蛋白质与酶工程论文

《蛋白质与酶工程》课程论文

分子印迹技术的基本原理及应用

姓 名：尹韵琦

专 业：2011级生物科学

学 号：[1**********]

日 期：2013年6月

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，近年来，这项技术取得了重大的突破和进展，影响到社会多方面的领域。本文介绍了分子印迹技术的基本原理，综述了该技术在环境领域、农药残留检测应用、食品安全检测、药学应用的研究进展。 关键词:分子印迹技术，分子印迹聚合物，基本原理，研究进展

绪论：

分子印迹技术( molecular imprinting technique，MIT) 属于超分子化学范畴，是指以某一特定的目标分子为模板分子，制备对该分子具有特异选择性聚合物的过程，通常被描述为制备与识别“分子钥匙”的“人工锁”的技术。20世纪40年代Pauling在免疫学研究中提出抗体形成学说是分子印迹的起源，1949年Dickey制备硅胶吸附剂时提出“专一性吸附”理论是分子印迹的萌芽， 1977 年Wulff 等依据印迹分子和功能单体之间共价键相互作用，首次合成的分子印迹聚合物( molecular imprinting polymers，MIPs) 是分子印迹技术形成的标志，特别是1993年Vlatakis 等在Nature 上发表有关茶碱分子印迹聚合物的报道后，分子印迹聚合物以其通用性和惊人的立体专一识别性，越来越吸引科研工作者的兴趣。由于分子印迹聚合物具有亲和性并且选择性高，对外界恶劣环境( 高温、高压、强酸、强碱、有机试剂等) 耐受能力强，室温下贮存多年而识别能力无明显下降，稳定性好，使用寿命长，应用范围广等特点而逐渐受到人们青睐。近年来，分子印迹技术已广泛应用到环境保护、药物研发、生物技术、食品安全等领域，并将显示出广阔的应用前景。随着人们健康意识的增强，作为食品和环境中有机污染物之一的农药，其残留越来越受到人们的关注。目前国内外要求食品和环境中农药残留限量越来越低，因此迫切需要开发一种选择性好、灵敏度高、操作简单快速、成本低、高效可靠的检测技术以适应今后农药残留检测技术的发展; 而分子印迹技术的特点顺应了农药残留检测技术的发展趋势，在农药残留检测领域中将有广阔的应用前景。

一、 分子印迹技术的基本原理

分子印迹技术是将模板分子(印迹分子、目标分子)与交联剂在聚合物单体溶液中进行聚合得到固体介质,然后通过物理或化学方法洗脱除去介质中的模板分子,得到“印迹”有目标分子空间结构和结合位点的MIPs.可以设想:一系列功能单体在溶液中与模板分子相遇,它们之间可以通过氢键、静电作用、疏水作用以及其它非共价的相互作用,使这些功能分子彼此间以与模板分子结构相互补的有序状态而排布起来[1] :在功能单体和模板分子之间制备出共价的配合物或形成非共价的加成产物;对这种单体-模板配合物进行聚合;将模板分子从聚合物中除去.在第一步中,功能单体和模板分子之间可通过共价联结或通过处于相近位置的非共价联结而相互结合.第二步,配合物被冻结在高分子的三维网格内,而由功能单体所衍生的功能残基则按与模板互补方式而拓扑地布置于其中.在第三阶段,将模板分子从聚合物中除 去,于是在高聚物内,原来由模板分子所占有的空间形成了一个遗留的空腔.在合适的条件下,这一空腔可以满意地“记住”模板的结构﹑尺寸以及其它的物化性质,并能有效而有选择性地去键合模板(或类似物)的分子。

二、 分子印迹技术的特点

1. 预定性，即它可以根据不同的目的制备不同的MIPs，以满足各种不同的需要。

2. 识别性，即MIPS是按照模板分子定做的，可专一地识别印迹分子。

3. 实用性，即它可以与天然的生物分子识别系统如酶与底物、抗原与抗体、受体与激素相比拟，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长的使用寿命。

三、 分子印迹技术的研究进展

1. 环境领域的研究进展

分子印迹聚合物能够在复杂的体系中识别专门的化合物,具有很高的亲和性与选择性,并且具有抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长等特点,分子印迹技术在环境监测和废水处理领域的应用已经引起了环境工作者的广泛关注。

