分子印跡技術(shù)

1、分子印跡技術(shù) 分子印跡技術(shù)是近年來集高分子合成、分子設(shè)計、分子識別、仿生生物工程等眾多學(xué)科優(yōu)勢發(fā)展起來的一門邊緣學(xué)科分支?；谠摷夹g(shù)制備的分子印跡聚合物具有親和性和選擇性高、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。因此，分子印跡技術(shù)在許多領(lǐng)域，如色譜分離、固相萃取、仿生傳感、模擬酶催化、臨床藥物分析等得到日益廣泛的研究和開發(fā)，有望在生物工程、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)等行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的應(yīng)用。下面就介紹一下分子印跡技術(shù)的有關(guān)知識。一、 分子印跡技術(shù)理論1.1分子印跡技術(shù)概念 分子印跡技術(shù)(molecular imprinting technique, MIP)是指為獲得在

2、空間和結(jié)合位點(diǎn)上與某一分子(模板分子、印跡分子) 完全匹配的聚合物的實驗制備技術(shù)。1.2實現(xiàn)分子印跡技術(shù)的步驟 分子印跡技術(shù)是通過以下方法實現(xiàn)的: (1) 在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中，具有適當(dāng)功能基的功能單體通過與模板分子間的相互作用聚集在模板分子周圍，形成單體模板分子復(fù)合物。 (2) 選擇適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑，與功能單體在致孔劑的存在下互相交聯(lián)起來形成聚合物, 從而使功能單體上的功能基在特定的空間取向上固定下來。 (3)通過一定的物理或化學(xué)方法把模板分子脫去。這樣就在高分子共聚物中留下一個與模板分子在空間結(jié)構(gòu)上完全匹配, 并含有與模板分子專一結(jié)合的功能基的三維空穴。這個三維空穴可以選擇性地重新與模板分子結(jié)合,

3、即對模板分子具有專一性識別作用。1.3分子印跡技術(shù)的分類 按照單體與模板分子結(jié)合方式的不同, 分子印跡技術(shù)可分為分子自組裝和分子預(yù)組織兩種基本方法。分子自組裝法(self-assembling)又稱非共價法，是由瑞典的Mosbach及其同事在20世紀(jì)80年代后期創(chuàng)立的。在此方法中，模板分子與功能單體之間自組織排列，以非共價鍵自發(fā)形成具有多重作用位點(diǎn)的單體模板分子復(fù)合物, 經(jīng)交聯(lián)聚合后這種作用保存下來。常用的非共價鍵作用有：氫鍵、靜電引力、疏水作用力、電荷轉(zhuǎn)移、金屬配位鍵以及范德華力等，其中以氫鍵應(yīng)用最多。分子預(yù)組織法(preorganization)又稱共價法，由德國的Wulff 和美國的Sh

4、ea 為主的研究小組在20世紀(jì)70年代初期創(chuàng)立。在此方法中，模板分子首先通過可逆性共價鍵與功能單體結(jié)合形成單體模板分子復(fù)合物，然后交聯(lián)聚合，聚合后再通過化學(xué)途徑將共價鍵斷裂而去除印跡分子。迄今使用的共價結(jié)合作用的物質(zhì)包括硼酸酯、席夫堿、縮醛酮、酯和螯合物等。其中最具代表性的是硼酸酯。除了以上兩種基本類型外，還有一種技術(shù)綜合了兩者，即聚合時單體與印跡分子間作用力是共價鍵，而在對印跡分子的識別過程中，采用非共價法，從而使分子印跡聚合物既保持了共價印跡的親和專一性，也同時具備了操作條件溫和易于控制的優(yōu)點(diǎn)。該法的研究以Whitecomb等為典型合成事例。后來，他們又發(fā)展了一種“犧牲空間法”的分子印跡技

