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1、,第六章 模板聚合和分子印迹技术,在自然界的生命代谢、繁衍和生物进化过程中，各色各样的分子模板过程往往起着极其重要的作用。,模板聚合,DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以DNA单链为模板，按照碱基互补原则合成出一条互补的新链，这样新形成的两个子代DNA分子就与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。,在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶-底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。,人类在认识宏观世界的过程中，发明了以“模板”原理为基础复制物件的各种制造工艺(如铸造等)。 在分子水平上采用“模板原理”进行化学反应，特别是生物化学反应则是
2、近30年来的事情。,1986年德国人G.Wulff首次提出模板聚合物的合成原理及其在分离、催化和生物医学领域的应用前景。时至今天，模板聚合和模板合成已经成为高分子化学和生物合成领域最受瞩目的研究领域。,指单体在具有特定结构的聚合物存在下进行的聚合反应，这些特定结构的聚合物对单体的聚合起着模板作用，例如，它们能加速聚合反应；新生成的聚合物的结构和性能等方面都能受模板的影响，甚至生成物可以成为模板的模制品或复制品。 在聚合体系中能控制聚合反应的高分子链称为高分子模板，用高分子模板与单体聚合称为铸型反应或模板聚合。利用模板聚合可以控制聚合物分子的结构，如甲基丙烯酸甲酯在二甲基甲酰胺 （DMF）溶液中
3、的光聚合，若加入有规立构聚甲基丙烯酸甲酯作为高分子模板，单体链增长反应就在模板上继续进行，大大地加速了聚合反应速率，获得与模板结构相同的聚合物。,模板聚合（template polymerization）,模板聚合反应可用以下三步表示： 模板(T)与单体(M)形成复合物 模板聚合 模板与“复制”高分子的分离,可见模板作用是一个高分子对合成另一个高分子所起的模具或样板作用。在聚合过程中，模板指导新高分子的合成，并决定产物的组成、结构、构象和分子量。因此，模板聚合能获得具有指定聚合度或所需立体构型、规定序列结构的聚合物，是高分子设计、合成及仿生高分子方面的重要手段,模板聚合的原理是基于模板高分子的
4、组成单元与单体小分子之间的相互作用，如氢键、离子吸引、电子给体和受体的相互作用或形成共价键等，这种作用为单体的聚合创造有利的条件，提供可以仿效的样板。,模板聚合的原理,实现模板聚合的方式主要有以下几类： 1、利用酸碱基团之间的相互作用。通过含有酸性基团（或碱性基团）的高分子与含有碱性基团(或酸性基团)的单体之间的相互作用，可以实现模板聚合。例如以聚苯乙烯磺酸PSSA为模板使4乙烯吡啶VP进行聚合,PSSA在水溶液中高度解离，呈伸展状态，被水合氢离子包围，一旦4乙烯吡啶进入溶液之中，就中和酸离子,沿高分子链呈化学计量的吸附,吡啶基团被季铵化,形成吡啶基朝着高分子模板和乙烯基向着外侧的有规则的排列
5、。,2、利用电子给受体(AD)电荷转移的作用。高分子电子给体（或受体）与单体电子受体（或给体）之间通过电荷转移可以实现模板聚合。例如，马来酸酐为强电子受体,在一般条件下不发生自聚，但在聚4乙烯吡啶等给电子体存在下,由于两者之间有着A-D电荷转移相互作用,就可以进行自聚得到马来酸酐聚合物。但在4乙烯吡啶和苯乙烯共聚物存在下，只能得到含马来酸酐很少的黑色树脂,由此证明聚4乙烯吡啶的模板作用。所得的聚马来酸酐反转来又可作为给电子单体 4乙烯吡啶聚合的模板。由于模板的存在，反应速率加快，产物聚4-乙烯吡啶的聚合度与所用的模板聚马来酸酐的聚合度是相对应的。,3、通过氢健的作用 在多肽合成中，N羟基氨基酸
6、内酐NCA在聚肌氨酰二乙胺存在下进行开环聚合,由于NCA分子通过形成氢键被吸附在聚肌氨酸链上，因此聚合速率增大，可认为是一种模板效应。在生物遗传过程中,核酸是一种遗传物质,通过核酸碱基之间的氢键作用,以脱氧核糖核酸DNA为模板产生核糖核酸RNA,从模板上转录信息，从而达到把亲代的某些特征传给子代的目的。 4、与单体的共价键结合的模板聚合用经特殊方法合成的具有一定分子量的甲酚甲醛低聚物作模板，使它们的酚基与丙烯酰氯单体反应生成丙烯酸酯，在苯中极度稀释后，用偶氮二异丁腈引发聚合，然后水解，得到了具有相应分子量的聚丙烯酸产物。它虽然属于低聚物的范畴，但从得到的原定分子量的“复制物”来说，确实为模板聚
