分子印跡技術應用研究

黃新蘋，劉遠方

(鄭州師范學院，河南鄭州 450044)

1 分子印跡技術的發展

分子印跡技術(MIT)是指制備對某一特定的目標分子(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、大小以及識別位點都與目標分子相匹配的空穴，該空穴能重新識別目標分子。它可以被形象地描繪為制造識別“分子鑰匙”的“人工鎖”技術［1］。MIT有三大特點:①預定性，即可根據不同目的制備不同MIPs，以滿足不同需要;②識別性，即MIPs按照模板分子定做成可專一識別的模板分子;③實用性，可與酶和底物、抗原和抗體、受體和激素等天然分子識別系統相比擬，由于是化學方法合成，又有天然分子識別系統所不具備的抗惡劣環境的能力，表現出高度穩定性和可長期反復使用的特點。

分子印跡技術來源于免疫學的發展。20世紀40年代，Pauling［2］提出以抗原為模板來合成抗體的理論，他所提出的結合位點和空間匹配的觀點成為分子印跡的基本思想。1949年，Dickey在制備硅膠吸附劑時提出了可以視為“分子印跡”萌芽的“專一性吸附”的概念。但這一學術思想在此后一段時間并沒有引起人們足夠的重視。1972年，德國的Wulff研究小組首次報道了人工合成分子印跡聚合物之后，分子印跡技術越來越得到學術界和工業界的關注，之后其發展十分迅猛。1993年 Mosbach等［3］在《Nature》上發表有關茶堿分子 MIPs的報道后，每年公開發表的論文數幾乎直線上升。1997年成立的分子印跡協會(Society of Molecular Imprinting，即SMI)的統計表明［4］，全世界有100個以上的學術機構和企事業團體在從事MIPs的研究及開發工作。由于MIPs是人工合成的聚合物，其對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、對加熱、有機溶劑及強酸強堿等穩定、具有抗惡劣環境的能力、使用壽命長等優點。因此，它在許多領域展現了良好的應用前景。

2 分子印跡技術的原理及分類

分子印跡技術的原理是將待分離的模板分子與交聯劑在聚合物單體溶液中進行共聚得到顆粒介質，然后洗脫掉包埋于顆粒介質中的模板分子，得到保留有模板分子空間結構印跡的MIP介質。分子印跡制備通常要經過3個步驟:①功能單體與模板分子的功能基在適當條件下可逆結合，形成復合物;②加入交聯劑(或與惰性溶劑、致孔劑一起加入)，引發聚合反應，形成MIPs;③用有機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合(見圖1)。

圖1 分子印跡示意圖

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

3 分子印跡技術應用現狀

分子印跡技術已經被廣泛地研究并應用于藥物分析檢測、天然產物化學、生物傳感器、膜分離、模擬酶催化等多個學科領域之中。其在各類物質的分離、分析和制備上均展示了良好的性能與應用前景。

3.1 藥物分析檢測

從20世紀90年代，分子印跡技術由于其對目標分子的強親和力和高選擇性，被應用于多種環境污染物和重金屬的富集、檢測之中。MIT不僅對重金屬 Pb2+［7］、Cd(Ⅱ)［8］、Th(Ⅳ)［9］的檢測，還可檢測多環芳烴(PAHs)［10］、內分析干擾素雌酮、17β -雌二醇、炔雌酮［11］等有機污染物。

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，在富集柱后串聯反相C18柱，進行水中甲磺隆的富集，檢測限能達ng/mL。

Tamayoa等［13］用分子印跡技術檢測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，劇烈搖動使聚合物混合物滲透至硅膠孔內，采用熱引發制備聚合物，最后用甲醇抽提除去模板分子。用該聚合物裝填HPLC柱可直接檢測蔬菜樣品中的苯基脲類除草劑，檢測限可達100 ng/g。

