分子印跡技術及其應用

李平忠 徐祥云

[摘要]分子印跡技術是在近年來發展起來的一項新興技術。本文介紹了其基本原理、印跡聚合物的制備及分子印跡技術在膜制備和有機合成等方面的應用。

[關鍵詞]分子印跡技術；分子印跡聚合物；應用

[中圖分類號]O658.9[文獻標識碼]A[文章編號]1005-6432（2012）49-0053-02

自然界和生物體內分子識別在活性發揮方面起到了重要作用，大多數生物分離技術都依賴于分子識別作用，但是生物識別分子的分離和制備十分困難，而且在操作中對環境要求比較高，人們一直希望合成具有分子識別功能的介質。近年來得到快速發展的分子印跡技術，由于其卓越的分子識別性能和獨特的物理、化學、機械特性等優點，已經成為一個熱門的研究方向。

1分子印跡技術的原理及特點

分子印跡技術是指將模板分子與選擇好的功能單體通過一定作用形成主—客體復合物，然后加入一定量的交聯劑和功能單體共同聚合成高分子聚合物。除去模板分子后，剛性聚合物中的空穴記錄有模板分子的構型，且功能基團在空穴中的精確排列與模板分子互補，從而對特定的模板分子具有較高的識別能力，而達到分離混旋物的目的。分子印跡分離技術是一種有著特殊專一選擇性的新型分離技術。與天然抗體相比，具有高選擇性、高強度（即耐熱、耐有機溶劑、耐酸堿）、制備簡單而且模板分子可回收和重復使用的特點。

分子印跡技術一般包括以下幾個步驟：①在一定溶劑中，具有適當功能基團的功能單體通過與模板分子間的相互作用聚集在模板分子周圍，形成穩定的復合物。②加入交聯劑后，過量的交聯劑使得功能單體上的功能基團在特定的空間取向上固定。③將聚合物中的印跡分子洗脫或解離出來得到分子印跡聚合物（見下圖）。

2分子印跡聚合物及其制備

分子印跡聚合物是分子印跡技術的核心。簡單地說，它是一種人工合成的利用分子印跡技術制備的高分子聚合物。該聚合物擁有與模板分子大小和形狀相匹配的立體孔穴，同時孔穴中包含了精確排列的與特定結構的模板分子官能團互補的活性基團。所以分子印跡聚合物具有特異“記憶”功能基團。MIP的制備方法通常有本體聚合、沉淀聚合、表面印跡、溶膠凝膠、兩步溶脹等方法。

分子印跡聚合物是近年發展起來的新型重要分子識別材料，功能單體與模板分子形成穩定的復合物，以使交聯聚合后把模板分子的結構固定在聚合物的母體中，產生識別位點。此外，功能單體的用量對聚合物的識別性能有較大的影響，但功能單體—模板分子比例過高時，所制備的聚合物具有更緊密的結構和更好的耐溶脹性能。因此，模板分子與功能單體的選擇對于分子印跡聚合物的制備至關重要。

2.1模板分子的選擇

印跡過程可以形成與模板分子形狀及功能基排列互補的孔穴有關，因此研究模板的分子結構對MIP分子識別性能的影響具有重要意義。用小分子芳香族化合物，部分羥基數目及羥基位置不同的羥基苯甲酸化合物為模板分子，采用非共價印跡技術制備了相應的MIP，通過對比研究，探討了模板分子中作用基團的數目及位置對非共價MIP分子識別能力影響的規律。模板分子中含有較多作用基團有利于得到對模板分子具有高印跡親和力的印跡聚合物，即得到高印跡效率的MIP。當模板分子中作用基團間能形成分子內氫鍵時，印跡效率降低。這是由于印跡過程中模板分子的分子內氫鍵削弱了其與氫鍵型功能單體丙烯酰胺的結合，從而降低了模板分子的印跡效率。

孫寶維等就模板結構與分子印跡效果間關系提出：大多只有一個極性基團的化合物，與功能單體作用的數目較少，不易產生印跡效應；一般含多個極性基團，少數含一個極性基團并具有一個大的疏水結構的化合物在印跡過程中表現出協同效應；具有多個極性基團，而且同時具備部分剛性和柔性結構的化合物，可更好地與功能單體作用。

2.2功能單體的選擇

在制備分子印跡聚合物過程中，選擇合適功能單體種類及與模板分子的配比至關重要，下面是幾種篩選功能單體的方法。

（1）紫外光譜法

根據紫外光譜原理，當價電子與氫原子形成氫鍵后，電子的能量會發生變化。同時張力或偶極作用迫使分子軌道發生扭曲變形，電子躍遷概率發生變化，導致吸光度發生變化。因此，根據紫外光譜的變化，可推測模板分子與功能單體間相互作用強度和復合比例等有關信息。

（2）核磁共振法

核磁共振光譜法（NMR）可以提供有關確切作用位點和作用強度的大量信息，是一種更具潛力且準確的篩選方法。模板分子與功能單體相互作用，分子間氫鍵對模板分子的活潑氫產生強烈束縛作用并使其屏蔽作用變小。通過核磁共振技術測定溶液中功能單體對活潑氫化學位移的影響，從而找出最佳的功能單體和最佳的配比。

（3）熒光光譜法

對于具有熒光性質的模板分子，熒光光譜法是選擇功能單體的比較好的方法。熒光供體分子（模板分子）與熒光猝滅劑分子（功能單體）之間借助分子間力，彼此結合形成具有一定結構的不發熒光的基態復合物，而導致熒光強度減弱。即靜態熒光猝滅現象。

