金属离子印记技术研究进展.doc

326 化学通报 2010年第4期 金属离子印迹技术研究进展朱琳琰1张荣华2朱志良1*(1同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室;2同济大学化学系 上海 200092) 分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology，MIT)是一种制备对某一特定分子(模板分子或印迹分子)具有选择性识别能力的新型聚合物的过程，通常可以描述为制造识别“分子钥匙”的人工锁技术。20世纪40年代，Pauling1提出了以抗原作为一种模板产生抗体的理论，虽然此理论被后来的克隆选择说所否定，但是模板理论成为分子印迹技术的雏形。1972年Wuff等2成功制备出了分子印迹聚合物(Molecular Imprinting Polymer，MIP)，1993年Mosbach等3在Nature上发表了关于茶碱印迹分子聚合物的文章，为分子印迹技术研究领域打开了一扇大门，并引发了国际上分子印迹聚合物研究的热潮。作为分子印迹技术的一个重要发展方向，就是如何实现水溶性分子、金属离子的水相分子印迹和识别，由于生命体系中的分子识别以及自然界的众多过程都是在水相中进行的，并与金属离子密切相关，因此金属离子有关的分子印迹技术的发展对于环境科学和生命科学的发展具有重要的学术和应用价值。金属离子有关的印迹技术发展属于分子印迹技术中的前沿内容，许多研究至今还处于初步阶段。在金属离子分子印迹技术中，有两类内容得到较多关注，一类是以金属离子作为模板的离子印迹技术;另一类是利用金属离子与生物分子的配位作用促进和实现的生物大分子的分子印迹技术。目前为止，已经成功制备出了以Ni2+、Cu2+、Cd2+、Zn2+等多种金属离子为模板分子的金属离子印迹聚合物47。此外，利用生物或药物分子与金属离子的配位结合具有高度的专一性和温和结合及断裂条件的特点，将金属离子的配位作用应用于生物大分子印迹，有可能解决多年来生物大分子印迹中的诸多问题。1 金属离子印迹技术的基本原理 按照模板分子与功能单体聚合的作用力，传统的分子印迹技术可以分为非共价型和共价型两种。共价型MIP中，虽然模板分子与功能单体之间作用力专一，形成的复合物稳定性高，但是在识别过程中动力学过程缓慢，解离条件苛刻;采用非共价键结合的MIP的模板分子与功能单体复合物结构不稳定，而且非特异性吸附多。金属离子的分子印迹技术中，模板分子(离子)与功能单体之间是通过金属与配体原子间的螯合作用相结合的，金属与配体之间的配位作用相对非共价键有足够的稳定性，同时又可以通过环境条件的改变，来控制配位键的结合与断裂速度。金属离子一方面可以把自身作为模板，利用其与功能单体配位原子之间的配位作用实现金属离子自身的印迹(图式1);另一方面，可以利用金属离子作为功能单体 化学通报 2010年第4期 327的组成部分，促成能与金属离子形成配位键的分子(如生物大分子)的印迹(图式2)。在水相体系中，从强度、专一性、方向性来看，金属离子的螯合作用相对于氢键或者静电作用更像是共价型结合作用8，这种特质使得金属离子与生物分子作用时能够形成相对稳定并具高度专一性的结合位点。同时，金属螯合作用又是一种在一定条件下可逆的价键作用力，这样使得金属离子与生物分子能够在温和的条件下结合或者断裂，可以用于促进生物分子的分子印迹。生物分子印迹聚合过程中，可利用金属离子先与功能单体结合成为金属配合物，再与生物分子进行印迹聚合，最后洗脱生物分子得到大分子印迹聚合物。Bereli等9将N-甲基丙烯基-(L)-组氨酸甲酯与Cu2+结合成配合物，然后再与溶解酵素(Lyz)印迹得到了Lyz-MIP。实验结果表明，它对于Lyz/牛血清蛋白和Lyz/细胞色素C的选择系数是空白分子印迹聚合物(NIP)的4.6倍和3.2倍。除了实现生物分子印迹之外，金属离子还可以起到功能单体与水相中其它模板分子的架桥作用，利用金属配位(螯合)作用对水相中的无机离子进行印迹。