分子印跡聚合物在電化學傳感器中的應用

在漫長的生物進化過程中，分子識別發(fā)揮著特殊重要 的作用。所謂分子識別就是指在復雜的混合體系中，依靠 具有形狀、大小和化學功能基與客體分子互補的主體分子 對客體分子的區(qū)別和結合。選擇性是分子識別的重要特征， 它是從分子水平研究酶反應、信息傳遞以及在不同介質間 的能量傳遞等生物現(xiàn)象的重要化學概念。 化學或生物傳感器是由分子識別元件和信號轉換器 (如電極、光極、場效應晶體管、壓電晶體、熱敏電阻等) 所組成。通常為了獲得最大的響應和最小的干擾，或便于 重復使用，將識別元件以膜的形式通過適當?shù)姆绞焦潭ㄔ?轉換器表面。當前，傳感器開發(fā)研究的重點是研究具有分 子識別功能的敏感膜，該膜應可從復雜的體系中選擇性識 別并結合待測物質，從而使信號轉換器產生可讀取的信號。 目前化學傳感器常用的識別材料有環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚 等。杯芳烴等材料設計復雜，需嚴格的合成技術，選擇性 沒有預定性，必須通過大量實驗來確定可識別的物質，而 生物傳感器所用的生物物質。如酶、受體、抗體等分子識 別元件，這些物質往往不易長期保存。且操作穩(wěn)定性差， 使以其為敏感材料制成的傳感器面臨著長期穩(wěn)定性、惡劣 化學環(huán)境耐受性等方面的嚴重挑戰(zhàn)，這在很大程度上限制 了生物傳感器的應用發(fā)展。轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機|

1 分子印跡技術及分子印跡聚合物作為傳感器識別元件的 特點 分子印跡技術(Molecular Imprinting Technique，MIT)， 也叫分子模板技術(Molecular Template Technique，MTT) 【基金項目】武警部隊后勤科研項目(WKH2004—2)；武警醫(yī)學院 大學生基金課題(WYD2004—2) 【收稿日期】2005—06—02；【修回B期】2005—09—24 【作者簡介】劉兵(1983一)，男，籍貫安徽馬鞍山，本科在讀生， 主要進行藥物分析實驗。 攀c_： 41-2生 蟹；．~濂7-1iit ． ● ■ ●} 是制備對特定目標分子(模板分子或印跡分子)具有特異 預定選擇性的高分子化合物一分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)的技術。該技術一般包含以下3 個步驟： (1)在一定溶劑(也稱致孔劑，一般為非極性或 弱極性的有機溶劑)中，模板分子與功能單體通過官能團 之間的共價或超分子作用形成主客體配合物；(2)在大量 交聯(lián)劑存在的情況下通過光或熱引發(fā)聚合，使主客體配合 物與交聯(lián)劑通過自由基共聚合在模板分子周圍形成高交聯(lián) 的剛性聚合物； (3)洗去模板分子，聚合物中便留下了與 模板分子的大小和形狀相匹配的立體孔穴，同時孔穴中含 有精確排列的，與模板分子的官能團相互補的，由功能單 體提供的功能基團。印跡過程如圖1，識別機理如圖2。 pclymerise與生物識別元件相比，分子印跡聚合物具有很多優(yōu)點： (1)分子印跡聚合物對各種不同的化合物(包括生物、醫(yī) 藥、環(huán)境、工業(yè)等方面)都顯示出良好的專一性；(2)分 子印跡聚合物的穩(wěn)定性好，在室溫干燥環(huán)境中可保存數(shù)年， 在水中保存4 w以上不會影響其性質[1,2]。用酸性、堿性、 金屬離子及其它多種溶液處理不會降低其識別特性。能耐 受一定的機械強度、高溫及高壓 2；(3)分子印跡聚合物 針對性很強，它對于模板分子而言是量身定做的(tailormade)， 而且理論上對任何一個分子均可制備相應的印跡聚 合物。對于某些小分子如藥物來說，制備其印跡聚合物是 相當簡單和省時的，而要獲得合適的生物識別分子通常十 分困難；(4)分子印跡技術完全是化學合成過程，可避免 使用動物；(5)生物分子識別系統(tǒng)由于不易建立批量生產 工藝，所以價格昂貴，而分子印跡聚合物則費用低，容易 建立大規(guī)模生產。由此可見，將分子印跡聚合物用作傳感 器的分子識別元件無論是從人道，還是從經濟等各方面來 考慮均有可取之處。

2 分子印跡技術在電化學傳感器中的應用 目前，分子印跡模擬傳感器可分為電化學、光化學、 壓電和表面聲波等類別。 電化學傳感器按其作用原理不同可分為電位型、電流 型、電導型、電容型、直流電阻型、場效應晶體管型和屏 蔽印跡電極型傳感器

