分子印跡技術(shù)功能單體光譜篩選及在食品檢測中的應(yīng)用

楊衛(wèi)海 張吉 夏明星 孫錚 嚴(yán)守雷

(1.黃島出入境檢驗檢疫局 山東青島 266555;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué))

分子印跡技術(shù)功能單體光譜篩選及在食品檢測中的應(yīng)用

楊衛(wèi)海1,2張吉1夏明星1孫錚1嚴(yán)守雷2

(1.黃島出入境檢驗檢疫局 山東青島 266555;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué))

本文綜述了分子印跡技術(shù)功能單體的光譜篩選方法,并對其在固相萃取、傳感器、色譜分離等食品安全檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了概括,同時展望了分子印跡技術(shù)的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

分子印跡技術(shù);功能單體;食品檢測

1 前言

分子印跡技術(shù)(Molecularly imprinted technology)是1977年由Wulff[1]及其合作者首次提出的一種功能高分子研究方法。該方法制備的分子印跡聚合物(Molecularly imprinted polymer,MIP)具有較好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性,成本低,易制備,且具有特異識別性,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于色譜分離、仿生傳感器、固相萃取、模擬酶催化及分析檢測等領(lǐng)域。在分子印跡技術(shù)中,功能單體的選擇對分子印跡聚合物的識別性能起著至關(guān)重要的作用。只有篩選出滿足制備方法、模板、溶劑等不同因素需要的功能單體,才能制備出性能優(yōu)良、符合需求的分子印跡聚合物。

目前,將分子印跡技術(shù)應(yīng)用到食品安全檢測領(lǐng)域成為國內(nèi)外研究的熱點。近年來,我國食品安全問題日益突出,如三聚氰胺毒奶粉事件、瘦肉精事件、海南毒豇豆等,這些無不為食品安全敲響了警鐘。目前國內(nèi)外涉及化學(xué)物質(zhì)有害殘留檢測的方法主要有化學(xué)方法、色譜法和免疫法等,這些方法過程復(fù)雜,各自存在一定的缺點。因此,研發(fā)更為快速、準(zhǔn)確、靈敏的檢測方法,對解決我國食品安全問題具有重要的意義。

2 光譜法篩選分子印跡功能單體

分子印跡聚合物的識別能力取決于模板分子與功能單體分子間作用力的強弱,選擇合適功能單體種類及與模板分子的配比至關(guān)重要。大多數(shù)模板分子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不能直接判斷出合適的功能單體,必須采用實驗的方法來確定最佳的功能單體的種類和配比。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展,紫外光譜法(UV)、熒光光譜(FR)、紅外光譜法(IR)及核磁共振法(NMR)等成為常用的光譜篩選方法。

2.1 紫外光譜

紫外光譜法設(shè)備簡單,操作方便,成為廣大分子印跡工作者選擇分子印跡功能單體的首選方法。具體做法是,在印跡反應(yīng)的溶劑中固定模板分子的濃度,加入不同濃度的功能單體,低溫預(yù)組裝,從而形成復(fù)合物,再測定其紫外光譜的變化,如光譜紅移或藍(lán)移、吸光度大小等變化,確定模板分子與功能單體間發(fā)生作用的強弱。目前已廣泛用于吲哚乙酸[2]、久效磷[3]、2,4,6-三硝基甲苯[4]等多種分子印跡體系的篩選。但是,UV光譜主要適于模板分子與功能單體發(fā)生作用后吸收光譜發(fā)生變化的體系,且其譜帶過于簡單,只能粗略推斷模板分子與功能單體的作用比例,不能確定其結(jié)合位點。

