分子印跡技術(shù)研究進(jìn)展

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(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002)

?綜述與述評(píng)?

分子印跡技術(shù)研究進(jìn)展

劉喜陽(yáng)，趙士舉，潘振良

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，河南 鄭州 450002)

分子印跡技術(shù)是近些年來快速發(fā)展的一種高選擇性分離及分子識(shí)別技術(shù)，由該技術(shù)制備的具有分子特異識(shí)別功能的高分子材料稱為分子印跡聚合物。本文就其基本原理、方法及其在天然產(chǎn)物分離、食品檢測(cè)、仿生傳感、固相萃取、抗體與受體模擬領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)行綜述。

分子印跡技術(shù)；分子識(shí)別；分子印跡聚合物

0 引言

分子印跡技術(shù)( Molecularly Imprinting Technology，MIT)是模仿免疫學(xué)理論中“抗原—抗體”識(shí)別原理發(fā)展的一種特異性識(shí)別目標(biāo)分子的技術(shù)。早在1940年，著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Pauling就提出了模擬抗原和抗體的相互作用，以抗原為模板合成抗體的理論。雖然這一理論被后來的“克隆選擇理論”推翻，但是其理論為分子印跡的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1949年，Dickey在研究染料在硅膠中的印跡時(shí)提出了“分子印跡”的概念，在當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界中并未引起足夠的重視。1972年，德國(guó)的Wullf研究小組首次成功制得了具有高選擇性的共價(jià)型分子印跡聚合物(Molecular Imprinting Polymers，MIP)，從此分子印跡技術(shù)才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和接受。直到1993年，瑞典的Mosbach等[1-2]在Nature上發(fā)表了有關(guān)茶堿MIP的研究報(bào)道后，MIT成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

1 分子印跡技術(shù)基本原理與方法

1.1 基本原理

MIT是一種特異性識(shí)別目標(biāo)分子的技術(shù)，是指為獲得在空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)上與目標(biāo)分子完全匹配的聚合物，在交聯(lián)劑的存在下，將目標(biāo)分子和功能單體通過共價(jià)或者非共價(jià)的方式共聚生成聚合物，然后用溶劑將目標(biāo)分子洗脫，聚合物中就留下獨(dú)特的“記憶”空穴，此空穴在空間、形狀、以及確定官能團(tuán)上與原來目標(biāo)分子完全相匹配，這樣的空穴可以與混合物中的目標(biāo)分子進(jìn)行可逆的特異性結(jié)合，該聚合物稱為MIP[3-4]。

MIT基本過程包括三個(gè)步驟：①在一定溶劑(致孔劑)中，目標(biāo)分子(模板分子或者印跡分子)與功能單體的預(yù)組裝，即模板分子與功能單體的功能基團(tuán)通過共價(jià)或者非共價(jià)鍵的相互作用形成具有多重作用位點(diǎn)的配合物；②加入交聯(lián)劑，通過引發(fā)劑引發(fā)進(jìn)行光或熱聚合，使配合物與交聯(lián)劑在模板分子周圍聚合形成高交聯(lián)的聚合物；③將聚合物中的印跡分子洗脫出來。這樣在聚合物中便留下了與目標(biāo)分子大小和形狀相匹配的立體空穴，這便賦予該聚合物特異的“記憶”功能，提供了對(duì)印跡分子的特定結(jié)合位點(diǎn)和選擇性的攝取能力，類似生物的自然識(shí)別系統(tǒng)。

1.2 方法

根據(jù)目標(biāo)分子同聚合單體的官能團(tuán)之間作用形式不同，目前MIT主要可分為：共價(jià)法、非共價(jià)法及半共價(jià)法三類。

