黃新蘋，劉遠(yuǎn)方

(鄭州師范學(xué)院，河南鄭州 450044)

1 分子印跡技術(shù)的發(fā)展

分子印跡技術(shù)(MIT)是指制備對(duì)某一特定的目標(biāo)分子(模板分子、印跡分子或烙印分子)具有特異選擇性的聚合物的過程。洗去目標(biāo)分子以后，能在分子印跡聚合物(MIPs)中留下在形狀、大小以及識(shí)別位點(diǎn)都與目標(biāo)分子相匹配的空穴，該空穴能重新識(shí)別目標(biāo)分子。它可以被形象地描繪為制造識(shí)別“分子鑰匙”的“人工鎖”技術(shù)［1］。MIT有三大特點(diǎn):①預(yù)定性，即可根據(jù)不同目的制備不同MIPs，以滿足不同需要;②識(shí)別性，即MIPs按照模板分子定做成可專一識(shí)別的模板分子;③實(shí)用性，可與酶和底物、抗原和抗體、受體和激素等天然分子識(shí)別系統(tǒng)相比擬，由于是化學(xué)方法合成，又有天然分子識(shí)別系統(tǒng)所不具備的抗惡劣環(huán)境的能力，表現(xiàn)出高度穩(wěn)定性和可長(zhǎng)期反復(fù)使用的特點(diǎn)。

分子印跡技術(shù)來源于免疫學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)40年代，Pauling［2］提出以抗原為模板來合成抗體的理論，他所提出的結(jié)合位點(diǎn)和空間匹配的觀點(diǎn)成為分子印跡的基本思想。1949年，Dickey在制備硅膠吸附劑時(shí)提出了可以視為“分子印跡”萌芽的“專一性吸附”的概念。但這一學(xué)術(shù)思想在此后一段時(shí)間并沒有引起人們足夠的重視。1972年，德國(guó)的Wulff研究小組首次報(bào)道了人工合成分子印跡聚合物之后，分子印跡技術(shù)越來越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，之后其發(fā)展十分迅猛。1993年 Mosbach等［3］在《Nature》上發(fā)表有關(guān)茶堿分子 MIPs的報(bào)道后，每年公開發(fā)表的論文數(shù)幾乎直線上升。1997年成立的分子印跡協(xié)會(huì)(Society of Molecular Imprinting，即SMI)的統(tǒng)計(jì)表明［4］，全世界有100個(gè)以上的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企事業(yè)團(tuán)體在從事MIPs的研究及開發(fā)工作。由于MIPs是人工合成的聚合物，其對(duì)特定分子具有特異的選擇性。該聚合物具有制備容易、成本低廉、對(duì)加熱、有機(jī)溶劑及強(qiáng)酸強(qiáng)堿等穩(wěn)定、具有抗惡劣環(huán)境的能力、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

2 分子印跡技術(shù)的原理及分類

分子印跡技術(shù)的原理是將待分離的模板分子與交聯(lián)劑在聚合物單體溶液中進(jìn)行共聚得到顆粒介質(zhì)，然后洗脫掉包埋于顆粒介質(zhì)中的模板分子，得到保留有模板分子空間結(jié)構(gòu)印跡的MIP介質(zhì)。分子印跡制備通常要經(jīng)過3個(gè)步驟:①功能單體與模板分子的功能基在適當(dāng)條件下可逆結(jié)合，形成復(fù)合物;②加入交聯(lián)劑(或與惰性溶劑、致孔劑一起加入)，引發(fā)聚合反應(yīng)，形成MIPs;③用有機(jī)溶劑將模板分子從所得MIPs中洗脫掉，以獲得與模板分子相匹配的三維空穴，而該空穴可再次選擇性地與模板分子結(jié)合(見圖1)。

圖1 分子印跡示意圖

根據(jù)模板分子與單體結(jié)合方式的不同，印跡技術(shù)可分為非共價(jià)法、共價(jià)法和半共價(jià)法［5-6］。非共價(jià)法中，MIPs的合成和識(shí)別都依賴于模板分子與功能單體間的非共價(jià)鍵(氫鍵、靜電引力、金屬螯合作用、電荷移動(dòng)、輸水作用、范德華力等);在共價(jià)法中，模板分子與功能單體之間形成的是可逆共價(jià)鍵。共價(jià)法制備的MIPs選擇性好，但可逆化學(xué)反應(yīng)種類有限、印跡過程復(fù)雜，而且MIPs識(shí)別速度慢，限制了其普遍適用性。半共價(jià)法是前兩種方法的綜合，即合成反應(yīng)中單體與模板分子之間的作用力是共價(jià)鍵，而識(shí)別過程中目標(biāo)分子與MIPs的作用是非共價(jià)的。

