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1、分子印迹技术基本原理及应用分子印迹技术基本原理及应用摘要摘要：分子印迹是制备具有分子特异识别功能聚合物的一种技术.本文介绍了分子印迹技术的基本原理和特点，综述了该技术在色谱、固相萃取、药物分析、生化分离、生物传感器技术以及生物催化方面的研究与应用，具体介绍该技术的几个应用实例。关键词分子印迹技术；基本原理；特点；综述；应用实例目录目录分子印迹技术基本原理及应用1 摘要.1 1.分子印迹技术的基本概念、基本原理和特点.1 1.1 分子印迹技术的基本概念1 1.2 分子印迹技术的基本原理2 1.3 分子印迹技术的特点2 2.分子印迹技术的应用范围和应用实例介绍.4 2.1 分子印迹在色谱分离技术中
2、的应用5 2.2 分子印迹技术在固相萃取中的应用.8 2.3 分子印迹技术在药物分析中的应用.9 2.4 分子印迹技术在模拟酶催化中的应用.9 2.5 分子印迹技术在传感器中的应用.10 3.总结.11 参考文献121.分子印迹技术的基本概念、基本原理和特点分子印迹技术的基本概念、基本原理和特点1.1 分子印迹技术的基本概念分子印迹技术的基本概念分子印迹，又称为分子烙印(molecular imprinting)，是源于高分子化学、材料化学、生物化学等学科的一门交叉学科技术。分子印迹技术(molecular imprinting technique， MIT)也叫做分子模版技术，属于超分子化学
3、研究范畴，是指某以特定的目标分子（模版分子、印迹分子或烙印分子）为模版，植被对该分子具有特异选择性的聚合物的过程，通常被描述为制备与识别“分子钥匙”的人工“锁”技术。11.2 分子印迹技术的基本原理分子印迹技术的基本原理分子印迹技术原理如图 1 所示。当印迹（模版）分子与聚合物单体接触时会形成多重作用点，通过聚合过程这种作用就会被记下来，当印迹分子去除后，聚合物就形成与印迹分子空间构型相匹配的、具有多重作用点的空穴，这样的空穴就对印迹分子极其类似物具有选择性特性。图 1 分子印迹技术原理MIPs 的制备过程主要由以下三步构成：在适当的介质中，具有适当功能基的功能单体通过与印迹分子间的相互作用聚
4、集在印迹分子周围，形成主客体配合物；通过功能单体与交联剂共聚，将主客配合物固定；通过一定的物理或化学方法洗脱印迹分子，得到印迹聚合物，其中含有与印迹分子形状和功能基团排列相匹配的空穴。这个三位空穴可以选择性的重新与印迹分子结合，即对印迹分子具有专一性识别功能。这个三维空穴的空间结构和功能单体的种类是由印记分子的结构和性质决定的。11.3 分子印迹技术的特点分子印迹技术的特点1.3.1 分子印迹技术具有以下特点分子印迹技术具有以下特点:一是预定性，即它可以根据不同的目的制备出不同的 MIPs，以满足不同的需要.二是识别专一性，即 MIPs 是根据模板分子定做的，可专一地识别印迹分子.三是实用性，
5、即它可以与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗体与抗原相比拟.但由于它是由化学合成的方法制备的，因此又有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能力，从而表现出高度的稳定性和很长的使用寿命.41.3.2 分子印迹技术的分类分子印迹技术的分类（1）预组装法(pre-organized approach)共价键作用在共价键法中，印记分子和功能单体以共价键的形式结合生成印迹分子的衍生物，该聚合物进一步在化学条件下打开共价键使印迹分子脱离。功能单体一般采用小分子化合物。共价键结合作用包括硼酸酯、席夫碱、缩醛（酮） 、酯、螯合键作用等。共价键法主要用于制备各种具有特异性识别功能的聚合物，如糖类及其衍生物、
