分子印迹技术原理应用及前景展望原创整理

1、分子印迹技术原理应用及前景展望原创整分子印迹技术原理应用及前景展望原创整理理第一页，共30页。Contents分子印迹学基础分子印迹学基础分子印迹试验方法分子印迹试验方法分子印迹高聚物的应用分子印迹高聚物的应用分子印迹的最新挑战和进展分子印迹的最新挑战和进展4123目目 录录第二页，共30页。第一章第一章 分子印迹学基础分子印迹学基础 1.1 分子印迹原理分子印迹原理 1.2 共价印迹法和非共价印迹法共价印迹法和非共价印迹法 1.3 共价印迹法和非共价印迹法的优缺点共价印迹法和非共价印迹法的优缺点第三页，共30页。1.1 分子印迹分子印迹 分子印迹是近年发展起来的一种新方法，可为人们提供具有期

2、望结构和性质的分子组合体。 当体系中存在模板分子时，功能单体可以通过聚合当体系中存在模板分子时，功能单体可以通过聚合使这种模板分子以互补的方式固定下来。聚合结束后使这种模板分子以互补的方式固定下来。聚合结束后，模板分子可以被除去，于是在这一过程中，体系变，模板分子可以被除去，于是在这一过程中，体系变动的动的“快照快照”就可被就可被“拍摄拍摄”或记录下来，从而使获或记录下来，从而使获得的分子组装能专一性地键合模板分子以及它们的类得的分子组装能专一性地键合模板分子以及它们的类似物。似物。第四页，共30页。分子印迹原理示意图第五页，共30页。 我们高中就知道酶的专一性：一种酶只能和与之对应的一种或一

3、类底物反应，不会和其他底物反应，其实这种分子间的相互辨别就是分子识别，底物就是一种接受体。 近代科学技术中,“分子识别”和“接受体”越来越重要，因为人们希望将具有不同特征功能的分子进行结合，得到某种具有高度复杂功能的分子集合体。这就需要将不同的分子以“预定”的方式进行组织排列。传统的合成方法根本不能满足这种要求，但是通过分子印迹的方法，我们可以比较方便地得到价格低廉、行之有效的各类型的接受体。许多科学家一致认为：这一方法将会是未来科学与技术中的关键问题，将为未来科学技术的发展开辟一条新路！1.1.1 分子识别与接受体分子识别与接受体第六页，共30页。 1987年 Noble奖获得者Cram、L

4、ehn、以及Pederson等得出，要实现准确分子识别必须遵循两个原则： （1） 客体的功能残基和接受体间必须彼此互补 （2） 两个组分的构象是应该最小的第七页，共30页。1.1.2 分子印迹一般原理和过程分子印迹一般原理和过程 很多同学可能会有疑问：当模板被去除后，功能单体会不会开始无规则运动，使其原有的排列次序完全消失呢？ 显然，在分子印迹技术中不会，因为这些功能单体和高分子的主链相联结，使得体系在模板分子除去后，所能发生的无规化程度降到最低。 分子印迹过程由下列三步组成： （1） 在功能单体和模板分子之间制备出的配合物，或形成非共价键的加成产物。 （2）对这种单体模板配合物（或加成物）。

5、 （3）将模板从聚合物中除去 第八页，共30页。1.2 共价印迹法和非共价印迹法共价印迹法和非共价印迹法 依据功能单体和模板形成的加成物性质，分子印迹法可以分为两种：共价印迹法和非共价印迹法 一、共价印迹法 第一步：功能单体和模板通过共价键相互联结； 第二步：该共价联结产物可在保持共价联结不变的情况下，进行聚合反应； 第三步：聚合后，上述共价联结可以通过分解反应去除模板。第九页，共30页。共价印迹法示意图共价印迹法示意图第十页，共30页。二、非共价印迹法二、非共价印迹法 功能单体和模板之间通过非共价键（如氢键，静电相互作功能单体和模板之间通过非共价键（如氢键，静电相互作用以及配位键的生成等）相

6、互作用形成聚合物。用以及配位键的生成等）相互作用形成聚合物。 第一步：加成物简单地通过引入模板分子到反应混合物中而就地获第一步：加成物简单地通过引入模板分子到反应混合物中而就地获得；得； 第二步：功能单体和模板通过非共价键作用形成聚合物；第二步：功能单体和模板通过非共价键作用形成聚合物； 第三步：用适当溶剂将模板分子去除第三步：用适当溶剂将模板分子去除第十一页，共30页。非共价印迹法非共价印迹法第十二页，共30页。共价印迹法和非共价印迹法优缺点共价印迹法和非共价印迹法优缺点一、共价印迹法 优点： （1）单体-模板形成的配合物十分稳定且存在当量关系，因此分子印迹过程是明确而清晰的； （2）由于共

7、价联结相当稳定，因此可以在较宽的条件下聚合； 缺点： （1）单体-模板配合物合成较困难，也不经济； （2）可以采用可逆共价联结的体系有限； （3）在某些情况下，会因为去除模板时剧烈的工作条件，而使印迹效果变差，且客体的结合和释出速度比较慢（因为涉及键的形成和断裂）第十三页，共30页。二、非共价印迹法二、非共价印迹法优点： （1）不必合成单体-模板配合物； （2）可在温和的条件下将模板去除； （3）客体的结合和释出速度很快（因为非共价键相互作用弱）；缺点： （1）单体-模板加成物易于变化，无严格的当量关系，因此分子印迹过程不够清晰； （2）聚合条件苛刻，很容易受到熔剂的干扰； （3）为使平衡有利

