溫敏型分子印跡水凝膠的研究進(jìn)展

楊紫淳，高云玲，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院綠色合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310014）

溫敏型分子印跡水凝膠的研究進(jìn)展

楊紫淳，高云玲，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院綠色合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310014）

近年來(lái)分子印跡技術(shù)發(fā)展迅速，以其高選擇性、預(yù)定識(shí)別性等優(yōu)點(diǎn)，在分離工程、化學(xué)傳感器及模擬酶催化等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，但是其在水凝膠方面的研究卻較少。將溫敏水凝膠引入分子印跡技術(shù)制備溫敏印跡水凝膠不僅能保持其特異識(shí)別性能，還賦予其對(duì)環(huán)境溫度變化的響應(yīng)性，使其對(duì)模板分子的識(shí)別具有溫度可控性。本文簡(jiǎn)單介紹了溫敏型分子印跡水凝膠的基本原理和制備方法，基于模板分子種類的不同，著重綜述了溫敏印跡凝膠在金屬離子、有機(jī)小分子及生物蛋白方面的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)溫敏印跡水凝膠的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，指出溫敏印跡水凝膠將在物料分離、藥物控釋等領(lǐng)域表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

分子印跡；凝膠；N-異丙基丙烯酰胺；聚合物；選擇性

分子印跡技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型分離技術(shù)，分子識(shí)別在多數(shù)生物分離過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。天然的分子識(shí)別作用普遍存在，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們希望通過(guò)模仿自然界中分子間的識(shí)別作用，采用某種技術(shù)能夠形成人工合成的分子間特異結(jié)合的相互作用，這有利于實(shí)現(xiàn)更多分子的識(shí)別和結(jié)合。因此，研究者們?yōu)榱说玫揭环N對(duì)目標(biāo)分子具有識(shí)別作用的聚合物，從20世紀(jì)初開始就進(jìn)行了各種各樣的研究和探索。1940年，Pauling[1]提出了一種關(guān)于生物抗原-抗體的空間位點(diǎn)結(jié)合鎖匙理論。1949年，Dickey[2]提出“分子印跡”的概念，并實(shí)現(xiàn)了硅膠中染料的印跡。1972年，Wulff等[3]最先報(bào)道了成功制備出共價(jià)型分子印跡聚合物。1980年開始出現(xiàn)了非共價(jià)型印跡聚合物，其中Mosbach實(shí)驗(yàn)小組的Vlatakis等[4]的研究成果最為顯著，使得分子印跡這一技術(shù)得到了廣泛研究和推廣。

傳統(tǒng)分子印跡聚合物需要依靠高交聯(lián)度來(lái)保持其印跡結(jié)構(gòu)的剛性，但交聯(lián)度過(guò)高不僅使得分子印跡聚合物的外部形態(tài)松散易碎，還導(dǎo)致聚合物中模板分子的傳質(zhì)過(guò)程緩慢，吸附和脫附困難。隨著分子印跡技術(shù)的發(fā)展，人們開始尋找提高其特異吸附效率的方法。

將分子印跡技術(shù)與溫敏水凝膠技術(shù)相結(jié)合，制備具有溫度敏感性的分子印跡智能水凝膠[5-6]不僅能夠提高分子印跡（聚合物對(duì)目標(biāo)分子的專一識(shí)別能力），還可以通過(guò)調(diào)節(jié)外界環(huán)境的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的自動(dòng)識(shí)別或釋放。溫敏水凝膠對(duì)外界溫度具有敏感性，溫度的變化會(huì)使其體積發(fā)生一定的改變。研究發(fā)現(xiàn)，溫敏單體的加入能夠使分子印跡聚合物對(duì)模板分子的識(shí)別具有溫度可控性，即其對(duì)模板分子的親和力可以隨著溫度的變化而改變。由于溫敏印跡水凝膠具有這一特性，可以將其應(yīng)用在藥物控制釋放[7-8]、酶模擬、固相萃取、人工抗體、傳感器等領(lǐng)域。

