分子印迹技术

分子印迹聚合物的研究现状及展望
闻军
材料与化学工程学院化学工程与工艺7班，自贡 643000
摘要：分子印迹技术是一种制备具有分子识别功能的聚合物的新技术, 是在近十几年来才发展起来的一门边缘科学技术。

现已应用于色谱分离、抗体和受体模拟物、固相萃取、生物传感器等领域分子印迹技术于近十年内得到了飞速的发展,已经成为当前研究的热点之一。

本文回顾了分子印迹技术近十多年来的发展过程，总结了目前的研究现状，并展望了分子印迹技术未来的发展趋势。

关键词：分子印迹聚合物; 分子印迹；研究进展
引言
每年公开发表的论文数几乎直线上升。

人们研究分子印迹聚合物(也叫分子烙印聚合物，（molecularly imprinted polymers, MIP s)的历史由来已久，可以追溯到上个世纪。

1940 年，Pauling 就提出以抗原为模板来合成抗体的设想，这是对分子印迹技术(即分子烙印技术，（molecule imprinting technology, MIT)的最初描述。

目前主要从事, 研究工作的国家有瑞典、日本、德国、美国、英国、中国等十多个国家。

国内主要研究单位有大连化物所、南开大学、兰州化物所、上海大学、军事科学院毒物所、湖南大学、东南大学、防化研究院等。

之所以发展如此迅速，主要是因为它有三大特点：即预定性、识别性和实用性。

由于mips具有抗恶劣环境的能力，表现出高度的稳定性和长的使用寿命等优点，因此，它在许多领域，如色谱中对映体和异构体的分离、固相萃取、化学仿生传感器、模拟酶催化、临床药物分析、膜分离技术等领域展现了良好的应用前景。

近年来，已有一些文献介绍了这方面的理论和最新研究成果[1-2].本文通过对这十几年的论文
的回顾，并对该领域未来的发展方向作出展望，旨在引起国内分析化学工作者对该领域研究的关注，以便更快地赶上国际先进水平。

1.1分子印迹技术的基本概念和原理
在生物体内，分子复合物的形成通常需要借助非共价键（氢键，范德华力，离子键等）相互作用。

虽然单个非共价键比单个共价键键能低，但多重非共价键的藕合和多个作用位点的协同则会形成很强的相互作用，从而使复合物具有很高的稳定性。

由Pauling抗体形成理论出发，当模板分子与聚合物单体接触时会尽可能地同单体形成多重作用点，如果通过聚合，把这些多重作用点固定或“冻结”下来，当模板分子除去后，聚合物中就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点的空穴，这样的空穴对模板分子具有选择性。

也有人将共价作用与非共价作用相结合, 应用于制备MIPs[3]
分子印迹技术是通过以下方法实现的。

（1）在适当的介质中，具有适当功能基的功能单体通过与模板分子间的相互作用聚集在模板分子周围，形成单体-模板分子复合物。

（2）功能单体与过量的交联剂在致孔剂的存在下形成聚合物，从而使功能单体上的功能在特定的空间取向上固定下来。

（3）通过一定的物理或化学方法把模板分子脱除。

这样就在聚合物中留下一个与模板分子在空间结构上完全匹配，并含有与模板分子特异性结合的功能基的三维空穴。

这个三维空穴可以选择性地重新与模板结合，即对模板分子具有专一性识别作用。

这个三维空穴的空间结构和功能单体的种类是由模板分子的结构和性质决定的。

由于用不同的模板分子制备的分子印迹聚合物具有不同的结构和性质，所以一种印迹聚合物只能与一种分子结合，类似于“锁”和“钥匙”，也就是说印迹聚合物对该分子具有选择性结合作用。

分子印迹与模板聚合类似，它们都是利用单体或生成的聚合物与模板分子通过氢键，静电结合和范德华力等相互作用，经单体聚合后产生具有一定结构的聚合物。

分子印迹与模板聚合主要的不同之处在于：模板聚合是指单体与聚合物模板共同存在下所进行的聚合反应。

起模板作用的聚合物对聚合反应速度和聚合物的最终结构有着重要和特殊的影响作用，能得到具有一定聚合度和规整立体结构的聚合物。

通常，模板聚合是以聚合物为模板，而分子印迹聚合可以以任何分子为模板。

模板聚合产物通常是线型分子，而分子印迹聚合物则是具有高交联度的热固型高分子。

分子印迹的3个过程可用图1-1来描述。

图1-1 分子印迹的3个过程
1．2 分子印迹技术的分类
按照单体与模板分子结合方式的不同，分子印迹技术可分为预组织法和自组装两种基本方法。

1.2.1预组织法（preorganization）
预组织法（preorganization）又称共价法，由德国的Wulff及其同事在20世纪70年代初创立。

在此方法中，模板分子（印迹分子）首先通过可逆共价键与单体结合形成单体模板分子复合物，然后交联聚合，聚合后再通过化学途经将共价键断裂而去除印迹分子。

共价键作用的优点是聚合中能获得在空间精确固定排列的结合集团。

若印迹分子能以高百分比除去，则是一类很好的功能材料。

对用于催化剂的聚合物来说，其内部结合基团的方向和空穴中起催化作用的活性基团极为重要，此情况下共价键结合作用较为有利。

总之，由于共价键作用一般较强，在印迹分子自组装或识别过程中结合和解离速度慢，难以达到热力学平衡，不适于快速识别，而且识别能力与生物识别差别甚远，因此这种方法发展缓慢。

