分子印迹技术及其应用

李平忠 徐祥云

[摘要]分子印迹技术是在近年来发展起来的一项新兴技术。本文介绍了其基本原理、印迹聚合物的制备及分子印迹技术在膜制备和有机合成等方面的应用。

[关键词]分子印迹技术；分子印迹聚合物；应用

[中图分类号]O658.9[文献标识码]A[文章编号]1005-6432（2012）49-0053-02

自然界和生物体内分子识别在活性发挥方面起到了重要作用，大多数生物分离技术都依赖于分子识别作用，但是生物识别分子的分离和制备十分困难，而且在操作中对环境要求比较高，人们一直希望合成具有分子识别功能的介质。近年来得到快速发展的分子印迹技术，由于其卓越的分子识别性能和独特的物理、化学、机械特性等优点，已经成为一个热门的研究方向。

1分子印迹技术的原理及特点

分子印迹技术是指将模板分子与选择好的功能单体通过一定作用形成主—客体复合物，然后加入一定量的交联剂和功能单体共同聚合成高分子聚合物。除去模板分子后，刚性聚合物中的空穴记录有模板分子的构型，且功能基团在空穴中的精确排列与模板分子互补，从而对特定的模板分子具有较高的识别能力，而达到分离混旋物的目的。分子印迹分离技术是一种有着特殊专一选择性的新型分离技术。与天然抗体相比，具有高选择性、高强度（即耐热、耐有机溶剂、耐酸碱）、制备简单而且模板分子可回收和重复使用的特点。

分子印迹技术一般包括以下几个步骤：①在一定溶剂中，具有适当功能基团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，形成稳定的复合物。②加入交联剂后，过量的交联剂使得功能单体上的功能基团在特定的空间取向上固定。③将聚合物中的印迹分子洗脱或解离出来得到分子印迹聚合物（见下图）。

2分子印迹聚合物及其制备

分子印迹聚合物是分子印迹技术的核心。简单地说，它是一种人工合成的利用分子印迹技术制备的高分子聚合物。该聚合物拥有与模板分子大小和形状相匹配的立体孔穴，同时孔穴中包含了精确排列的与特定结构的模板分子官能团互补的活性基团。所以分子印迹聚合物具有特异“记忆”功能基团。MIP的制备方法通常有本体聚合、沉淀聚合、表面印迹、溶胶凝胶、两步溶胀等方法。

分子印迹聚合物是近年发展起来的新型重要分子识别材料，功能单体与模板分子形成稳定的复合物，以使交联聚合后把模板分子的结构固定在聚合物的母体中，产生识别位点。此外，功能单体的用量对聚合物的识别性能有较大的影响，但功能单体—模板分子比例过高时，所制备的聚合物具有更紧密的结构和更好的耐溶胀性能。因此，模板分子与功能单体的选择对于分子印迹聚合物的制备至关重要。

2.1模板分子的选择

印迹过程可以形成与模板分子形状及功能基排列互补的孔穴有关，因此研究模板的分子结构对MIP分子识别性能的影响具有重要意义。用小分子芳香族化合物，部分羟基数目及羟基位置不同的羟基苯甲酸化合物为模板分子，采用非共价印迹技术制备了相应的MIP，通过对比研究，探讨了模板分子中作用基团的数目及位置对非共价MIP分子识别能力影响的规律。模板分子中含有较多作用基团有利于得到对模板分子具有高印迹亲和力的印迹聚合物，即得到高印迹效率的MIP。当模板分子中作用基团间能形成分子内氢键时，印迹效率降低。这是由于印迹过程中模板分子的分子内氢键削弱了其与氢键型功能单体丙烯酰胺的结合，从而降低了模板分子的印迹效率。

孙宝维等就模板结构与分子印迹效果间关系提出：大多只有一个极性基团的化合物，与功能单体作用的数目较少，不易产生印迹效应；一般含多个极性基团，少数含一个极性基团并具有一个大的疏水结构的化合物在印迹过程中表现出协同效应；具有多个极性基团，而且同时具备部分刚性和柔性结构的化合物，可更好地与功能单体作用。