7、合,“模板聚合物”又称为“印记化合物” 是内部具有特定形态和大小的孔穴、以及确定空间位置排列的官能团的交联聚合物。, 分子印迹技术 分子印迹聚合物 分子印迹聚合物的特性 分子印迹方法的分类 分子印迹原理、识别和表征 分子印迹技术的应用 分子印迹技术的应用前景,分子印迹技术,分子印迹技术（Molecular Imprinting Technique，MIT）又称分子烙印技术，是近年来集高分子合成、分子设计、分子识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门新型的交叉学科。分子印迹技术是指为获得在空间结构和结合位点上与某一分子（印迹分子）完全匹配的聚合物的实验制备技术。,分子印迹技术的出现是受免疫
8、学启示的结果。Pauling提出的抗原抗体理论认为，当外来抗原进入生物体内时，体内蛋白质或多肽链会以抗原为模版，通过分子自组装和折叠形成抗体。这预示着生物体所释放的物质与外来抗原之间有相应的作用基团或结合位点，而且它们在空间位置上是相互匹配的，这就是分子印迹技术的理论基础。,分子烙印技术发展简介,1894年,Fischers 提出“锁匙理论” 1940年,Panling的“抗体合成”,1949年Dickey所设想的“特种吸附剂” 近代MI理论是上世纪80年代,由Wulff 和Mosbach确立 1993年Mosbach等在Nature上发表分子印记的“塑料抗体”和仿生免疫分析,分子印迹技术自2
9、0世纪70年代以来发展十分迅猛。特别是1993年Vlatakis在Nature上发表有关茶碱分子的印迹聚合物（Molecular Imprinted Polymers，MIPs）的报道后，每年公开发表的相关论文数几乎直线上升。目前主要从事MIT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。,茶碱又名二氧二甲基嘌呤具有强心、扩张冠状动脉、松弛支气管平滑肌和兴奋中枢神经系统等作用。主要用于治疗支气管哮喘、肺气肿、支气管炎、心脏性呼吸困难等疾病。,MIT之所以发展如此迅速，
10、主要是因为它有三大特点： 预定性（predetermination） 识别性（recognition） 实用性（practicability）,预定性：根据不同的目的制备不同的MIPs，以满足不同的需要。识别性：MIPs是按照模版分子定做的，可以专一地识别印迹分子。,实用性：它可以与天然的生物分子识别系统相比拟，例如，酶和底物；抗原与抗体等。 由于它是化学合成方法制备的，具有天然分子系统不具备的抗恶略环境的能力，从而表现出高度的稳定性和长的使用寿命。,分子印迹聚合物：分子印迹聚合物是一类内部具有固定大小和形状的孔穴并具有确定排列功能基团的交联高聚物。,分子烙印的基本原理,实现分子烙印要经过的3
11、个步骤 分子烙印的分类 分子烙印聚合物（Molecular Imprinted Polymer,MIP）的制备方法,实现分子烙印要经过的3个步骤,功能单体和烙印分子在一定条件下形成某种可逆的复合物 加入交联剂将这种复合物“冻结”起来,制得高聚物 将烙印分子抽提出来,这样在聚合物的骨架上便留下了一个对烙印分子有“预定(predetermined)”选择性的分子识别位,分子烙印的分类,共价型 :烙印分子和单体通过可逆的共价作用(如形成可逆的硼酸酯和席夫碱)形成复合物 非共价型 :烙印分子和单体则通过氢键、偶极、离子、金属螯合、电荷转移、疏水乃至范德华力相互作用形成复合物,非共价型的分子烙印是一种分
12、子自组装的过程。,共价型烙印聚合物孔隙,非共价型烙印聚合物孔隙,模板分子（印迹分子），即待分离、待识别物质的纯品。一般来说分子中含有强极性基团的化合物可以制备高效能的MIPs。目前用于分子印迹的分子很广泛，如药物分子、氨基酸、碳水化合物等均已成功地用于分子印迹聚合物的制备中。,模板分子的用量:合成时,模板分子、单体和交联剂的相对用量对性能有直接的影响。模板分子的最佳量通常为总量的5%,当用三乙烯基化合物作为交联剂时,模板分子的比例可增大。此外,模板分子的用量还受到其溶解性和获取难易程度的影响。,功能单体，必须带有能与印迹分子发生作用的功能基，如与印迹分子成共价键的基团、产生氢键的基团或能与印迹