1 溫敏分子印跡水凝膠的制備原理

分子印跡技術(shù)[9-11]是將模板分子與功能單體相結(jié)合，在交聯(lián)劑的作用下共聚得到固體介質(zhì)，再通過(guò)物理或化學(xué)方法將模板分子洗脫，獲得具有與目標(biāo)分子空間構(gòu)型和功能基團(tuán)排列相匹配的結(jié)合位點(diǎn)的分子印跡聚合物。其制備過(guò)程主要分為3個(gè)步驟[10，12]：①模板分子與功能單體以共價(jià)或非共價(jià)鍵的形式相結(jié)合，形成主客體配合物；②加入交聯(lián)劑及引發(fā)劑，使功能單體與交聯(lián)劑共聚，主客體配合物結(jié)構(gòu)固定；③采用一定的方法將模板分子去除，得到在空間結(jié)構(gòu)上與印跡分子完全匹配并含有專一結(jié)合的功能基的三維空穴。

溫敏水凝膠[13]是一類能夠響應(yīng)環(huán)境溫度變化從而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的凝膠。在某一溫度下，溫敏水凝膠的吸水（或溶劑）量會(huì)突然發(fā)生變化，這一溫度被稱為最低臨界溶解溫度（LCST）。溫敏水凝膠主要分為熱縮型和熱脹型兩類。熱縮型溫敏水凝膠主要包括聚N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）、聚N,N-二乙基丙烯酰胺、聚N-乙基丙烯酰胺、聚N-正丙基丙烯酰胺、聚環(huán)氧乙烷類水凝膠。熱脹型溫敏水凝膠是指聚丙烯酰胺水凝膠以及甲基丙烯酸、丙烯酸通過(guò)共價(jià)交聯(lián)聚合形成的水凝膠。其中，NIPAAm類熱縮型溫敏水凝膠的LCST在32 ℃左右，為溫敏印跡水凝膠的深入研究提供了方便，因此對(duì)其研究最為廣泛。

分子印跡智能水凝膠由于其自身作用機(jī)理及應(yīng)用領(lǐng)域等方面的限制，其制備方法與傳統(tǒng)分子印跡聚合物的制備方法有所區(qū)別。目前在溫敏印跡水凝膠的制備中，通常采用溫敏單體作為主功能單體，用于響應(yīng)外界溫度的變化。此外加入其他輔助單體，用于結(jié)合和固定模板分子[14-16]。對(duì)于熱縮型溫敏印跡水凝膠，當(dāng)環(huán)境溫度低于其LCST時(shí)，大分子鏈上的印跡位點(diǎn)互相遠(yuǎn)離，處于溶脹失憶狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度高于其LCST時(shí)，大分子鏈上的印跡位點(diǎn)互相靠近，呈收縮記憶狀態(tài)，如圖1[17-19]。對(duì)于熱脹型溫敏印跡水凝膠，當(dāng)環(huán)境溫度低于其LCST時(shí)，大分子鏈上的印跡位點(diǎn)互相靠近，呈收縮記憶狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度高于其LCST時(shí)，大分子鏈上的印跡位點(diǎn)互相遠(yuǎn)離，處于溶脹失憶狀態(tài)，如圖2。

溫敏分子印跡水凝膠的制備方法[20]主要包括以下幾種。

圖1 熱縮型溫敏印跡水凝膠的基本原理

圖2 熱脹型溫敏印跡水凝膠的基本原理

（1）模板分子共聚 此方法屬于非共價(jià)印跡法，具體步驟是將印跡分子、功能及溫敏單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑均勻地分散在致孔劑中，經(jīng)過(guò)熱或光引發(fā)聚合反應(yīng)，將模板分子洗脫得到溫敏印跡水凝膠。采用模板分子聚合選用的功能單體、交聯(lián)劑及溫敏單體種類較為廣泛，但制備時(shí)要充分考慮模板分子和功能單體的比例，并需控制交聯(lián)劑和溫敏單體的用量，使其兼具溫度相應(yīng)性和印跡的選擇性。