3 分子印跡技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

分子印跡技術(shù)已經(jīng)被廣泛地研究并應(yīng)用于藥物分析檢測(cè)、天然產(chǎn)物化學(xué)、生物傳感器、膜分離、模擬酶催化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域之中。其在各類物質(zhì)的分離、分析和制備上均展示了良好的性能與應(yīng)用前景。

3.1 藥物分析檢測(cè)

從20世紀(jì)90年代，分子印跡技術(shù)由于其對(duì)目標(biāo)分子的強(qiáng)親和力和高選擇性，被應(yīng)用于多種環(huán)境污染物和重金屬的富集、檢測(cè)之中。MIT不僅對(duì)重金屬 Pb2+［7］、Cd(Ⅱ)［8］、Th(Ⅳ)［9］的檢測(cè)，還可檢測(cè)多環(huán)芳烴(PAHs)［10］、內(nèi)分析干擾素雌酮、17β -雌二醇、炔雌酮［11］等有機(jī)污染物。

劉祥軍等［12］研究了以甲磺隆為印跡分子通過一步溶脹法制備了球形印跡聚合物，將聚合物填裝到Φ5 mm×40 mm不銹鋼柱管中作為富集柱，在富集柱后串聯(lián)反相C18柱，進(jìn)行水中甲磺隆的富集，檢測(cè)限能達(dá)ng/mL。

Tamayoa等［13］用分子印跡技術(shù)檢測(cè)蔬菜中殘留的苯基脲類除草劑，采用硅膠為犧牲載體的新方法合成分子印跡聚合物，以isoproturon和利谷隆(1inuron)做模板分子，以甲基丙烯酸(MAA)和三氟甲基丙烯酸(TFMAA)做功能單體，加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、偶氮二異丁氰(AIBN)和無水甲苯，再加入有孔硅膠，劇烈搖動(dòng)使聚合物混合物滲透至硅膠孔內(nèi)，采用熱引發(fā)制備聚合物，最后用甲醇抽提除去模板分子。用該聚合物裝填HPLC柱可直接檢測(cè)蔬菜樣品中的苯基脲類除草劑，檢測(cè)限可達(dá)100 ng/g。

“十一五”期間，我國(guó)“863”計(jì)劃將分子印跡技術(shù)在食品中農(nóng)藥、獸藥殘留檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用作為重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行支持，并以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)ｎ}的形式進(jìn)行立項(xiàng)。

3.2 天然產(chǎn)物化學(xué)

MIT的特異識(shí)別功能在天然產(chǎn)物的分離純化中展示獨(dú)特魅力，對(duì)植物有效成分的分離純化提供了新的思路。在天然產(chǎn)物化學(xué)應(yīng)用中，可分以下幾種方式:以分子印跡聚合物作為色譜固定相;SPE填料用作色譜前處理;制成薄膜和傳感器等。鄭細(xì)鳴等以柚皮素為模板分子制得的單分散分子印跡聚合物微球?qū)﹁制に赜兄己玫奶禺愇叫裕?4］。顏流水等［15］以咖啡因?yàn)槟０宸肿?，?jīng)紫外光引發(fā)原位聚合的方法制備了分子印跡毛細(xì)管整體柱，研究了制備過程中影響分子印跡毛細(xì)管整體柱性能的主要因素，優(yōu)化了色譜分離條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的分子印跡毛細(xì)管整體柱對(duì)咖啡因具有高度選擇性，咖啡因與結(jié)構(gòu)相似物的最高分離度為2.57。這一方法用于測(cè)定綠茶飲料、百事可樂和復(fù)方藥片中咖啡因的含量，已獲得滿意結(jié)果。

對(duì)各種類型的活性成分，如黃酮的提取、多元酚的富集、香豆素的分離、蒽醌的純化等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［16］。分子印跡技術(shù)以其高親和性、高選擇性為天然產(chǎn)物的分離與檢測(cè)提供了新的廣闊平臺(tái)。

