【《分子印迹技术概述》2600字】

分子印迹技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u10261分子印迹技术概述 1220801.1分子印迹技术的起源 1230681.2分子印迹技术的基本原理 1103371.3分子印迹聚合物的制备方法 21.1分子印迹技术的起源分子印迹技术(MolecularImprintingTechnology,MIT)是仿照抗原-抗体、酶-底物间特异性结合而发展起来的新技术，用于制备出具有识别性和吸附性的分子印迹聚合物(Molecularlyimprintedpolymers,MIPs)。“分子印迹”的概念最早可以追溯到1931年，前苏联科学家Polyakov利用模板效应制备出具有特殊吸附性能的硅胶材料，解释了选择性效应[1]。“专一性吸附”概念是由Dickey(1949)首次成功地在硅胶表面印迹三维空穴发展而来的，标志着分子印迹的萌芽，不过这一研究在很长一段时间内并没有引起注意[2]。直到1972年，Wulff首次实现了以可逆共价键方式制备MIPs，并将其应用于糖类化合物的识别[3]。随后在1993年，瑞典科学家Mosbach等人在《Nature》杂志上发表了关于非共价分子印迹技术成功制备的以茶碱作为模板的MIPs的报道，指出共价键作用并不是分子印迹过程作用力的唯一选择[4]。从此这项新技术得到人们的重视，并不断蓬勃发展成材料学、高分子化学、生物化学、化学工程及传感器等多门学科交叉的新兴领域之一。1.2分子印迹技术的基本原理分子印迹技术是一种预组装系统，即通过预先设计的结合位点制备MIPs的技术。整个制备过程主要分为四个步骤：（1）预组装过程：在致孔剂中添加模板和功能单体，使之充分溶解并发生反应，生成稳定的模板-单体复合物，并具有一定的刚性，其是成功进行分子识别的基础。（2）聚合过程：加入可由光、热、电等引发聚合的引发剂，利用化学交联反应聚合交联剂与复合物，获得具备一定机械性能的立体结构。（3）去除模板过程：选择合适的洗脱剂与方法，破坏模板分子与印迹聚合基质之间的作用，从而将模板分子去除。原作用点的位置就会留下具有特异性识别能力的三维印迹孔穴。（4）再聚合过程：将MIPs放置于存在模板分子的复杂基质中，由于其合成过程决定MIPs具有构效预定性和特异性识别能力，从而完成检测模板分子的任务。传统上，依据预组装过程中功能单体与模板之间化学键或相互作用力的方式差异可将分子印迹方法分成三类，主要是共价印迹法、非共价印迹法和半共价印迹法。共价印迹法由德国人Wullf团队[5]开发，即在聚合反应之前，通过可逆的共价键连接模板分子和功能单体，其中席夫碱[6]、缩醛酮[7]以及硼酸酯[8]等被常用于共价反应。由于共价键的作用力相对较强，因此制备的MIPs具有较高的稳定性和专一性。然而，正因为共价键的强作用力，使得模板分子与功能单体键合、解离速度相对较慢，导致很难完全去除模板，难以达到热力学平衡。因而共价印迹法的实际应用受到限制，发展比较缓慢。非共价法是由瑞典的Mosbach团队在前人众多开创性研究的基础上初次创建，即模板分子与功能单体以非共价键（如氢键、电场力、范德华作用力、金属螯合、疏水作用等）的方式进行结合形成具有数个作用位点的可逆复合物。这种方法的明显优势是操作过程简单，同时较弱的结合力使得模板分子能快速结合与去除，可在短时间内到达热力学平衡，是目前应用范围最广的制备MIPs的方法。但是，该方法存在一些缺陷，以此法制备的MIPs结合位点较弱，易受环境影响。另一方面，过量的功能单体导致非特异性吸附的增强，聚合物识别模板分子的特异性与专一性降低。