3。用電流型分子印跡聚合物傳感器 檢測嗎啡，檢測范圍為0．1～10 mg／L。該傳感器最大的特 色是適于苛刻的化學檢測環(huán)境。最早將MIP膜用于電導傳 感器，檢測除草劑莠去津(atrazine)，隨著底物濃度的增 加，電導率降低。Piletskv等將MIP膜用于電導傳感器，用 來定性檢測核苷酸、氨基酸和除草劑。1年之后，通過改 進，他們將莠去津的印跡聚合物膜制成電導傳感器，檢測 溶液中莠去津的線性范圍為O．O1～O．05 mg／L，響應時間 為30 min[ 。而以苯基丙氨酸、6．氨基．
1．丙基尿嘧啶、莠 去津、唾液酸為印跡分子制備的分子印跡聚合物膜電導傳 感器，其檢測溶液中印跡分子的濃度為1～50~mol／L[5l。 最近，他們通過進一步改進，制成了一種對atrazine敏感的 傳感器，其檢測限可達到5 nmol／L，響應時間視其膜的厚 度不同縮短到6～15 min，其使用壽命長達6 m之久【 。 Reo Shoji等【 J在4℃的冷條件下用光聚合的方法在Pt電極 的表面合成了莠去津分子印跡聚合物，其響應時間在1O min以內，其電流響應范圍是1～10~mol／L，通過在不同 的pH之下的試驗，發(fā)現(xiàn)其合適pH范圍為3～9。此外， Reo Shoji等人將侮津(simazine)和MCC等與其結構相似 的物質放在莠去津溶液中，對其選擇性進行研究發(fā)現(xiàn)電流 的減少量比莠去津小得多，其中侮津的影響最大，電流減 少量是莠去津的28％。該傳感器的使用壽命與重復性較差， 并發(fā)現(xiàn)使用壽命、重復性與MIP膜的厚度及電極的結構有 關，分子層越厚在溶液中MIP就越容易變形。 TatianaPanasyuk．Delaney等【 J用嫁接光聚合法合成了 肌酸酐分子印跡聚合物，用電容型化學傳感器測定模板分 子時，響應的上升時間僅需2 min，其使用壽命可達6 m。 其選擇性也非常高，在對葡萄糖與尿素的混合溶液中進行 的結合試驗中，未發(fā)現(xiàn)與葡萄糖和尿素分子的結合，甚至 在其中加入1 L人血白蛋白后沒有任何的電容反應，其 選擇性已超過了當前的臨床檢測方法，其檢測限可達到1O ttmol／L，可用于臨床檢測。M．C．Blanco-Lo pez等【 J應用 光聚合以Methacrylic acid(MAA)為功能單體，乙腈為致孔 劑，EDMA為交聯(lián)劑合成vanillyrlmandehc acid(VMA)的分 子印跡聚合物，用伏安法對模板分子進行檢測，它的檢測 限達到了10～ molZL，線形范圍在19～350 m ml之間。 將傳感器放在與vaniUylmandehc acid結構相似的4種物質 (HGA，DOPAC，MHPG，HVA)溶液中，發(fā)現(xiàn)4種物質均 對其有影響(化合物的結構如下式)。 0H Vanllylmandefcacid(VMA) C。 H20H CH0H 0CH3 0H H0 0H 0H 3．4一dihydroxyphenilacelic acid 2,5一dihydroxyphenilacetic acid (DOPAC) Homogertistic acid．(HGA) HGA和DOPAC可以被電極的玻璃部分吸附從而影響 其精密度，而對MHPG的少量吸附使得傳感器的電流有非 常小的影響，HVA也有少量吸附。該傳感器的使用壽命也 相當可觀，可以進行洗滌，結合，測量操縱20～3O次，并 且容易制造，有相當可觀的實際應用價值。Koji Sode等l10_ 將類似印跡分子合成技術合成了fructosylamine的分子印跡 聚合物，并制作了電流型傳感器，展示了巨大的潛力。兩 年之后他們改進技術，用m．val為模板分子合成了分子印跡 聚合物，并利用m．val與Fru．va1分子結構的相似性，將其作為識別Fru-val的敏感材料，并用同樣的方法用m-~-lys為 模板分子合成分子印跡聚合物，將其作為識別Fru-o-lys的 敏感材料，識別Fru-o-lys的機理見下式。分別將兩聚合物 與含碳糊狀物，石蠟混合于電極表面制作成電流型傳感器， 用于檢測fructosylamine分子 。 H 一N H 8ooq 一CH2 CH~ H2 (g) }bN (a)m-val，(b)、(d)兩種功能單體；(C)交聯(lián)劑， (e)Fru-val，(f)m-~lys。(g)Fru-~lys． 3 結語 縱觀分子印跡聚合物的研究發(fā)展和成就，從液相色譜 和毛細管電泳電色譜固定相材料，選擇性催化劑到人造受 體，化學傳感器的應用以及分子印跡技術的形成與發(fā)展， 反映了分子印跡技術是集高分子合成、物化分子設計、分 析的分離和測試、生物和醫(yī)藥等眾多相關學科的優(yōu)勢，相 互滲透而發(fā)展起來的邊緣新課題。 展望未來，分子印跡技術的發(fā)展趨勢可能有如下幾個 方面：(1)分子印跡和識別過程的機理將從目前的定性和 半定量描述向完全定量描述發(fā)展，從分子水平上真正弄清 楚印跡和識別過程，包括各種過渡態(tài)以及MIP的形態(tài)、價 態(tài)和構象等問題。只有這樣才能真正從分子水平上去控制 MIP的制備和識別過程； (2)為了迎合不同的模板分子和 不同的應用目的，有必要建立一套方法來優(yōu)化選擇何種功 能單體、交聯(lián)劑及其配比和聚合條件，這包括制備何種類 型的聚合物，例如聚合物薄膜、單分散微球還是棒狀聚合 物，應該根據(jù)不同的目的有所區(qū)別； (3)消除模板分子的 泄露，以及實現(xiàn)batch-to-batch得到良好的重現(xiàn)性； (4)將 分子印跡和識別過程從有機相轉向水相，例如血清、血漿 以及飲用水和地下水等，以便完全能夠達到與天然分子識 別系統(tǒng)相媲美的完美境地，也是分子印跡技術發(fā)展的一個 關鍵問題，但這需要研究者們長期而艱苦的努力；(5)如 何將MIPs作為手性分離和色譜固定相商業(yè)化，真正的投入 到人類生產生活的實際方面。 總之，隨著生物技術、電子技術、合成手段和現(xiàn)代分 析檢測手段的迅猛發(fā)展，MIP的合成、表征方法和理論系 統(tǒng)將日臻完善，其應用范圍更加廣泛。