分子印迹聚合物在电化学传感器中的应用

分子印迹聚合物在电化学传感器中的应用

在漫长的生物进化过程中，分子识别发挥着特殊重要 的作用。所谓分子识别就是指在复杂的混合体系中，依靠 具有形状、大小和化学功能基与客体分子互补的主体分子 对客体分子的区别和结合。选择性是分子识别的重要特征， 它是从分子水平研究酶反应、信息传递以及在不同介质间 的能量传递等生物现象的重要化学概念。 化学或生物传感器是由分子识别元件和信号转换器 (如电极、光极、场效应晶体管、压电晶体、热敏电阻等) 所组成。通常为了获得最大的响应和最小的干扰，或便于 重复使用，将识别元件以膜的形式通过适当的方式固定在 转换器表面。当前，传感器开发研究的重点是研究具有分 子识别功能的敏感膜，该膜应可从复杂的体系中选择性识 别并结合待测物质，从而使信号转换器产生可读取的信号。 目前化学传感器常用的识别材料有环糊精、杯芳烃、冠醚 等。杯芳烃等材料设计复杂，需严格的合成技术，选择性 没有预定性，必须通过大量实验来确定可识别的物质，而 生物传感器所用的生物物质。如酶、受体、抗体等分子识 别元件，这些物质往往不易长期保存。且操作稳定性差， 使以其为敏感材料制成的传感器面临着长期稳定性、恶劣 化学环境耐受性等方面的严重挑战，这在很大程度上限制 了生物传感器的应用发展。转速表| 压力表| 压力计| 真空表| 硬度计| 探伤仪| 电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机|

1 分子印迹技术及分子印迹聚合物作为传感器识别元件的 特点 分子印迹技术(Molecular Imprinting Technique，MIT)， 也叫分子模板技术(Molecular Template Technique，MTT) 【基金项目】武警部队后勤科研项目(WKH2004—2)；武警医学院 大学生基金课题(WYD2004—2) 【收稿日期】2005—06—02；【修回B期】2005—09—24 【作者简介】刘兵(1983一)，男，籍贯安徽马鞍山，本科在读生， 主要进行药物分析实验。 攀c_： 41-2生 蟹；．~濂7-1iit ． ● ■ ●} 是制备对特定目标分子(模板分子或印迹分子)具有特异 预定选择性的高分子化合物一分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer，MIP)的技术。该技术一般包含以下3 个步骤： (1)在一定溶剂(也称致孔剂，一般为非极性或 弱极性的有机溶剂)中，模板分子与功能单体通过官能团 之间的共价或超分子作用形成主客体配合物；(2)在大量 交联剂存在的情况下通过光或热引发聚合，使主客体配合 物与交联剂通过自由基共聚合在模板分子周围形成高交联 的刚性聚合物； (3)洗去模板分子，聚合物中便留下了与 模板分子的大小和形状相匹配的立体孔穴，同时孔穴中含 有精确排列的，与模板分子的官能团相互补的，由功能单 体提供的功能基团。印迹过程如图1，识别机理如图2。 pclymerise与生物识别元件相比，分子印迹聚合物具有很多优点： (1)分子印迹聚合物对各种不同的化合物(包括生物、医 药、环境、工业等方面)都显示出良好的专一性；(2)分 子印迹聚合物的稳定性好，在室温干燥环境中可保存数年， 在水中保存4 w以上不会影响其性质[1,2]。用酸性、碱性、 金属离子及其它多种溶液处理不会降低其识别特性。能耐 受一定的机械强度、高温及高压 2；(3)分子印迹聚合物 针对性很强，它对于模板分子而言是量身定做的(tailormade)， 而且理论上对任何一个分子均可制备相应的印迹聚 合物。对于某些小分子如药物来说，制备其印迹聚合物是 相当简单和省时的，而要获得合适的生物识别分子通常十 分困难；(4)分子印迹技术完全是化学合成过程，可避免 使用动物；(5)生物分子识别系统由于不易建立批量生产 工艺，所以价格昂贵，而分子印迹聚合物则费用低，容易 建立大规模生产。由此可见，将分子印迹聚合物用作传感 器的分子识别元件无论是从人道，还是从经济等各方面来 考虑均有可取之处。

2 分子印迹技术在电化学传感器中的应用 目前，分子印迹模拟传感器可分为电化学、光化学、 压电和表面声波等类别。 电化学传感器按其作用原理不同可分为电位型、电流 型、电导型、电容型、直流电阻型、场效应晶体管型和屏 蔽印迹电极型传感器

