分子印迹聚合物

摘要:分子印迹技术是制备对特定目标分子具有特异性识别能力的高分子材料的技术，所制备的高分子材料被称为分子印迹聚合物.分子印迹聚合物因具有预定性、识别性和实用性三大优点己]’一泛应用于分离、模拟抗体与受体、催化剂以及仿生传感器等方面和领域，显示出了]’一泛的应用前景.作者对分子印迹技术的发展历史、基木原理、分类、应用现状以及一些新的研究热点进行了综述.
关键词:分子印迹技术;分子印迹聚合物;研究进展
1分子印迹技术的基本原理
分子印迹是制备对特定目标分子具有特异性识别能力的高分子材料的过程，目标分子又叫作模板分子或者印迹分子.分子印迹技术则是指为了获得在空间和结合位点上与目标分子相匹配的高分子材料的制备技术川.分子印迹聚合物的制备过程一般包括三个过程:cm首先根据模板分子选择合适的功能单体，并在致孔溶剂中使功能单体与模板分子通过两者官能团之间的相互作用(包括共价、氢键及其他一些弱作用)形成某种可逆复合物;(2)加入交联剂，在引发剂的作用下引发单体进行光聚合或热聚合，将模板分子与功能单体形成的可逆复合物“冻结”起来，使得模板分子被包埋在所形成的刚性高分子材料内;(3)采用物理或化学
的方法将模板分子从高分子材料中洗脱出来，在模板分子所占据的空间位置和结构处遗留下来一个三维孔穴，该孔穴在尺寸、形状和结构方而与模板分子相匹配，同时由于功能单体具有与模板分子官能团互补的功能性官能团，因此所合成的分子印迹聚合物能够特异性的与模板分子进行识别和结合(见图1).因为分子印迹聚合物是根据模板分子“量身定做”的，因此分子印迹聚合物对模板分子(或结构类似物)具有较高的特异性识别能力，这种识别类似于生物学中酶和底物之间的相互作用，并且这种识别能力可以和(单克隆)抗体相媲美，分子印迹聚合物被MOSBACH教授形象地称为“塑料抗体”。

2分子印迹技术的分类
按照功能单体与模板分子之间结合方式以及作用力的不同，分子印迹技术分为预组装法和自组装法两种(图2)，在两者的基础上又衍生出了结合两种基本方法特点的结合法.
2.i预组装法(又名共价法)
在预组装法中，模板分子以可逆共价键的形式与功能单体结合并形成相应的复合物，复合物与交联剂交联聚合形成相应的高分子聚合物，最后通过化学方法使可逆共价键断裂而除去模板分子并得到相应的分子印迹聚合物.预组装法的优点是分子印迹聚合中的结合基团空间位
置上精确固定并排列，使得所制备的分子印迹聚合物对目标化合物的结合力较强，专一性较高.其缺点是由于共价键作用较强，在分子识别和再生过程中结合和解离速度较慢，达到热力学平衡所需时间较长，不适于快速识别与分析.到目前为{卜，采用预组装的方法，研究人员己经成功制备腺A}吟、芳香化合物、糖类及其衍生物的分子印迹聚合物。