13、分子发生离子交换作用的基团等。比较常用的功能单体有丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯类，对某些金属螯合反应还常常用到亚氨基二乙酸衍生物。另外，天然聚合物如蛋白质也可作为单体对其他分子进行印迹。,共价型分子烙印中常用的功能单体有含乙烯基的硼酸和二醇以及含有硼酸酯的硅烷混合物等。 非共价型分子烙印中常用单体是甲基丙烯酸(MAA) 等,交联剂，它的作用是使模板分子和功能单体形成高度交联、刚性的聚合物，“固化”单体的功能基团在模板分子周围的特定位置，并保持对印迹分子起识别作用的位点在使用过程中空间形状不发生变化，使特异选择性得以保留。为了得到高度交联的聚合物，目前最有效的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙
14、烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯等。,单体和交联剂对烙印聚合的影响,在聚合时增加交联剂的用量有利于形成稳定和完整的”印记”位点。一般而言,对于易挥发的有机待测物需要制备高度交联的聚合物;对于具有一定形状的模板分子,交联剂的用量适量降低。 单体、模板复合物的刚性大,形成的位点与模板分子的吻合程度高,在位点上发生相互识别和键合作用时熵的变化小,有利于提高亲和力和选择性。,溶剂，在分子印迹中发挥着重要作用。聚合时，溶剂可能影响模板分子和功能单体间的作用强度或聚合反应的动力学。一般来说，溶剂的极性越大产生的识别效果越弱。应用极性强的溶剂会不可避免地减弱模板分子和功能单体间的相互作用，从而导致弱的识
15、别。另外，溶剂还会影响聚合物形态学，使聚合物溶胀导致结合部位三维结构的变化，引起弱的结合。通常识别用溶剂最好与聚合用溶剂一致，避免任何溶胀问题。,制备步骤：MIPs制备过程中的聚合反应是通过自由基引发的，一般以偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈为引发剂。常用的引发方式有光照、加热、加压、电合成等。低温光引发应用最为普遍，其中又以紫外光的能量适中而应用最多。聚合的方法有沉淀聚合、原位聚合、乳液聚合、多步溶胀聚合和表面印迹法等，应依据其所用场合选择合适的方法。,第一步，使目标分子（印迹分子或模板分子）和具有适当功能基团、可以形成聚合物的功能单体分子在适当的介质条件下形成单体-模板分子复合物。第二步，在单体
16、-模板分子复合物体系中加入过量的交联剂，在致孔剂的存在下，使功能单体与交联剂发生聚合反应形成高分子聚合物。于是，功能单体上的功能基团就会在特定的空间取向上被固定下来。第三步，透过适当的物理或化学的方法将模板分子从上述高分子聚合物中提取出来，得到分子印迹聚合物。,分子印迹聚合物的特点：在分子印迹技术中所用的聚合物必须具有特定的物理及化学性质，并对一些物理化学作用具有一定抵抗能力。,除具有上表所列的特点外，印迹聚合物还具有制备简单快速，稳定性强，可以长期保存等优点，尤其是对某些生物物质检测与分离。若无天然物质可以对应其特异性相互作用，也可通过分子设计制备出具有人工识别位点的印迹聚合物，用于对该物质
17、的分析或纯化等。,分子印迹方法的分类：,返回,预组装法（preorganization）也称共价型分子印迹法，是印迹分子首先共价联结到单体上，然后聚合，聚合后再打开共价键去除印迹分子的方法。,优点是在聚合过程中，功能基团能得到比较精确的空间构型。缺点由于单体和印迹分子间的强相互作用，在印迹分子自组装或分子识别过程中的反应（结合和解离）速度慢，难以达到热力学平衡，不利于快速识别反应，而且识别能力与生物识别相差较大。预组装法分子印迹中常用的功能单体有含乙烯基的硼酸和二醇、含硼酸酯的硅烷混合物等。其中最具有代表性的是硼酸酯，其优点是能够生成相当稳定的三角形结构，而在碱性水溶液中或在有氮（氨气、哌啶）存在下则生成四角形结构。这种四角形的硼酸酯与二醇能极快地达到平衡，其平衡速度与非共价键作用相当。,