2.2 紅外光譜

紅外光譜也可以反映出單體-模板預(yù)組織復(fù)合物的結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)N-H,O-H,以及C=O等與其他的氫供體形成氫鍵時,這些化學(xué)鍵將會有所弱化,因此他們的伸縮振動帶移向較低頻率。在紅外光譜中這些譜帶可以與其他信號清楚地加以區(qū)別,因此可以作為探測氫鍵的有力探針。楊俊等[5]利用紅外光譜研究了可天寧和MAA在CCl4中的作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)CCl4溶液中可天寧的紅外光譜在加入MAA之后其譜圖發(fā)生了變化,1723.42 cm-1處四氫吡咯內(nèi)酰胺中羰基的伸縮振動峰向低波數(shù)方向移動至1688.93 cm-1,表明四氫吡咯內(nèi)酰胺中羰基氧原子是與MAA形成氫鍵結(jié)合的另一識別位點。

2.3 熒光光譜

根據(jù)熒光光譜的前后變化可以判斷模板分子與功能單體的作用大小。熒光猝滅因猝滅機(jī)制不同,可分為動態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅。動態(tài)猝滅過程是指蛋白質(zhì)熒光體與熒光猝滅劑分子間,因相互碰撞而導(dǎo)致的熒光猝滅過程;靜態(tài)熒光猝滅作用是指熒光供體分子與熒光猝滅劑分子之間借助分子間力,彼此結(jié)合形成了具有一定結(jié)構(gòu)的不發(fā)熒光的基態(tài)復(fù)合物,而導(dǎo)致熒光強度減弱的現(xiàn)象。王華芳等[6]利用熒光光譜方法研究了3-氨基苯硼酸(APBA)與牛血清白蛋白(BSA)的相互作用,二者的反應(yīng)受到體系pH值、離子強度等關(guān)鍵因素的影響,明晰了3-氨基苯硼酸與牛血清白蛋白之間的作用機(jī)理,二者間形成了較強的化學(xué)鍵。

2.4 核磁共振

在對均相樣品的分析中,NMR是獲得分子結(jié)構(gòu)信息最有力的工具之一,它可提供更大的信息量和更高的準(zhǔn)確度,從而確定作用位點和作用強度,是一種更具潛力的快速篩選方法。例如,當(dāng)氫鍵形成時,氫鍵質(zhì)子的電子密度降低,其NMR信號會移向低場。申中蘭等[7]利用1H-NMR在氘代氯仿中研究了甲胺磷分子與MAA分子的作用,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在加入MAA后,甲胺磷分子中與氨基N原子相連的氫質(zhì)子的位移由3.160×10-6在預(yù)組裝后向低場移至3.587×10-6,同時MAA中羧基質(zhì)子的位移由10.090×10-6在預(yù)組裝后向高場移至9.006×10-6。由此說明,甲胺磷中NH2的N原子和磷酸酯P=O中氧原子與MAA的羧基之間產(chǎn)生了氫鍵作用形成配合物。

3 分子印跡技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用

3.1 在固相萃取中的應(yīng)用

分子印跡聚合物具有特異性和親和性,用作固相萃取劑,可以彌補普通吸附劑選擇性差的不足,克服生物或環(huán)境樣品體系復(fù)雜、預(yù)處理繁雜等缺點,為樣品的采集、富集和分析提供了很大的方便。王顏紅等[8]制備了對阿特拉津具有特異性識別的分子印跡固相萃取柱,其最大結(jié)合量比游離態(tài)的聚合物微球高600倍,結(jié)合時間為游離態(tài)的1/60,采用液相色譜法檢測其回收率達(dá)90%。與市售C18柱相比,回收率更好,凈化更徹底,減少了雜質(zhì)峰對分析的影響,提高了靈敏度,利于儀器的保護(hù)和保養(yǎng)。

3.2 在傳感器中的應(yīng)用

分子印跡聚合物作為傳感器的敏感材料,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,成本低,可多次重復(fù)使用,易于保存。目前主要用于檢測的有光學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器及壓電傳感器。嚴(yán)守雷[3]把丁酰肼分子印跡聚合物結(jié)合到壓電石英晶體金電極上,對蘋果中的丁酰肼進(jìn)行了分析,進(jìn)行多次測定發(fā)現(xiàn)該方法的回收率為85%-103%,變異系數(shù)為7.9%(n=5)。隨著MIP研究的不斷深入,將制備出含有多種印跡聚合物的敏感層,對食品中有害物質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測和多分析物的同時檢測。

