分子印记 第1期

文章编号:1005-6629(2010)01-0059-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:E

分子印记技术是近年来基于分子识别理论而迅速发展起来的一个新的研究领域,它可以为人们提供具有期望结构和性质的分子组合体,是当今超分子化学研究的最前沿课题之一。它是指制备对特定分子(模板分子)具有高选择性及识别能力的聚合物的过程,通常可描述为制备识别“分子钥匙”的“人工锁”的技术,即当体系中存在着模板分子时,功能单体可以通过聚合使这些模板分子以互补的形式固定下来。聚合后,模板分子可以被除去,于是在这一过程中,体系的 “快照”就可以被“拍摄”下来,从而获得分子组装体能专一性的键合模板分子以及它们的类似物。可以说,这是对热力学第二定律――“宇宙熵必须增长”的一种挑战[1]。现在,已无人怀疑:这一方法将是未来科学与技术中的关键问题之一。

1分子印记的发展及前景

在20世纪40 年代, 著名的诺贝尔奖获得者Pauling 在研究抗体和抗原的相互作用时, 提出了以抗原为模板来合成抗体的设想[2]。1949 年, Dikey发现在合成硅胶过程中用甲基橙做模板合成的聚合物对甲基橙分子有很好的选择吸附性,其吸附量是乙基橙分子的两倍,并由此提出特异性吸附理论, 可视为“分子印记”的萌芽[3] 。1973 年, Wulff 等利用酶和抗体具有分子形状、空间结构选择性的特点,发展了用于色谱手性拆分的印记聚合物, 于1977 年报道了第一个共价印记聚合物――以4-乙烯基硼酸酯为功能单体的吡喃甘露糖苷(mannopyranoside)的共价印记聚合物 [4]。 随后,Mosbach 等人提出了非共价型分子印记,使功能单体和模板分子通过非共价键(氢键、静电相互作用以及配位键的生成等)制备印记聚合物。 20世纪80 年代Norrlow 等人进一步发展了这一技术,但主要用于小分子物质如多肽或辅酶的分离纯化。1995 年Maria 等又将该技术用于蛋白质的分离纯化[5]。现在分子印记技术得到了快速发展,并且有广泛的应用前景。它可以经济方便的将目标分子放置于希望的位点,可以在溶液(或在气相中)将分子予以冻结,并能按照设计固定,另外,采用生物分子作为模板,应用在分子生物学和药物学等中,分子印论技术趋于成熟,并在分离提纯、免疫分析,生物传感器,特别是人工模拟酶方面显示出广泛的应用前景。分子印记方法将是21世纪的关键问题之一[1]。

2分子印记的原理与方法

分子印记技术的原理:一系列功能分子(单体)在溶液中(或气相中)与模板分子相遇,它们之间可通过共价键(如果可以形成)或非共价键(氢键、静电作用、疏水相互作用以及其他非共价键的相互作用)作用,使这些功能分子与模板分子结构相互补的有序排列,在分子印记中,脱去模板后,使得模板分子在高分子体系中得以记录,并提供对一种目标分子的接受体。 即:

⑴功能单体与目标分子的功能基团在适当的条件下可逆结合, 形成复合物;

⑵加入交联剂将这种复合物“冻结”起来, 制得高聚物(目标分子包埋在内);

⑶用一定的物理和化学方法,将模板分子(即目标分子) 从聚合物中洗脱,以获得具有识别功能并与之相匹配的三维空穴[5]。

其过程如图1所示[6]:

到目前为止,制备分子印记物质有两种方法。

2.1共价键法(预组装)

共价键法是由Wulff等人创立发展起来的。该方法中模板分子(目标分子) 和功能单体以共价键的形式结合相互联结(第一步);并在保持共价键不变的条件下,生成印记分子的可逆衍生复合物(第二步),共价联结可以通过分解反应,使模板从聚合物中洗脱(第三步)。在预组装中,功能单体一般采用小分子化合物,其共价键结合作用包括硼酸酯、席夫碱、缩醛(酮) 、酯、螯合键作用等。

2.2 非共价键(自组装)

非共价键法是由Mosbach 等人发展起来的。该方法中模板分子(目标分子) 可以简单的引入到反应混合物中而通过非共价键的形式联结(第一步);在聚合反应(第二步)后,就可用适当的溶剂将模板从高聚物中洗脱(第三步)。自组装与预组装相比,不必合成共价的单体-模板配合物;可以在温和条件下洗脱模板;客体的释放和键合都有很快速度。这些非共价键包括氢键、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。比如通过自组装的方法,利用静电引力作用制备TNT分子印记聚合物(图2),研究其识别与吸附特性[7]。

3 分子印记技术的发展趋势

展望未来,分子印记技术的发展趋势可能有如下几个方面:

⑴分子印记的识别过程的机理将从目前定性和半定量描述向完全定量描述,从分子水平上真正弄清楚印记过程与识别过程。

⑵分子印记和识别过程将从有机相转向水相以便接近或达到天然分子识别系统的水平。

⑶手性分离和固相萃取氨基酸、手性药物将步入商业化阶段。

⑷印记技术将从氨基酸、药物小分子、超分子过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子,甚至生物活体细胞。

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发展,制备分子印记聚合物的“塑料酶”、“塑料血管”、分子探针已不再是梦想[5]。

参考文献:

[1]小宫山真等.分子印记学―从基础到应用.科学出版社,2006.

[2]Pauling L , J. A m. Chem. S oc., 1940, 62, 2643～2657.

[3]任杰,余若黔.分子印记技术研究进展[J].生命的化学,2003, 23 (1):70～72.

[4] G. Wulff, R. Grobe_Einsler,A.Sarhan, Makromol. Chem, 1977, 178, 2817.

[5]赖家平等. 分子印记技术的回顾[J]. 现状与展望, 2001 , 7 (29) : 836～844.

[6]David Aetal . Analytica Chimica Acta , 2001 (435) :65～74.

[7]Guijian Guan, Bianhua Liu, Imprinting of Molecular Recognition Sites on Nanostructures and Its Applications in Chemosensors,Sensors 2008, 8, 8291～8320.

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