“十一五”期間，我國“863”計劃將分子印跡技術在食品中農藥、獸藥殘留檢測領域的應用作為重點技術進行支持，并以現代農業技術領域專題的形式進行立項。

3.2 天然產物化學

MIT的特異識別功能在天然產物的分離純化中展示獨特魅力，對植物有效成分的分離純化提供了新的思路。在天然產物化學應用中，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對柚皮素有著良好的特異吸附性［14］。顏流水等［15］以咖啡因為模板分子，經紫外光引發原位聚合的方法制備了分子印跡毛細管整體柱，研究了制備過程中影響分子印跡毛細管整體柱性能的主要因素，優化了色譜分離條件。實驗結果表明，所制備的分子印跡毛細管整體柱對咖啡因具有高度選擇性，咖啡因與結構相似物的最高分離度為2.57。這一方法用于測定綠茶飲料、百事可樂和復方藥片中咖啡因的含量，已獲得滿意結果。

對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特的優勢［16］。分子印跡技術以其高親和性、高選擇性為天然產物的分離與檢測提供了新的廣闊平臺。

3.3 生物傳感器

特殊識別現象在傳感器技術中扮演了一個重要的角色。分子印跡系統的有利之處在于其識別位是“特制的”，并且同時引入了固相聚合支撐物。MIP有非常高的特異性及物理化學穩定性，科學家們在這一方面作了大量嘗試。1991年，Mosbach等首次將印跡與傳感器技術結合起來，利用MIP作為識別元件，制備出生物傳感器并申請了專利，后來陸續有人報道了關于氨基聯苯、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的傳感器已用于實際測定中，并且可望用于光學傳感器。分子印跡聚合物制成的傳感器已經用于除草劑、糖類、核酸和氨基酸及其衍生物、醫藥、毒素、溶劑和蒸氣等的檢測。

MIP還可作為仿生傳感器的分子識別元件，這種分子識別作用可以通過信號轉化器(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、有機溶劑及苛刻環境因素的影響，從而具有穩定性好、壽命長的優點，是一類非常優良的傳感器。目前已經用于MIP仿生傳感器的分析對象有咖啡因［17］、尼古丁［18］、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值和更小的干擾，將有望使這類傳感器得到實際應用［20］。

3.4 膜分離

將MIP應用于膜分離的物質有氨基酸及其衍生物、肽、除草劑等。Lai P等［21］采用相轉化法制備了茶堿的MIP薄膜。從槐屬植物苦參中提取分離苦參堿，結果顯示該分子印跡膜對苦參堿的吸附量可達71.4%，表明此法可有效應用于然藥物有效成分的提取。Lehmann等［22］開發出一種新型的復合膜，該膜的支撐作用與印跡納米粒子的表面選擇性結合，該類分離膜不僅具有處理量大、容易放大等特點，而且對目標分子具有很高的吸附選擇性和容量。基于分子印跡技術制備的分離膜為分子印跡技術走向規模化和商業化樹立了很好的示范。

3.5 模擬酶催化

分子印跡最富挑戰性的應用研究是對酶的人工模擬。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)，并將其用于對硝基苯乙酸酯的水解，結果表明MIPs加速了水解過程。此外，分子印跡對酶的活性調控也將起重要作用。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，能夠識別紅色素的空穴，不僅可充當催化中心，還具有分子識別的重要作用。催化在手性拆分和不對稱合成中廣泛應用，市場對光學純藥物的需求也對產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構選擇性，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用得供了新途徑。

4 結束語

綜上所述，分子印跡技術在近年來發展較快，已顯示出良好的應用前景。未來分子印跡技術的發展可能集中于以下幾個方向:①從分子水平上研究MIP與印跡分子間的相互作用，利用現代計算機技術研究MIP與印跡分子的構象及其相互作用，對于MIP的分子設計、單體選擇等提供重要的理論基礎，以最終實現MIP與印跡分子間的高選擇性相互作用。②研究領域需從目前的小分子領域拓展到大分子領域，對于大分子如蛋白、核酸、多糖的印跡，甚至對于超分子水平的細胞與病毒的印跡是一個具有極大潛在應用價值的方向。③需要不斷開發新的功能單體的種類，特別是針對MIP的合成技術。④從應用的角度出發，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中的印跡位點的數量具有非常重要的意義。

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