分子印迹技术的原理与研究进展

分子印迹技术的原理与研究进展(08生微(1)班雷丽文 080548011)摘要分子印迹是制备具有分子特异识别功能聚合物的一种技术，近年来，这项技术取得了重大的突破和进展，影响到社会多方面的领域。

本文介绍了分子印迹技术的基本原理，综述了该技术在环境领域、农药残留检测应用、食品安全检测、药学应用的研究进展。

关键词分子印迹技术，分子印迹聚合物，基本原理，研究进展1 前言分子印迹技术是二十世纪八十年代迅速发展起来的一种化学分析技术，属于泛分子化学研究范畴，通常被人们描述为创造与识别“分子锁匙”的人工“锁”技术[1]。

分子印迹技术也叫分子模板技术，最初出现源于20世纪40年代的免疫学[1]。

分子印迹聚合物以其通用性和惊人的立体专一识别性，越来越受到人们的青睐。

近年来，该技术已广泛应用于色谱分离、抗体或受体模拟、生物传感器以及生物酶模拟和催化合成等诸多领域，并由此使其成为化学和生物学交叉的新兴领域之一，得到世界注目并迅速发展。

2 分子印迹技术的基本原理分子印迹技术是将要分离的目标分子作为模板分子，将它与交联剂在聚合物单体溶液中进行聚合制备得到单体、模板分子复合物，然后通过物理或化学手段除去模板分子，便得到“印迹”下目标分子的空间结构的分子印迹聚合物(MIP) ，在这种聚合物中形成了与模板分子在空间和结合位点上相匹配的具有多重作用位点的空穴，这样的空穴对模板分子具有选择性[11]。

目前，根据印迹分子与分子印迹聚合物在聚合过程中相互作用的机理不同，分子印迹技术分为两种基本类型：(1) 共价法(预组织法,preorganization)，主要由Wulff 及其同事创立。

在此方法中，印迹分子先通过共价键与单体结合，然后交联聚合，聚合后再通过化学途径将共价键断裂而去除印迹分子[1]。

使用的共价结合作用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等[14]。

其中最具代表性的是硼酸酯，其优点是能够生成相当稳定的三角形的硼酸酯，而在碱性水溶液中或在有氮(NH3、哌啶) 存在下则生成四角形的硼酸酯[1]。

采用席夫碱的共价键作用也进行了广泛的研究。

由于共价键作用力较强，在印迹分子自组装或识别过程中结合和解离速度较慢，难以达到热力学平衡，不适于快速识别，而且识别水平与生物识别相差甚远[13]。

因此，共价法发展较为缓慢。

(2) 非共价法(自组织法,self2assembling)，主要由Mosbach 等人创立[12]。

在此方法中，印迹分子与功能单体之间预先自组织排列，以非共价键形成多重作用位点，聚合后这种作用保存下来[1]。

常用的非共价作用有氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等，其中以氢键应用最多[13]。

非共价法所用功能单体量相对于印迹分子大大过量，因而有相当多的结合基团呈无规则分布，但对分离过程影响不大，所以色谱固定相、膜等分离介质的制备可优先考虑非共价法。

3 分子印迹技术的研究进展3.1 环境领域的研究进展分子印迹聚合物能够在复杂的体系中识别专门的化合物,具有很高的亲和性与选择性,并且具有抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长等特点,分子印迹技术在环境监测和废水处理领域的应用已经引起了环境工作者的广泛关注。

3.1.1 MIT在环境分析中的应用3.1.1.1 MIPs 用作样品检测传感器研究表明，MIPs 可作为水质检测传感器的敏感元件，通过研制成各种类型的耐受性强、成本低廉的分子印迹传感器，以实现对水质的快速定量检测[15]。

利用MIPs 制作的化学传感器主要有电化学传感器和光化学传感器两种类型。

3.1.1.2 MIPs 膜分离环境样品检测往往需要进行纯化与分离等预处理。

MIPs 膜分离技术是利用MIPs膜对某一分子的高度选择性,将其从基质中吸附并分离出来,作为固相萃取剂其可简化环境样品分析时复杂的预处理手续,极大地方便了样品的采集、富集和分析。