3。用电流型分子印迹聚合物传感器 检测吗啡，检测范围为0．1～10 mg／L。该传感器最大的特 色是适于苛刻的化学检测环境。最早将MIP膜用于电导传 感器，检测除草剂莠去津(atrazine)，随着底物浓度的增 加，电导率降低。Piletskv等将MIP膜用于电导传感器，用 来定性检测核苷酸、氨基酸和除草剂。1年之后，通过改 进，他们将莠去津的印迹聚合物膜制成电导传感器，检测 溶液中莠去津的线性范围为O．O1～O．05 mg／L，响应时间 为30 min[ 。而以苯基丙氨酸、6．氨基．
1．丙基尿嘧啶、莠 去津、唾液酸为印迹分子制备的分子印迹聚合物膜电导传 感器，其检测溶液中印迹分子的浓度为1～50~mol／L[5l。 最近，他们通过进一步改进，制成了一种对atrazine敏感的 传感器，其检测限可达到5 nmol／L，响应时间视其膜的厚 度不同缩短到6～15 min，其使用寿命长达6 m之久【 。 Reo Shoji等【 J在4℃的冷条件下用光聚合的方法在Pt电极 的表面合成了莠去津分子印迹聚合物，其响应时间在1O min以内，其电流响应范围是1～10~mol／L，通过在不同 的pH之下的试验，发现其合适pH范围为3～9。此外， Reo Shoji等人将侮津(simazine)和MCC等与其结构相似 的物质放在莠去津溶液中，对其选择性进行研究发现电流 的减少量比莠去津小得多，其中侮津的影响最大，电流减 少量是莠去津的28％。该传感器的使用寿命与重复性较差， 并发现使用寿命、重复性与MIP膜的厚度及电极的结构有 关，分子层越厚在溶液中MIP就越容易变形。 TatianaPanasyuk．Delaney等【 J用嫁接光聚合法合成了 肌酸酐分子印迹聚合物，用电容型化学传感器测定模板分 子时，响应的上升时间仅需2 min，其使用寿命可达6 m。 其选择性也非常高，在对葡萄糖与尿素的混合溶液中进行 的结合试验中，未发现与葡萄糖和尿素分子的结合，甚至 在其中加入1 L人血白蛋白后没有任何的电容反应，其 选择性已超过了当前的临床检测方法，其检测限可达到1O ttmol／L，可用于临床检测。M．C．Blanco-Lo pez等【 J应用 光聚合以Methacrylic acid(MAA)为功能单体，乙腈为致孔 剂，EDMA为交联剂合成vanillyrlmandehc acid(VMA)的分 子印迹聚合物，用伏安法对模板分子进行检测，它的检测 限达到了10～ molZL，线形范围在19～350 m ml之间。 将传感器放在与vaniUylmandehc acid结构相似的4种物质 (HGA，DOPAC，MHPG，HVA)溶液中，发现4种物质均 对其有影响(化合物的结构如下式)。 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可以被电极的玻璃部分吸附从而影响 其精密度，而对MHPG的少量吸附使得传感器的电流有非 常小的影响，HVA也有少量吸附。该传感器的使用寿命也 相当可观，可以进行洗涤，结合，测量操纵20～3O次，并 且容易制造，有相当可观的实际应用价值。Koji Sode等l10_ 将类似印迹分子合成技术合成了fructosylamine的分子印迹 聚合物，并制作了电流型传感器，展示了巨大的潜力。两 年之后他们改进技术，用m．val为模板分子合成了分子印迹 聚合物，并利用m．val与Fru．va1分子结构的相似性，将其作为识别Fru-val的敏感材料，并用同样的方法用m-~-lys为 模板分子合成分子印迹聚合物，将其作为识别Fru-o-lys的 敏感材料，识别Fru-o-lys的机理见下式。分别将两聚合物 与含碳糊状物，石蜡混合于电极表面制作成电流型传感器， 用于检测fructosylamine分子 。 H 一N H 8ooq 一CH2 CH~ H2 (g) }bN (a)m-val，(b)、(d)两种功能单体；(C)交联剂， (e)Fru-val，(f)m-~lys。(g)Fru-~lys． 3 结语 纵观分子印迹聚合物的研究发展和成就，从液相色谱 和毛细管电泳电色谱固定相材料，选择性催化剂到人造受 体，化学传感器的应用以及分子印迹技术的形成与发展， 反映了分子印迹技术是集高分子合成、物化分子设计、分 析的分离和测试、生物和医药等众多相关学科的优势，相 互渗透而发展起来的边缘新课题。 展望未来，分子印迹技术的发展趋势可能有如下几个 方面：(1)分子印迹和识别过程的机理将从目前的定性和 半定量描述向完全定量描述发展，从分子水平上真正弄清 楚印迹和识别过程，包括各种过渡态以及MIP的形态、价 态和构象等问题。只有这样才能真正从分子水平上去控制 MIP的制备和识别过程； (2)为了迎合不同的模板分子和 不同的应用目的，有必要建立一套方法来优化选择何种功 能单体、交联剂及其配比和聚合条件，这包括制备何种类 型的聚合物，例如聚合物薄膜、单分散微球还是棒状聚合 物，应该根据不同的目的有所区别； (3)消除模板分子的 泄露，以及实现batch-to-batch得到良好的重现性； (4)将 分子印迹和识别过程从有机相转向水相，例如血清、血浆 以及饮用水和地下水等，以便完全能够达到与天然分子识 别系统相媲美的完美境地，也是分子印迹技术发展的一个 关键问题，但这需要研究者们长期而艰苦的努力；(5)如 何将MIPs作为手性分离和色谱固定相商业化，真正的投入 到人类生产生活的实际方面。 总之，随着生物技术、电子技术、合成手段和现代分 析检测手段的迅猛发展，MIP的合成、表征方法和理论系 统将日臻完善，其应用范围更加广泛。