分子印跡技術研究進展

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(河南農業大學 理學院，河南 鄭州 450002)

?綜述與述評?

分子印跡技術研究進展

劉喜陽，趙士舉，潘振良

(河南農業大學 理學院，河南 鄭州 450002)

分子印跡技術是近些年來快速發展的一種高選擇性分離及分子識別技術，由該技術制備的具有分子特異識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、方法及其在天然產物分離、食品檢測、仿生傳感、固相萃取、抗體與受體模擬領域的應用與研究進行綜述。

分子印跡技術；分子識別；分子印跡聚合物

0 引言

分子印跡技術( Molecularly Imprinting Technology，MIT)是模仿免疫學理論中“抗原—抗體”識別原理發展的一種特異性識別目標分子的技術。早在1940年，著名的諾貝爾獎獲得者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奠定了基礎。1949年，Dickey在研究染料在硅膠中的印跡時提出了“分子印跡”的概念，在當時的學術界中并未引起足夠的重視。1972年，德國的Wullf研究小組首次成功制得了具有高選擇性的共價型分子印跡聚合物(Molecular Imprinting Polymers，MIP)，從此分子印跡技術才逐漸被人們所認識和接受。直到1993年，瑞典的Mosbach等[1-2]在Nature上發表了有關茶堿MIP的研究報道后，MIT成為了國內外學術界的研究熱點。

1 分子印跡技術基本原理與方法

1.1 基本原理

MIT是一種特異性識別目標分子的技術，是指為獲得在空間結構和結合位點上與目標分子完全匹配的聚合物，在交聯劑的存在下，將目標分子和功能單體通過共價或者非共價的方式共聚生成聚合物，然后用溶劑將目標分子洗脫，聚合物中就留下獨特的“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合，該聚合物稱為MIP[3-4]。

MIT基本過程包括三個步驟：①在一定溶劑(致孔劑)中，目標分子(模板分子或者印跡分子)與功能單體的預組裝，即模板分子與功能單體的功能基團通過共價或者非共價鍵的相互作用形成具有多重作用位點的配合物；②加入交聯劑，通過引發劑引發進行光或熱聚合，使配合物與交聯劑在模板分子周圍聚合形成高交聯的聚合物；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，提供了對印跡分子的特定結合位點和選擇性的攝取能力，類似生物的自然識別系統。

1.2 方法

根據目標分子同聚合單體的官能團之間作用形式不同，目前MIT主要可分為：共價法、非共價法及半共價法三類。

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

非共價法又叫作自組織法，此方法是目標分子與功能單體之間先進行自組織排列，以較弱的非共價鍵自發形成帶有多重作用位點的分子復合物，再經過與交聯劑作用之后，除去目標分子。非共價法的優點在于方法簡便易行，印跡分子易于除去，在印跡過程中可以同時使用多種單體以使分子印跡系統多樣，識別過程與天然的分子識別系統接近[8]。其缺點在于聚合物的選擇性低于非共價法[9]。

半共價法集中了共價法和非共價法的特點。即在制備印跡聚合物時功能單體和目標分子以共價鍵的作用力結合，而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[10-11]。

2 MIT的應用

MIT作為一種新型高效分離及分子識別技術，有機的將材料科學、高分子科學、化學工程、生物化學等學科結合在一起。與天然的分子識別體系相比，人工合成的MIP具備穩定性好、抗惡劣環境能力強、制備成本低、使用壽命長、可再生、應用范圍廣等優點[12-13]。因此在天產物分離、食品檢測、仿生傳感、固相萃取、抗體與受體模擬等領域有著良好地應用前景。

2.1 在天然產物分離中的應用

我國的中草藥已有幾千年的歷史，但是其成分復雜及有效成分的不明確性，使得國外醫療界一直對其持懷疑態度。并且有效成分含量較低，采用一般方法進行分離富集較為困難，如何快速、準確地分離提純中藥中的活性成分顯得尤為重要。常規的分離方法如色譜法和萃取法溶劑消耗量大、分離效率低，使得它們的應用有局限性。而MIP具有與天然生物系統相類似的分子識別功能，具有特異的選擇吸附性，所以，MIT在藥物分離及純化領域發展迅速。MIT可用在對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、穩定的印跡位點，對目標分子有較高親和力，能夠快速吸附目標分子等特點。

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應用于中藥金銀花中，實現了金銀花作為基礎中藥材之外的延伸利用價值。MIT因其高選擇性、高親和力，在天然產物的分離提純方面具有更好的發展前景。