Say等10将功能单体甲基丙烯基组氨酸(MAH)与Ni(II)结合成复合功能单体，再与水溶液中的CN印迹成MAH-Ni(II)-CN分子印迹微球，即使在SCN、S2、Cl、NO3和SO42存在的情况下，它也能检测出CN。2 金属离子印迹聚合物的制备与金属离子有关的印迹聚合物的制备过程与一般MIP基本相同。Nishide等11以Cu2+、Fe3+、Co2+、Zn2+、Ni2+和Hg2+等重金属离子为模板分子，通过与4-乙烯基吡啶交联聚合，成功制备了金属离子印迹聚合物。2.1 模板分子(离子)与功能单体的选择过渡金属离子、重金属离子以及金属配合物如Cu2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Fe3+、Pb2+、镧系元素、对乙烯基苯甲酸与Pb2+的络合物等12，都已经被用作为模板分子而成功制备出了金属离子印迹聚合物。金属离子印迹聚合中最广泛使用的功能单体是丙烯酸、甲基丙烯酸和乙烯基苯甲酸等羧酸类化合物;硼酸类化合物;以及乙烯基吡啶、乙烯基咪唑等杂环弱碱类化合物。此外，在金属离子印迹聚合物中，与金属离子能够产生螯合作用的功能基团主要有氨基、羟基等，因此，苯胺、酪胺、苯酚等能够与金属离子形成多种结合作用的芳香化合物常被选择为与金属离子有关的分子印迹中的功能单体。Cui等13采用苯胺作为功能单体，分别制备了Cu(II)、Ni(II)和Fe(III)的MIP，它们都具有很好的选择性。Zhai等7以Zn()离子为模板分子，以2，2-联吡啶与4-乙烯基吡啶为功能单体，以聚偏氟乙烯膜为支撑膜，聚合出了Zn()-(2，2-联吡啶)分子印迹膜，其中Zn2+分子印迹聚合物的印迹过程是典型的金属离子印迹的过程。此外，还有许多关于金属离子的分子印迹技术中功能单体选用的研究。Yoshida等14制备了3种新型功能单体:二磷酸二苯基十二烷基酯(DDDPA)、二磷酸十二烷基酯(n-DDP)、二油酰基磷酸(DOLPA)，并且采用表面印迹水/油/水乳液聚合制备了Zn2+离子印迹聚合物。通过对3种不同功能单体制备的离子印迹聚合物性能的对比，总结了选择用于制备金属离子印迹聚合物的功能单体的328 化学通报 2010年第4期 条件:长碳链能够保证较高的表面活性;苯环的存在能够保证结合位点的刚性;有机磷功能基团具有较高的结合强度，能够保证高吸附率和选择性。满足上述3个条件，能够得到较好的表面印迹金属离子的效果。2.2 制备方法2.2.1 本体聚合 在分子印迹聚合物的制备中，本体聚合是目前应用最广泛、最成熟和通用的方法。在此方法中，把印迹分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶于惰性溶剂中进行聚合，得到块状聚合物。早期的金属离子印迹聚合物多为本体聚合所制备，但是本体聚合的MIPs存在着结合位点不一、动力学性能差、后处理繁琐且处理损失高达50%等问题15。因此，后来的更多研究集中在其它印迹方式上。2.2.2 表面印迹方法 表面印迹方式通过把结合位点统一建立在具有良好可接近性的表面上，以解决由传统本体聚合所获得的MIPs粒子当中结合位点不均一、可接近性差、识别动力学慢等一系列问题16。这种技术目前被广泛应用于金属离子印迹聚合物的制备中。Huo等17将壳聚糖与Ag+形成复合物，然后利用表面印迹技术在菌丝表面聚合成Ag+分子印迹聚合物，用于处理废水中的Ag+污染研究。在蛋白质印迹中，利用金属螯合作用的表面印迹方法是目前比较成功的方法。Kempe等18在Cu2+和核糖核酸酶A存在下，利用金属螯合作用让单体在甲基丙烯酸衍生化的硅胶颗粒上进行聚合，然后用EDTA和尿素去除印迹蛋白质。2.2.3 乳液聚合和悬浮聚合 乳液聚合和悬浮聚合都是用于制备金属离子印迹微球的基本方法。悬浮聚合是将聚合所用单体溶于有机溶剂，在溶有稳定剂的水或其它强极性溶剂中高速搅拌形成悬浊液，加入引发剂后，进行引发聚合，从而获得球形的聚合物。