分子印迹技术

1、分子印迹技术 分子印迹技术是近年来集高分子合成、分子设计、分子识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门边缘学科分支。基于该技术制备的分子印迹聚合物具有亲和性和选择性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应用范围广等特点。因此，分子印迹技术在许多领域，如色谱分离、固相萃取、仿生传感、模拟酶催化、临床药物分析等得到日益广泛的研究和开发，有望在生物工程、临床医学、环境监测、食品工业等行业形成产业化规模的应用。下面就介绍一下分子印迹技术的有关知识。一、 分子印迹技术理论1.1分子印迹技术概念 分子印迹技术(molecular imprinting technique, MIP)是指为获得在

2、空间和结合位点上与某一分子(模板分子、印迹分子) 完全匹配的聚合物的实验制备技术。1.2实现分子印迹技术的步骤 分子印迹技术是通过以下方法实现的: (1) 在适当的介质中，具有适当功能基的功能单体通过与模板分子间的相互作用聚集在模板分子周围，形成单体模板分子复合物。 (2) 选择适当的交联剂，与功能单体在致孔剂的存在下互相交联起来形成聚合物, 从而使功能单体上的功能基在特定的空间取向上固定下来。 (3)通过一定的物理或化学方法把模板分子脱去。这样就在高分子共聚物中留下一个与模板分子在空间结构上完全匹配, 并含有与模板分子专一结合的功能基的三维空穴。这个三维空穴可以选择性地重新与模板分子结合,

3、即对模板分子具有专一性识别作用。1.3分子印迹技术的分类 按照单体与模板分子结合方式的不同, 分子印迹技术可分为分子自组装和分子预组织两种基本方法。分子自组装法(self-assembling)又称非共价法，是由瑞典的Mosbach及其同事在20世纪80年代后期创立的。在此方法中，模板分子与功能单体之间自组织排列，以非共价键自发形成具有多重作用位点的单体模板分子复合物, 经交联聚合后这种作用保存下来。常用的非共价键作用有：氢键、静电引力、疏水作用力、电荷转移、金属配位键以及范德华力等，其中以氢键应用最多。分子预组织法(preorganization)又称共价法，由德国的Wulff 和美国的Sh

4、ea 为主的研究小组在20世纪70年代初期创立。在此方法中，模板分子首先通过可逆性共价键与功能单体结合形成单体模板分子复合物，然后交联聚合，聚合后再通过化学途径将共价键断裂而去除印迹分子。迄今使用的共价结合作用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等。其中最具代表性的是硼酸酯。除了以上两种基本类型外，还有一种技术综合了两者，即聚合时单体与印迹分子间作用力是共价键，而在对印迹分子的识别过程中，采用非共价法，从而使分子印迹聚合物既保持了共价印迹的亲和专一性，也同时具备了操作条件温和易于控制的优点。该法的研究以Whitecomb等为典型合成事例。后来，他们又发展了一种“牺牲空间法”的分子印迹技

5、术。二、 分子印迹聚合物2.1分子印迹聚合物概念仿照抗体的形成机理，在模板分子周围形成一个髙交联的刚性高分子，除去模板分子后在聚合物的网络结构中留下具有能够发生结合反应的集团，称之为分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer , MIP)。它对模板分子表现出高度的选择识别性能。2.2分子印迹聚合物制备过程分子印迹聚合物的制备通常包括以下步骤：（1）功能单体的选择根据印迹分子的性质以及单体与印迹分子作用力的大小预测，合理地设计、合成或选择带有能与印迹分子发生作用的功能基的单体。（2）聚合反应在印迹分子与交联剂的存在下，在合适的溶剂中对单体进行聚合。（3）印迹分子的