2.2 在食品檢測中的應用

食品安全問題關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，用于食品安全檢測的方法主要有化學方法、色譜法、免疫法以及生物檢測方法。這些方法不但繁瑣不便，而且不適于現場檢測，所以急需尋找新的檢測方法。因為MIT具有預定性、識別專一性、實用性三大特點，且有制備操作相對簡便、耐用性強、可以反復利用等優點，所以MIT在食品安全檢測領域有很好的應用前景[18]。

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

呂運開等[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劑，偶氮二異丁腈為引發劑，用乳液—懸浮聚合法制備MIP。在最佳條件下，對牛奶中的酰胺醇類藥物進行回收，加標回收率為80.6%～96.7%，檢出限為6.8～27.8 g/kg，有效地實現了對牛奶凈化與檢測。

楊中等[21]以加替沙星為模板分子，含溴代引發劑的改性硅膠為引發劑，氯仿為溶劑，在硅膠表面合成了對加替沙星具有選擇性結合能力的表面MIP。實驗結果表明該MIP對加替沙星分子具有很好的選擇性和親和性。

2.3 在化學仿生傳感器中的應用

傳感器是由識別元件和信號轉換器組成的，識別元件位于轉換器的表面，當識別元件結合了待檢測的目標分子時，就會產生一個物理或者化學信號，這時轉換器將信號轉換成輸出信號，從而實現對目標分子的實時檢測[22]。由于MIP對于目標分子的高選擇性、高穩定性以及強耐用性等優點，可以彌補生物識別材料的不穩定性和高成本的缺點，故可以作為傳感器的分子識別元件[23]。這種傳感器具有性能好、壽命長等優點，已成為最具研究潛力的課題之一。

陳劍鳴等[24]針對毒品探測的需求，研究改進了高選擇性、高靈敏度并可于液相環境中工作的傳感器。利用MIT制作對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傳感器。實驗結果表明，此毒品檢測傳感器的靈敏度為8×10-12g/Hz·cm，遠高于石英晶體微天平這一傳統的質量敏感型傳感器，可以對溶液中的毒品分子進行快速檢測。該傳感器具有體積小、靈敏度高、諧振頻率高等特點。

郭春暉等[25]以沙丁胺醇為模板分子，對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。結果表明，該MIP有較好的選擇性、重現性和穩定性，檢測限為3.1×10-9mol/L。使用該傳感器可測定沙丁胺醇在豬飼料中的含量，具有高靈敏度、簡便快捷、重現性、穩定性好等特點，有較好的應用前景。

2.4 在固相萃取中的應用

MIP作為固相萃取填料技術叫作分子印跡固相萃取技術。由于MIP對目標分子有較高的選擇識別性，特異地識別含目標分子的萃取物，能夠克服傳統的固相萃取吸附劑選擇性差的缺點，便于控制萃取和洗脫條件，從而提高復雜環境中痕量目標物分析的適用性。自1994年Ellergren首次將MIP應用于固相萃取，發現MIP在有機溶劑和水相中都能使用，優于傳統的液液萃取和固相萃取技術，分子印跡固相萃取技術得到了關注和發展。

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，在特定的參數條件下，固相萃取柱對氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子的回收率達到101.02%，可用于對地下水中氯化1-乙基-3-甲基咪唑離子的分離富集，具有優越的使用性能。

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劑，合成了對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到 95% 以上。

2.5 在抗體與受體模擬中的應用

MIT是模仿抗原和抗體的相互作用而發展起來的，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作為對生物抗體和受體的一種有益補充，模擬抗體識別藥物、糖類、蛋白質、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充從自然界中難以得到或不能得到的抗體和受體。因此，國內外許多學者已在此領域展開了研究[7，28]。

李國良等[29]以葡萄球菌腸毒素B蛋白為模板分子，以聚苯乙烯微球為基質，采用表面分子印跡法制備了葡萄球菌腸毒素BMIP。結果顯示該MIP對葡萄球菌腸毒素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，以血清學檢測方法檢測葡萄球菌腸毒素B時，有效地克服了抗體的制備工藝繁雜、周期長、效價受多重生物因素影響等弊端。

3 結論

綜上所述，MIT作為一種具有特異識別功能的高分子技術，因其高選擇性、高耐用性、可以重復多次利用等優點而在近年來發展迅速。同時，隨著電子技術、生物技術和化工技術的不斷進步，促進了MIT在各個領域的應用發展。目前，MIT的基礎理論還有待完善，仍需開發尋找新的制備MIP的方法和功能單體。我們相信，隨著更多的研究者對其進行更深入的研究，MIT將會應用在更多的領域中。

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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(1990- )，女，在讀碩士；聯系人，潘振良(1972- )，男，博士，副教授，從事有機合成研究工作，電話：13838291075。

O631.3

A

1003-3467(2014)02-0017-04