2. 2自组装法(又名非共价法)
在自组装法中，功能单体和模板分子之间的相互作用并非共价偶联而是某些弱相互作用，只要功能单体和模板分子之间存在着某些相互作用就能达到印迹模板分子的目的.MOSBACH 教授首先在Nature上发表了采用该方法制备分子印迹聚合物的报道困.在自组装法中，模板分子与功能单体之间首先通过氢键等弱相互作用发生自组装，并在模板分子周围的功能基团处形成多重作用位点.在交联剂的交联作用下这种
弱相互作用被保存了下来，通过淋洗等物理方法就可以破坏模板分子与功能单体之间的弱相互作用而去除模板分子并得到相应的分子印迹聚合物.自组装法的优点是该方法制备过程简单且灵活多变，仅需将制备分子印迹聚合物的各种必要成分混合后就可以直接聚合，而且在比较温和的条件下就可以除去模板分子，分子印迹聚合物与目标分子的结合和解离平衡也可以较快达到，适于快速识别与分析.其缺点是因为这些弱相互作用与共价键相比作用力较弱，因此所形成的可逆复合物不稳定会导致印迹位点不稳定、不均匀，导致
识别能力不强，而非识别位点的弱相互作用则会产生非特异性相互作用.在自组装法中可以采用的弱相互作用包括氢键、静电吸引、疏水作用、鳌合作用等，其中以氢键最为常见.与其他的弱相互作用相比，分子间氢键不仅作用力较强，选择性较好，而且分子间氢键的生成还受到模板分子和功能单体之间距离和方向的影响.对于特定的模板分子而言，要想成功制备有识别能力的分子印迹聚合物必须选择合适的功能单体(能与模板分子之间形成一定的弱相互作用).就一般情况而言，功能单体必须带有与模板分子互补的基团，例如氨(胺)基、毗A}基、梭基、轻基、酞胺基以及某些酷基等功能性基团.自组装法的分子识别机理类似于生物分子之间的识别，该方法虽然简单但分子印迹效果却很显著，己经被广泛用于各种化合物的分子印迹聚合物制备。

2. 3结合法(又名半共价法)
结合法顾名思义就是结合了预组装法和自组装法的一种方法，这种方法之所以被称为半共价
法是因为:在这种方法中，功能单体与模板分子之间形成可逆复合物是通过共价键结合的，而在对模板分子的再识别过程中起主要作用的则是非共价的弱相互作用.结合法最早由W HITECOMB领导的研究小组于1995年提出mo，在此方法的基础上WULFSON领导的研究小组又提出了“牺牲空间法”yz}，其实质仍然是自组装法和预组装法的结合法.
2. 4其他方法
1999年，TAKEUCHI领导的研究小组在研究辛可尼定(一种抗疟药物)的时候，采用甲基丙烯酸和乙烯基取代的锌叶琳为功能单体制备了辛可尼定的分子印迹聚合物.研究结果表明，以甲基丙烯酸和锌叶琳双功能单体制备的分子印迹聚合物，比单独使用甲基丙烯酸或锌叶琳为功能单体制备的分子印迹聚合物对辛可尼定具有更好的结合能力，并且能够进行手性拆分。

2000年，TAKEUCHI领导的研究小组提出了虚拟模板法制备环境荷尔蒙类物质的分子印迹聚合物口门.研究者以阿特拉津的结构类似物三烷基三聚氰胺为虚拟模板分子进行分子印迹聚合物的制备，所制备的分子印迹聚合物能够实现对三嗦类农药，包括阿特拉津的识别与分析.虚拟模板法在很大程度上扩展了目标化合物的分子印迹聚合物的制备范围，实现了对剧毒、昂贵以及不稳定化合物，例如环境荷尔蒙类物质、生物活性物质等化合物的分子印迹聚合物的制备.
2000年，MOSBACH领导的研究小组采用“固定模板法”实现了茶碱分子印迹聚合物的制备山〕.研究者首先将茶碱(模板分子)固定在多孔硅胶上，然后使功能单体在模板分子周围自组装并形成复合物，加入交联剂聚合后形成高分子聚合物与硅胶的杂化物，最后用氢氟酸除去硅胶基质后就得到了茶碱的分子印迹聚合物，该分子印迹聚合物对茶碱具有显著的特异性识别能力，并且能够区分可可碱和咖啡因等结构类似物。

在这一工作的基础上，本文作者报道了以阳极氧化铝模板为固定模板制备分子印迹聚合物纳米线的技术，该方法所制备的分子印迹聚合物纳米线具有较大的比表而积和较好的单分散性.6〕.利用该方法，作者以不同
的蛋白质分子(包括白蛋白，血红蛋白，细胞色素C')为模板制备了不同的分子印迹聚合物纳米线，所制备的分子印迹聚合物纳米线均可以实现对相应蛋白质分子的识别。