2.2功能单体的选择

在制备分子印迹聚合物过程中，选择合适功能单体种类及与模板分子的配比至关重要，下面是几种筛选功能单体的方法。

（1）紫外光谱法

根据紫外光谱原理，当价电子与氢原子形成氢键后，电子的能量会发生变化。同时张力或偶极作用迫使分子轨道发生扭曲变形，电子跃迁概率发生变化，导致吸光度发生变化。因此，根据紫外光谱的变化，可推测模板分子与功能单体间相互作用强度和复合比例等有关信息。

（2）核磁共振法

核磁共振光谱法（NMR）可以提供有关确切作用位点和作用强度的大量信息，是一种更具潜力且准确的筛选方法。模板分子与功能单体相互作用，分子间氢键对模板分子的活泼氢产生强烈束缚作用并使其屏蔽作用变小。通过核磁共振技术测定溶液中功能单体对活泼氢化学位移的影响，从而找出最佳的功能单体和最佳的配比。

（3）荧光光谱法

对于具有荧光性质的模板分子，荧光光谱法是选择功能单体的比较好的方法。荧光供体分子（模板分子）与荧光猝灭剂分子（功能单体）之间借助分子间力，彼此结合形成具有一定结构的不发荧光的基态复合物，而导致荧光强度减弱。即静态荧光猝灭现象。

（4）计算机模拟计算

随着计算机和量子化理论的发展，计算机模拟技术已经应用到分子印迹体系中。这种方法可以大大减少摸索实验的次数，也可以减少不必要的药品浪费。计算机模拟计算最常用半经验计算方法，大致过程为，第1步，用软件优化各种可能的模板分子、功能单体及其复合物的构象，选出最小能量构象。第2步，功能单体与模板分子的相互作用能利用下式计算：ΔE=E（模板分子和功能单体的复合物）-E（模板分子）-E（功能单体）。ΔE越大，说明模板分子与功能单体的作用越易形成氢键，且形成的氢键越牢固。

3分子印迹技术的膜和材料制备方面的应用

3.1新的膜制备技术

（1）多层自组装膜

通过化合物分子之间不同的作用力结合而成。这种作用力主要包括共价或配位作用、氢键、静电力、疏水作用力、π2π堆积作用以及阳离子π吸附作用。多层自组装印迹膜是在印迹聚合物表面通过不同的作用力结合形成膜，然后反复在聚合物混合溶液中进行自组装，形成多层膜结构，将印迹分子洗脱，得到多层自组装印迹膜。自组装方法包括共价（或配位）自组装、氢键自组装、静电自组装。张希等 报道了用光交联法和多层膜自组装方法制备的以5、10、15、202四甲基氨基苯21H、23H 卟啉为印迹分子的多层自组装印迹膜，与其他方法制备的印迹膜相比具有较高的识别能力。

（2）纳米管印迹膜

一种印迹孔穴具有纳米管形状的分子印迹聚合物膜。纳米管印迹膜的出现标志着分子印迹技术又有了新的突破。这种膜的制备是由王小如研究组首先提出的，他们将表面引发原子转移自由基聚合（ATRP）和分子印迹技术原理相结合，使用多孔阳极氧化铝薄膜（AAO）为载体膜并用32氨基丙基三甲氧硅烷进行表面硅烷化处理，将ATRP 引发剂22溴222甲基丙酰溴接枝到AAO 的表面，然后与金属有机催化剂1、4、8、112四氮杂萘并苯铜、功能单体42乙烯吡啶、印迹分子β2雌二醇或孕酮和交联剂的乙腈溶液混合，在N2 保护下进行热聚合得到聚合物膜，除去印迹分子后形成纳米管印迹膜。结果表明，这种结合位点具有纳米级的孔径和几纳米管壁厚度的印迹膜对目标分子具有高选择性、高亲和性、高容量和快速的结合能力。