乳液聚合是将模板分子、功能单体、交联剂溶于有机溶剂中，然后将此溶液转入水中(通常加入一定量的表面活性剂)，搅拌乳化，然后加入引发剂，交联聚合就可得到粒径较为均一的球形聚合物。Uezu等19以带有两个长链烷基为疏水端的二烯基磷酸为反应性主体表面活性剂，以二乙烯苯为交联剂，制备了Zn2+印迹微球，粒子的粒度可控制在10100nm，因而在工业上很有潜在应用价值。2.2.4 溶胶-凝胶法 分子印迹溶胶-凝胶法是利用溶胶-凝胶过程，将模板分子引入溶胶-凝胶复合物中，使其能与其它分子或者周围的物理环境形成结合位点，并且这些结合位点可以通过适当的光学条件来控制20。利用溶胶-凝胶法制备的分子印迹聚合物可以是一种刚性玻璃状材料，具有良好的透光性、多孔性和化学稳定性。Dai等21，22先将模板分子Cu2+结合到溶胶-凝胶的前驱体3-(2-氨基乙氨基)丙基三甲氧基硅烷(AAPTS)上，生成Cu(AAPTS)22+配合物，再与四乙氧基硅烷(TEOS)共聚，除去模板(Cu2+)后，得到了离子印迹聚合物。3 金属离子印迹技术在环境及生物医药领域的应用3.1 在环境分析中的应用金属离子印迹技术在环境分析中具有广泛的应用前景，在固相萃取、色谱分析、膜分离、生物传感器中的应用已经有了许多相关研究。1994年，Sellergren23首次报道了在固相萃取(SPE)中使用MIP材料，此 化学通报 2010年第4期 329后分子印迹技术陆续广泛地应用于SPE技术中，并称之为分子印迹固相萃取(Molecularly Imprinted Solid-phase Extraction，MISPE)。金属离子印迹技术在固相萃取中应用的研究得到了许多关注，Esen等24制备了以Pb2+为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体的离子印迹聚合物，并用它作为SPE的固定相。结果表明，虽然Pb2+印迹聚合物的吸附容量较低，可是，相对于Cd2+、Ni2+和Cu2+，它有着很高的选择性。MIPs作为液相色谱的固定相具有较高的选择性，并且已经被应用于药物、氨基酸及其衍生物等的手性分离。Candan等6以Cd2+为模板离子，在磁铁矿Fe3O4纳米微粒存在的条件下，采用悬浮聚合方法成功聚合出了镉离子磁性印迹聚合物微球(mPHEMAC-Cd2+)。将其填充入色谱柱中，最大吸附容量可达48.8mol/g，相对选择性在Cd/Pb和Cd/Zn中比没有印迹的聚合物高2.6和160.7倍。分子印迹膜分离技术是利用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的技术。MIPs膜不仅对目标分子吸附的选择性和容量均很高，而且具有处理量大、易放大的特点25。Araki等26首次将表面印迹技术应用于金属离子的印迹膜制备中。他们以聚四氟乙烯膜为支撑膜，采用表面印迹方式在支撑膜上聚合出一层Zn(II)离子印迹聚合物。该金属离子印迹膜对Zn(II)显示了良好的选择性和渗透性。分子(离子)印迹聚合物具有亲和性和选择性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应用范围广等优点，也被称为“塑料抗体”或“人工抗体”27，28。因此，分子(离子)印迹聚合物有可能取代传统的生物活性材料，成为新型的水质传感器敏感元件，研制成各种类型的耐受性高、成本低的水质传感器。Jenkins等29以苯乙烯为功能单体、二乙烯基苯为交联剂、偶氮异丁腈为致孔剂，制备了EA2192、维埃克斯(VX)、沙林(Sarin，GB)、梭曼(Soman，GD)等多种神经毒剂的分子印迹聚合物，并以镧系元素铕(Eu3+)作为换能器，研制了可检测水中神经性毒剂及其水解产物的传感器。3.2 在生物医药领域的应用金属螯合作用在生物大分子、药物的印迹过程中起到了重要的作用，因此许多关于金属离子印迹技术在生物医药方面应用的研究已经展开。金属离子印迹技术在生物分子印迹中的应用是近年来研究的热点，尤其是对蛋白质分子的印迹。