3分子印迹聚合物应用现状
分子印迹聚合物具有使用广泛、制备简单、成本低廉、坚固耐用的特点，在分离、模拟抗体与受体、催化剂、仿生传感器等方而显示出了广泛的应用前景.
3. 1分离领域
分子印迹聚合物最大的特点就是对模板分子具有特异性的分子识别能力，因此分子印迹聚合物可以作为一种高选择性、高亲和性的分离材料用于生物或环境样品等复杂基质中特定化合物的分离与富集.分子印迹聚合物可以克服样品基体复杂、预处理手续繁琐等不利因素，为样品的分离、富集和准确分析提供了极大的方便和可能.到目前为比，分子印迹聚合物己经广泛应用于固相萃取、色谱、电泳等分离等领域，分离对象涉及小分子化合物、金属离子、氨基酸、糖类、核普酸、多肤等生物活性分子及其衍生物。

SEI,I,ERUREN领导的研究小组最先报道了将分子印迹聚合物用于固相萃取(SPE)}lg}.研究者以喷他眯(一种AIDS病毒的抑制药物)为模板分子制备了喷他眯的分子印迹聚合物，将其作为固相萃取吸附材料进行分子印迹固相萃取，成功地从尿液中分离并富集到了微量的喷他眯.研究结果表明，分子印迹聚合物作为固相萃取材料具有对目标化合物选择性高、富集倍数高、回收率高的优势.加上固相萃取技术本身溶剂用量少、对环境友好、不需要相分离操作、易于收集组分、能处理小体积试样、操作简单、易于实现自动化的优点，分子印迹聚合物固相萃取技术特别适合于内源性分子、药物、食品和环境等复杂样品中目标化合物的分离、富集和纯化.分子印迹聚合物作为固相萃取吸附材料己经成为分子印迹聚合物最重要的应用方向，也充
分显示出分子印迹聚合物和分子印迹技术在实际应用中的优越性.
类似于固相萃取吸附材料，分子印迹聚合物也非常适于作为色谱柱或毛细管柱固定相用于特
定化合物的分离、富集与分析.分子印迹聚合物作为色谱固定相主要采用两种方法实现:可以采用传统的本体聚合法制备块状分子印迹聚合物，经粉碎处理后选择合适粒径的分子印迹聚合物颗粒填装色谱柱;也可以在色谱柱或毛细管柱内原位制备分子印迹聚合物整体柱.WULFF 领导的研究小组最早报道了将分子印迹聚合物用于高效液相色谱固定相，研究者以a D-甘露毗喃糖苯普为模板分子制备分子印迹聚合物并填充液相色谱柱实现了外消旋体的成功拆分}l`'}. NILSSON领导的研究小组以价肾上腺素拮抗剂(普蔡洛尔和美托洛尔)为
模板分子，采用原位制备法在毛细管柱内直接制备分子印迹聚合物整体柱.利用自制的毛细管色谱柱结合毛细管电色谱技术实现了R-肾上腺素拮抗剂的手性拆分和基线分离，并且可以在短短两分钟内实现基线分离。

目前分子印迹聚合物同样还适用于膜分离技术.例如许振良教授领导的研究小组以ses睿髻普生为模板分子、聚偏二氟乙烯膜为载体制备了分子印迹聚合物复合膜.研究者利用高效液相色谱对所制备的分子印迹聚合物复合膜进行了分离性能评价，发现该分子印迹聚合物复合膜能够对s-睿髻普生和R-睿髻普生进行拆分，对手性成分的拆分和分离源于促进渗透机制.。