6、甘油酸及其衍生物、氨基酸及其衍生物、扁桃酸、芳香酮、二醛、三醛、铁转移蛋白、联辅酶及甾醇类物质图 2 共价法合成的分子印迹聚合物（2）自组装法（self-assembly approach）非共价作用非共价法即把适当比例的印迹分子与功能单体和交联剂混合，通过非共价键结合在一起生成非共价键印迹分子聚合物。这些非共价键包括氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移作用、疏水作用以及范德华力等。此法主要用于下列物质的分离中：染料、二胺、维生素、氨基酸衍生物、多肽、肾上腺素功能药物阻抑剂、茶碱、二氮杂苯、核苷酸碱基、非甾醇类抗感染药萘普生和苄胺等。图 3 非共价法分子印迹聚合物的合成（3）共价作用与非共价
7、作用杂化该法实际上是把分子自组装和分子预组装两种方法结合起来形成的方法，其制备过程如图 4 所示。首先，印迹分子与功能单体以共价键的形式形成印迹分子衍生物（单体-印迹分子聚合物） ，这一步相当于分子预组装过程，然后交联聚合，使功能基固定在聚合物链上，出去印迹分子后，功能基留在空穴中。当印迹分子重新进入空穴中时，印迹分子与功能单体上的功能基不是以共价键结合，而是以非共价键结合，如同分子自组装。图 4 牺牲空间法分子印迹聚合物的合成（4）金属螯合作用金属离子与生物或药物分子的螯合作用具有高度的立体选择性、结合和断裂均比较温和的特点，故有望应用于分子印迹中。Y.Fujii 等研究了的配2 +合物对于
8、 N-苄基-D，L-缬氨酸的光学拆分，结果表明：分离因子很高，可以实现较好的拆分。但进一步研究发现该 MIPs 应用于色谱分离时传质很慢，难以实际应用。利用金属螯合作用还可以实现对金属离子的高选择性吸附，已用于印迹的金属离子主要有、，常用的功能单体主要有 1-乙烯基咪2 +2 +2 +唑、乙烯多胺等。12.分子印迹技术的应用范围和应用实例介绍分子印迹技术的应用范围和应用实例介绍由于分子印迹技术具有优越的预定性（predetermination）识别专一性（recognition）和广泛实用性（practicability）等特点， 因此该技术已广泛应用于色谱技术、固相萃取技术、模拟酶催化、药物
9、分析、生物传感器技术等诸多领域。2.1 分子印迹在色谱分离技术中的应用分子印迹在色谱分离技术中的应用分子印迹聚合物用于色谱分析，主要是样品的前处理 （分离 、提纯 、浓缩 ）和手性物质的分离。2.1.1 样品前处理样品前处理Sellergren 于 1994 年首先报道了以合成的戊咪 (pentamidin，一种抗原虫菌药)为模板的印迹聚合物，该聚合物作为吸附剂完成了对生物液体试样尿中的戊咪的提取 、纯化和浓缩，使之达到能够被直接检出的浓度。Zander 等人以尼古丁作为模板制备的分子印迹聚合物，分析口香糖中所含的尼古丁及其氧化物时有良好的回收率和重现性，在选择性上明显优于 C18 吸附剂和没
10、有印迹反应的同种聚合物。迄今为止，分子印迹技术结合固定相色谱对分析样品进行前处理的研究已做了很多工作。目前的研究表明分子印迹聚合物-固定相色谱完全能运用于分析式样的分离纯化和浓缩工作。但有很多不完善的地方。首先，对于不同的物质，不同的溶剂（极性、非极性）其吸附条件和洗脱条件迥异，尚没有找到一个普适性的规律。其二，虽然目前的研究工作涉及领域广，化合物种类多，但多数工作都集中在分离方法的建立，而对分离机制的研究涉及较少。归结起来，是基础理论研究的缺乏。其三，对于解决印迹分子在印迹聚合物中残留这一问题也将成为今后研究的一个重点，这一问题严重阻碍了分子印迹聚合物在色谱分析中的应用，特别对于痕量分析。2
11、.1.2 用于手性拆分用于手性拆分分子印迹技术在色谱手性分离中已取得了较大进展，所研究的拆分对象包括羧酸、胺、氨基酸及其衍生物 、肽 、药物等手性化合物。Kempe 等人用非共价键分子 L -mandelic acid 作为模板分子进行分子印迹固定相的手性拆分。Hosoya 等人用高效液相色谱印迹柱分离了胺类物质 N-(3，5-dimitrobenzoyl) methy-l-benzylamine 。Lin 等人用印迹柱分离了 Phenylalanine、Phenylglycine、Tyrosine 等多种氨基酸。Kempe 等人则分别用液相色谱印迹柱分离了大量的氨基酸衍生物。同时 Kempe