1.2.2 自组装法
自组装法（self-assembling）又称非共价法，在20世纪80年代后期创立。

在此方法中，模板分子（或称印迹分子）与功能单体之间自组织排列，以非共价键自发形成具有多重作用位点的单体模板分子复合物，经交联聚合后这种作用保存下来。

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、以氢键应用最多。

总之，非共价作用的种类较多，在制备分子印迹聚合物及其后续过程中，使用一种作用制得的分子印迹聚合物的选择性较低，而使用多种作用相互结合制得的分子聚合物则具有较高的选择性和分离能力。

迄今使用的非共价结合作用的物质包括丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、亚甲基丁二酸、4-乙烯基苯甲酸、2-丙稀酰胺-2-甲基-1-丙磺酸、N-丙稀酰基丙。

1.3 分子印迹聚合物研究现状
分子印迹应用于色谱分离、抗体和受体模拟物、固相萃取、生物传感器等领域分子印迹技术于近十年内得到了飞速的发展,已经成为当前研究的热点之一。

1.3.1MIPs 在临床药物分析中的应用
由于许多药物都是具有手性活性的化合物,而MIPs 正好可以为这些手性药物
定做模板。

因此,MIPs目前已广泛应用于临床药物的手性分离和分析。

Mosbach 等[4]已用分子印迹聚合物提供的立体专一性进行了血清中药物水平测定,用茶碱或安定作模板分子,甲基丙烯酸作功能单体,在氯仿中聚合得到分子印迹聚合物, 可用于放射配基结合测定人体血清的模板药物。

用吗啡和内源性的神经肽为模板制备的以甲基丙烯酸为功能单体的印迹聚合物可以模拟生物体内鸦片受体的生物活性, 对其聚合物的识别特性能通过放射配基结合分析,结果表明,在水缓冲溶液中也有很高的亲和性和选择性,这是一个突破性的进展。

1.3.2MIPs在化学模拟酶催化方面的应用
化学模拟酶催化剂与天然的生物酶催化剂相比, 具有抗恶劣环境的能力, 表现出高度的稳定性和长的使用寿命, 因此分子印迹技术则是设计新型人工模拟酶材料的最有效手段之一, 具有广泛的应用前景。

1.3.3 膜分离和固相萃取
由于MIPs可以选择性地同混合物中的某一个或某一族结构相似的化合物相结合, 非常适合用于色谱分析前的样品富集。

MIPs对目标分子的特异性吸附和良好的机械强度使其成为固相萃取固定相的最佳选择之一,因此近年来MIPs 在膜分离和固相萃取中的应用也与日俱增，1990年, Piletsky 等[5]采用原位聚合法首次制备了MIPs膜,实现了对模板分子腺苷酸的特异识别和分离。

色谱分离:
分子印迹色谱分离技术中主要是用分子印迹聚合物作为色谱分离的固定相, 以建立固相萃取、高效液相色谱或毛细管电泳分析法进行手性物质的分离, 也可以用于样品的预处理。

在这些应用中, 分子印迹聚合物的作用类似于免疫色谱中的免疫吸附剂。

到目前为止,虽然已有在水相中进行了手性拆分的报道,但也都处于刚刚开始阶段,尚有待进一步研究。

将MIPs用作毛细管电色谱(CEC) 的固定相可以克服MIPs2HPLC柱效低的缺点,已成为高效高选择性的分离手段, 这也是MIPs 发展中的重要进展。

1.4 展望
纵观分子印迹聚合物的研究发展和成就,从作为液固相色谱固定相材料,选择性催化剂到人造受体,化学传感器的应用以及分子印迹技术的形成和发展,反映了分子印迹技术是集高分子合成、物化分子设计、分析、分离和测试,生物和医学等众多相关学科的优势,相互渗透而发展起来的边缘新课题。

尽管目前分子印迹技术发展的速度比较快,而且也得到比较广泛的应用,但仍然存在许多进一步研究和解决的问题。

总之,随着化学、生物学、材料学和分析技术的不断进步,分子印
迹技术将会在分离、化学和生物传感及模拟酶催化等许多领域发挥越来越大的作用回顾过去,展望未来。

参考文献：
[1]Fu Y, FinKlea H O. Quartz crystal microbalance sensor for organic vapor detection
based on molecularly imprinted polymers[J]. Anal Chem, 2003, 75: 5387-5393.
[2]Das Kanad, Penelle J, Rotello V M. Selective picomolar detection of
hexachlorobenzene in water using a quartz crystal microbalance coated with a molecularly imprinted polymer thin film[J]. Langmuir, 2003, 19: 3921-3925. [3] Piletsky SA , Piletskaya EV , Yano K , et al . Biomimetic receptorsystem for sialic
acid based on molecular imprinting [J ] . Anal Lett ,1996 , 29 (2) : 157 - 170. [4] Mosbach K, Viatakis G, Muller R , et al . Drug assay using anti2body mimics
made by molecular imprinting [ J ] . Nature , 1993 , 361 : 645 – 647.
[5]Piletsky SA , Panasyuk TL , Piletskaya EV , et al . Receptor andtransport
properties of imprinted polymer membranes - a review[J ] . J Membrane Sci , 1999 , 157 (2) : 263 - 278.。