（2）犧牲空間法[21]此方法屬于半共價(jià)印跡法，是利用共價(jià)方法合成印跡凝膠，再通過(guò)非共價(jià)作用達(dá)到對(duì)模板分子的識(shí)別。該法需要對(duì)每個(gè)印跡模板分子明確對(duì)應(yīng)功能基團(tuán)的結(jié)合位置。但正是這種高度的匹配性，使得通過(guò)此方法得到的溫敏印跡水凝膠具有高度的選擇識(shí)別性。此方法的優(yōu)點(diǎn)是制備出的印跡凝膠的選擇性高，缺點(diǎn)是由于結(jié)合基團(tuán)位置不易確定，制備難度高。

（3）后交聯(lián)法 具體步驟是先制備出帶有可反應(yīng)側(cè)鏈的聚合物，利用此聚合物的側(cè)鏈與印跡分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，最后除去模板分子，得到溫敏印跡水凝膠。該方法的優(yōu)點(diǎn)是由于提前制備的共聚物含有與模板分子相匹配的結(jié)合位點(diǎn)，因此印跡分子的識(shí)別性較高，但是存在著吸附量普遍較低的現(xiàn)象。

（4）互穿網(wǎng)絡(luò)共聚法[22]是將兩種或兩種以上的聚合物單體通過(guò)形成網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)從而獲得性能更優(yōu)的印跡凝膠?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)法的特點(diǎn)是兩組分形成的網(wǎng)絡(luò)間沒(méi)有化學(xué)鍵合相，各組分均能保持其自身的性能。同時(shí)，它們因網(wǎng)絡(luò)互穿又相互影響，因此容易產(chǎn)生協(xié)同作用。該法可以保持印跡水凝膠的溫敏特性，而在印跡凝膠制備過(guò)程中增加溫敏單體NIPAAm的用量也起到相同的作用。

2 溫敏印跡水凝膠的制備實(shí)例

目前，已應(yīng)用于溫敏型印跡水凝膠技術(shù)的模板分子主要有金屬離子類、小分子類及生物蛋白類。下文針對(duì)上述類型對(duì)溫敏印跡水凝膠的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 金屬離子為模板

目前，已有利用甲基丙烯酸和丙烯酸作為功能單體，獲得能夠印跡Cu2+、Ca2+及Tb3+等金屬離子的溫敏印跡聚合物的報(bào)道。

Tokuyama等[23]先將N-(4-乙烯基)苯甲基乙二胺（VBEDA）作為絡(luò)合劑與Cu2+相結(jié)合得到配位化合物，再加入溫敏單體NIPAAm及交聯(lián)劑N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺發(fā)生聚合。結(jié)果顯示，在307 K時(shí)Cu2+與VBEDA以1∶2的配比強(qiáng)絡(luò)合，而在283 K時(shí)其以1∶1的比例弱絡(luò)合。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脫附過(guò)程的有效擴(kuò)散率約為吸附過(guò)程的67倍，這表明溫度的變化可以影響兩種絡(luò)合物的吸附及釋放過(guò)程。

Kanazawa等[24]采用分子印跡技術(shù)將螯合單體VBEDA與作為溫敏單體的NIPAAm共聚，得到對(duì)Cu2+具有選擇性的溫敏印跡凝膠。該印跡凝膠對(duì)Cu2+的吸附量取決于溫度的高低，在某個(gè)特定溫度下可以獲得最大吸附量。凝膠組成即溫敏單體與交聯(lián)劑的比例影響其吸附量的大小。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，凝膠中VBEDA含量增加，其吸附量也呈線性增大趨勢(shì)。