3. 2抗体与受体的模拟
分子印迹技术是基于以抗原为模板合成抗体的理论发展起来的，所制备的分子印迹聚合物具有类似于生物抗体的高选择性和高特异性.因此理论上分子印迹聚合物是可以模拟抗体和受体识别药物、氨基酸、糖类、多肤、蛋白质等不同组分，而利用分子印迹聚合物模拟天然抗体受体的研究己引起研究人员的极大关注和兴趣.
VLATAKIS领导的研究小组于1993年最先开展了利用分子印迹聚合物模拟抗体的研究.研究者分别以茶碱(一种支气管扩张药物)和地西伴(又名安定，一种安神药物)为模板分子制得了相应的分子印迹聚合物.结合放射性标记配体及实验发现，所制备的分子印迹聚合物对目标化合物具有较高的特异性识别能力，分子印迹聚合物与目标化合物之间的结合能力以及交叉反应性与这些药物的抗体相类似叫.例如以茶碱为模板分子制备的分子印迹聚合物可以区分茶碱及其结构类似物咖啡因(咖啡因与茶碱分子结构中仅有一个甲基的差别，用一般的方法较难区分).相对于天然抗体，分子印迹聚合物物理性质和化学质稳定，在保证识别性能高度稳定性的同时可以作为天然生物抗体的理想替代和有益补充.
HAUPT领导的研究小组以2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸，一种除草剂)为模板分子制备了分子印迹聚合物微球，然后以聚乙烯醇为“胶水”将分子印迹聚合物微球固定在微孔板上，利用分子印迹聚合物微球模拟抗体识别，建立了一种类似于酶联免疫分析法的分子印迹聚合物化学发光成像酶联免疫分析法}zz}.在进行实际样品分析的时候，以烟草过氧化酶标记的2,4-D 为抗原进行竞争吸附识别，利用化学发光的方法对目标化合物2,4-D进行定量检测.结果表明，2,4-D在浓度为0. O1 ^-100 mg/I二的范围内表现出良好的线性响应.在此工作的基础上，该小组的研究人员又对检测方法进行了改进，最终实现了2,4-D的在线直接检测}z:i}研究人员将分子印迹聚合物微球以共价的形式固定在毛细管内壁，利用分子印迹聚合物微球对2,4-D 的强吸附能力达到分离富集2,4-D的目的，利用流动注射毛细管化学发光的方法实现到更低浓度的2,4-D的检测.结果表明，2,4-D在浓度为0. 5 pg/I二一50 mg/I二的范围内表现出了良好的线性响应能力，检测限提高了两个数量级.
MIN()URA领导的研究小组报道了采用抗原决定簇印迹法制备分子印迹聚合物的报道oa.抗原决定簇印迹法是以抗原表而暴露的具有代表性的碎片结构(即抗原决定簇)为模板分子进行分子印迹聚合物制备的方法.研究人员在研究了大量多肤片段及其衍生物后，发现以四肤Tyr-Pro-Leu-UIy-NHz (YPLU)为模板分子制备的分子印迹聚合物，不仅可以识别YPI,U，也可以识别含有PLU ( Pro-Leu-UIy-NHz)的多肤片段，分子印迹聚合物对目标多肤片段的特异性识别能力主要是靠疏水作用和氢键作用.将该方法所制备的分子印迹聚合物作为色谱固定相，在亲水相中实现了催产素(脑下垂体后叶产生的一种荷尔蒙)的识别.
3. 3酶催化剂的模拟
在生命体中，不同的酶以高效、专一的特点催化体内多种至关重要的化学反应在温和条件下顺利进行，这些酶也被称为酶催化剂.酶都是一些生物大分子，例如各类蛋白质分子，由于酶在生物体内含量非常低，并且酶的提取非常困难、稳定性差、难以回收利用，这些因素都严重限制了它在实际生产生活中的应用和推广.与酶和底物之间通过活性位点相互作用类似，分子印迹聚合物和目标化合物之间可以通过识别位点相互结合，所以分子印迹聚合物应该具有通过识别位点的结合达到催化某些反应的能力，加上分子印迹聚合物
具有较高的稳定性和较长的使用寿命，因此其可以模拟某些酶催化剂.
LEDONHARDT领导的研究小组最早提出了将分子印迹聚合物作为人工抗体酶的思想.他们以N端被保护的氨基酸与钻离子形成的复合物为模板分子，以乙烯基咪哩为功能单体制备了分子印迹聚合物.洗脱掉模板分子之后，该类分子印迹聚合物颗粒能够对硝基苯基氨基酸酷发生反应，并加速催化其水解速度圈.
NICHOLLS领导的研究小组则主要研究分子印迹聚合物用于非对称反应中的催化剂.例如研究者以(一)礴荷醇为模板分子采用预组装法所制备的分子印迹聚合物，在还原剂I,iA1H;存在的情况下可以有立体选择性地催化还原(一)礴荷酮.在没有分子印迹聚合物作为催化剂的条件下，(一)礴荷酮的还原产物为2：1的(一)卜薄荷醇和(+)-新薄荷醇，而在分子印迹聚合物作为催化剂的情况下，产物中二者的比例将变为1：1。