6、去除采取萃取等手段将占据在识别位点上的绝大部分印迹分子洗脱下来。（4）后处理在适宜温度下对印迹分子聚合物进行真空干燥和研磨等成型加工后处理。2.3分子印迹聚合物的制备方法迄今为止，分子印迹聚合物主要有以下几种制备方法：(1)传统方法将功能单体在溶液中排列在印迹分子周围，交联干燥之后将其研磨、破碎、筛分得到一定粒径的分子印迹介质，最后洗脱除去模板分子。这种方法比较简单，但是存在后处理过程复杂、规则粒子的柱效率较低、大规模生产有困难、吸附量低、聚合物的性能难以调节等缺点。（2）原位聚合针对传统方法的缺点，Svec和Frechet发展了一种在色谱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、迹色谱柱，大大简化了色谱固定相的合成。由于其直接、简便的特点，具有很强的实用性。（3）乳液聚合将模板分子、功能单体、交联剂溶于有机溶剂中，然后将溶剂移入水中，搅拌、乳化，最后加入引发剂交联、聚合，可直接制备粒径较均一的球形分子印迹介质。（4） 悬浮聚合采用全氟化碳液体作为悬浮介质，代替传统的有机溶剂水悬浮介质，从而消除了非共价印迹中存在的不稳定的预组织体。全氟烃无毒、易处理。缺点是易燃、价格昂贵，使用后要蒸馏重复使用等。（5）表面印迹通过对粒子表面进行修饰制备分子印迹聚合物材料是一个较好的方法，这种方法最大的优点是可以利用粒子的机械稳定性，并且可以通过对粒子本身性能的调节来适应应用的需要。同时

8、它还克服了原来聚合物中模板分子会被包覆到聚合物内部的弊端。Jiang等采用表面分子印迹法在硅胶表面进行印迹，从而活化硅胶，使其在SPE-HPLC中对双酚A的测定具有较高的萃取性能，回收率达到99，RSD为3.7。三、 分子印迹技术和分子印迹聚合物的应用3.1色谱分析分子印迹聚合物用于色谱分析主要有以下两方面的工作: 样品前处理(分离、提纯、浓缩) 和手性物质的分离。(1) 样品前处理  分子印迹聚合物用于试样的前处理的首例报道是Sellergren 于1994 年合成的戊脒(pentamidin, 一种抗原虫菌药) 为模板的印迹聚合物, 该聚合物作为吸附剂完成了对生物液体试样尿中戊脒

9、的提取、纯化和浓缩, 使之达到能够被直接检出的浓度。  (2) 用于手性拆分 大多数手性拆分的工作都集中在药物手性分子的拆分上。对手性药物，由于其分子式完全相同，在非手性环境中其物理和化学性质大多相同，但其生物活性如药效学和药代动力学却有很大的差别。近年来, 分子印迹手性拆分工作进展迅速,而且其拆分方法已不仅限于HPLC。所研究的拆分对象包括药物、氨基酸及其衍生物、肽及有机酸等。3.2模拟酶及辅助试剂（1）模拟酶催化过程是大多数有机合成反应所不可缺少的过程。在众多催化过程中，酶催化以其高效、专一、反应条件温和的特点日益引起人们的关注。但大多数天然酶提取困难，耐受性差，易失活，难以回收

10、和重复利用的缺点严重制约了它的生产和使用。将天然酶的催化原理运用到合成催化材料的设计中是一种极具创新性和发展潜力的思想。很久以来，人们就致力于生产像天然酶那样的高效专一的新型催化剂，即模拟酶(enzyme mimics)，但一直进展甚微。分子印迹技术的出现及其在模拟抗体方面取得的突破性进展启发人们利用分子印迹技术将识别位点和催化集团引入聚合体内部用以制备模拟酶，或称塑料酶。目前，研究较多的分子印迹聚合物模拟酶催化反应主要有水解反应、合成反应、氧化还原反应、转移反应、脱HF反应、异构反应等。（2）辅助试剂分子印迹聚合物除作为催化剂外，还可作为辅助试剂用来引导反应的发生或掩蔽某一反应物避免反应向不

11、希望的方向进行；或利用其特异吸附作用，使热力学不利的化学反应平衡向期望的方向移动。Alexander 利用分子印迹聚合物中活性位点的定位和掩蔽作用，将类固醇分子中某些位点的羟基保护起来，进行选择性的酰化反应，选择性可高达23:1。3.3仿生传感器分子印迹聚合物用作传感器的敏感材料是分子印迹技术的一个重要研究方向。我们把这种以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器件称为分子印迹聚合物传感器。通常用分子印迹聚合物作为传感器设备的识别元件，固定在传感器与被分析物的界面。被分析物在识别元素上的键合过程经传感器转变为电讯号再放大。分子印迹聚合物既可以制成膜也可以制成多孔的珠填于柱中。Riskin M等通过剪