2. MIT在环境分析中的应用

1) MIPs 用作样品检测传感器

研究表明，MIPs 可作为水质检测传感器的敏感元件，通过研制成各种类型的耐受性强、成本低廉的分子印迹传感器，以实现对水质的快速定量检测[2]。利用MIPs 制作的化学传感器主要有电化学传感器和光化学传感器两种类型。

2) MIPs 膜分离

环境样品检测往往需要进行纯化与分离等预处理。MIPs 膜分离技术是利用MIPs膜对某一分子的高度选择性,将其从基质中吸附并分离出来,作为固相萃取剂其可简化环境样品分析时复杂的预处理手续,极大地方便了样品的采集、富集和分析。MIPs 膜可以对模板分子进行特异性吸附,具有通透量大、处理能力强的优点[3]。目前,MIPs 膜的应用主要有抗氧化剂的分离、水体中残留药物的分离、除草剂的富集分离、重金属离子的吸附分离等。

3) MIPs 固相萃取与色谱分析

固相萃取(Solid2Phase Extraction ,SPE) 是一个包括液相和固相的物理萃取过程[4]。MIPs 因其具有对分析物的特异吸附性且耐酸碱等恶劣环境的优点,可用作SPE柱[5]选择性富集目标分析物,分子印迹色谱技术是MIPs 最主要的用途之一。

4) MIT在废水处理中的应用

分子印迹吸附剂因其对目标分子选择性强、吸附速率快、吸附容量大、易脱附等优点而引起人们将其用于重金属废水处理的兴趣。将金属离子的配位作用引入分子印迹技术为重金属离子废水处理提供了一种新的方法。目前的研究主要集中在Ni 、Cu、Pb、Cr 、Fe 等离子的吸附处理。

3. 农药残留检测应用的研究进展

1) 分子印迹膜

目前农药残留检测最普遍使用的是气相色谱法和液相色谱法，它们对检测器的要求高，色谱柱制备困难，价格昂贵。气相色谱法只适用于易气化且气化后不发生分解的农药；液相色谱法的溶剂消耗量很大，且往往毒性较大[6]。另外，上述方法在检测前还都必须经过溶剂提取、净化、浓缩等繁琐且要求很高的预处理步骤。与此相比，分子印迹聚合物制备的分离膜制备方便，可有效降低对高灵敏度仪器的依赖程度，在农残检测方面具有突出优势。

2) 分子印迹固相萃取

传统固相萃取（solid phase extraction，SPE）的目标物与吸附剂之间的作用力是非特异性的，通常需对萃取和洗脱条件进行仔细选择，而且对不同基质的分离与分析物需要选择不同的柱填料，从而限制了SPE 的进一步发展。分子印迹聚合物独特的选择性和亲和力适应了这一要求，由于模板选择的多样性，使得分子印迹聚合物能广泛应用于各种物质的分离与分析过程，它对于目标物质的高度选择性也是普通SPE所不能比拟的[7]。分子印迹固相萃取材料用于环境样品和农用药品的富集是十分有效的。

3) 分子印迹传感器

以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器简称为分子印迹聚合物传感器。目前，以分子

印迹聚合物制成的传感器已经用于对氨基酸衍生物、吗啡、金属离子、除草剂、糖类、多环芳烃、核酸和氨基酸及其衍生物和神经性毒剂水解产物等的检测。

由于分子印迹聚合物的设计合成涉及模板分子性质、尺寸，以及功能单体、交联剂、溶剂、引发剂、引发方式、聚合时间等诸多因素，分子印迹聚合物的合成是一项复杂的研究工作，对其制备方法进行的优化也是非常困难的。此外，由于农药品种多，化学结构和性质各异，因此对农残检测技术有更高的要求。目前分子印迹聚合物大多只能在有机相中进行聚合和应用，如何能在水溶液或极性溶剂中进行制备和识别仍是一大难题。随着MIPs 研究的不断深入，将制备出含有多种印迹聚合物的敏感层，真正实现农药残留的实时、现场、动态、快速检测。