共價(jià)法又叫作預(yù)組織法，該方法是目標(biāo)分子與單體通過共價(jià)鍵結(jié)合，在加入交聯(lián)劑聚合之后，用化學(xué)方法斷裂共價(jià)鍵將目標(biāo)分子除去。目標(biāo)分子與功能單體之間的可逆共價(jià)鍵是該聚合物的制備以及以后的分子識(shí)別過程的關(guān)鍵。共價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)在于共價(jià)鍵作用力較強(qiáng)，目標(biāo)分子可與功能單體完全作用，聚合后可獲得空間精確、固定排列的結(jié)合基團(tuán)，因而在識(shí)別過程中降低了非特異性作用，且形成的復(fù)合物穩(wěn)定[5-6]。但是，由于共價(jià)鍵作用力較強(qiáng)，在目標(biāo)分子自組裝或識(shí)別過程中結(jié)合以及解離速度較慢，很難達(dá)到熱力學(xué)平衡，不適合快速識(shí)別，而且識(shí)別水平與生物識(shí)別相差甚遠(yuǎn)[7]。

非共價(jià)法又叫作自組織法，此方法是目標(biāo)分子與功能單體之間先進(jìn)行自組織排列，以較弱的非共價(jià)鍵自發(fā)形成帶有多重作用位點(diǎn)的分子復(fù)合物，再經(jīng)過與交聯(lián)劑作用之后，除去目標(biāo)分子。非共價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)便易行，印跡分子易于除去，在印跡過程中可以同時(shí)使用多種單體以使分子印跡系統(tǒng)多樣，識(shí)別過程與天然的分子識(shí)別系統(tǒng)接近[8]。其缺點(diǎn)在于聚合物的選擇性低于非共價(jià)法[9]。

半共價(jià)法集中了共價(jià)法和非共價(jià)法的特點(diǎn)。即在制備印跡聚合物時(shí)功能單體和目標(biāo)分子以共價(jià)鍵的作用力結(jié)合，而在洗脫目標(biāo)分子之后，其所形成的分子印跡聚合物則是以非共價(jià)作用來識(shí)別目標(biāo)分子[10-11]。

2 MIT的應(yīng)用

MIT作為一種新型高效分離及分子識(shí)別技術(shù)，有機(jī)的將材料科學(xué)、高分子科學(xué)、化學(xué)工程、生物化學(xué)等學(xué)科結(jié)合在一起。與天然的分子識(shí)別體系相比，人工合成的MIP具備穩(wěn)定性好、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、制備成本低、使用壽命長(zhǎng)、可再生、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。因此在天產(chǎn)物分離、食品檢測(cè)、仿生傳感、固相萃取、抗體與受體模擬等領(lǐng)域有著良好地應(yīng)用前景。

2.1 在天然產(chǎn)物分離中的應(yīng)用

我國(guó)的中草藥已有幾千年的歷史，但是其成分復(fù)雜及有效成分的不明確性，使得國(guó)外醫(yī)療界一直對(duì)其持懷疑態(tài)度。并且有效成分含量較低，采用一般方法進(jìn)行分離富集較為困難，如何快速、準(zhǔn)確地分離提純中藥中的活性成分顯得尤為重要。常規(guī)的分離方法如色譜法和萃取法溶劑消耗量大、分離效率低，使得它們的應(yīng)用有局限性。而MIP具有與天然生物系統(tǒng)相類似的分子識(shí)別功能，具有特異的選擇吸附性，所以，MIT在藥物分離及純化領(lǐng)域發(fā)展迅速。MIT可用在對(duì)活性成分的分離純化、有效成分的分離及富集[14]。

李妃等[15]用分子印跡聚合物法從山豆根中提取苦參堿。他們以苦參堿為模板分子，使用三聚氰胺—脲醛樹脂作為功能單體，制備分子印跡聚合物。在提取苦參堿的過程中，以MIP作為吸附劑，丙酮作為洗脫劑，此方法所提取到的苦參堿的量是相同條件下用液—液萃取所得到的1.4倍。

張觀流等[16]用6-甲基香豆素為模板分子，通過單步溶脹聚合法在水相中制得分子印跡聚合物。此MIP可用于從黑香豆等草本植物中提取6-甲基香豆素以制備香料或者口服抗凝藥物。結(jié)果表明，該印跡材料能夠完全除去模板分子，具有后功能化和完整、均一、穩(wěn)定的印跡位點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)分子有較高親和力，能夠快速吸附目標(biāo)分子等特點(diǎn)。