Tokuyama等[25]使用NIPAAm作為溫敏單體，分別采用含有單乙烯基的N,N二(4-乙基)苯乙二醇二胺（VBEDA）和雙乙烯基的DVBEDA兩類螯合單體，聚合得到兩種均能選擇性吸附Cu2+的溫敏印跡凝膠。在10～30 ℃范圍內(nèi)，對(duì)比兩種凝膠對(duì)Cu2+的吸附和脫附特性。研究發(fā)現(xiàn)，NIPA-DVBEDA型印跡凝膠對(duì) Cu2+的吸附量變化大于NIPA-VBEDA型印跡凝膠。當(dāng)Cu2+、Ni2+和Zn2+同時(shí)存在時(shí)，兩種凝膠對(duì)Cu2+均具有選擇性，但前者的選擇性高于后者。

Mori等[26]采用乳液聚合法，選擇NIPAAm為溫敏單體，4-乙烯基苯-乙二胺為螯合單體，制備出可識(shí)別Cu2+的溫敏印跡微凝膠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使懸浮溫度超過(guò)NIPAAm的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，該溫敏微凝膠仍能保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)，溫度的變化會(huì)影響其對(duì)Cu2+的吸附速率。

在上述金屬Cu2+溫敏印跡凝膠的制備過(guò)程中[23-26]，均將Cu2+與作為配體的功能單體通過(guò)配位作用相結(jié)合得到含有多接觸點(diǎn)的配位化合物，這樣能夠加強(qiáng)印跡水凝膠對(duì)金屬離子的吸附能力。常選用的配體有VBEDA、DVBEDA、4-乙烯基苯-乙二胺等。但由于金屬離子和配體之間的相互作用很強(qiáng)，導(dǎo)致印跡凝膠難以與金屬離子可逆結(jié)合，因此選擇既能與金屬離子產(chǎn)生特異結(jié)合作用又能感知溫度變化的配體是一個(gè)重要的研究方向。

Alvarez-Lorenzo和Oya等[27-28]選擇丙烯酸（AAc）為功能單體，NIPAAm為溫敏單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS）為交聯(lián)劑，成功制得能夠印跡Ca2+的溫敏水凝膠。當(dāng)外界溫度低于其LCST時(shí)，該印跡凝膠印跡結(jié)構(gòu)相互遠(yuǎn)離，無(wú)法吸附Ca2+；當(dāng)外界溫度高于其LCST時(shí)，水凝膠突然收縮，印跡位點(diǎn)相互靠近，能夠吸附溶液中的Ca2+。Hiratani等[29]使用BIS為主交聯(lián)劑，N,N′-雙丙烯酰胱胺（BAC）為可逆交聯(lián)劑，NIPAAm為溫敏單體，制得可印跡Ca2+的溫敏水凝膠。Alvarez-Lorenzo 等[15]選用少量單體MAA等與模板Ca2+結(jié)合，大量溫敏單體NIPAAm用來(lái)支持聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，制備出的溫敏印跡聚合物對(duì)Ca2+具有明顯的高溫吸附低溫釋放功能。D’Oleo等[30]在不使用模板分子的前提下，利用磺酸基團(tuán)作為功能單體，采用BIS與BAC進(jìn)行弱交聯(lián)，制得的NIPAAm型印跡水凝膠對(duì)Ca2+產(chǎn)生了記憶功能。

Guney[31]用NIPAAm作為主功能單體，甲基丙烯酸（MAA）用于結(jié)合模板分子Tb3+，合成的溫敏印跡聚合物對(duì)Tb3+的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非印跡聚合物，且當(dāng)其處于收縮狀態(tài)時(shí)，對(duì)Tb3+的吸附量呈增加趨勢(shì)。

Yamashita等[22]采用二步印跡法，首先將聚烯丙基氯化銨（PAAc）與重金屬離子相結(jié)合，再加入NIPAAm交聯(lián)聚合形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IPN）。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)溫度大于LCST時(shí)，該分子印跡水凝膠會(huì)發(fā)生收縮，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)重金屬離子的識(shí)別作用。