12、裁TNT和等电点一供体修饰电极(pidonormodifiedelectrodes)或连接在电极上的等电点一供体一交联金纳米颗粒间的等电点一供体一受体(pidonor-acceptor)相互作用，制备了能够检测TNT的电化学传感器。一步修饰后，P一氨基酚盐单层修饰电极对TNT的分子灵敏度为74 nM，两步修饰后，将交联金纳米颗粒涂覆桥接在电极上使得TNT的检测灵敏度提高至2 nM.3.4抗体和受体模拟物用分子印迹聚合物作为模拟抗体，能得到比化学分析方法更精确的结果，而且操作简单、费用较低、对检测条件要求不高，所以分子印迹聚合物有望成为药物检测中的升级换代品。Andersson 等人成功地制备了

13、吗啡和亮脑啡肽印迹聚合物，该聚合物可以作为人工opoid受体。这些抗吗啡印迹聚合物不仅能在有机溶剂中，而且能在水相中完成识别过程，只是在水相中，检测限下降了10倍。四、 分子印迹技术的现存问题和发展趋势4.1分子印迹技术的现存问题分子印迹技术的特点使其有望实现单一主体分子对多元客体分子的识别，分子印迹聚合物也有望成为对各种物质进行准确检测和高效分离的介质。但由于研究历史尚短，分子印迹技术仍然存在一些亟待解决的问题。主要体现在以下几个方面：（1） 分子印迹技术的机理研究相对肤浅。（2） 分子印迹技术的应用领域有待拓宽。（3） 分子印迹聚合物的制备和识别大多局限在非极性环境中进行。（4） 目前使用

14、的功能单体、交联剂和聚合方法都有较大的局限性。（5） 作为印迹分子的物质一般价格昂贵，有时还难以获得，使得分子印迹聚合物的制备成本较高。4.2分子印迹技术的发展趋势展望未来，分了印迹技术的发展趋势可能有如下几个方面：（1）分子印迹和识别过程的机理将从目前的定性和半定量描述向完全定量描述发展，从分子水平上真正弄清楚印迹和识别过程。（2）合成更多更有用的功能单体和交联剂，以满足分子印迹和识别的需要。（3）分子印迹和识别过程将从有机相转向水相，以便完全能够达到与天然分子识别系统相媲美的完美境地。（4）手性分离和固相萃取氨基酸、手性药物将步入商业化阶段。（5）印迹技术将从氨基酸、药物等小分子，超分子过

15、渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子，甚至生物活体细胞。（6）由于分子印迹聚合物具有特殊的预定性，将分子印迹聚合物用于催化合成将是一个倍受关注的领域。（7）由于分子印迹聚合物仿生传感器既具有抗各种恶劣环境的能力，又具有与生物酶类似的高选择性。利用这两个性质可以将分子印迹聚合物传感器做成分子探针，可以直接插入生物组织或细胞内进行探测和分析。五、一些感受经过认真阅读自己检索的文献和回想自己学过的一些分离技术，我有了下面的一些感触：（1）任何一种分离技术都不是万能的。它们都存在各自的优点和缺点，就像我们人一样。拿文章里的分子印迹技术来说，虽然用它制备的分子印迹聚合物具有亲和性和选择性高、抗恶劣环境能

16、力强、稳定性好、使用寿命长等优点，但也存在制备材料价格昂贵、难以获得等缺点。所以在选择分离方法时要在了解要分离物质性质的前提下认真比较适合分离该物质的各种方法的优缺点，综合考虑后，选择一个最适合的分离方法，以便取得较好的分离效果。（2）任何分离技术都有一个发现、发展、成熟的过程。从20世纪40年代Pauling提出以抗原为模板来合成抗体到1997年成立分子印迹学会的这一漫长过程中，在各国学者的努力下，分子印迹技术逐渐完善。到现在，分子印迹技术已经成为一项重要的分离技术。但现在的分子印迹技术仍然需要我们的不断完善，使其应用于更多的领域。参考文献：【1】 赖家平，何锡文，郭洪声，梁宏. 分子印迹技

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