Papaioannou等30在Ni(II)-NTA(次氮基三乙酸)存在的条件下，以丙烯酰胺和N，N-亚甲基二丙烯酰胺为功能单体，制备了缩胆囊五肽(CCK-5)分子印迹聚合物，并且用Mg2+、Fe2+、Zn2+、Co2+和Cu2+分别替代Ni2+。研究表明，在肽的分子印迹过程中，加入合适的金属离子能加强肽的结合位点强度。Diltemiz等31将甲基丙烯基氨基组氨酸(MAH)与Pt(II)聚合成复合功能单体MAH-Pt(II)，然后再与模板分子DNA中的鸟苷聚合形成分子印迹聚合物。Xi等32首先将壳聚糖(GTS)和聚乙二醇(PEG)在SiO2颗粒表面聚合，然后再利用螯合作用将Cu2+结合到小球表面，得到了具有印迹功能的微球。他们利用该印迹微球分别对牛血清蛋白和胰岛素进行吸附实验，其最高吸附容量分别高达192mg和5000IU/g GTS。Andac等33以Hg2+为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体，由悬浮聚合制备了Hg2+分子印迹微球，用于吸附人类血浆中的Hg2+，最高吸附容量为0.45mg 330 化学通报 2010年第4期 Hg2+/g微球，而且对Zn2+和Cd2+也有很高的选择吸附性。Sumi等34把金属离子分子印迹技术应用于一种含金属药物的印迹中。他们以水杨酸铜为模板分子、4-乙烯基吡啶和丙烯酸2-羟甲酯为复合功能单体，制备出了金属离子印迹聚合物。4 结语金属离子印迹技术目前主要包括两类，一是以金属离子自身作为模板离子，利用其与功能单体配位原子之间的配位作用实现金属离子自身的印迹;另一类是利用金属离子作为功能单体的组成部分，促成能与金属离子形成配位键的分子(如生物大分子)的印迹，可解决生物大分子在水相体系中难于进行分子印迹的问题。离子印迹聚合物的制备方法与分子印迹聚合物基本相同，包括本体聚合、表面离子印迹、乳液聚合、悬浮聚合、溶胶凝胶法等，其中表面印迹和悬浮聚合受到较多关注。虽然目前金属离子有关的印迹技术已经有了很大的进展，但同时也遇到了不少困难和问题:(1)目前研究较多的金属为Cu、Ni、Co和Zn等，而Pb、Cd、Cr、Hg、As这些对环境和人体有显著危害作业的重金属的金属离子印迹相关研究还比较少;(2)目前的金属离子印迹技术研究基本局限于金属阳离子，对于阴离子类印迹的相关研究甚少;(3)在蛋白质等的印迹过程中，金属离子一般只能应用于含有裸露组氨酸基的蛋白质，这一点使得金属离子的印迹技术在蛋白质印迹中的应用受到了一定限制。随着分子印迹技术理论和技术的发展及研究手段的不断进步，上述问题将会得到不断的解决，可以预见，金属离子印迹技术在环境、医学、生命科学和材料科学等领域都将会得到更多的重视和广泛的应用。参考文献1L Pauling.J.Am.Chem.Soc.，1940，62:26432657.2G Wulff，A Sarhan.Angew.Chem.Int.Ed.，1972，11:341344.3L I Anderson，R Muller，K Mosbach et al.Nature，1993，361(6413):645647.4H Su，Y Zhao，J Li et al.Proc.Biochem.，2006，41:14221426.5R Say，E Birlik，A Ersz et al.Anal.Chim.Acta，2003，480:251258.6N Candan，N Tzmen，M Andac et al.Mater.Sci.Eng.C，2009，29:144152.7Y Zhai，Y Liu，X Chang et al.React.Funct.Polym.，2008，68:284291.8P K Dhal，F H Arnold.Macromolecules，1992，25:70517059.9N 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