祁楚楚等[17]以木犀草素為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，甲醇—乙酸混合液為洗脫劑，來制備木犀草素MIP，并將其作為固相萃取劑，從金銀花粗提取物中分離純化得到純度較高的木犀草素。這是首次將MIT應(yīng)用于中藥金銀花中，實(shí)現(xiàn)了金銀花作為基礎(chǔ)中藥材之外的延伸利用價(jià)值。MIT因其高選擇性、高親和力，在天然產(chǎn)物的分離提純方面具有更好的發(fā)展前景。

2.2 在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

食品安全問題關(guān)系到人們的健康和生命的安全，然而食品安全事件卻層出不窮。目前，用于食品安全檢測(cè)的方法主要有化學(xué)方法、色譜法、免疫法以及生物檢測(cè)方法。這些方法不但繁瑣不便，而且不適于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，所以急需尋找新的檢測(cè)方法。因?yàn)镸IT具有預(yù)定性、識(shí)別專一性、實(shí)用性三大特點(diǎn)，且有制備操作相對(duì)簡(jiǎn)便、耐用性強(qiáng)、可以反復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，所以MIT在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[18]。

呂海霞等[19]以鎘離子為模板，羧甲基殼聚糖為功能單體，戊二醛為交聯(lián)劑制備了鎘離子印跡聚合物。該聚合物能快速、有效地對(duì)水樣中的鎘離子進(jìn)行分離富集，實(shí)際水樣中鎘離子回收率為98.0%～104.0%。

呂運(yùn)開等[20]以氟苯尼考為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，用乳液—懸浮聚合法制備MIP。在最佳條件下，對(duì)牛奶中的酰胺醇類藥物進(jìn)行回收，加標(biāo)回收率為80.6%～96.7%，檢出限為6.8～27.8 g/kg，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)牛奶凈化與檢測(cè)。

楊中等[21]以加替沙星為模板分子，含溴代引發(fā)劑的改性硅膠為引發(fā)劑，氯仿為溶劑，在硅膠表面合成了對(duì)加替沙星具有選擇性結(jié)合能力的表面MIP。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該MIP對(duì)加替沙星分子具有很好的選擇性和親和性。

2.3 在化學(xué)仿生傳感器中的應(yīng)用

傳感器是由識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成的，識(shí)別元件位于轉(zhuǎn)換器的表面，當(dāng)識(shí)別元件結(jié)合了待檢測(cè)的目標(biāo)分子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)物理或者化學(xué)信號(hào)，這時(shí)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的實(shí)時(shí)檢測(cè)[22]。由于MIP對(duì)于目標(biāo)分子的高選擇性、高穩(wěn)定性以及強(qiáng)耐用性等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)生物識(shí)別材料的不穩(wěn)定性和高成本的缺點(diǎn)，故可以作為傳感器的分子識(shí)別元件[23]。這種傳感器具有性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為最具研究潛力的課題之一。

陳劍鳴等[24]針對(duì)毒品探測(cè)的需求，研究改進(jìn)了高選擇性、高靈敏度并可于液相環(huán)境中工作的傳感器。利用MIT制作對(duì)特定毒品分子有專一吸附性的MIP為吸附層制得的毒品檢測(cè)傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此毒品檢測(cè)傳感器的靈敏度為8×10-12g/Hz·cm，遠(yuǎn)高于石英晶體微天平這一傳統(tǒng)的質(zhì)量敏感型傳感器，可以對(duì)溶液中的毒品分子進(jìn)行快速檢測(cè)。該傳感器具有體積小、靈敏度高、諧振頻率高等特點(diǎn)。