3.3 生物傳感器

特殊識(shí)別現(xiàn)象在傳感器技術(shù)中扮演了一個(gè)重要的角色。分子印跡系統(tǒng)的有利之處在于其識(shí)別位是“特制的”，并且同時(shí)引入了固相聚合支撐物。MIP有非常高的特異性及物理化學(xué)穩(wěn)定性，科學(xué)家們?cè)谶@一方面作了大量嘗試。1991年，Mosbach等首次將印跡與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，利用MIP作為識(shí)別元件，制備出生物傳感器并申請(qǐng)了專利，后來陸續(xù)有人報(bào)道了關(guān)于氨基聯(lián)苯、嗎啡、莠去津等的MIP傳感器的研究。目前利用分子印跡聚合物生產(chǎn)的傳感器已用于實(shí)際測(cè)定中，并且可望用于光學(xué)傳感器。分子印跡聚合物制成的傳感器已經(jīng)用于除草劑、糖類、核酸和氨基酸及其衍生物、醫(yī)藥、毒素、溶劑和蒸氣等的檢測(cè)。

MIP還可作為仿生傳感器的分子識(shí)別元件，這種分子識(shí)別作用可以通過信號(hào)轉(zhuǎn)化器(壓電晶體、電極、光極、電阻等)輸出。這類仿生傳感器除具有生物傳感器的高選擇性外，還具有耐酸堿、有機(jī)溶劑及苛刻環(huán)境因素的影響，從而具有穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，是一類非常優(yōu)良的傳感器。目前已經(jīng)用于MIP仿生傳感器的分析對(duì)象有咖啡因［17］、尼古?。?8］、葡萄糖［19］等。提高 MIP 的選擇性，從而使這類傳感器能夠獲得更大的響應(yīng)值和更小的干擾，將有望使這類傳感器得到實(shí)際應(yīng)用［20］。

3.4 膜分離

將MIP應(yīng)用于膜分離的物質(zhì)有氨基酸及其衍生物、肽、除草劑等。Lai P等［21］采用相轉(zhuǎn)化法制備了茶堿的MIP薄膜。從槐屬植物苦參中提取分離苦參堿，結(jié)果顯示該分子印跡膜對(duì)苦參堿的吸附量可達(dá)71.4%，表明此法可有效應(yīng)用于然藥物有效成分的提取。Lehmann等［22］開發(fā)出一種新型的復(fù)合膜，該膜的支撐作用與印跡納米粒子的表面選擇性結(jié)合，該類分離膜不僅具有處理量大、容易放大等特點(diǎn)，而且對(duì)目標(biāo)分子具有很高的吸附選擇性和容量?；诜肿佑≯E技術(shù)制備的分離膜為分子印跡技術(shù)走向規(guī)模化和商業(yè)化樹立了很好的示范。

3.5 模擬酶催化

分子印跡最富挑戰(zhàn)性的應(yīng)用研究是對(duì)酶的人工模擬。Mosbach等［23］利用硝基苯—甲基—磷酸酯為模板得到了分子印跡聚合物(MIPs)，并將其用于對(duì)硝基苯乙酸酯的水解，結(jié)果表明MIPs加速了水解過程。此外，分子印跡對(duì)酶的活性調(diào)控也將起重要作用。Cheng等［24］制備了一種分子印跡聚合物——紅色素分子印跡聚合物，像酶一樣具有活性，能夠識(shí)別紅色素的空穴，不僅可充當(dāng)催化中心，還具有分子識(shí)別的重要作用。催化在手性拆分和不對(duì)稱合成中廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)光學(xué)純藥物的需求也對(duì)產(chǎn)品合成和提純工藝提出更高的要求。模擬酶的分子印跡聚合物不僅具有很好的結(jié)構(gòu)選擇性，而且能大大加速水解過程，為合成分子印跡模擬酶和納米材料的應(yīng)用得供了新途徑。

4 結(jié)束語

綜上所述，分子印跡技術(shù)在近年來發(fā)展較快，已顯示出良好的應(yīng)用前景。未來分子印跡技術(shù)的發(fā)展可能集中于以下幾個(gè)方向:①?gòu)姆肿铀缴涎芯縈IP與印跡分子間的相互作用，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)研究MIP與印跡分子的構(gòu)象及其相互作用，對(duì)于MIP的分子設(shè)計(jì)、單體選擇等提供重要的理論基礎(chǔ)，以最終實(shí)現(xiàn)MIP與印跡分子間的高選擇性相互作用。②研究領(lǐng)域需從目前的小分子領(lǐng)域拓展到大分子領(lǐng)域，對(duì)于大分子如蛋白、核酸、多糖的印跡，甚至對(duì)于超分子水平的細(xì)胞與病毒的印跡是一個(gè)具有極大潛在應(yīng)用價(jià)值的方向。③需要不斷開發(fā)新的功能單體的種類，特別是針對(duì)MIP的合成技術(shù)。④從應(yīng)用的角度出發(fā)，在保持MIP與印跡分子高選擇性相互作用的前提下，提高單位MIP中的印跡位點(diǎn)的數(shù)量具有非常重要的意義。

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