5、術(shù)。二、 分子印跡聚合物2.1分子印跡聚合物概念仿照抗體的形成機(jī)理，在模板分子周圍形成一個髙交聯(lián)的剛性高分子，除去模板分子后在聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中留下具有能夠發(fā)生結(jié)合反應(yīng)的集團(tuán)，稱之為分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymer , MIP)。它對模板分子表現(xiàn)出高度的選擇識別性能。2.2分子印跡聚合物制備過程分子印跡聚合物的制備通常包括以下步驟：（1）功能單體的選擇根據(jù)印跡分子的性質(zhì)以及單體與印跡分子作用力的大小預(yù)測，合理地設(shè)計、合成或選擇帶有能與印跡分子發(fā)生作用的功能基的單體。（2）聚合反應(yīng)在印跡分子與交聯(lián)劑的存在下，在合適的溶劑中對單體進(jìn)行聚合。（3）印跡分子的

6、去除采取萃取等手段將占據(jù)在識別位點(diǎn)上的絕大部分印跡分子洗脫下來。（4）后處理在適宜溫度下對印跡分子聚合物進(jìn)行真空干燥和研磨等成型加工后處理。2.3分子印跡聚合物的制備方法迄今為止，分子印跡聚合物主要有以下幾種制備方法：(1)傳統(tǒng)方法將功能單體在溶液中排列在印跡分子周圍，交聯(lián)干燥之后將其研磨、破碎、篩分得到一定粒徑的分子印跡介質(zhì)，最后洗脫除去模板分子。這種方法比較簡單，但是存在后處理過程復(fù)雜、規(guī)則粒子的柱效率較低、大規(guī)模生產(chǎn)有困難、吸附量低、聚合物的性能難以調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。（2）原位聚合針對傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，Svec和Frechet發(fā)展了一種在色譜柱中直接聚合的原位聚合方法，可以直接制得可使用的分子印

7、跡色譜柱，大大簡化了色譜固定相的合成。由于其直接、簡便的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實用性。（3）乳液聚合將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑溶于有機(jī)溶劑中，然后將溶劑移入水中，攪拌、乳化，最后加入引發(fā)劑交聯(lián)、聚合，可直接制備粒徑較均一的球形分子印跡介質(zhì)。（4） 懸浮聚合采用全氟化碳液體作為懸浮介質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)溶劑水懸浮介質(zhì)，從而消除了非共價印跡中存在的不穩(wěn)定的預(yù)組織體。全氟烴無毒、易處理。缺點(diǎn)是易燃、價格昂貴，使用后要蒸餾重復(fù)使用等。（5）表面印跡通過對粒子表面進(jìn)行修飾制備分子印跡聚合物材料是一個較好的方法，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以利用粒子的機(jī)械穩(wěn)定性，并且可以通過對粒子本身性能的調(diào)節(jié)來適應(yīng)應(yīng)用的需要。同時

8、它還克服了原來聚合物中模板分子會被包覆到聚合物內(nèi)部的弊端。Jiang等采用表面分子印跡法在硅膠表面進(jìn)行印跡，從而活化硅膠，使其在SPE-HPLC中對雙酚A的測定具有較高的萃取性能，回收率達(dá)到99，RSD為3.7。三、 分子印跡技術(shù)和分子印跡聚合物的應(yīng)用3.1色譜分析分子印跡聚合物用于色譜分析主要有以下兩方面的工作: 樣品前處理(分離、提純、濃縮) 和手性物質(zhì)的分離。(1) 樣品前處理  分子印跡聚合物用于試樣的前處理的首例報道是Sellergren 于1994 年合成的戊脒(pentamidin, 一種抗原蟲菌藥) 為模板的印跡聚合物, 該聚合物作為吸附劑完成了對生物液體試樣尿中戊脒

