分子印迹技术研究进展

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(河南农业大学 理学院，河南 郑州 450002)

•综述与述评•

分子印迹技术研究进展

刘喜阳，赵士举，潘振良

(河南农业大学 理学院，河南 郑州 450002)

分子印迹技术是近些年来快速发展的一种高选择性分离及分子识别技术，由该技术制备的具有分子特异识别功能的高分子材料称为分子印迹聚合物。本文就其基本原理、方法及其在天然产物分离、食品检测、仿生传感、固相萃取、抗体与受体模拟领域的应用与研究进行综述。

分子印迹技术；分子识别；分子印迹聚合物

0 引言

分子印迹技术( Molecularly Imprinting Technology，MIT)是模仿免疫学理论中“抗原—抗体”识别原理发展的一种特异性识别目标分子的技术。早在1940年，著名的诺贝尔奖获得者Pauling就提出了模拟抗原和抗体的相互作用，以抗原为模板合成抗体的理论。虽然这一理论被后来的“克隆选择理论”推翻，但是其理论为分子印迹的出现奠定了基础。1949年，Dickey在研究染料在硅胶中的印迹时提出了“分子印迹”的概念，在当时的学术界中并未引起足够的重视。1972年，德国的Wullf研究小组首次成功制得了具有高选择性的共价型分子印迹聚合物(Molecular Imprinting Polymers，MIP)，从此分子印迹技术才逐渐被人们所认识和接受。直到1993年，瑞典的Mosbach等[1-2]在Nature上发表了有关茶碱MIP的研究报道后，MIT成为了国内外学术界的研究热点。

1 分子印迹技术基本原理与方法

1.1 基本原理

MIT是一种特异性识别目标分子的技术，是指为获得在空间结构和结合位点上与目标分子完全匹配的聚合物，在交联剂的存在下，将目标分子和功能单体通过共价或者非共价的方式共聚生成聚合物，然后用溶剂将目标分子洗脱，聚合物中就留下独特的“记忆”空穴，此空穴在空间、形状、以及确定官能团上与原来目标分子完全相匹配，这样的空穴可以与混合物中的目标分子进行可逆的特异性结合，该聚合物称为MIP[3-4]。

MIT基本过程包括三个步骤：①在一定溶剂(致孔剂)中，目标分子(模板分子或者印迹分子)与功能单体的预组装，即模板分子与功能单体的功能基团通过共价或者非共价键的相互作用形成具有多重作用位点的配合物；②加入交联剂，通过引发剂引发进行光或热聚合，使配合物与交联剂在模板分子周围聚合形成高交联的聚合物；③将聚合物中的印迹分子洗脱出来。这样在聚合物中便留下了与目标分子大小和形状相匹配的立体空穴，这便赋予该聚合物特异的“记忆”功能，提供了对印迹分子的特定结合位点和选择性的摄取能力，类似生物的自然识别系统。

1.2 方法

根据目标分子同聚合单体的官能团之间作用形式不同，目前MIT主要可分为：共价法、非共价法及半共价法三类。

共价法又叫作预组织法，该方法是目标分子与单体通过共价键结合，在加入交联剂聚合之后，用化学方法断裂共价键将目标分子除去。目标分子与功能单体之间的可逆共价键是该聚合物的制备以及以后的分子识别过程的关键。共价法的优点在于共价键作用力较强，目标分子可与功能单体完全作用，聚合后可获得空间精确、固定排列的结合基团，因而在识别过程中降低了非特异性作用，且形成的复合物稳定[5-6]。但是，由于共价键作用力较强，在目标分子自组装或识别过程中结合以及解离速度较慢，很难达到热力学平衡，不适合快速识别，而且识别水平与生物识别相差甚远[7]。

非共价法又叫作自组织法，此方法是目标分子与功能单体之间先进行自组织排列，以较弱的非共价键自发形成带有多重作用位点的分子复合物，再经过与交联剂作用之后，除去目标分子。非共价法的优点在于方法简便易行，印迹分子易于除去，在印迹过程中可以同时使用多种单体以使分子印迹系统多样，识别过程与天然的分子识别系统接近[8]。其缺点在于聚合物的选择性低于非共价法[9]。

半共价法集中了共价法和非共价法的特点。即在制备印迹聚合物时功能单体和目标分子以共价键的作用力结合，而在洗脱目标分子之后，其所形成的分子印迹聚合物则是以非共价作用来识别目标分子[10-11]。

