第29卷

    2001年7月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究报告

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第7期

    836～844

    评述与进展

    分子印迹技术的回顾、现状与展望

    赖家平 何锡文3

    郭洪声 梁 宏

    (南开大学化学系 ,天津 300071) (广西师范大学化学及生命科学学院 桂林 541004)

    摘 要 分子印迹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边

    缘学科分支。分子印迹聚合物由于具有与天然抗体同样的识别性能和与高分子同样的抗腐蚀性能的双重优点 ,因而广

    泛应用于生物工程、临床医学、环境监测、食品工业等众多领域。本文回顾了分子印迹技术近十多年来的发展过程 ,总结

    了目前的研究现状 ,并展望了分子印迹技术未来的发展趋势。本文共收录文献138篇。

    关键词 分子印迹技术 ,分子印迹聚合物 ,分子识别 ,评述

    2000207227收稿;2000210221接受

    本文系国家自然科学基金(29775011) 、天津市自然科学基金(003602211)和广西壮族自治区教育厅科研基金资助课题

    1 引 言

    分子印迹技术(Molecular Imprinting Technique , MIT)

    〔 1〕 自 20 世纪 70 年代以来发展十分迅猛。特别

    是1993年Mosbach等〔 2〕 在《Nature》上发表有关茶碱分子印迹聚合物(Molecular Imprinted Polymers , MIPs)

    的报道后 ,每年公开发表的论文数几乎直线上升。如1992年为12篇 ,而1999年估计为150篇左右。据

    Mossbach的报道〔 4〕,截止1998年底 ,公开发表有关MIT的论文超过 500 篇。而 1997 年成立的分子印迹

    协会(Society of Molecular Imprinting , SMI )的统计表明〔 3〕,全世界至少有 100 个以上的学术机构和企事业

    团体在从事MIPs的研究及开发工作。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、中国等十多个国家。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。MIT之所以发展如此迅速 ,主要是因为它有三大特点:

    即预定性(predetermination) 、识别性( recognition)和实用性(practicability) 。由于 MIPs 具有抗恶劣环境的

    能力 ,表现出高度的稳定性和长的使用寿命等优点 ,因此 ,它在许多领域 ,如色谱中对映体和异构体的分

    离、固相萃取、化学仿生传感器、模拟酶催化、临床药物分析、膜分离技术等领域展现了良好的应用前

    景〔 4～9〕。近年来 ,已有一些文献介绍了这方面的理论和最新研究成果〔 7～15〕。本文收集了近十多年来有

    关分子印迹技术的文献138篇。通过对这些文献的回顾 ,对MIPs 识别机理、表征方法和应用现状作了

    比较全面的评述 ,并对该领域未来的发展方向作出展望 ,旨在引起国内分析化学工作者对该领域研究的

    关注 ,以便更快地赶上国际先进水平。

    2 分子印迹的理论及机理研究

    2. 1 分子预组装过程 ———共价键结合作用

    人们使用的共价结合作用的物质包括硼酸酯、席夫碱、缩醛酮、酯和螯合物等。其中最具代表性的

    是硼酸酯。其优点是能够生成相当稳定的三角形的硼酸酯 ,而在碱性水溶液中或在有氮(NH3、哌啶)存

    在下则生成四角形的硼酸酯。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〔 16〕。在空穴中若含有两个硼酸基团的MIPs , 用于拆分印迹分子的外消旋体时呈现出很高的

    选择性〔 17 ,18〕。但是 ,并不是结合位点(binding sites) 越多 ,其选择性越高。研究结果表明 ,3 个硼酸基

    团〔 19〕、 3种不同的共价键结合作用或 3 种以上的非共价键结合作用〔 20〕 均导致较低的分离能力 ,其主要原因是这类MIPs的结合位点与印迹分子之间的结合速度很慢之故。采用席夫碱的共价键作用也进行

    了广泛的研究〔 21〕。Shea 等〔 22〕 利用缩酮引入结合基团 ,羰基基团之间不同距离的二酮用可聚合的二醇

    处理 ,然后除去印迹分子所得的MIPs当用二酮重新处理时对其原来的印迹分子有很高的选择性。

    2. 2 分子自组装过程 ———非共价键结合作用

    常用的非共价作用有:氢键、静电引力、金属螯合作用、电荷转移、疏水作用以及范德华力等。而利

    用最多的非共价作用是氢键 ,但如果在印迹和后续的分离过程中只有氢键一种作用时 ,其拆分外消旋体

    的效果不佳;而如果在印迹过程中既有氢键 ,又有其他的结合位点时 ,其拆分外消旋体的分离系数α值

    很高〔 23〕。Sellergren就静电作用对选择性的影响作了详细的研究〔 24〕,当只有一种静电作用时 ,获得的

    MIPs的选择性降低〔 25〕。而将静电作用与共价作用结合起来 ,其选择性比单个共价作用的选择性好得

    多。也有人使用强度小且无方向性的范德华力来形成复合物〔 26〕,其分子识别过程接近天然的分子识别

    系统。Fujii 等〔 27〕 首次使用金属配基结合作用制得金属配位 MIPs。其拆分外消旋体的α很高。Arnold

    等〔 28〕 详细研究了含咪唑的化合物与 Cu2 +

    的结合作用。Kempe 等在研究手性分离是用非共价或非离子

    作用的MIPs时 ,考察了水对分子识别的影响 ,并研究了氢键和疏水性在手性分离中所起的作用〔 29〕。而

    Dauwe 等在研究三嗪类农药的MIPs时〔 30〕,发现在水含量较少的流动相中 ,MIPs的选择性随印迹分子的

    碱性增加而增加 ,与印迹分子的疏水性无关。而在水含量较多的流动相中 ,其选择性同印迹分子的疏水

    性有关。总之 ,非共价作用的种类较多 ,在制备MIPs及其后续过程中 ,使用单一的一种作用制得的MIPs

    的选择性较低 ,而使用多种作用相互结合才使制得的 MIPs 具有较高的选择性和分离能力。Whitcombe

    甚至巧妙地将共价作用和非共价作用结合起来制备MIPs

    〔 31〕。

    2. 3 分子印迹过程的理论探讨

    分子印迹技术的理论及定量描述 ,文献报道不多。但也有不少人在这方面作了一些有益的尝试。

    Nicholls认为〔 32〕,MIPs与模板(配体)分子之间的识别受热力学定律控制 ,配体(ligand)与受体( receptor)

    之间形成复合物的自由能改变由下式计算:

    Gbind = Gt + r + Gr + Gh + Gvib + Gp + Gconf + Gvdw

    式中 Gbind是形成复合物时 Gibbs自由能的改变; Gt + r是分子位移自由转动时损失的自由能; Gr 是分子内

    旋被“冻结” (frozen)时损失的自由能; Gh 是疏水性相互作用获得的自由能; Gvib是基团振动方式自由能;

    Gp 是偶极基团相互作用总的自由能的贡献; Gconf是由构型变化引起的自由能改变; Gvdw是由非范德华

    力相互作用损失的自由能。Lin等将MIPs 用于填充毛细管电色谱〔 33〕,并计算了手性分离过程的ΔΔH0

    和ΔΔS

    0。Sellergren等〔 34〕 的研究发现印迹分子色谱峰的不对称因子与进样量有很大关系而与流速基本

    无关 ,并由此推断 ,非线性的等温吸附曲线是该系统谱带展宽的主要原因。他们还进一步研究了对映体

    在MIPs上质量传递的热力学和动力学性质〔 35〕 ......