在上述Ca2+、Tb3+等金屬離子溫敏印跡凝膠的制備過(guò)程中[15，22，27-31]，是預(yù)先利用靜電作用將金屬陽(yáng)離子與功能單體結(jié)合形成鹽再進(jìn)一步聚合，因此此類溫敏印跡聚合物具有較高的選擇性和親和吸附能力。此外，NIPAAm的加入使得此種溫敏印跡水凝膠還具有特殊的溫敏性，表現(xiàn)出了高溫收縮、低溫溶脹的性能。研究發(fā)現(xiàn)，溫敏印跡聚合物在高于其LCST時(shí)對(duì)離子的吸附量大于在低于其LCST時(shí)的吸附量。

2.2 小分子為模板

Watanabe等[32]首次報(bào)道了溫敏型分子印跡聚合物。他們以腎上腺素為模板分子，丙烯酸為功能單體，NIPAAm為溫敏單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，在二氧六環(huán)中利用氫鍵作用制備出含去甲基腎上腺素在內(nèi)的多種模板分子的溫敏印跡聚合物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模板分子洗脫后，該聚合物凝膠在低溫時(shí)呈溶脹狀態(tài)，高溫時(shí)呈收縮狀態(tài)。溫度的變化會(huì)影響溫敏印跡聚合物對(duì)腎上腺素的吸附容量。低溫下，聚合物凝膠在模板分子溶液中難以膨脹，而高溫下模板分子溶液濃度越高，其膨脹程度越大。該現(xiàn)象表明，高溫收縮時(shí)印跡聚合物凝膠對(duì)模板分子產(chǎn)生記憶作用，而低溫膨脹時(shí)該印跡水凝膠記憶功能消失。

Liu等[33]以4-氨基吡啶為模板分子，甲基丙烯酸作為功能單體，N-異丙基丙烯酰胺為溫敏單體，通過(guò)氫鍵及離子鍵作用合成了印跡有4-氨基吡啶的溫敏性聚合物凝膠。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)改變溫度，該印跡凝膠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4-氨基吡啶的吸附與釋放，并且印跡凝膠對(duì)目標(biāo)分子的吸附量是非印跡凝膠的3～4倍，該印跡凝膠在藥物的控制釋放領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

Liu等[34]通過(guò)多點(diǎn)氫鍵作用設(shè)計(jì)合成出一種可選擇識(shí)別L-焦谷氨酸的弱交聯(lián)印跡水凝膠。實(shí)驗(yàn)表明，該印跡水凝膠對(duì)L-焦谷氨酸的吸附量是非印跡水凝膠的3～4倍。以吡咯烷、2-吡咯烷酮及L-脯氨酸作為結(jié)構(gòu)類似物進(jìn)行特異選擇性實(shí)驗(yàn)，該印跡凝膠對(duì)L-焦谷氨酸表現(xiàn)出較高的選擇性。同時(shí)，該凝膠的LCST在38 ℃左右，表現(xiàn)出良好的溫敏特性。

何江川等[35]將模板分子甘草酸、功能單體甲基丙烯酸及溫敏單體NIPAAm在大量交聯(lián)劑存在下，在N-甲基吡咯烷酮中聚合出基于氫鍵作用的溫敏印跡水凝膠。實(shí)驗(yàn)證明，該印跡水凝膠對(duì)水溶液中的甘草酸具有特殊選擇分離作用，分配系數(shù)約為非印跡凝膠的11倍，因此可將其用于富集水溶液中的甘草酸。

郭小偉等[36]以水楊酸為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，NIPAAm為溫敏單體，在60 ℃下采用本體聚合法制備出對(duì)水楊酸分子具有專一識(shí)別特性的溫敏印跡水凝膠。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該印跡水凝膠的LCST在40 ℃左右，表現(xiàn)出良好的溫敏性能。其吸附容量是非印跡水凝膠的3.66倍。NIPPAm的加入使印跡水凝膠對(duì)目標(biāo)分子的吸附及脫附效率均得到提高，實(shí)現(xiàn)了水凝膠對(duì)水楊酸分子結(jié)合與釋放的溫度響應(yīng)性。