MIPs 膜可以对模板分子进行特异性吸附,具有通透量大、处理能力强的优点[2]。

目前,MIPs 膜的应用主要有抗氧化剂的分离、水体中残留药物的分离、除草剂的富集分离、重金属离子的吸附分离等。

3.1.1.3 MIPs 固相萃取与色谱分析固相萃取(Solid2Phase Extraction ,SPE) 是一个包括液相和固相的物理萃取过程[18]。

MIPs 因其具有对分析物的特异吸附性且耐酸碱等恶劣环境的优点,可用作SPE柱[1]选择性富集目标分析物,分子印迹色谱技术是MIPs 最主要的用途之一。

3.1.2 MIT在废水处理中的应用分子印迹吸附剂因其对目标分子选择性强、吸附速率快、吸附容量大、易脱附等优点而引起人们将其用于重金属废水处理的兴趣。

将金属离子的配位作用引入分子印迹技术为重金属离子废水处理提供了一种新的方法。

目前的研究主要集中在Ni 、Cu、Pb、Cr 、Fe 等离子的吸附处理。

3.2 农药残留检测应用的研究进展3.2.1 分子印迹膜目前农药残留检测最普遍使用的是气相色谱法和液相色谱法，它们对检测器的要求高，色谱柱制备困难，价格昂贵。

气相色谱法只适用于易气化且气化后不发生分解的农药；液相色谱法的溶剂消耗量很大，且往往毒性较大[4]。

另外，上述方法在检测前还都必须经过溶剂提取、净化、浓缩等繁琐且要求很高的预处理步骤[4]。

与此相比，分子印迹聚合物制备的分离膜制备方便，可有效降低对高灵敏度仪器的依赖程度，在农残检测方面具有突出优势。

3.2.2 分子印迹固相萃取传统固相萃取（solid phase extraction，SPE）[5]的目标物与吸附剂之间的作用力是非特异性的，通常需对萃取和洗脱条件进行仔细选择，而且对不同基质的分离与分析物需要选择不同的柱填料，从而限制了SPE 的进一步发展。

分子印迹聚合物独特的选择性和亲和力适应了这一要求，由于模板选择的多样性，使得分子印迹聚合物能广泛应用于各种物质的分离与分析过程，它对于目标物质的高度选择性也是普通SPE所不能比拟的[3]。

分子印迹固相萃取材料用于环境样品和农用药品的富集是十分有效的。

3.2.3 分子印迹传感器以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器简称为分子印迹聚合物传感器。

目前，以分子印迹聚合物制成的传感器已经用于对氨基酸衍生物、吗啡、金属离子、除草剂、糖类、多环芳烃、核酸和氨基酸及其衍生物和神经性毒剂水解产物等的检测[4]。

由于分子印迹聚合物的设计合成涉及模板分子性质、尺寸，以及功能单体、交联剂、溶剂、引发剂、引发方式、聚合时间等诸多因素[3]，分子印迹聚合物的合成是一项复杂的研究工作，对其制备方法进行的优化也是非常困难的。

此外，由于农药品种多，化学结构和性质各异，因此对农残检测技术有更高的要求[20]。

目前分子印迹聚合物大多只能在有机相中进行聚合和应用，如何能在水溶液或极性溶剂中进行制备和识别仍是一大难题。

随着MIPs 研究的不断深入，将制备出含有多种印迹聚合物的敏感层，真正实现农药残留的实时、现场、动态、快速检测。

3.3 食品安全检测应用的研究进展目前应用于食品安全检测的技术手段或方法主要有：化学方法、色谱法、酶法、免疫法、传感器法和生物检测方法等。

这些方法都需要对样品进行预处理引起待检物的回收率低及特异性差等缺点[16]。

针对样品量大、成分复杂的情况上述方法不适合实际现场检测的需要而且存在检测成本高重现性不好或样品制备周期长等问题。

在此背景下新的检测技术或样品预处理方法分子印迹技术(Molecular imprintingtechnology，MIT)应运而生[19]。

MIT 凭借其具有的特异结合性及耐受能力强，可重复使用次数多等优点，在食品安全检测领域得到了广泛的应用。

但其理论和应用仍存在一些问题，如：结合位点的作用机理、传质机理[6]仍然不够清楚；制备MIP 过程中模板渗漏[6]现象难以得到根本解决；由于合成MIP 的功能单体、交联剂种类有限，对模板分子的选择有一定的限制，使得分子印迹技术难以满足实际应用的需求[21]。

MIP 在水相体系中的应用及各种特殊功能单体、交联剂的开发合成有待于大量研究工作的开展[17]。

总之随着分子印迹聚合技术日臻完善，必将在食品安全检测中发挥更大的作用。

3.4 药学应用的研究进展3.4.1 分子印迹技术在药物分离和分析中的应用3.4.1.1 分子印迹技术在手性药物分离中的应用在天然和合成的药物中有许多手性化合物，其对映体的药理活性和毒性往往有很大差异，有时甚至性质相反，如镇痛药盐酸美沙酮临床上常用其外消旋体，但其左旋体的镇痛作用是右旋体的20倍[9]。

又如乙胺丁醇（ethambutol）的一种构型用于治疗结核病，而另一种构型却是致盲的。

基于这种事实，1992年美国食品和药物管理局规定[9]：今后对发展新的旋光性药品都必须给出手性拆分的结果，并分别测定其药物动力学和毒理学的各项指标。

由于分子印迹技术具有较高的立体专一性及识别性，可将作为手性结构以及非手性结构药物的分离方法之一。

3.4.1.2 分子印迹技术在临床药物分析中的应用在体内药物分析中，一般采用液-液萃取或液-固萃取（solid phase extraction，SPE）对生物样品中目标物进行净化和浓缩[8]。

