分子印记技术及应用即文献综述.docx

分子印记技术及应用分子印记技术及应用南岳化学与材料科学系南岳化学与材料科学系 0909级应用化学级应用化学1 1班班 邓谷微邓谷微摘要：摘要：分子印迹技术（MIT）是制备对某一特定目标分子具有特异选择的聚合物即分子印记聚合物的过程，本文从分子印迹聚合物的制备原理、制备原料、制备方法等三个方面综述了分子印迹技术，最后简述了分子印迹技术的应用及发展前景关键字：关键字：分子印迹技术 制备原理 制备条件 制备方法 1 概述1.1 引言分子印迹技术(Molecularly Imprinting Technique，MIT)是制备空间结构和结合位点与模板分子完全匹配的聚合物的实验技术1940年 Pauling【1】就提出了可利用抗原作为模板来制备抗体的空间结合位点理论20世纪80年代初，研究人员利用天然化合物或合成化合物模拟生物体系进行分子识别研究，在一定意义上构成了 MIT 的雏形 J在 MIT 发展的初期，德国 HeinrichHeine 大学的G.Wulff 教授采用共价结合方式制备分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymers，MIPs)，但由于可供选择的材料十分有限，故在20世纪90年代以前研究进展缓慢。

20世纪90年代以后，瑞典 Lund 大学的 K.Mosbacht【2】在非共价MIT 方面做了许多开创性工作，并于1997年成立了国际性的分子印迹学会(Society for Molecularly Imprinting，SMI)，极大的促进了 MIT 的发展分子印迹聚合物的识别及其理论的发展现已应用于色谱分析和色谱分离、抗体和受体模拟物、膜分离、蛋白质分析、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目前，国内外对MIT 的研究正方兴未艾，研究及应用文献较多本文重点介绍 MIT 的制备原理、制备原料、制备方法等三个方面综述了分子印迹技术，最后简述了分子印迹技术的应用及发展前景1.2 分子印迹技术的原理1.2.1 分子印迹的基本原理分子印迹的基本思想源于人们对抗原-抗体以及酶-底物专一识别性的认识，是人工合成与目标分子耦合的大分子化合物实现分子印迹通常需要经过以下三步：(1)首先用功能单体和模板分子以共价键或非共价键(氢键、静电作用力、金属结合作用力、分子间作用力、基团之间作用力以及疏水作用等)在溶液体系里形成复合物2)选择适合的交联剂、引发剂和有机溶剂，在一定的条件下加热，紫外光或其它射线照射引发自由基聚合，使之生成聚合物。

3)通过洗脱的方法，将模板分子从聚合物中除去这样就在聚合物上留下了和模板分子在空间结构，结合点位完全匹配的三维“空穴”，这个三维“空穴”可以重新专一的、高选择性的再和模板分子结合，从而使该聚合物对模板分子具有专一的识别功能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，当印迹分子进入到 MIP 之后，由于其结构和功能集团都和“空穴”相匹配，与识别位点发生相互作用；而非印迹分子的体积大小和功能集团都不能很好的与MIP 匹配，不具备特异性的识别作用所以一种烙印聚合物只能与一种分子结合，类似于“锁”与“钥匙”的关系，也就是说烙印聚合物对该分子具有选择性结合作用分子印迹过程如图1图1 分子印迹聚合物的形成过程1.2.2分子印迹的基本形式按照单体与印迹分子结合的方式不同分子印迹技术主要分为共价法、非共价法、两者杂化型的分子印迹共价型分子印迹是一种分子预组织过程聚合前分子印迹和功能单体通过正向可逆反应发生共价作用，形成功能单体衍生化的分子印迹衍生物；聚合后，通过反向可逆反应除去印迹分子，并通过再次的正向可逆反应来识别印迹分子共价型分子烙印中，功能单体与印迹分子之间的共价作用力强，二者形成的化合物较为稳定，能获得空间精确定位的功能单体，有利于制备高选择性的分子印迹聚合物。