9、的提取、純化和濃縮, 使之達(dá)到能夠被直接檢出的濃度。  (2) 用于手性拆分 大多數(shù)手性拆分的工作都集中在藥物手性分子的拆分上。對手性藥物，由于其分子式完全相同，在非手性環(huán)境中其物理和化學(xué)性質(zhì)大多相同，但其生物活性如藥效學(xué)和藥代動力學(xué)卻有很大的差別。近年來, 分子印跡手性拆分工作進(jìn)展迅速,而且其拆分方法已不僅限于HPLC。所研究的拆分對象包括藥物、氨基酸及其衍生物、肽及有機(jī)酸等。3.2模擬酶及輔助試劑（1）模擬酶催化過程是大多數(shù)有機(jī)合成反應(yīng)所不可缺少的過程。在眾多催化過程中，酶催化以其高效、專一、反應(yīng)條件溫和的特點(diǎn)日益引起人們的關(guān)注。但大多數(shù)天然酶提取困難，耐受性差，易失活，難以回收

10、和重復(fù)利用的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了它的生產(chǎn)和使用。將天然酶的催化原理運(yùn)用到合成催化材料的設(shè)計中是一種極具創(chuàng)新性和發(fā)展?jié)摿Φ乃枷?。很久以來，人們就致力于生產(chǎn)像天然酶那樣的高效專一的新型催化劑，即模擬酶(enzyme mimics)，但一直進(jìn)展甚微。分子印跡技術(shù)的出現(xiàn)及其在模擬抗體方面取得的突破性進(jìn)展啟發(fā)人們利用分子印跡技術(shù)將識別位點(diǎn)和催化集團(tuán)引入聚合體內(nèi)部用以制備模擬酶，或稱塑料酶。目前，研究較多的分子印跡聚合物模擬酶催化反應(yīng)主要有水解反應(yīng)、合成反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、脫HF反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)等。（2）輔助試劑分子印跡聚合物除作為催化劑外，還可作為輔助試劑用來引導(dǎo)反應(yīng)的發(fā)生或掩蔽某一反應(yīng)物避免反應(yīng)向不

11、希望的方向進(jìn)行；或利用其特異吸附作用，使熱力學(xué)不利的化學(xué)反應(yīng)平衡向期望的方向移動。Alexander 利用分子印跡聚合物中活性位點(diǎn)的定位和掩蔽作用，將類固醇分子中某些位點(diǎn)的羥基保護(hù)起來，進(jìn)行選擇性的?；磻?yīng)，選擇性可高達(dá)23:1。3.3仿生傳感器分子印跡聚合物用作傳感器的敏感材料是分子印跡技術(shù)的一個重要研究方向。我們把這種以分子印跡聚合物作為敏感材料的傳感器件稱為分子印跡聚合物傳感器。通常用分子印跡聚合物作為傳感器設(shè)備的識別元件，固定在傳感器與被分析物的界面。被分析物在識別元素上的鍵合過程經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦栐俜糯?。分子印跡聚合物既可以制成膜也可以制成多孔的珠填于柱中。Riskin M等通過剪

12、裁TNT和等電點(diǎn)一供體修飾電極(pidonormodifiedelectrodes)或連接在電極上的等電點(diǎn)一供體一交聯(lián)金納米顆粒間的等電點(diǎn)一供體一受體(pidonor-acceptor)相互作用，制備了能夠檢測TNT的電化學(xué)傳感器。一步修飾后，P一氨基酚鹽單層修飾電極對TNT的分子靈敏度為74 nM，兩步修飾后，將交聯(lián)金納米顆粒涂覆橋接在電極上使得TNT的檢測靈敏度提高至2 nM.3.4抗體和受體模擬物用分子印跡聚合物作為模擬抗體，能得到比化學(xué)分析方法更精確的結(jié)果，而且操作簡單、費(fèi)用較低、對檢測條件要求不高，所以分子印跡聚合物有望成為藥物檢測中的升級換代品。Andersson 等人成功地制備了