由圖1可知，每隔24 h測(cè)定的AWCD值隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈增大趨勢(shì)，這表明不同植被恢復(fù)模式土壤微生物利用碳源的量隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)均逐漸增大，但不同植被恢復(fù)模式相對(duì)于自然恢復(fù)土壤微生物利用碳源的 AWCD值大小有顯著不同。土壤微生物群落AWCD值均在24~144 h內(nèi)迅速升高，之后緩慢地升高最后趨于穩(wěn)定。AWCD值的快速增加表明土壤碳源被土壤微生物大量利用，土壤微生物進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)期。

Ko等[37]采用表面印跡法，設(shè)計(jì)出一種具有核殼結(jié)構(gòu)的溫敏印跡納米球。D-葡萄糖分子被印跡在納米球表面，當(dāng)溫度高于其LCST時(shí)，納米球發(fā)生構(gòu)象變化尤其是親-疏水轉(zhuǎn)變。與非印跡納米球相比，該印跡納米球?qū)-葡萄糖分子表現(xiàn)出更高的特異識(shí)別性。溫度的變化會(huì)影響溫敏納米球表面結(jié)合位點(diǎn)對(duì)D-葡萄糖分子的親和力。此外，該納米球?qū)-葡萄糖的吸附量比L-葡萄糖高兩倍，意味著其形成了具有手性識(shí)別能力的結(jié)合位點(diǎn)。

Hiratani等[38]在室溫下于0.3 mm厚的模具內(nèi)采用光引發(fā)將模板分子噻嗎洛爾（Timolol）與功能單體甲基丙烯酸交聯(lián)聚合得到印跡水凝膠鏡片。模板分子噻嗎洛爾被洗脫后，獲得的印跡凝膠對(duì)生理鹽水中噻嗎洛爾的載藥量及親和性均得到明顯提高，這表明在凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成了可識(shí)別模板分子的結(jié)合位點(diǎn)。接著他們將該技術(shù)應(yīng)用于制備治療型印跡隱形眼鏡[39]，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)非印跡隱形眼鏡相比，此種印跡眼鏡的藥物釋放時(shí)間得到很大程度的延長(zhǎng)。與傳統(tǒng)眼藥水相比，此種印跡隱形眼鏡可以持續(xù)保持更大的藥物濃度。

在上述以小分子為模板的溫敏印跡水凝膠的制備過(guò)程中[32-39]，均利用印跡分子與聚合物凝膠間的非共價(jià)作用，使得含有可形成氫鍵基團(tuán)的印跡聚合物水凝膠能夠識(shí)別含有可形成氫鍵基團(tuán)的有機(jī)小分子。氫鍵作用的優(yōu)點(diǎn)在于，印跡分子與功能單體之間的氫鍵作用較弱，促使分子印跡聚合物的模板分子容易被洗脫。而缺點(diǎn)在于氫鍵太弱，聚合過(guò)程中容易形成非特異性吸附位點(diǎn)，從而影響印跡結(jié)構(gòu)的特異選擇性，導(dǎo)致印跡效果不明顯。目前，以氫鍵為主要識(shí)別作用的溫敏印跡水凝膠已經(jīng)出現(xiàn)很多報(bào)道。

此外，Suedee等[40]利用疏水作用制備了能夠特異識(shí)別多巴胺分子的印跡凝膠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該凝膠對(duì)目標(biāo)分子多巴胺的吸附平衡常數(shù)K會(huì)隨溫度升高不斷增大，這可解釋為溫度的升高會(huì)使印跡水凝膠的疏水作用加強(qiáng)，導(dǎo)致其更易與目標(biāo)分子中的疏水苯環(huán)相結(jié)合。當(dāng)印跡分子含有少量的功能基團(tuán)時(shí)，疏水作用可以用來(lái)輔助增強(qiáng)識(shí)別效果。但是一般情況下疏水作用都非常弱，且識(shí)別性很低，因此制備印跡水凝膠不能只依靠疏水作用。