但印迹过程复杂，印迹分子的抽提比较困难，可利用的可逆反应也较少，功能单体的选择受到很大的限制该法已被应用于制备各种具有特异识别功能的聚合物，如糖类及其衍生物，甘油酸及其衍生物，氨基酸及其衍生物，芳基酮类，双醛类化合物，转铁蛋白和双辅酶等物质非共价型分子印迹是一种分子自组装过程，印迹分子和功能单体通过非共价作用力（如氢键作用、离子作用、疏水作用、范德华作用等）相互作用形成复合物非共价型分子印迹的作用力形式多种多样，可印迹的分子种类多，功能单体的选择范围较宽，烙印分子的抽提也十分方便通过非共价分子印迹技术制得的分子印迹聚合物的分子识别过程更接近于天然分子识别系统，如酶和底物以及抗体和抗原等目前绝大多数的分子印迹聚合物均是通过非共价型分子印迹技术制得的这种类型的 MIP 的制备或应用报道很多，包括一些染料、二胺类、维生素、氨基酸及其衍生物、多肽、B - 肾上腺素阻滞剂、三嗪类除草剂、核酸和蛋白质等除了这两种基本模式外，也有报道将共价作用与非共价作用结合起来的分子印迹方法即聚合时单体与印迹分子间作用力是共价键[3－5]，而在对印迹分子的识别过程中，二者的作用是非共价的印迹分子胆固醇与单体4- 乙烯基苯碳酸酯共价结合后，通过水解使共价结合部断裂形成酚羟基，在分子识别中通过氢键结合胆固醇随着分子印迹研究的深入开展，共价法和非共价法已显示出其各自的优劣性，共价法具有空间位置固定准确的特点，因而能够移走大量的印迹分子，但是，对携带适当结合基团的化合物选择性低，共价键型 MIP 对印迹分子的限制较大，并且共价键型 MIP 对印迹分子的限制较大，并且共价作用较强，结合与解离速度缓慢，难以达到热力学平衡，操作也比较复杂，不适合于快速识别，并且识别作用机理和生物识别相差甚远，发展缓慢； 非共价法由于使用超分子作用制备仿生模型，其分子识别类似于天然生物分子，非共价法的分子印迹系统具有多样性和普遍性，对印迹分子的类型没有太多限制，可使用多种功能单体，印迹分子可以用很简单的方法除去，因而发展很快但专一性不如共价结合作用强。

1.3 分子印迹聚合物的制备分子印迹技术在概念上是十分简单的，但是在聚合混合物中，发生在分子水平上的行为是相当复杂的印迹的成功与否受到包括功能单体、交联剂、致孔溶剂、引发方式等许多因素的影响分子印迹聚合物的制备与模板分子、功能单体、交联剂、聚合溶剂、引发剂和引发方式的选择也有非常重要的关系1.3.1 印迹分子印迹分子一般应具有与适当的功能单体发生作用的化学官能团，如羧基、氨基等，且烙印分子所含有的化学官能团越多越好迄今为止，利用分子烙印技术已经实现了对多种目标分子的印迹，其中不仅包括小分子的有机化合物，还包括无机离子以及某些大分子化合物1.3.2 功能单体在分子印迹聚合物的制备过程中，功能单体的选择是至关重要的功能单体的选择一般遵循以下原则，功能单体的一端带有不饱和键，能与聚合物结合；另一端得有功能集团，能和印迹分子结合；功能单体与印记分子有合适的结合强度，既有利于模板的去除，又有利于模板的选择性应用最广泛的功能单体是含有乙烯基的羧酸类，如丙烯酸、甲基丙烯酸、对乙烯基苯甲酸、三氟甲基丙烯酸、4—甲基苯甲酸等单体分子如图2还有一些其它的单体，如甲基丙烯甲酯、丙烯酰胺其中最常用的是丙烯酸类和丙烯酰胺等，它可以与酰基、羧基、氨基、甲酸酯等形成氢键，又能与胺、吡咯、吡啶等形成静电作用，从而识别多种印迹分子。

如图 2 功能单体1.3.3 交联剂制备分子印迹聚合物时，为了保持“记忆”空穴的稳定结构，常需要采用高比例的交联剂目前最常用的交联剂是含有两个乙烯基的乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA），它不仅价格便宜，容易纯化，而且所得的聚合物材料具有很好的热和机械稳定性为了提高分子印迹聚合物的容量，也有人采用含有三个或三个以上乙烯基的交联剂，如三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM）、季戊四醇四丙烯酸酯（PETA）等交联剂的选择是成功制备分子印迹聚合物的一个重要因素交联剂的结构起着非常重要的作用，它必须具有一定的硬度和一定的柔性，良好的热稳定性和机械稳定性，才能起到对印迹分子的选择性吸收作用交联剂的用量影响分子印迹聚合物中可交联的功能单体数目和交联度，直接影响分子印迹聚合物的选择性和结合容量【6】1.3.4 聚合溶剂根据印迹分子和功能单体之间作用力的性质选择聚合溶剂：非共价型分子烙印一般在非极性或弱极性的有机溶剂（如氯仿、二氯甲烷等）中进行；共价型分子印迹一般在极性较强的水、醇等溶剂中进行另外，聚合溶剂还起到了致孔剂的作用，溶剂的种类和用量对分子印迹聚合物的比表面积、孔径分布及孔容等孔结构参数都有一定的影响[7]。

