分子印跡技術(shù)的研究進展

高磊

（天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津300387）

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·專論與綜述·

分子印跡技術(shù)的研究進展

高磊

（天津工業(yè)大學環(huán)境與化學工程學院，天津300387）

摘要：分子印跡技術(shù)是目前處于領(lǐng)先地位的一種分子識別技術(shù)，近些年來的發(fā)展日趨成熟，這種技術(shù)能夠使得高分子材料制備成具有特異識別的功能，而這種材料被稱為分子印跡聚合物。這類聚合物具備可識別性、可預定性和廣泛實用性等優(yōu)點，在很多領(lǐng)域中具有比較廣泛的應(yīng)用前景。本文對分子印跡技術(shù)的發(fā)展歷史、基本原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進行詳細介紹。

關(guān)鍵詞：分子印跡技術(shù)；分子印跡聚合物；研究進展

分子印跡技術(shù)（MIT）是一種有效的在高度交聯(lián)，剛性的聚合物母體中引入特定分子結(jié)合位點的技術(shù)［1］。利用分子印跡技術(shù)制備的高分子材料叫做分子印跡聚合物（MIP）。美國著名化學家萊納斯·卡爾·鮑林在20世紀40年代年曾經(jīng)提出了以抗原為模板合成抗體的理論，并引起了廣泛的關(guān)注。雖然后來經(jīng)實驗證明該理論是錯誤的，但是該理論的提出仍為分子印跡技術(shù)的發(fā)明及發(fā)展起到了奠基作用［2］。20世紀70年代，德國的WULFF課題組第一次提出了分子印跡聚合物的概念［3，4］?，F(xiàn)代分子印跡技術(shù)的建立主要歸功于Wulff和M?sbach，他們的開創(chuàng)性工作推動了分子印跡技術(shù)的高速發(fā)展。從此以后各國科學家在分子印跡領(lǐng)域上的研究取得了非凡的成就。分子印跡聚合物具有很多優(yōu)良的特征，比如特異識別性、可預定性及廣泛實用性的諸多特點。分子印跡技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，并可以廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域［5］。分子印跡技術(shù)及分子印跡聚合物的研究目前已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點之一。

1　分子印跡技術(shù)基本原理

MIT為依靠兩種或者兩種以上的分子相互作用在一起結(jié)合，構(gòu)成了具有相對完整性、組織性的復雜聚集體其具有一定確定性的宏觀特性和微觀結(jié)構(gòu)。MIT是一種獨特復制記憶方法，可以被生動的描述為制造識別“分子鑰匙”的“人工鎖”的技術(shù)。通過MIT技術(shù)可以制備具有識別性及選擇性的大分子骨架。

該技術(shù)可以將功能單體和目標分子通過非共價或者共價的方式共聚生成聚合物，可以通過溶劑將目標分子洗脫，最終在聚合物中可以留下獨特的“記憶”空穴，此空穴在空間形狀以及確定官能團上可與原來目標分子完全相匹配，這樣的空穴可以與混合物中的目標分子進行可逆的特異性結(jié)合，該聚合物稱為分子印跡聚合物（MIP）。在制備分子印跡聚合物的過程中，不同的組分在聚合過程中分別發(fā)揮著不同的功能，這些功能分別作用如表1所示。

表1　分子印跡聚合物各合成組分的功能

2　分子印跡技術(shù)的分類

根據(jù)功能單體與目標分子官能團之間的作用力形式不同，當前MIT最基本的技術(shù)方法分為：共價法、非共價法以及半共價法三類。

共價法亦稱之為預組織法，這種方法是利用功能單體與目標分子之間共價鍵相互作用結(jié)合的方式，首先加入交聯(lián)劑，在形成聚合物之后，再將共價鍵斷裂出去目標分子。此類聚合物的制備以及分子識別過程的關(guān)鍵因素是功能單體與目標分子之間的可逆共價鍵的相互轉(zhuǎn)化［6］。所以利用共價法制備印跡聚合物的方法相對復雜且成功率不高，目前應(yīng)用范圍不廣泛。

非共價法又可以稱為自組織法。此方法的原理為：首先，功能單體與目標分子之間依靠較弱的非共價鍵、氫鍵、疏水作用、靜電等作用進行自組織，形成帶有多重作用位點的分子復合物，之后經(jīng)過交聯(lián)劑處理，除去目標分子，得到分子印跡聚合物［7］。此方法相對簡便在實際應(yīng)用比較廣泛。