目前，還出現(xiàn)了小分子溫敏印跡水凝膠在藥物控釋方面的應(yīng)用報(bào)道。Moritani等[21]制備新型二聚單體與NIPAAm及N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺發(fā)生共聚，獲得能夠印跡模板分子5-硝基-1,3-苯二甲酸二鈉（DPA）的溫敏型印跡水凝膠。在低溫下，載藥凝膠浸入水中后發(fā)生水合作用產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，它能迅速釋放藥物直到平衡。然而升高到某一特定溫度時(shí)，凝膠收縮對(duì)模板分子產(chǎn)生識(shí)別及吸附作用，表現(xiàn)出對(duì)之前釋放出的藥物產(chǎn)生重新吸附的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)溫敏水凝膠相比，該溫敏印跡水凝膠具有專一識(shí)別作用，這是由于該凝膠具有與藥物分子相匹配的結(jié)合基團(tuán)，藥物的釋放與吸附可以隨著溫度的變化而循環(huán)轉(zhuǎn)變。

2.3 生物蛋白為模板

Hawkins等[41]以牛血紅蛋白為模板蛋白，丙烯酰胺為功能單體，N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，獲得印跡聚合物凝膠。對(duì)于結(jié)構(gòu)類似的其他蛋白，該凝膠對(duì)模板蛋白表現(xiàn)出特殊的選擇性。未來(lái)有望應(yīng)用該種印跡凝膠作為傳感器對(duì)標(biāo)記蛋白質(zhì)進(jìn)行快速檢測(cè)來(lái)指示疾病狀態(tài)。

Qin等[42]以溶菌酶為模板蛋白，丙烯酰胺和N-(4-乙烯基)-苯亞氨乙酸(VBIDA)為功能單體，NIPAAm為溫敏單體，采用冷凍聚合法獲得可印跡目標(biāo)分子溶菌酶的大孔溫敏印跡水凝膠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該水凝膠不僅具有溫敏性，且對(duì)溶菌酶表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附能力，在混合蛋白溶液中其可選擇性分離出溶菌酶。

Turan等[44]以肌紅蛋白為模板分子，NIPAAm作為溫敏單體分別在3種溫度（10 ℃、33 ℃和40 ℃）下合成了分子印跡水凝膠。實(shí)驗(yàn)表明，聚合溫度決定了印跡水凝膠對(duì)模板分子吸附量的大小，在10 ℃制備的水凝膠對(duì)Mb吸附量最大，為（97.40±2.35）mg/g，是非印跡水凝膠吸附量的2.8～3.3倍，并且對(duì)Mb表現(xiàn)出較高的選擇性。

蛋白質(zhì)是水溶性的生物大分子，對(duì)其識(shí)別主要發(fā)生在水體系中[45]。上述以生物蛋白為模板的溫敏印跡水凝膠[41-44]克服了生物大分子受到印跡結(jié)構(gòu)空隙大小和剛性的約束，溫敏分子印跡水凝膠特有的高度柔韌性為蛋白質(zhì)等大分子印跡提供了可行性。此外，還可根據(jù)印跡目標(biāo)物的形狀，采用形狀印跡的方法制備溫敏印跡水凝膠。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，溫敏印跡聚合物對(duì)模板分子的識(shí)別機(jī)理仍處于初級(jí)探索階段，尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。酶與底物的鎖匙模型適用于傳統(tǒng)高交聯(lián)的分子印跡聚合物，但不完全適用于低交聯(lián)的溫敏印跡聚合物對(duì)模板分子的吸附過(guò)程。如今仍缺少能夠預(yù)測(cè)溫敏印跡聚合物性能的通用方法。

溫敏型分子印跡水凝膠的制備技術(shù)主要有以下4種。

（1）模板分子共聚 對(duì)模板分子要求低，且可選擇的功能單體、交聯(lián)劑及溫敏單體種類廣泛，屬于最常用的方法。

（2）犧牲空間 需要對(duì)每個(gè)印跡分子都能設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的功能基團(tuán)的結(jié)合位置，制備難度較高。