8、于加成物的生成，功能单体常常是过量的，因此常会出现非特征的结合点，使体系结合底物的能力降低。 第十四页，共30页。1.3共价与非共价印迹的杂化体系法共价与非共价印迹的杂化体系法 将共价印迹的优点（轮廓清晰）与非共价印迹能快速键合客体分子的长处结合起来。高分子的制备与共价印迹法相同，但对客体的键合则采用非共价的相互作用，改进了共价印迹法客体键合慢的缺点第十五页，共30页。共价与非共价印迹的杂化体系法示意图共价与非共价印迹的杂化体系法示意图第十六页，共30页。一、分子印迹需要的试剂一、分子印迹需要的试剂 能与模板相作用的功能单体（共价或非共价） 自由基聚合，阴离子、阳离子聚合以及缩合聚合反应等都可

9、以用于分子印迹发中。唯一的条件就是： 要求再聚合时 能够保证体系中所有组分所形成的非共价印迹保持完好不变。 第二章 分子印迹试验方法第十七页，共30页。交联剂交联剂 作用：固定客体的键合点使之固定地处于期望的结构中，使带有印迹的高聚物在溶剂中不能溶解，有利于其实际应用。 有机溶剂中最常用的交联剂是乙醇双甲基丙烯酸酯（EDMA）和二乙烯基苯 水相中最常用的交联剂是N，N-亚甲基双丙烯酰胺第十八页，共30页。溶剂溶剂 溶剂应能溶解聚合反应中的所有试剂。另外溶剂还有两个作用： （1）为印迹高聚物提供多孔结构促进客体键合速度 （2）能分散聚合过程中产生的热量 第十九页，共30页。虚拟分子印迹虚拟分子印

10、迹 当人们在分子印迹时会发现，有些模板化合物在一定数量下不能应用或者有剧毒，在这样的情况下“直接”分子印迹就不能得到，这时只能采用适当的类似化合物替代作为模板，这样的方法就是虚拟分子印迹技术第二十页，共30页。一、一、传感器传感器 1、以石英晶体微量天平（QCM）为为基的传感器 这类传感器有两种不同类型： a、将高聚物粒子固定化于QCM的电极上 b、在电极上就地聚合 2、电极型传感器（以分子印迹聚合物膜为敏感层） 3、光学传感器（略）第三章第三章 分子印迹高聚物的应用分子印迹高聚物的应用第二十一页，共30页。二、二、信号高聚物信号高聚物 如一种有金属-配合葡萄糖-印迹高聚物，在碱性条件下可选择

11、性的键合葡萄糖，并根据葡萄糖的浓度按比例释放出质子，适用于在医疗和生物过程中对糖进行连续性监测第二十二页，共30页。三、分子印迹吸收分析方法三、分子印迹吸收分析方法 将印迹高聚物作为天然抗体的替代物，用于免疫分析。这种实验通常涉及分析物和一定数量标记配体间的竞争键合实验中未发生键合的标记配体，而正比于加入的分析物数量。第二十三页，共30页。分子印迹催化剂分子印迹催化剂 原则上，如果底物、产物或与其过渡态相类似的物种也能用作分子模板的话，则这种催化剂就能制备出来。即 通过分子印迹我们能合成具有先进功能的化合物分子，也称“人工催化抗体”第二十四页，共30页。模拟催化抗体模拟催化抗体第二十五页，共3

12、0页。 第四章第四章 分子印迹最新挑战和进展分子印迹最新挑战和进展在水中的分子印迹在水中的分子印迹 虽然我们说分子印迹高聚物通常可以和天然抗体相比较，其实它们之间仍存在相当大的差距，其中最明显的差距就是接受体键合目标分子的环境。迄今为止，报道过的许多高聚物仅在有机溶剂中才能表现出它的功能，然而，天然抗体则是在水中工作的。在水中印迹难的原因： a、在大量水存在时，模板和功能单体预组织中最受偏爱的氢键会因为溶剂的竞争而破坏。 b、用于水环境交联剂不能充分增强高聚物，得到的高聚物在用作固定相时会出现刚性不足。 改进方法：在气水界面上进行分子印迹第二十六页，共30页。用两类功能单体来实现合作性识别用两类功能单体来实现合作性识别 原则上，当有多种单体共同键合一目标单体时，对客体当有多种单体共同键合一目标单体时，对客体的选择性会有所增强，印迹效应将得到巨大地提升的选择性会有所增强，印迹效应将得到巨大地提升。然而迄今为止，许多以报道过的印迹高聚物主要是由一种功能单体组成，因为当用多种功能单体印迹时，单体和模板间会出现复杂的相互作单体和模板间会出现复杂的相互作用，很难得到期望的印迹高聚物。用，很难得到期望的印迹高聚物。第二十七页，共30页。以无机凝胶为母体的分子印迹