3.2新的材料制备技术

（1）分子印迹磁性材料

磁性材料从材质上可以分为金属及合金磁性材料和铁氧体磁性材料两大类。铁氧体磁性材料又可以分为多晶结构和单晶结构材料。从应用的功能上来分，磁性材料又可以分为软磁材料、永磁材料、磁记录2矩磁材料、旋磁材料等。结合磁性材料的分子印迹技术制备的MIPs称为磁性分子印迹聚合物，表面修饰过的磁性微球在聚合过程中嵌入MIPs母体中，从而使MIPs具有一定的磁性。MIPs在再识别吸附过程完成后，分离传统MIPs和溶液需要离心或过滤等烦琐的步骤。磁性分子印迹聚合物则只需外加一个磁场即可以实现与溶液分离，其操作简单且分离时间短。在磁性分子印迹技术所应用的磁性粒子主要为Fe3O4。Fe3O4为无机化合物，不能和有机体系相容，因此磁性微球先由聚乙二醇4000/6000等活性组分进行活化得到有机相容性磁性复合微球，磁性复合微球在聚合过程中包埋于MIPs中。也有通过溶胶2凝胶使硅包裹磁性离子。

（2）分子印迹纳米材料

纳米材料是指三维尺度中有一维以上处于纳米量级（1～100nm），即由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米材料与传统材料相比有较低的熔点、较小的体积、巨大的比表面积、强化学活性和催化活性，此外其还有特殊的比热、光学、电学、磁学、力学等一系列优良的性能。

分子印迹技术利用纳米材料巨大的比表面积制备印迹聚合物，可以充分地暴露印迹识别位点，大大减少吸附过程当中的传质阻力，增强吸附过程的动力学特征，进而提高吸附量。纳米分子印迹聚合物的形式主要为纳米粒子、纳米管和纳米膜。张忠平等以硅为基质通过溶胶凝胶反应分别制得了对TNT有特异性识别的纳米粒子。其制得的纳米粒印迹材料的印迹位点密度大约为普通印迹材料的5倍。其动力学研究表面，纳米印迹粒子达到平衡所用的时间也只为普通印迹材料的1/3。

（3）分子印迹复合材料

多种材料相互补充使复合材料的性能更为优越。除了单一的膜材料、磁性材料和纳米材料外，出现了复合材料如纳米膜材料、磁性纳米材料等。这些复合材料已经应用于分子印迹技术中。王小如等合成了纳米管膜应用于化学分离，并用多孔性氧化铝为模具合成了磁性分子印迹纳米线。复合材料为分子印迹的发展提供了新的动力。

4结论

自20 世纪90 年代以来，MIT 以其高亲和性、高选择性等独特优点迅速吸引了各国研究人员的注意并蓬勃发展，至今已被应用于化学、生物、医学、环境等各大学科及其分支领域之中。MIPs 的合成与应用方法已日趋成熟，但目前的MIT 仍存在着一些问题。如其尚不能将某些类似物完全分离。随着计算化学与计算机模拟技术的发展，建立完整的单体交联剂库，利用虚拟反应来指导MIPs 的合成已成为新的发展趋势。此外，大力发展水相中制备方法，减少对有机溶剂的依赖，不仅能模拟生物体的识别模式，而且会极大地扩展其使用范围。

参考文献：

[1]金红华，王娟，张兰，等.分子印迹技术在环境科学领域中的应用[J].化工环保，2006，26（4）：295-298.

[2]周勤，袁笑一.分子印迹技术及其在环境领域的应用[J].科技通报，2005，21（1）：110-114.

[3]Ramstrom O，Ansell R.Molecular imp rinting technol2ogy：challenges and p rospects for the future[J].J Chirality，1998，10（3）：195-209.

[4]GVlatakis，L I Anderss on，R Muller et al.[J].Nature，1993：361，645-647.

[5]姚伟，高志贤，房彦军，等.沉淀聚合法制备咖啡因分子印迹聚合物微球[J].化工进展，2007，26（6）：869-877.

[6]杜振霞，李文霞，付志峰.新型分离材料硅胶表面分子印迹聚合物的制备[J].化工新型材料，2005，33（7）：38-40.

[7]吕运开，严秀平.分子印迹溶胶-凝胶材料的制备及应用[J].分析化学，2005，33（2）：254-260.