郭春暉等[25]以沙丁胺醇為模板分子，對(duì)氨基苯硫酚為功能單體，在納米金修飾玻碳電極上，以電聚合法制備了沙丁胺醇分子印跡聚合物膜。結(jié)果表明，該MIP有較好的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，檢測(cè)限為3.1×10-9mol/L。使用該傳感器可測(cè)定沙丁胺醇在豬飼料中的含量，具有高靈敏度、簡(jiǎn)便快捷、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。

2.4 在固相萃取中的應(yīng)用

MIP作為固相萃取填料技術(shù)叫作分子印跡固相萃取技術(shù)。由于MIP對(duì)目標(biāo)分子有較高的選擇識(shí)別性，特異地識(shí)別含目標(biāo)分子的萃取物，能夠克服傳統(tǒng)的固相萃取吸附劑選擇性差的缺點(diǎn)，便于控制萃取和洗脫條件，從而提高復(fù)雜環(huán)境中痕量目標(biāo)物分析的適用性。自1994年Ellergren首次將MIP應(yīng)用于固相萃取，發(fā)現(xiàn)MIP在有機(jī)溶劑和水相中都能使用，優(yōu)于傳統(tǒng)的液液萃取和固相萃取技術(shù)，分子印跡固相萃取技術(shù)得到了關(guān)注和發(fā)展。

高霞等[26]以氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子為模板分子，甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯為雙功能單體，聚苯乙烯—二乙烯苯為載體，制備了氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子表面印跡聚合物。使用該聚合物作為固相萃取劑，在特定的參數(shù)條件下，固相萃取柱對(duì)氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子的回收率達(dá)到101.02%，可用于對(duì)地下水中氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子的分離富集，具有優(yōu)越的使用性能。

張高奎等[27]以阿散酸為虛擬模板分子，2-乙烯吡啶為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，合成了對(duì)洛克沙胂具有高選擇性的MIP。將其作為固相萃取填料用于分離、富集洛克沙胂。洛克沙胂在分子印跡固相萃取柱上的回收率達(dá)到 95% 以上。

2.5 在抗體與受體模擬中的應(yīng)用

MIT是模仿抗原和抗體的相互作用而發(fā)展起來的，其所制得的MIP具有類似于生物抗體的高特異性和高選擇性。理論上MIP作為對(duì)生物抗體和受體的一種有益補(bǔ)充，模擬抗體識(shí)別藥物、糖類、蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸等的不同成分。將MIP作為人工抗體和受體可以補(bǔ)充從自然界中難以得到或不能得到的抗體和受體。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已在此領(lǐng)域展開了研究[7，28]。

李國(guó)良等[29]以葡萄球菌腸毒素B蛋白為模板分子，以聚苯乙烯微球?yàn)榛|(zhì)，采用表面分子印跡法制備了葡萄球菌腸毒素BMIP。結(jié)果顯示該MIP對(duì)葡萄球菌腸毒素B模板蛋白有較高的吸附性和選擇性，其最大表觀吸附量為3.23 mg/g。將其作為葡萄球菌腸毒素B抗體的理想替代物，以血清學(xué)檢測(cè)方法檢測(cè)葡萄球菌腸毒素B時(shí)，有效地克服了抗體的制備工藝繁雜、周期長(zhǎng)、效價(jià)受多重生物因素影響等弊端。

3 結(jié)論

綜上所述，MIT作為一種具有特異識(shí)別功能的高分子技術(shù)，因其高選擇性、高耐用性、可以重復(fù)多次利用等優(yōu)點(diǎn)而在近年來發(fā)展迅速。同時(shí)，隨著電子技術(shù)、生物技術(shù)和化工技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了MIT在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。目前，MIT的基礎(chǔ)理論還有待完善，仍需開發(fā)尋找新的制備MIP的方法和功能單體。我們相信，隨著更多的研究者對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，MIT將會(huì)應(yīng)用在更多的領(lǐng)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

劉喜陽(yáng)(1990- )，女，在讀碩士；聯(lián)系人，潘振良(1972- )，男，博士，副教授，從事有機(jī)合成研究工作，電話：13838291075。

O631.3

A

1003-3467(2014)02-0017-04