新型的半共价印迹法则是将上述两种方法综合起来的一种“折中”方法。其特点是在制备过程中，模板分子和功能单体主要由共价键来维持；而当MIPs特异性吸附基质中的目标分子时，利用的则是非共价力。相较于前面两种技术，此法具有既稳定又识别快的优点[9]。1.3分子印迹聚合物的制备方法分子印迹聚合物应用范围广泛，众多物质都可被印迹，例如抗生素[10,11]、毒素[12]、激素[13]、蛋白质[14,15]、氨基酸、金属离子[16]、病毒、有机胺类和碳水化合物等。而制备MIPs的方法主要包括自由基聚合（连锁聚合机理）、溶胶-凝胶（逐步聚合机理）两大类。传统的自由基聚合包括本体聚合法、溶液聚法、悬浮聚合法和乳液聚合法等。目前新兴的自由基聚合（如表面印迹技术、沉淀聚合、原位聚合和活性/可控自由基聚合等）是最普遍和常用的方法。本文对于其中表面分子印迹技术和溶胶-凝胶法进行着重介绍。1.3.1表面分子印迹技术表面分子印迹技术（SurfaceMolecularImprintingTechnology,SMIT）是指以某些特定的材料作为载体，然后在其表面进行分子印迹的聚合，从而获得所需核-壳结构印迹材料的技术[17]，如图1.1。此方法形成的印迹位点位于壳层结构，不仅克服了模板分子洗脱不完全问题，而且由于识别位点位于聚合物表面这一优点，使得模板分子的迁移阻力减小，结合速度提高，有利于识别的高效性和高选择性。同时解决了因结合位点均匀性差而造成的吸附量低的问题，尤其适用于大分子目标物质的印迹，如蛋白质、细胞和病毒等。目前表面分子印迹技术可以大体分成两大类：传统表面印迹法和中空印迹法，其中传统表面印迹法与本论文密切相关，也是被应用最多的方法。采用传统表面分子印迹法制备MIPs，通常在表面活化的载体进行印迹，得到粒径大小均匀、机械强度高的球形颗粒。目前，制备核-壳型MIPs时通常使用γ-Fe2O3、Fe3O4、NiO、二氧化硅、碳纳米管、壳聚糖微球、镍和量子点等为核[18]。其中，以磁性Fe3O4纳米颗粒和量子点纳米粒子为核的表面分子印迹聚合物发展迅速，已经得到了广泛的应用。图1.1磁性分子印迹聚合物合成示意图[17]Fig1.1Schematicdiagramofthesynthesisofmagneticmolecularlyimprintedpolymer[17]1.3.2溶胶-凝胶法在溶胶-凝胶过程中，用含高化学活性组分的化合物作前驱体，例如无机物和金属醇盐，首先在溶液状态下进行水解，然后缩合成稳定透明的溶胶体系，在反应过程中溶胶粘度增大形成高度交联的凝胶。此方法结合分子印迹技术时，以烷氧基硅烷（如TMOS和TEOS）为前驱体，将目标物质引入到无机网格中，制备出交联度高、化学稳定性和热稳定性良好、比表面积大、结合位点多和刚性强度大的无机-有机型分子印迹聚合物。溶胶-凝胶法有很多显著的优点，反应条件温和，在常温下即可进行，使用水、乙醇等溶剂，对环境无污染，结果可控，操作简易等[19]。进而，溶胶-凝胶法因其优异的物理刚性、化学惰性、热稳定性和亲水性而被广泛应用于印迹聚合物的制备。如图1.2所示，Chen等[20]利用溶胶-凝胶法制备的聚合物具有较高的化学稳定性的特性，通过此方法将印迹壳接枝在氨基修饰的Fe3O4纳米颗粒表面。然而，大部分有机硅烷只能在有机溶剂中溶解，这限制了溶胶-凝胶法制备蛋白质MIPs。因此，此课题组采用一种新型的表面活性剂介导的溶胶-凝胶法体系构建印迹聚合物层，其中MPS作为单体，含有表面活性剂的溶剂作为水解体系。在该反应体系中，MPS可以在表面活性剂溶液下快速水解，形成均匀溶液进行后续聚合。将pH值调整到弱碱性后，通过溶胶-凝胶法将印迹聚合物层接枝到纳米Fe3O4表面。去除模板后，