目前，己有报道以底物及其结构类似物、过渡态类似物、催化反应产物为模板分子制备的分子印迹聚合物可以模拟酶的催化性能，所能催化的反应包括酷的水解与醇解、环加成反应以及氧化还原反应等.
3. 4仿生传感器
分子印迹聚合物对目标化合物具有特异性识别能力，因此分子印迹聚合物可以作为传感器的敏感材料(即识别元件)构建相应的分子印迹仿生传感器.分子印迹聚合物传感膜在富集并识别目标化合物之后可以通过光、电、热、质等转化手段(换能器)转化为可以分析的电信号并获得目标化合物的相关信息.由于分子印迹聚合物不仅对目标具有特异性识别能力，而且可以大规模生产，耐高温、高压、强酸碱和有机溶剂等优点，基于分子印迹聚合物的仿生传感器己经被广泛用于农药、药物、生物毒素、氨基酸及其衍生物、多肤以及蛋白质等的分离富集与检测.根据换能器测量原理的不同，基于分子印迹聚合物的仿生传感器主要分为电
化学传感器、质量传感器和光学传感器三类.3. 4. 1电化学传感器
各类电化学仪器由于技术相对成熟、价格低廉而在不同的研究领域得到了广泛使用，结合分子印迹聚合物特异性识别能力和电化学分析方法灵敏度高、干扰小的优点，基于分子印迹聚合物的电化学仿生传感器非常有希望也最容易实现大而积的推广.根据电化学分析方法以及所检测的电信号的不同，电化学仿生传感器主要分为电位型、电流型、电容型、阻抗型等等.
1987年，TABUSHI领导的研究小组最早开展了基于分子印迹聚合物的仿生传感器的研究.研究者将十八烷基硅烷与十六烷混合，并在二氧化锡电极表而进行自组装形成一层单层的自组装层.萃取出十六烷之后便在自组装层上留下一个长链(十六烷)的孔穴，该孔穴对含有疏水长链的分子如维生素K1、维生素K2、维生素E具有一定的吸附能力并表现出较强的电化学信号，从而达到分析并检测该类合物的目的。

PANASYUK领导的研究小组最早成功制备出基于分子印迹聚合物的电容型仿生传感器.研究者首先将琉基苯酚自组装在金电极表而，然后以苯丙氨酸为模板分子利用苯酚的电聚合在电极表而形成一层厚度大约16 nm的分子印迹聚苯酚膜，将分子印迹聚苯酚膜修饰的金电极作为工作电极与甘汞电极一起可以组成电容型仿生传感器.该传感器对苯丙氨酸具有特异性识别能力，而且传感器的电容值与电解质溶液中的苯丙氨酸的浓度具有一定的相关性，可以根据电容值的变化实现对溶液中苯丙氨酸的定量检测，并且色氨酸、苯酚、4-轻基苯基
甘氨酸等结构类似物的存在对传感器没有干扰。

RAMANAVICIUS领导的研究小组主要开展安培型仿生传感器的研制，他们以牛白血病毒糖蛋白(gp51)为模板分子，通过毗咯的电聚合在铂黑电极表而形成一层分子印迹聚毗咯膜.该分子印迹聚毗咯膜对gp51具有明显的识别能力，利用脉冲安培检测可以实现对gp51的无标记检测。

