结体系数目有限；在某些条件下，会因为第三步剧烈的工作条件(使共价联结断裂)而使印迹效果变差；模板分子的结合和释出速度都较慢.

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(作为模板)反应而得到共价配体化学物，通过与甲基丙烯酸甲酯以及乙二醇双甲基丙烯酸酯(交联剂)的共聚反应，然后是硼酸酯分解，使4-硝基苯基-α-D-甘露糖苷除去，这是第一个以共价印迹法制备分子印迹聚合物的实例.

非共价印迹法是功能单体和模板分子以非共价相互作用（如氢键、疏水作用、静电相互作用以及配位键）相结合，此法的优点是不必合成共价单体-模板配合物；可在温和条件下将模板从聚合物中除去；模板分子的键合和释出都有很快的速度.缺点是印迹过程的轮廓不够清晰；聚合过程的条件必须仔细加以选择，使混合物中非共价的加成物能最大程度的稳定存在；由于在大量功能单体存在的条件下(为使平衡有利于加成物生成)常会出现非特征的键合点，于是就会降低体系结合底物的选择能力.

还有一种共价与非共价印迹杂化体系法是将共价印迹法轮廓清晰的优点与非共价印迹法能快速键合的长处结合起来，构成杂化印迹法.在这里，高分子的制备和共价印迹法相同，但对模板分子的键合则采用非共价相互作用.此法可解决共价印迹中模板分子和功能单体的键合、释放较慢这一缺点.

2 分子印迹聚合物合成原理

分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)合成的材料主要有三种：模板分子(即所要印迹的物质)、功能单体、交联剂，必要时还要加入造孔剂，其基本合成原理如图1所示：

图1 分子印迹图示说明

合成分子印迹聚合物中，对于所采用的聚合反应要求是，在聚合时能够保证体系中所有组分包括模板、交联剂、单体和模板等所形成的非共价印迹保持完好不变，因此，在众多聚合反应中，自由基聚合的应用最为广泛.聚合反应中常用的功能单体甲基丙烯酸、4-乙烯吡啶、4-乙烯苯基硼酸、丙烯酰胺等，交联剂的选择视反应体系而定，有机溶剂中常用的交联剂为乙二醇双甲基丙烯酸酯(EDMA)和二乙烯基苯，而在水相中常用的交联剂为N,N＇-亚甲基双丙烯酰胺.必要时，在反应过程中还要加入造孔剂(如聚乙二醇、乙腈、甲苯等)以形成合适的孔穴.同时，为了凸显分子印迹聚合物的特异吸附性能，还要合成出非分子印迹聚合物(NIP).NIP的合成方法同MIP的合成方法，只是在合成过程中不必加入模板分子.

3 分子印迹效果评价

分子印迹聚合物的选择识别性能优劣可以通过印迹因子β来体现.印迹因子β可以通过下列两式计算，

Kd为静态分配系数，ml/g；Cp为吸附平衡时EGCG在聚合物上的浓度，μmol/g；Cs为吸附平衡时溶液中EGCG的浓度，mmol/L；Kd,I为MIP对EGCG的静态分配系数；Kd,N为相应NIP对EGCG的静态分配系数；β体现了印迹聚合物与空白聚合物在分子识别上的差异，β越大表明印迹效果越好.

4 分子印迹聚合物的应用

4.1 固相萃取

利用制备出的分子印迹聚合物来装填吸附分离柱，对含有目标物质的混合溶液进行动态吸附.李小红等[4]以甲胺磷为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为交联剂，用悬浮聚合法制备了甲胺磷分子印迹聚合物微球，并将其装柱，用来固相萃取牛奶中的甲胺磷，产物对甲胺磷的吸附率为87.4%，远高于其结构类似物乙酰甲胺磷和水胺硫磷的吸附率(15%)；颜流水等[5]以槲皮素为模板分子、丙烯酰胺(AM)为功能单体、乙二醇双甲基丙烯酸酯(EDMA)为交联剂，制备了槲皮素分子印迹聚合物固相萃取柱，产物对槲皮素有很高的选择识别性能.Christophe Gomy等[6]更是用2-(脲乙烯基甲基丙烯酸)偶氮苯作为功能单体，甲氨蝶呤模拟物为模板，合成了具有光敏性的分子印迹聚合物，可以通过照射光的波长变化来控制聚合物对基板分子的吸附和脱附.