4. 食品安全检测应用的研究进展

目前应用于食品安全检测的技术手段或方法主要有： 化学方法、色谱法、酶法、免疫法、传感器法和生物检测方法等。这些方法都需要对样品进行预处理引起待检物的回收率低及特异性差等缺点。针对样品量大、成分复杂的情况上述方法不适合实际现场检测的需要而且存在检测成本高重现性不好或样品制备周期长等问题。在此背景下新的检测技术或样品预处理方法分子印迹技术(Molecular imprintingtechnology，MIT)应运而生。MIT 凭借其具有的特异结合性及耐受能力强，可重复使用次数多等优点，在食品安全检测领域得到了广泛的应用。但其理论和应用仍存在一些问题，如：结合位点的作用机理、传质机理[8]仍然不够清楚；制备MIP 过程中模板渗漏[8]现象难以得到根本解决； 由于合成MIP 的功能单体、交联剂种类有限，对模板分子的选择有一定的限制，使得分子印迹技术难以满足实际应用的需求。MIP 在水相体系中的应用及各种特殊功能单体、交联剂的开发合成有待于大量研究工作的开展。总之随着分子印迹聚合技术日臻完善，必将在食品安全检测中发挥更大的作用。

四、 MIT 在药物传递系统中的应用

在新型药物传递系统( DDS) 的设计上分子印迹技术具有巨大潜力, 尽管它在此领域的应用还处于初始的阶段, 但已倍受关注, 其给药方式亦可采用不同途径, 如口服、经眼、经

，皮给药等[910]。Hilt 和Byrne[11]认为MIP 与印迹分子之间有高亲合性,这种作用可以通过外

部条件的改变( 如pH、光、热等)精确控制, 选择生物相容性材料来印迹药物分子。然后通过外部条件的改变就可以实现药物分子的控制释放。为了充分发挥药效确保用药安全, DDS 必须具备调节药物的释放速率( 延迟或延缓释放)和或将药物靶向到特定部位的功能。

Alvarez Lorenzo 等[9]认为基于MIP 的DDS 可通过以下3种方式来控制药物的开始释放时间和/ 或药物的释放速率:(1) 速率程控释药, 即药物按某一特定的速率程序从体系中扩散出来, 属于常规DDS 释药方式; (2) 激活调控释药, 即药物的释放是由某些物理、化学或生化作用( 如pH、温度和酶等) 触发而引起的, 如结肠定位释药系统; (3) 反馈调节释药, 即药物的释放速率是由某种触发剂的浓度调节, 如某一生化物质, 它的浓度本身就依赖于体内药物浓度, 当触发剂浓度达到某一水平时, 药物开始释放, 而低于此水平时, 药物停止释放, 如葡萄糖调节胰岛素释放系统。另外, 如果给印迹聚合物偶联靶向分子, 那么药物分子还可在特定部位释放[12]。

Norell 等[13]在氯仿中以甲基丙烯酸为功能单体, 以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂.

采用非共价方式制备了茶碱印迹颗粒, 在pH 7.0 的缓冲液中能持续释药数小时。Allender 等将以甲基丙烯酸为功能单体制备了心得安MIP 用作经皮给药装置的赋形剂, 在水：乙醇（50：50）的介质中进行扩散实验, 结果表明含MIP 的给药装置释药速度明显低于含非MIP 的给药装置, 具有明显缓释效应。

Hiratani 和Alvarez Lorenzo[15,16]等 制备了噻吗心安( tim-olol) 分子印迹聚合物的眼内释药的软隐形镜, 在37℃ 的人工泪液中可持续释药10 h 以上。

Peppas[14] 等 运用γ-辐射法制备具有分子印迹的PEG星型聚合物, 通过MIP 的三维结构来控制药物的释放, 将其作为蛋白质类药物的DDS。

随着化学、生物学、材料学和分析技术的不断进步,MIT 将在药学领域发挥越来越大的作用。目前MIT 在药物分析中的应用较为成熟, 但在整个药学领域的应用研究方面MIT 还有许多课题值得进一步探索和研究。首先, 进一步从分子水平上弄清楚分子印迹和识别的过程, 定量地描述其机理, 提高MIP 制备的预知性和可控性; 其次, 如何保持MIP 的刚性与柔性的平衡, 使其适合于DDS; 第三, 如何在水相中合成MIP, 将分子印迹和识别过程从亲脂性药物拓展到亲水性药物; 第四, 将分子印迹研究领域从目前的小分子领域拓展到大分子领域, 如蛋白、核酸、多糖等, 甚至拓展到超分子水平的细胞与病毒的印迹。第五, MIP 的印迹药物分子不经洗脱或解离, 以及再装载过程, 而可将MIP 直接作为DDS。总之, 随着生物技术、电子技术、合成手段和现代分析检测手段的迅猛发展, MIP 的合成、表征方法和理论系统将日臻完善, 其在药学领域应用前景将更加深入。

参考文献

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