2 MIT的应用

MIT作为一种新型高效分离及分子识别技术，有机的将材料科学、高分子科学、化学工程、生物化学等学科结合在一起。与天然的分子识别体系相比，人工合成的MIP具备稳定性好、抗恶劣环境能力强、制备成本低、使用寿命长、可再生、应用范围广等优点[12-13]。因此在天产物分离、食品检测、仿生传感、固相萃取、抗体与受体模拟等领域有着良好地应用前景。

2.1 在天然产物分离中的应用

我国的中草药已有几千年的历史，但是其成分复杂及有效成分的不明确性，使得国外医疗界一直对其持怀疑态度。并且有效成分含量较低，采用一般方法进行分离富集较为困难，如何快速、准确地分离提纯中药中的活性成分显得尤为重要。常规的分离方法如色谱法和萃取法溶剂消耗量大、分离效率低，使得它们的应用有局限性。而MIP具有与天然生物系统相类似的分子识别功能，具有特异的选择吸附性，所以，MIT在药物分离及纯化领域发展迅速。MIT可用在对活性成分的分离纯化、有效成分的分离及富集[14]。

李妃等[15]用分子印迹聚合物法从山豆根中提取苦参碱。他们以苦参碱为模板分子，使用三聚氰胺—脲醛树脂作为功能单体，制备分子印迹聚合物。在提取苦参碱的过程中，以MIP作为吸附剂，丙酮作为洗脱剂，此方法所提取到的苦参碱的量是相同条件下用液—液萃取所得到的1.4倍。

张观流等[16]用6-甲基香豆素为模板分子，通过单步溶胀聚合法在水相中制得分子印迹聚合物。此MIP可用于从黑香豆等草本植物中提取6-甲基香豆素以制备香料或者口服抗凝药物。结果表明，该印迹材料能够完全除去模板分子，具有后功能化和完整、均一、稳定的印迹位点，对目标分子有较高亲和力，能够快速吸附目标分子等特点。

祁楚楚等[17]以木犀草素为模板分子，丙烯酰胺为功能单体，甲醇—乙酸混合液为洗脱剂，来制备木犀草素MIP，并将其作为固相萃取剂，从金银花粗提取物中分离纯化得到纯度较高的木犀草素。这是首次将MIT应用于中药金银花中，实现了金银花作为基础中药材之外的延伸利用价值。MIT因其高选择性、高亲和力，在天然产物的分离提纯方面具有更好的发展前景。

2.2 在食品检测中的应用

食品安全问题关系到人们的健康和生命的安全，然而食品安全事件却层出不穷。目前，用于食品安全检测的方法主要有化学方法、色谱法、免疫法以及生物检测方法。这些方法不但繁琐不便，而且不适于现场检测，所以急需寻找新的检测方法。因为MIT具有预定性、识别专一性、实用性三大特点，且有制备操作相对简便、耐用性强、可以反复利用等优点，所以MIT在食品安全检测领域有很好的应用前景[18]。

吕海霞等[19]以镉离子为模板，羧甲基壳聚糖为功能单体，戊二醛为交联剂制备了镉离子印迹聚合物。该聚合物能快速、有效地对水样中的镉离子进行分离富集，实际水样中镉离子回收率为98.0%～104.0%。

吕运开等[20]以氟苯尼考为模板分子，甲基丙烯酸为功能单体，二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，用乳液—悬浮聚合法制备MIP。在最佳条件下，对牛奶中的酰胺醇类药物进行回收，加标回收率为80.6%～96.7%，检出限为6.8～27.8 g/kg，有效地实现了对牛奶净化与检测。

杨中等[21]以加替沙星为模板分子，含溴代引发剂的改性硅胶为引发剂，氯仿为溶剂，在硅胶表面合成了对加替沙星具有选择性结合能力的表面MIP。实验结果表明该MIP对加替沙星分子具有很好的选择性和亲和性。

2.3 在化学仿生传感器中的应用

传感器是由识别元件和信号转换器组成的，识别元件位于转换器的表面，当识别元件结合了待检测的目标分子时，就会产生一个物理或者化学信号，这时转换器将信号转换成输出信号，从而实现对目标分子的实时检测[22]。由于MIP对于目标分子的高选择性、高稳定性以及强耐用性等优点，可以弥补生物识别材料的不稳定性和高成本的缺点，故可以作为传感器的分子识别元件[23]。这种传感器具有性能好、寿命长等优点，已成为最具研究潜力的课题之一。