MIP对目标物分子的特异性吸附力以及良好的机械强度使其成为SPE固定相的最佳选择之一。

Andersson等用分子印迹聚合物来模拟抗体的结合点分析血液中药物的浓度。

其结果表明，MIP具有同抗体相似的选择性、结合能力和交叉反应分布，且性能稳定、易制备。

3.4.2 分子印迹技术在药物传递系统中的应用当前，药剂学研究进入了系统化、科学化阶段，药物传递系统（drug delivery system，DDS）正向着药物使用剂量小、副作用小、疗效发挥最大的方向发展[9]。

药物传递系统中理想的分子印迹聚合物应具备一定的刚性和柔性、高度的稳定性和安全无毒性、可接近性和生物相容性。

尿酸是人体体液中的一种毒性物质，Cristallini等以尿酸为模板分子制备了丙烯腈-丙烯酸共聚物膜，洗去模板分子的共聚物膜能重新吸附尿酸，用于血液透析治疗可以清除血液中的尿酸，对治疗尿毒症具有很高的实用价值[9]。

3.4.3 分子印迹技术在中药活性成分的分离纯化中的应用目前，分离纯化中药活性成分主要依赖于硅胶柱色谱、大孔吸附树脂柱色谱、聚酰胺柱色谱、凝胶柱色谱、高效逆流色谱、制备型高效液相色谱等色谱技术[10]。

为了得到纯度高的活性成分，需经过多种溶剂萃取和反复柱色谱，不仅溶剂消耗量大、环境污染严重，而且效率和收率也低[10]。

与上述色谱分离技术相比，分子印迹技术具有分子识别性强、固定相制备简便。

参考文献[1]梁金虎,罗林,唐英.分子印迹技术的原理与研究进展[J].重庆文理学院学报,2009,28(5):38～39[2]肖华花,刘国光.分子印迹技术在环境领域中的应用研究进展[J].化学通报, 2009,8:701～705[3] 张成丽,周艳梅,马同森,李丽清.用于药物分析的分子印迹技术研究进展[J].泰山学院学报,2008,36(3):61～64[4] 马挺军,贾昌喜.分子印迹技术在农药残留检测应用的研究进展[J].农产品加工,2009,09:30～37[5] 刘兴元.分子印迹农药电化学传感器的研究概述[J].思茅师范高等专科学校学报,2008,24(6):14～16[6] 郭向莹.分子印迹技术在食品安全检测中的应用[J].科技信息,2009，25(4)：19～21[7]曹永兵,雷孝,王锦等.分子印迹技术在药学中的应用进展[J].广州化学,2008,33(4):56～57[8]李礼,胡树国,何锡文.应用分子印迹固相萃取法提取中药活性成分非瑟酮[J].高等学校化学学报, 2006, 27(4):608～612[9] 苏静慧,胡金山,肖淑娟,李红霞.分子印迹技术在药物分离分析中的应用[J].河北理工大学学报,2010,32(3):100～103[10]史瑞雪,郭承还,邹小红等.分子印迹技术研究进展[J].化学进展, 2002,14(3):182～184[11]马永飞,曲祥金,殷焕顺,杜红霞.L一色氨酸的分子印迹膜电化学传感器的研制与应用[J].山东农业大学学报,2009,40(2):254—258[12]Gong J L,Yu R Q.A novel electrosynthesized ploymer applied to molecularimprinting technology[J].A.Talanta,2003,61(4):447—453[13]王斌,王榕妹,王俊卿,邓安平.分子印迹材料研究进展[J].化学研究与应用,2010,22(2):130-132[14]Yan H Y，Row K H．Preparation and characterization of theophylline imprinted monolithic column[J].Sep Sci Techno1.2006,41(9):l84l-1855[15]熊力.分子印迹电化学传感器研究最新进展[J].气象水文海洋仪器，2009,4:12-19[16]马玉哲,李红霞. 分子印迹技术的应用进展[J].化学技术与开发，2009,38(4):20-22[17]刘志航,宦双燕,沈国励.以分子印迹聚合膜为仿生受体检测辛可宁[J ].高等学校化学学报,2005,26:9-13[18]Dickey FH1.A new stategy for the generation of catalytic cantibodies[J ]1Proc Natl Acad Sci USA , 1949 ,35 :227-229[19]Wuff G, Sarhan A1 Enzyme2Analogue Built Polymers and Their Use for The Resolution of Racemates[J ].Tetrahedron Lett , 1973 ,4329-4332[20]徐洁,叶芝祥,张丽.基于分子印迹技术的敌百虫农药传感器的研制[J ].化学研究与应用,2007,19:78-82[21]姜忠义,吴洪.分子印迹技术[M].北京:化学工业出版社,2003,3:47-49。