12、 等人还分离了 Cbz -Ala-Ala-OMe 肽类物质。Schweitzl 等人用毛细管电色谱分离了药物 Ropivacaine。颜流水等人以咖啡因为模板分子，经紫外光引发原位聚合制备了分子印迹毛细管整体柱，该柱对咖啡因具有高度选择性。2.1.3 用于膜分离用于膜分离将分子印迹聚合物制成薄膜, 即分子印迹膜,不仅具有较高的选择性和吸附容量, 而且便于操作、易于放大, 能耗低 ,能量利用率高 ,被看作“ 绿色化学“ 的典型 。分子印迹膜分离技术在医药、食品、化工和农业等方面都有应用。Ronald 等首次用原位聚合的方法合成了分子印迹膜 ,研究了溶剂组分、薄膜形态与结合性能之间的关系,提出了控
13、制膜厚度的有效方法。近年来,也有很多研究者将分子印迹聚合物制成颗粒均匀的纳米微粒 ,这样就大大提高了其吸附选择性。 Li 等用两步共聚法合成了分子印迹聚合物微球( M IPN s), 用 T EM 和 F T-IR 对其表征,形状规则的纳米微球能均匀分散到有机溶剂中,比传统的印迹聚合物有更高的键合容量和选择性 。目前 ,在膜分离技术中应用的超滤 、微滤及反渗透膜等都不能实现单个物质的选择性分离, 而 MIP 膜的出现解决了这些难题 。 M IP 膜不仅特异识别能力强, 而且比一般生物材料更稳定, 抗恶劣环境能力强, 在传感器和生物活性材料领域具有广阔的前景。2.1.4 用于环境痕量分析用于环境
14、痕量分析环境中存在大量的除草剂 、雌性激素、杀虫剂等,这些痕量物质经 M IPs 吸附富集处理后, 可用色谱法检出。 Yang 等合成了双酚 A 印迹聚醚砜( PES)微球, 用液液分离技术检测双酚 A( BPA)。 PES 微球是带有表层的多孔结构, 表层下面是指状结构。 BPA 印迹微球在水中的容量为 19 42 m ol/g , 键合量和选择性系数均随着溶液中 BPA 浓度的增加而增加 ,以 1 , 4-丁烯的醇/水为介质可增强 BPA 的识别能力。此外,随着原料 PES 中 BPA 量的增加 , 特异性结合位点增多,识别能力增强,用电荷转移和空穴理论解释了印迹聚合物微球对含其它有机物的
15、酒中 BPA 的识别机理。Gudrun 等用悬浮聚合法合成了 2 , 4 , 6-TN T 聚合物微球,对模板的去除率大于 99. 7 %, 对模板的吸附量每小时达到 150pg/g-M IP 。Kubo 等合成的印迹聚合物能选择性分离羟基多氯联苯的结构类似物 , 并用该聚合物直接从混合物中分离甲状腺激素的活性成分。利用 M IPs 的高选择性和亲和性, 能有效解决环境试样体系复杂 、预处理手续繁杂等难题 ,在环境痕量分析中发挥着重要作用。2.1.5 用于分离用于分离/富集金属离子富集金属离子最初的 MIPs 大都在有机溶剂中制备和应用,故离子印迹的发展受到限制。近年来,以重金属离子为模板的离
16、子印迹技术引起人们的兴趣。 Jiang 等用表面印迹法合成了新型 Ni( ) 离子印迹氨基硅胶吸附剂,并用于选择性萃取水中微量 Ni( )离子,用电感耦合等离子体原子发射光谱法( ICPAES) 测得印迹和非印迹吸附剂的吸附容量分别是 12. 61 和 4. 25 mg/g 。M IPs 对 Cu(), Co(),Zn(), Pb() 的相对选择性系数分别是 45. 99 ,32. 83 , 43. 79 和 28. 36 ; 方法的检出限为 0. 16 ng/mL ,相对标准偏差为 1.48 %。印迹聚合物对 Ni() 离子的选择性和吸附容量均大于相应的非印迹聚合物 ,可用于富集水样中痕量 Ni()。Gao 等以 Cu( ) 和 Cd( ) 离子为模板,表氯醇为交联剂,将功能化的大分子聚乙烯亚胺( PEI) 嫁接到硅胶微粒的表面,形成了化学键合的 PEI/SiO2 ,用表面分子印迹法制备的 Cu() 和 Cd()印迹材料 IIP-PEI/SiO2 对模板有更大的亲和力