（3）后交聯(lián) 常用于制備能夠識(shí)別天然高分子的印跡聚合物，可以提高溫敏印跡水凝膠對(duì)印跡分子的親和力。

（4）互穿網(wǎng)絡(luò)共聚 增加溫敏單體NIPAAm的量可以保持印跡水凝膠的溫敏特性，互穿網(wǎng)絡(luò)共聚結(jié)構(gòu)也能起到同樣的作用。

在傳統(tǒng)分子印跡方法基礎(chǔ)上加入溫敏單體，溫敏印跡水凝膠的性能受到多種因素的影響。其中，如何選擇合適的交聯(lián)劑用量從而制備出兼具剛性和柔韌度的溫敏印跡水凝膠是一個(gè)難題。此外，水相環(huán)境有利于水凝膠的溶脹收縮，然而水分子過(guò)強(qiáng)的氫鍵作用又會(huì)削弱模板分子與功能單體間的非共價(jià)結(jié)合作用，因此將溫敏水凝膠應(yīng)用在生物領(lǐng)域面臨著較大的困難。

溫敏分子印跡凝膠技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋孩傥锪戏蛛x，通過(guò)在水凝膠LCST附近反復(fù)升高或降低環(huán)境溫度，可以使水凝膠被反復(fù)吸收或釋放，從而實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程；②固定化酶，用PNIPAAm將酶固定，能夠得到溫敏性的識(shí)別凝膠，不僅增強(qiáng)了酶穩(wěn)定性，有利于分離，又能反復(fù)使用；③藥物控釋體系，制備載藥量大的溫度敏感型印跡水凝膠，溫度的變化可使凝膠發(fā)生可逆性膨脹或收縮，結(jié)合位點(diǎn)空間結(jié)構(gòu)的變化可改變對(duì)印跡藥物分子的親和力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)藥物的自動(dòng)釋放或吸收過(guò)程；④免疫分析，將PNIPAAm作為載體用于免疫分析，不僅能加快均相免疫分析的速度，還能提高異相免疫分析的靈敏度。

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Temperature-sensitive molecularly imprinted hydrogels

YANG Zichun，GAO Yunling，YAO Kejian
（State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Technology，College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

Molecular imprinting technology has been developed rapidly in recent years and applied in various fields，including separation engineering，chemical sensors and analogy enzyme catalysis，due to its high selectivity，specific recognition and so on. However，a little attention has been paid to molecularly imprinted hydrogels. Temperature-sensitive molecularly imprinted hydrogels，obtained by combining molecular imprinting technique with temperature-sensitive hydrogels，provide both the specific identification properties and stimuli-responsiveness to the environment temperature changes，which means that the specific recognition of such hydrogels to the template molecules changes with temperature variation. This paper is aimed to not only review the specific identification principle and preparation approaches of temperature-sensitive molecularly imprinted hydrogels，but also to highlight the application of temperature-sensitive molecularly imprinted hydrogels in metal-ion，organic molecules and protein imprinting. In this review，the possible development of temperature-sensitive molecularly imprinted hydrogels is prospected，which will show enormous potential applications in many fields，such as material separation and drug controlled release system.

molecular imprinting；gels；N-isopropylacrylamide；polymers；selectivity

O 647.3；O 648.17；O 65

A

1000-6613（2014）01-0117-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.01.020

2013-05-09；修改稿日期：2013-06-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金（20807037）及浙江省自然科學(xué)基金（LY12B07010）項(xiàng)目。

楊紫淳（1987—），女，碩士研究生。聯(lián)系人：高云玲，副教授，研究方向?yàn)榉治鰴z測(cè)與分離。E-mail gaoyl@zjut.edu.cn。姚克儉，教授，研究方向?yàn)閭髻|(zhì)與分離。E-mail yaokj@zjut.edu.cn。