3. 4.2压电传感器
当石英等材料受到一定的压力作用而发生相应的机械形变时，在材料的两个向对而上会产生相反的电荷，而当外力去掉之后材料又会恢复到不带电的状态，这一现象被称为压电效应.压电传感器是基于石英等材料的压电效应而发展起来的一类传感器，由于压电材料与对而所产生的电荷与压力相对应并动态变化，所以压电传感器非常适合测量目标物的动态变化.根据作用原理的不同，压电传感器又分为表而声波(SAW)传感器和石英晶体微天平(QC' M)传感器两种.
FISCHERAUER领导的研究小组最早开展了基于分子印迹聚合物的压电类仿生传感器的研制.研究者分别以杯芳烃、环糊精、环芳以及分子印迹聚合物作为传感器的识别元件，分子印迹聚合物作为选择性识别材料，结合表而声波检测成功构建了气体检测仿生传感器，并在室温条件下实现了ppm级别含量甲苯和二甲苯的检测[so]
姚守拙领导的研究小组主要开展基于石英晶体微天平的仿生传感器的开发.研究者以甲基丙烯酸为功能单体，氨基毗琳为模板分子采用传统的本体聚合的方式获得分子印迹聚合物，经研磨、过筛处理得到粒径约为lpm的分子印迹聚合物颗粒.将分子印迹聚合物颗粒与聚氯乙烯颗粒一起溶于四氢吠喃溶液中，然后将溶液涂覆在QC' M电极表而，待四氢吠喃挥发之后在电极表而形成一层分子印迹聚合物膜作为仿生传感器的识别元件.所构建的仿生传感器对氨基毗琳具有明显的选择性响应，同时具有较高的灵敏度，所建立的
氨基毗琳检测方法的线性响应范围为5. 0 X 10 g ^-1. 0 X 10 ' mol/L，而检出限达到2. 5 X 10 g mol/。

本文课题组利用多巴胺在碱性条件下具有自氧化聚合的特点，采用虚拟模板法直接在QC' M 电极上制备了对软骨藻酸具有特异性识别能力的聚多巴胺分子印迹聚合物膜，结合QC' M的高灵敏度质量检测成功构建了针对软骨藻酸的仿生传感器.对加标贝类食品经粉碎、提取之后可以直接进行分析与检测，检测时间只有10 min，定量检测限为5 ppbCsz7.
3. 4. 3光学传感器
与其他基于分子印迹聚合物的仿生传感器相比，对光学型仿生传感器研究的起步相对较晚.由于光学仪器具有检测灵敏度高、所受干扰较少的优点，加之各种光学信号可以通过光纤进行远距离传输并实现远距离原位检测，因而光学型仿生传感器也越来越引起各个领域的科研人员的关注.根据光信号的性质的差异，光学型仿生传感器主要有荧光型和化学发光型两大类.
1995年，MOSBACH领导的研究小组首先研制成功一种基于分子印迹聚合物的荧光型光纤传感器.研究人员以荧光基团标记的氨基酸衍生物(丹磺酞L-苯丙氨酸)为模板分子首先制备了相应的分子印迹聚合物，然后将块状分子印迹聚合物研磨、过筛处理得到150 ^-200目的分子印迹聚合物颗粒.分子印迹聚合物颗粒固定在光纤一头的石英窗上，将丹磺酞L丙氨酸结合至石英窗上的分子印迹聚合物颗粒时就能检测到相应的荧光信号，随着检测体系中苯丙氨酸含量的增加，丹磺酞L-苯丙氨酸被苯丙氨酸所取代，所检测的荧光信号随之减弱，即通过竞争性荧光分析能够检测苯丙氨酸的含量，同时该仿生传感器还能区分丹磺酞-
L节a丙氨酸与丹磺酞--Des苯丙氨酸，即能够满足对氨基酸衍生物的手性识别。

林金明领导的研究小组成功将分子印迹聚合物和化学发光技术结合起来，开发出一种利用化学发光的方法直接检测复杂体系中邻菲咯琳的方法.研究人员以邻菲咯琳为模板分子、以4-。