分子印迹的选择性“宽度”的研究进展*

2021-04-09毕晓东张潇晗牛丽颖

广州化工 2021年7期

毕晓东，张潇晗，牛丽颖

(1 河北中医学院，河北石家庄 050091；2 河北省中药配方颗粒创新中心，河北石家庄 050091；3 河北省中药材品质评价与标准化工程研究中心，河北石家庄 050091)

分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymers，MIPs)是对特定分子具有选择性的仿生智能材料。通过选取与模板分子具有作用力的功能单体，通过交联反应、自组装等方法固定功能单体使其围绕模板分子形成具有特殊空腔结构的几何排布，在功能单体和结构互补空腔的双重作用下，分子印迹可以针对不同的模板分子定制和调控选择性，并用于分离、传感、催化等多个领域[1-4]。如何构建和调控分子印迹的选择性，一直是该领域的研究热点，几乎所有的分子印迹的研究论文都围绕选择性的构建与调控展开。笔者基于自身的研究经历，围绕分子印迹选择性的分类、调控方法、评价体系、筛选方法等方面，对近几年的研究论文进行总结归纳，供同行交流。

1 分子印迹选择性的分类和调控方法

分子印迹聚合物的选择性是在模板分子诱导下产生的，其选择性识别的对象为目标分子，即分子印迹的过程是使用模板分子诱导产生对目标分子的选择性识别。笔者根据模板分子与目标分子的结构关系，将选择性进行进一步分类，并分别进行讨论。

1.1 “窄”选择性(模板分子=目标分子或片段)

“窄”选择性，或通常称之为“高”选择性，是指所制备的分子印迹聚合物对目标分子具有专一的识别能力。模板分子被移除后聚合物仍然能够依靠印迹空腔与模板分子互补的几何形状和特定分布和取向的功能单体，来“记忆”模板分子的整体或者部分，因此，提高选择性识别能力的重点就是(1)提高功能单体与模板分子之间的相互作用力；(2)提高印迹空腔对模板分子的空间互补性。

提高功能单体与模板分子之间的作用力，研究人员开发了以下几种方法：(1)相比于非共价印迹体系，采用共价印迹体系，即采用强相互作用力的功能单体[5]，如采用苯硼酸及其衍生物，利用苯硼酸与邻二羟基型化合物分子(糖、糖蛋白等)可在酸碱切换中可逆结合的特点，制备具有环境响应性的分子印迹聚合物；(2)采用多种功能单体协同作用[6]；(3)设计并合成具有多重作用力的功能单体[7]；(4)直接使用如核酸适配体等高选择性的功能单元[8]。从物理学的角度，力是兼具大小和方向的矢量。除了提高作用力的大小，研究人员还发现，功能单体与模板分子之间作用力的空间取向或者分布，也能影响印迹材料的选择性，南京大学刘震教授课题组发现[9]，通过苯硼酸固定糖蛋白，再通过可控聚合反应生成一层印迹聚合物，该印迹聚合物的厚度等于固定糖蛋白尺寸的三分之二左右时，印迹选择性最佳。

提高印迹空腔对模板分子的空间互补性，即保持功能单体与模板分子的最佳作用位置，可以有以下几种方案：(1)经典的体相印迹法需要碾磨印迹聚合物，这种容易破坏部分印迹空腔，可以用表面印迹等方法代替[9]；(2)采用刚性交联体系，如引入笼型聚倍半硅氧烷[10]，减少印迹聚合物本身由于高分子的链运动产生的形变；(3)采用光引发等快速聚合体系[11]，减少长时间反应过程中功能单体偏离最佳分布的可能。空腔或者孔道本身通过尺寸产生的选择性，在尺寸排阻色谱、框架化学等[12-13]均有诸多体现，分子印迹的研究中，也有发现具有对几何形状的“记忆”效应[14]。

天然抗体是通过一个或者多个抗原决定簇来识别抗原的，受此启发，采用模板分子中的特征性部分可以代替其整体，仍然能够产生对模板分子具有“记忆”的印迹聚合物，这种方法就是类抗原决定簇印迹方法[15-18]，通过筛选模板分子中具有专属性的特征结构部分用于印迹，特别适合模板分子是蛋白质等大分子的情况，但需要对模板分子的结构有着充分的了解，特别是选取的特征结构不能位于模板分子内部，否则印迹空腔内的功能单元无法识别模板分子的内部结构而造成印迹失败。

1.2 “宽”选择性(模板分子=目标分子群、模板分子群=目标分子、模板分子群=目标分子群)

与前述的“窄”选择性的“一一对应”不同，“宽”选择性希望得到的印迹聚合物能够识别模板分子及其结构类似或者功能相关的物质，从而用于复杂体系多种成分的同时分析或者功能评价。已经有以下几种方法：(1)多模板印迹的方法：采用多个分子作为印迹模板制备分子印迹材料，可以实现对多种化合物同时进行选择性保留或者抓取[19]。多模板印迹方法是组选择性目标明确的印迹方法，在制备过程中需要考虑两种模板之间的相互作用给印迹材料带来的影响，也可将不同的印迹材料进行均匀混合。(2)仿真模板(dummy template)的方法：通常是选取一个具有代表性的化合物为模板分子，称之为仿真模板，然后通过仿真模板印迹的材料对所感兴趣的一组被分析物进行抓取或保留[20-26]。(3)样品模板印迹的方法：直接采用待分析的实际样品作为印迹模板，而不是待分析样品中的任何一种具体的组分。Yang等直接采用鸡蛋的蛋白成分作为样品模板(sample template)或待定模板(pending template)在毛细管内制备印迹材料并用于鸡卵样品的分析。作者认为通过调节样品模板在印迹聚合体系中的浓度，可以选择性地将能够与功能单体充分作用的、浓度高于一定阈值的组分进行印迹[27]。该研究工作拓展了分子印迹中模板的概念，为使用分子印迹研究复杂体系提供了一种全新的思路，但对所制备的分子印迹聚合物的选择性的调控，并不能做到预先控制。

2 分子印迹选择性的评价体系

分子印迹聚合物对目标分子的选择性，是在模板分子参与合成过程的诱导下产生的，因此，通常需要对比有无模板分子的参与生成的聚合物(有模板参与的称为印迹聚合物，无模板参与的称为非印迹聚合物)分别对目标分子的选择性响应，来测评选择性是否产生以及选择性的大小。对目标分子的响应具体而言是根据应用形式不同的测量值，如保留时间、电化学信号、光谱强度、吸附量等[2,4]。通常采用印迹和非印迹对目标分子响应的比值作为评价指标，即印迹因子。而采用同一印迹聚合物体系，分别测定两种不同分子的印迹因子的比值，或者同一印迹聚合物对不同分子的绝对响应的比值，可以评价该印迹聚合物对不同分子的选择性的差异，即交叉选择性。交叉选择性可以用于评价印迹聚合物在复杂体系中(含有多种干扰物)识别目标分子的能力，即抗干扰能力或基质效应的影响[23]。通过分子拓扑学数据来进一步分析印迹聚合物能够选择性识别的分子之间的分子结构相似程度，可以深入分析模板诱导效应的构效关系[28]。

3 分子印迹选择性的筛选方法

分子印迹聚合物的选择性具有对特定模板分子定制的特点，但是通常需要通过印迹因子或者交叉选择性对制备的印迹聚合物进行逐一评价，实验工作量较大，可以借助组合化学的理念采用高通量的实验方法进行筛选评价，也可以通过建立数据库等数字化方法进行归纳总结规律，或理论化学的方法进行对功能单体进行初步筛选，减少实验工作量或者使实验更具方向性[29]。