陈剑鸣等[24]针对毒品探测的需求，研究改进了高选择性、高灵敏度并可于液相环境中工作的传感器。利用MIT制作对特定毒品分子有专一吸附性的MIP为吸附层制得的毒品检测传感器。实验结果表明，此毒品检测传感器的灵敏度为8×10-12g/Hz·cm，远高于石英晶体微天平这一传统的质量敏感型传感器，可以对溶液中的毒品分子进行快速检测。该传感器具有体积小、灵敏度高、谐振频率高等特点。

郭春晖等[25]以沙丁胺醇为模板分子，对氨基苯硫酚为功能单体，在纳米金修饰玻碳电极上，以电聚合法制备了沙丁胺醇分子印迹聚合物膜。结果表明，该MIP有较好的选择性、重现性和稳定性，检测限为3.1×10-9mol/L。使用该传感器可测定沙丁胺醇在猪饲料中的含量，具有高灵敏度、简便快捷、重现性、稳定性好等特点，有较好的应用前景。

2.4 在固相萃取中的应用

MIP作为固相萃取填料技术叫作分子印迹固相萃取技术。由于MIP对目标分子有较高的选择识别性，特异地识别含目标分子的萃取物，能够克服传统的固相萃取吸附剂选择性差的缺点，便于控制萃取和洗脱条件，从而提高复杂环境中痕量目标物分析的适用性。自1994年Ellergren首次将MIP应用于固相萃取，发现MIP在有机溶剂和水相中都能使用，优于传统的液液萃取和固相萃取技术，分子印迹固相萃取技术得到了关注和发展。

高霞等[26]以氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子为模板分子，甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯为双功能单体，聚苯乙烯—二乙烯苯为载体，制备了氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子表面印迹聚合物。使用该聚合物作为固相萃取剂，在特定的参数条件下，固相萃取柱对氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子的回收率达到101.02%，可用于对地下水中氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子的分离富集，具有优越的使用性能。

张高奎等[27]以阿散酸为虚拟模板分子，2-乙烯吡啶为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，合成了对洛克沙胂具有高选择性的MIP。将其作为固相萃取填料用于分离、富集洛克沙胂。洛克沙胂在分子印迹固相萃取柱上的回收率达到 95% 以上。

2.5 在抗体与受体模拟中的应用

MIT是模仿抗原和抗体的相互作用而发展起来的，其所制得的MIP具有类似于生物抗体的高特异性和高选择性。理论上MIP作为对生物抗体和受体的一种有益补充，模拟抗体识别药物、糖类、蛋白质、多肽、氨基酸等的不同成分。将MIP作为人工抗体和受体可以补充从自然界中难以得到或不能得到的抗体和受体。因此，国内外许多学者已在此领域展开了研究[7，28]。

李国良等[29]以葡萄球菌肠毒素B蛋白为模板分子，以聚苯乙烯微球为基质，采用表面分子印迹法制备了葡萄球菌肠毒素BMIP。结果显示该MIP对葡萄球菌肠毒素B模板蛋白有较高的吸附性和选择性，其最大表观吸附量为3.23 mg/g。将其作为葡萄球菌肠毒素B抗体的理想替代物，以血清学检测方法检测葡萄球菌肠毒素B时，有效地克服了抗体的制备工艺繁杂、周期长、效价受多重生物因素影响等弊端。

3 结论

综上所述，MIT作为一种具有特异识别功能的高分子技术，因其高选择性、高耐用性、可以重复多次利用等优点而在近年来发展迅速。同时，随着电子技术、生物技术和化工技术的不断进步，促进了MIT在各个领域的应用发展。目前，MIT的基础理论还有待完善，仍需开发寻找新的制备MIP的方法和功能单体。我们相信，随着更多的研究者对其进行更深入的研究，MIT将会应用在更多的领域中。

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ResearchProgressofMolecularImprintingTechnique

LIUXi-yang,ZHAOShi-ju,PANZhen-liang

(College of Science,Henan Agrialtural Untversity,Zhengzhou 450002,China)

Molecular imprinting technology (MIT) is a highly selective separation and molecular recognition technology developed rapidly recently,polymer with specific molecular recognition function by the preparation of MIT called molecular imprinting polymers (MIP).The basic principle,method and its application and research in the separation of natural products,food safety detection,biomimetic sensor,solid phase extraction,antibody and receptor mimics are reviewed.

molecular imprinting technology ; molecular recognition ; molecular imprinting polymers

2013-12-21

刘喜阳(1990- )，女，在读硕士；联系人，潘振良(1972- )，男，博士，副教授，从事有机合成研究工作，电话：13838291075。

O631.3

A

1003-3467(2014)02-0017-04