（4）計算機模擬計算

隨著計算機和量子化理論的發展，計算機模擬技術已經應用到分子印跡體系中。這種方法可以大大減少摸索實驗的次數，也可以減少不必要的藥品浪費。計算機模擬計算最常用半經驗計算方法，大致過程為，第1步，用軟件優化各種可能的模板分子、功能單體及其復合物的構象，選出最小能量構象。第2步，功能單體與模板分子的相互作用能利用下式計算：ΔE=E（模板分子和功能單體的復合物）-E（模板分子）-E（功能單體）。ΔE越大，說明模板分子與功能單體的作用越易形成氫鍵，且形成的氫鍵越牢固。

3分子印跡技術的膜和材料制備方面的應用

3.1新的膜制備技術

（1）多層自組裝膜

通過化合物分子之間不同的作用力結合而成。這種作用力主要包括共價或配位作用、氫鍵、靜電力、疏水作用力、π2π堆積作用以及陽離子π吸附作用。多層自組裝印跡膜是在印跡聚合物表面通過不同的作用力結合形成膜，然后反復在聚合物混合溶液中進行自組裝，形成多層膜結構，將印跡分子洗脫，得到多層自組裝印跡膜。自組裝方法包括共價（或配位）自組裝、氫鍵自組裝、靜電自組裝。張希等 報道了用光交聯法和多層膜自組裝方法制備的以5、10、15、202四甲基氨基苯21H、23H 卟啉為印跡分子的多層自組裝印跡膜，與其他方法制備的印跡膜相比具有較高的識別能力。

（2）納米管印跡膜

一種印跡孔穴具有納米管形狀的分子印跡聚合物膜。納米管印跡膜的出現標志著分子印跡技術又有了新的突破。這種膜的制備是由王小如研究組首先提出的，他們將表面引發原子轉移自由基聚合（ATRP）和分子印跡技術原理相結合，使用多孔陽極氧化鋁薄膜（AAO）為載體膜并用32氨基丙基三甲氧硅烷進行表面硅烷化處理，將ATRP 引發劑22溴222甲基丙酰溴接枝到AAO 的表面，然后與金屬有機催化劑1、4、8、112四氮雜萘并苯銅、功能單體42乙烯吡啶、印跡分子β2雌二醇或孕酮和交聯劑的乙腈溶液混合，在N2 保護下進行熱聚合得到聚合物膜，除去印跡分子后形成納米管印跡膜。結果表明，這種結合位點具有納米級的孔徑和幾納米管壁厚度的印跡膜對目標分子具有高選擇性、高親和性、高容量和快速的結合能力。

3.2新的材料制備技術

（1）分子印跡磁性材料

磁性材料從材質上可以分為金屬及合金磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類。鐵氧體磁性材料又可以分為多晶結構和單晶結構材料。從應用的功能上來分，磁性材料又可以分為軟磁材料、永磁材料、磁記錄2矩磁材料、旋磁材料等。結合磁性材料的分子印跡技術制備的MIPs稱為磁性分子印跡聚合物，表面修飾過的磁性微球在聚合過程中嵌入MIPs母體中，從而使MIPs具有一定的磁性。MIPs在再識別吸附過程完成后，分離傳統MIPs和溶液需要離心或過濾等煩瑣的步驟。磁性分子印跡聚合物則只需外加一個磁場即可以實現與溶液分離，其操作簡單且分離時間短。在磁性分子印跡技術所應用的磁性粒子主要為Fe3O4。Fe3O4為無機化合物，不能和有機體系相容，因此磁性微球先由聚乙二醇4000/6000等活性組分進行活化得到有機相容性磁性復合微球，磁性復合微球在聚合過程中包埋于MIPs中。也有通過溶膠2凝膠使硅包裹磁性離子。

（2）分子印跡納米材料

納米材料是指三維尺度中有一維以上處于納米量級（1～100nm），即由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。納米材料與傳統材料相比有較低的熔點、較小的體積、巨大的比表面積、強化學活性和催化活性，此外其還有特殊的比熱、光學、電學、磁學、力學等一系列優良的性能。

分子印跡技術利用納米材料巨大的比表面積制備印跡聚合物，可以充分地暴露印跡識別位點，大大減少吸附過程當中的傳質阻力，增強吸附過程的動力學特征，進而提高吸附量。納米分子印跡聚合物的形式主要為納米粒子、納米管和納米膜。張忠平等以硅為基質通過溶膠凝膠反應分別制得了對TNT有特異性識別的納米粒子。其制得的納米粒印跡材料的印跡位點密度大約為普通印跡材料的5倍。其動力學研究表面，納米印跡粒子達到平衡所用的時間也只為普通印跡材料的1/3。

（3）分子印跡復合材料

多種材料相互補充使復合材料的性能更為優越。除了單一的膜材料、磁性材料和納米材料外，出現了復合材料如納米膜材料、磁性納米材料等。這些復合材料已經應用于分子印跡技術中。王小如等合成了納米管膜應用于化學分離，并用多孔性氧化鋁為模具合成了磁性分子印跡納米線。復合材料為分子印跡的發展提供了新的動力。

4結論

自20 世紀90 年代以來，MIT 以其高親和性、高選擇性等獨特優點迅速吸引了各國研究人員的注意并蓬勃發展，至今已被應用于化學、生物、醫學、環境等各大學科及其分支領域之中。MIPs 的合成與應用方法已日趨成熟，但目前的MIT 仍存在著一些問題。如其尚不能將某些類似物完全分離。隨著計算化學與計算機模擬技術的發展，建立完整的單體交聯劑庫，利用虛擬反應來指導MIPs 的合成已成為新的發展趨勢。此外，大力發展水相中制備方法，減少對有機溶劑的依賴，不僅能模擬生物體的識別模式，而且會極大地擴展其使用范圍。

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