4.2 化学仿生传感器

利用分子印迹技术修饰的电化学传感器，即为化学仿生传感器或称为分子印迹传感器，这种传感器由两部分构成：识别待测物的分子印迹敏感膜和将生物量转化为电信号的电化学转换器，可识别待测物的分子印迹敏感膜制备出来后，以适当的方式固定在转换器的表面.当待测分子与MIP敏感膜接触时，会通过某种作用产生一个物理或化学信号，转换器将此信号转换成一个可定量的输出信号，此信号与被分析物的浓度有关，通过监测输出信号可实现对待测物的实时测定[7].与普通的化学传感器相比，分子印迹传感器具有高度选择性，在测定中可以避免结构类似物的干扰，可用于混合物中某一组分的测定.目前，分子印迹传感器已在氨基酸衍生物、神经性毒剂、药物及农药的检测等领域得到广泛应用.Yasuo[8]等利用4-乙烯基苯硼酸与葡萄糖合成出分子印迹聚合物，并将其用亚甲基双丙烯酰胺接枝到铟锡氧化物电极的表面，制备了分子印迹传感器，利用循环伏安法检测样品中葡萄糖的含量，检出限可达0-9mg/mL，响应时间随葡萄糖浓度在3-5min之间变化，可用于糖尿病人血液中葡萄糖含量的测定；Agnieszka等[9]用组胺作为模板分子，以双噻吩衍生物为功能单体，制备了组胺压电传感器，其检出限为5nmol/L；B.Rezaei等[10]制备了可检测抗痉挛药物普里米酮的分子印迹传感器，检出限为5.1×10-3μg/mL；谢成根等以水杨酸为模板分子，采用循环伏安法电聚合形成聚吡咯膜，以固定电位过氧化法去除印迹分子，制备了水杨酸分子印迹膜电极，检出限为0.8μmol/L，能有效地避免结构类似物苯甲酸分子对水杨酸测定的干扰，实现对水杨酸高选择性的检测；马永飞等[11]制备了可检测出土壤中莠去津(除草剂)的分子印迹膜电化学传感器，检出限可达3.0×10-9mol/L.

4.3 对映体和位置异构体的分离

分子印迹聚合物可以分离手性异构体或对映异构体.Reza Panahi[12]等以L-赖氨酸为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体，用乙二醇双甲基丙烯酸酯进行交联，合成了赖氨酸印迹聚合物，并用其从稀的水溶液中分离L-赖氨酸，吸附量达27.26mg/g，可用于L-赖氨酸和D-赖氨酸的分离.王辉等制备了(5R)-苄基海因分子印迹聚合膜，这种聚合膜可以对(5R)-苄基海因和(5S)-苄基海因进行手性分离.

另外，分子印迹聚合物还可应用于模拟酶催化、临床药物分析、分子印迹催化剂等方面.

5 分子印迹技术的最新挑战

由于分子印迹是一个综合性概念，并易于操作，因此许多较宽范围和通用性的应用战略已被提出并加以实施.虽说方法的基本概念已经实现，同时一些高聚物也已取得了实际应用，但这一技术仍处于发展之中.作为一种目标来说，从对具有0.1nm级尺寸的简单分子，扩充到对具有纳米级的复杂分子的新战略和概念也已得到发展.

5.1 水相中的分子印迹技术

分子印迹聚合物虽可和天然抗体相比较，但它们间仍存在相当宽的空隙和差异.存在的差异之一是接受体键合目标分子的环境，或溶剂有所不同.已报道过的多种合成印迹聚合物，仅在有机溶剂中才能表现出它的功能，而天然抗体则是在水中工作的，因此，研究者们已将注意力转向非有机即水相体系，其主要困难是在水中时，溶剂会妨碍印迹的实现：(1)大量水存在时，模板分子和功能单体的自组装过程最易受水分子的干扰，因为水分子会与功能单体竞争和模板分子形成氢键；(2)用于水相中的水溶性交联剂不能充分地增强高聚物，因此所得的高聚物在用作固定相时，就会出现刚性不足的问题.为解决这些问题，研究者们探索出了多种方法：(1)模板分子和功能单体在水中的疏水相互作用，即在水中提供一个疏水环境，让模板分子和功能单体在这个疏水环境中进行自组装，如环糊精中的疏水空腔即可提供这样的环境；(2)以金属和配体相配合的“预组织”，高聚物结合的金属离子也有望用于水相的分子识别体系中，如果金属离子能通过分子印迹技术而适当地固定于高聚物上，则模板分子就能在水中作选择性键合；(3)在气-水界面上的分子印迹技术，在气-水界面上，其物理-化学性质和水中大不相同，因而在该处就可较容易的形成氢键.

5.2 同两类功能单体实现合作性识别

在分子印迹识别的概念中，可以将两种或多种功能单体置于与模板分子相互补的位置，当有多种单体同时键合同一模板分子时，则对模板分子的选择性会增加，可见，尽管一种单体的常规印迹技术可以改进其选择性，但通过第二种单体的引入，印迹效应将得到巨大提高.

5.3 将无机凝胶作为母体用于分子印迹

作为分子印迹的母体不一定限于有机材料，也可用无机材料来代替，经表面改性的硅胶早已用作HPLC的固定相.最近，具有不同性质的多种无机材料已被用于一些独特的分子印迹技术中，如(1)在硅胶母体上的共价印迹，(2)用作印迹母体的TiO2超薄膜，(3)通过分子印迹法得到螺状硅胶.

6 展望

从分子印迹聚合物研究的发展和成就来看，无论是作为固相萃取材料、选择性催化剂还是人工受体、化学传感器的应用都反映了分子印迹技术是集高分子合成化学、物理化学、生物化学等众多相关学科的优势而发展起来的交叉学科.目前，随着分子印迹技术的迅速发展，其应用领域也将大幅拓宽，但是分子印迹技术也存在一些问题需要进一步研究，如：分子印迹技术的机理将更加明确；更多功能单体和交联剂将被引入以满足不同类型的分子印迹识别的需要；分子印迹技术商业化的加速[13]；分子印迹技术将向高选择性和微型化方向发展.

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1673-260X（2012）02-0022-03