半共價法是介于共價法與非共價法中間的一種方法，它結(jié)合了共價法和非共價法的特點。簡單的說即在制備印跡聚合物時功能單體和目標分子以共價鍵的方式結(jié)合，在洗脫目標分子之后，其所形成的分子印跡聚合物則是以非共價作用來識別目標分子［8］。

3　分子印跡技術(shù)的應(yīng)用

3.1固相萃取技術(shù)

分子印跡固相萃取技術(shù)在現(xiàn)實應(yīng)用中十分廣泛。簡單說就是把分子印跡聚合物作為固相萃取劑。此類分子印跡聚合物可以對目標分子的萃取物能夠進行特異性的識別。通過此方法可以解決傳統(tǒng)固相萃取存在的劑選擇性差的問題。張高奎課題組［9］使用乙烯吡啶為功能單體，阿散酸為虛擬模板分子，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，成功合成出了對洛克沙胂具有高選擇性的分子印跡聚合物。實踐表明通過分子印跡固相萃取柱回收洛克沙胂，其回收率可以達到95%以上。

3.2手性藥物拆分

分子印跡技術(shù)今年來在藥物手性拆分方面的應(yīng)用越來越引起人們的關(guān)注。由于分子印跡聚合物擁有十分突出的特異性識別能力，分子印跡聚合物可以作為HPLC的固定相分離手性藥物和非手性藥物。由于分子印跡聚合物和模板分子在幾何形狀上存在互補關(guān)系，同時其在分子間存相互作用力較強，所以與普通的手性固定相比較起來，用某一種對映體作為模板分子制備的分子印跡聚合物對它具有較強的保留性，因此以分子印跡聚合物作為固定相用于HPLC拆分手性化合物，不僅能夠做到完全分離對應(yīng)體，還能預測脫洗順序。至今，印跡技術(shù)進行手性拆分范圍已經(jīng)擴大到薄層色譜、超臨界流體色譜等領(lǐng)域［10，11］。

3.3環(huán)境樣品分析

由于環(huán)境樣品本身來源的特殊性，導致環(huán)境樣品的組成可能十分復雜，同時目標污染物濃度十分低，所以在環(huán)境樣品分析時所用的檢測方法必須具備良好的靈敏性。分析環(huán)境樣品的過程中一般情況下都要首先需要對環(huán)境樣品種的目標污染物進行分離富集。分子印跡聚技術(shù)便具備在復雜體系中對目標化合物進行特異性識別的能力以及極高的靈敏度，因此分子印跡聚合物可以將需要分析的污染物從復雜的環(huán)境體系中分離出來；于此同時依靠分子印跡的特異性，能夠?qū)⑿枰治龅奈廴疚飶牡蜐舛鹊沫h(huán)境體系中吸附到聚合物中，表面其具有較強的富集能力，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間［12］。

3.4色譜分離

與傳統(tǒng)固定相相比，分子印跡聚合物能夠與模板分子形成較強的作用力，延長模板分子的保留時間?？稻慈f等制備了以2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）為模板的MIPs，用HPLC考察了其選擇性［13］。

4　展望

近年來隨著分子印跡技術(shù)不斷發(fā)展其已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點之一。分子印跡技術(shù)具有以下幾個顯著的特點：可識別性、可預定性和廣泛實用性。由此可見，人類社會進入新世紀以來，分子印跡技術(shù)逐漸成熟，發(fā)展勢頭迅猛。我國在分子印跡技術(shù)方面的研究起步較晚，到目前不過只有15年的時間。而我國研究主要涉及領(lǐng)域為：仿生傳感器的研究、天然藥物中有效成分的分離與提取、污染物分析分離、手性藥物的拆分等。分子印跡技術(shù)還可以應(yīng)用于色譜分離、固相萃取、藥物分析、傳感器、模擬酶催化、膜分離等方面。但應(yīng)該說明的是，目前分子印跡技術(shù)存在一些不足和劣勢，很多問題需要進行深層次的研究和探索，主要包括：使用何種辦法可以使分子印跡技術(shù)的機理更加明確；為了滿足不同類型的分子印跡識別的需要，需要研究更多功能單體和交聯(lián)劑；如何加速分子印跡技術(shù)的商業(yè)化；如何使分子印跡技術(shù)向高選擇性、高重復性和微型化方向發(fā)展等多方面問題。

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doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.001

中圖分類號：TQ203.3

文獻標志碼：A

文章編號：1008-1267（2016）01-0001-03

收稿日期：2015-08-27