13、嗎啡和亮腦啡肽印跡聚合物，該聚合物可以作為人工opoid受體。這些抗嗎啡印跡聚合物不僅能在有機(jī)溶劑中，而且能在水相中完成識別過程，只是在水相中，檢測限下降了10倍。四、 分子印跡技術(shù)的現(xiàn)存問題和發(fā)展趨勢4.1分子印跡技術(shù)的現(xiàn)存問題分子印跡技術(shù)的特點(diǎn)使其有望實現(xiàn)單一主體分子對多元客體分子的識別，分子印跡聚合物也有望成為對各種物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測和高效分離的介質(zhì)。但由于研究歷史尚短，分子印跡技術(shù)仍然存在一些亟待解決的問題。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 分子印跡技術(shù)的機(jī)理研究相對膚淺。（2） 分子印跡技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域有待拓寬。（3） 分子印跡聚合物的制備和識別大多局限在非極性環(huán)境中進(jìn)行。（4） 目前使用

14、的功能單體、交聯(lián)劑和聚合方法都有較大的局限性。（5） 作為印跡分子的物質(zhì)一般價格昂貴，有時還難以獲得，使得分子印跡聚合物的制備成本較高。4.2分子印跡技術(shù)的發(fā)展趨勢展望未來，分了印跡技術(shù)的發(fā)展趨勢可能有如下幾個方面：（1）分子印跡和識別過程的機(jī)理將從目前的定性和半定量描述向完全定量描述發(fā)展，從分子水平上真正弄清楚印跡和識別過程。（2）合成更多更有用的功能單體和交聯(lián)劑，以滿足分子印跡和識別的需要。（3）分子印跡和識別過程將從有機(jī)相轉(zhuǎn)向水相，以便完全能夠達(dá)到與天然分子識別系統(tǒng)相媲美的完美境地。（4）手性分離和固相萃取氨基酸、手性藥物將步入商業(yè)化階段。（5）印跡技術(shù)將從氨基酸、藥物等小分子，超分子過

15、渡到核苷酸、多肽、蛋白質(zhì)等生物大分子，甚至生物活體細(xì)胞。（6）由于分子印跡聚合物具有特殊的預(yù)定性，將分子印跡聚合物用于催化合成將是一個倍受關(guān)注的領(lǐng)域。（7）由于分子印跡聚合物仿生傳感器既具有抗各種惡劣環(huán)境的能力，又具有與生物酶類似的高選擇性。利用這兩個性質(zhì)可以將分子印跡聚合物傳感器做成分子探針，可以直接插入生物組織或細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行探測和分析。五、一些感受經(jīng)過認(rèn)真閱讀自己檢索的文獻(xiàn)和回想自己學(xué)過的一些分離技術(shù)，我有了下面的一些感觸：（1）任何一種分離技術(shù)都不是萬能的。它們都存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，就像我們?nèi)艘粯?。拿文章里的分子印跡技術(shù)來說，雖然用它制備的分子印跡聚合物具有親和性和選擇性高、抗惡劣環(huán)境能

16、力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但也存在制備材料價格昂貴、難以獲得等缺點(diǎn)。所以在選擇分離方法時要在了解要分離物質(zhì)性質(zhì)的前提下認(rèn)真比較適合分離該物質(zhì)的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮后，選擇一個最適合的分離方法，以便取得較好的分離效果。（2）任何分離技術(shù)都有一個發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、成熟的過程。從20世紀(jì)40年代Pauling提出以抗原為模板來合成抗體到1997年成立分子印跡學(xué)會的這一漫長過程中，在各國學(xué)者的努力下，分子印跡技術(shù)逐漸完善。到現(xiàn)在，分子印跡技術(shù)已經(jīng)成為一項重要的分離技術(shù)。但現(xiàn)在的分子印跡技術(shù)仍然需要我們的不斷完善，使其應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：【1】 賴家平，何錫文，郭洪聲，梁宏. 分子印跡技

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