在印迹聚合物的制备过程中，选择适合的溶剂是很重要的，溶剂不仅仅是溶解模板分子、功能单体和交联剂，使之处于同一相中，而且在聚合时控制非共价键结合的程度，同时还是分子印迹过程中的致孔剂，影响着聚合物的形态和结构一般说来，溶剂极性越大，制备的分子印迹聚合物的识别效果就越弱因为极性强的溶剂会减弱印迹分子和功能单体间的相互作用，影响功能单体与印迹分子形成复合物因此分子印迹过程中最好选择极性弱的溶剂，比如甲苯、二氯乙烷、氯仿等随着研究的深入，极性环境中，尤其是水相中底物的分离变的尤其重要，包括药物拆分、仿生模拟、生物传感器等都要求极性的环境最近几年，极性溶剂中的印迹研究已取得一定的进展，如 Haupt[8]等在甲醇/水混合体系中以4-乙烯基吡啶为功能单体，印迹了2，4-二氯苯氧基乙酸Yu[9]等以丙烯酰胺为功能单体，成功的在乙腈溶剂中印迹了几种氨基酸1.3.5 引发剂分子印迹聚合物是通过自由基引发制备的，一般偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，采用低温紫外光引发或高温热引发聚合非共价分子印迹中普遍采用低温光引发聚合，因为低温有利于功能单体和印迹分子形成稳定的复合物1.3.6 引发方式引发方式有高温（一般为 60℃）热引发和低温（一般为 0℃）光引发两种形式。

有研究发现在低温下用紫外光照射引发制备的分子印迹聚合物的识别性能要优于用高温热引发制备的分子印迹聚合物低温光引发具有下述优点：印迹分子和功能单体所形成的复合物较稳定，可印迹热不稳定的化合物S.S.Milojkovic 等曾经采用 X-射线引发聚合反应，但所得聚合物的热稳定性及表面性能都较差B.Sellergren[11]等采用高压技术（1000 bar）制备分子印迹聚合物，发现高压条件下所得分子印迹聚合物比低压条件下的聚合物有更紧密的结构，更低的孔体积，更高的密度和溶胀性，对印迹分子的保留有较大的提高1.3.7 分子印迹聚合物的形态应用最早最广泛的聚合方法是本体聚合，采用本体聚合法可制得块状分子印迹聚合物，此类材料制备方法比较成熟，易操作但分子印迹聚合物需经过研磨、过筛后方可使用，颗粒形状不规则，制备过程费时，且材料的利用率较低为了解决上述问题，研究者制备了球形分子印迹聚合物，常用的制备方法有悬浮聚合、乳液聚合、沉淀聚合、以及多步溶胀-聚合等这类材料经抽提后可直接使用，且重复性好但较本体聚合过程复杂得多，反应条件不易掌握另一种重要的形态是分子印迹膜，它在分子烙印传感器中应用较多，可以通过在玻璃过滤器表面聚合、相转移沉淀技术、溶剂蒸发等方法制得。

用原位聚合法制备的分子印迹整体柱是一种相对较新的形态，该材料具有微米级的大孔网络结构，整个色谱柱[10]相当于一块灌注色谱填料，具有类似于灌注色谱的良好通透性，已用于蛋白质、烷基苯、肽、高分子聚合物等的分离，具有广阔的应用前景1.4 分子印迹聚合物的聚合方法制备分子印记聚合物的方法目前基本上只有七种：本体聚合、乳液聚合、种子溶胀悬浮聚合、原位聚合、表面印迹技术、分子印迹膜、悬浮聚合1.4.1 本体聚合 本体聚合制备分子印迹的具体方法是：将一定比例的功能单体与印迹分子溶于溶剂中，搅拌使之形成稳定的复合物，加入适量的交联剂和引发剂，混匀后通氮除氧，密封，在高温水浴中或者紫外光照射下引发聚合，待反应完全后，研磨过筛，最后洗脱除去印。