3.3 在色譜分離中的應(yīng)用

作為色譜固定相,MIP已被廣泛地應(yīng)用于高效液相色譜(HPLC)、毛細(xì)管電色譜(CEC)、薄層液相色譜(TLC)。劉祥軍等[9]在高效液相色譜柱中原位聚合,直接制備了三甲氧基芐啶的分子印跡聚合物整體柱,此整體柱具有良好的通透性,可以在高流速下使用,同時對模板分子具有特異的親和性和選擇性,印跡因子達(dá)到了10.3,而相應(yīng)的磺胺類藥物在印跡柱上沒有保留,此印跡整體柱可望用于實際樣品中三甲氧基芐啶的富集檢測及含量測定。將MIP應(yīng)用于CEC,MIP的高選擇性與CEC的高分離效率相結(jié)合,可以降低印跡分子等的化學(xué)物質(zhì)消耗,具有極大的發(fā)展前景。

4 前景展望

隨著各種分析技術(shù)的發(fā)展,用來篩選分子印跡最佳功能單體的方法也將會越來越多,比如計算機(jī)模擬法、組合化學(xué)法等。但是,目前可供選擇的功能單體的種類卻不多,制約著分子印跡技術(shù)的發(fā)展。所以,合成更多種類的功能單體將是功能單體發(fā)展的趨勢。

分子印跡聚合物的出現(xiàn)在功能材料領(lǐng)域具有劃時代的意義。然而,如何將分子印跡聚合物的應(yīng)用到實際樣品的分析檢測還存在許多關(guān)鍵問題。隨著生物技術(shù)、光電技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)各種技術(shù)的有效結(jié)合,發(fā)展快速方便的檢測方法,必將在食品分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

[1] Wulff G.Enzyme-analoguebuilt polymers and their use for the m-solution of raeemates[J].Tetrahedron Lett.,1973,44:4329-4332.

[2] 高志剛,周杰,曲金詳.植物激素吲哚酸分子模板聚合物的分子識別特性[J].分析化學(xué),2003,31(10):1173-1177.

[3] 嚴(yán)守雷,房彥軍,高志賢.農(nóng)藥久效磷分子印跡聚合物合成及其親合性評估[J],高分子學(xué)報,2006,1:160-163.

[4] 杜自衛(wèi),劉學(xué)涌,趙小東.沉淀聚合法制備TNT分子印跡聚合物微球[J].化學(xué)通報,2009,11:1041-1044.

[5] 楊俊,朱曉蘭,蘇慶德,等.可天寧印跡聚合物分子識別特性的光譜與XPS研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2007,27(6):1152-1155.

[6] 王華芳,李文友,何錫文,等.熒光法研究3-氨基苯硼酸與牛血清白蛋白間的相互作用[J].化學(xué)學(xué)報,2007,65(1):43-48.

[7] 申中蘭,楊俊,朱曉蘭,等.甲胺磷分子印跡聚合物的結(jié)合機(jī)理及其分子識別特性的光譜學(xué)研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(1):78-81.

[8] 王顏紅,霍佳平,張紅,等.阿特拉津分子印跡固相萃取柱的制備及應(yīng)用[J].分析化學(xué),2010,38(5):678-682.

[9] 劉祥軍,劉吉眾,趙睿,等.三甲氧基芐啶分子印跡整體柱的制備及色譜性能[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2007,28(10):1878-1880.

The Selection Methods of Functional Monomer in Molecular Imprinting and Application in Food Detection

Yang Weihai1,2,Zhang Ji1,Xia Mingxing1,Sun Zheng1,Yan Shoulei2

(1.Huangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Qingdao,Shandong,266555;2.Huazhong Agricultural University)

In this paper,the basic principle and the classification of molecularly imprinted technology were introduced,the applications of solid-phase exaction,sensor technology and chromatographic analysis were reviewed,and the prospect is also introduced.

Molecular Imprinting Technology;Food Safety;Analysis and Detection

O65