分子印跡聚合物在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

分子印跡聚合物在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用

在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過程中，分子識(shí)別發(fā)揮著特殊重要 的作用。所謂分子識(shí)別就是指在復(fù)雜的混合體系中，依靠 具有形狀、大小和化學(xué)功能基與客體分子互補(bǔ)的主體分子 對(duì)客體分子的區(qū)別和結(jié)合。選擇性是分子識(shí)別的重要特征， 它是從分子水平研究酶反應(yīng)、信息傳遞以及在不同介質(zhì)間 的能量傳遞等生物現(xiàn)象的重要化學(xué)概念。 化學(xué)或生物傳感器是由分子識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器 (如電極、光極、場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)和最小的干擾，或便于 重復(fù)使用，將識(shí)別元件以膜的形式通過適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ?轉(zhuǎn)換器表面。當(dāng)前，傳感器開發(fā)研究的重點(diǎn)是研究具有分 子識(shí)別功能的敏感膜，該膜應(yīng)可從復(fù)雜的體系中選擇性識(shí) 別并結(jié)合待測(cè)物質(zhì)，從而使信號(hào)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可讀取的信號(hào)。 目前化學(xué)傳感器常用的識(shí)別材料有環(huán)糊精、杯芳烴、冠醚 等。杯芳烴等材料設(shè)計(jì)復(fù)雜，需嚴(yán)格的合成技術(shù)，選擇性 沒有預(yù)定性，必須通過大量實(shí)驗(yàn)來確定可識(shí)別的物質(zhì)，而 生物傳感器所用的生物物質(zhì)。如酶、受體、抗體等分子識(shí) 別元件，這些物質(zhì)往往不易長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、惡劣 化學(xué)環(huán)境耐受性等方面的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，這在很大程度上限制 了生物傳感器的應(yīng)用發(fā)展。轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測(cè)高儀| 測(cè)距儀| 金屬探測(cè)器| 試驗(yàn)機(jī)|

1 分子印跡技術(shù)及分子印跡聚合物作為傳感器識(shí)別元件的 特點(diǎn) 分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technique，MIT)， 也叫分子模板技術(shù)(Molecular Template Technique，MTT) 【基金項(xiàng)目】武警部隊(duì)后勤科研項(xiàng)目(WKH2004—2)；武警醫(yī)學(xué)院 大學(xué)生基金課題(WYD2004—2) 【收稿日期】2005—06—02；【修回B期】2005—09—24 【作者簡(jiǎn)介】劉兵(1983一)，男，籍貫安徽馬鞍山，本科在讀生， 主要進(jìn)行藥物分析實(shí)驗(yàn)。 攀c_： 41-2生 蟹；．~濂7-1iit ． ● ■ ●} 是制備對(duì)特定目標(biāo)分子(模板分子或印跡分子)具有特異 預(yù)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(shù)。該技術(shù)一般包含以下3 個(gè)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(jī)溶劑)中，模板分子與功能單體通過官能團(tuán) 之間的共價(jià)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(shí)孔穴中含 有精確排列的，與模板分子的官能團(tuán)相互補(bǔ)的，由功能單 體提供的功能基團(tuán)。印跡過程如圖1，識(shí)別機(jī)理如圖2。 pclymerise與生物識(shí)別元件相比，分子印跡聚合物具有很多優(yōu)點(diǎn)： (1)分子印跡聚合物對(duì)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(huì)影響其性質(zhì)[1,2]。用酸性、堿性、 金屬離子及其它多種溶液處理不會(huì)降低其識(shí)別特性。能耐 受一定的機(jī)械強(qiáng)度、高溫及高壓 2；(3)分子印跡聚合物 針對(duì)性很強(qiáng)，它對(duì)于模板分子而言是量身定做的(tailormade)， 而且理論上對(duì)任何一個(gè)分子均可制備相應(yīng)的印跡聚 合物。對(duì)于某些小分子如藥物來說，制備其印跡聚合物是 相當(dāng)簡(jiǎn)單和省時(shí)的，而要獲得合適的生物識(shí)別分子通常十 分困難；(4)分子印跡技術(shù)完全是化學(xué)合成過程，可避免 使用動(dòng)物；(5)生物分子識(shí)別系統(tǒng)由于不易建立批量生產(chǎn) 工藝，所以價(jià)格昂貴，而分子印跡聚合物則費(fèi)用低，容易 建立大規(guī)模生產(chǎn)。由此可見，將分子印跡聚合物用作傳感 器的分子識(shí)別元件無論是從人道，還是從經(jīng)濟(jì)等各方面來 考慮均有可取之處。

2 分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用 目前，分子印跡模擬傳感器可分為電化學(xué)、光化學(xué)、 壓電和表面聲波等類別。 電化學(xué)傳感器按其作用原理不同可分為電位型、電流 型、電導(dǎo)型、電容型、直流電阻型、場(chǎng)效應(yīng)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(cè)嗎啡，檢測(cè)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(xué)檢測(cè)環(huán)境。最早將MIP膜用于電導(dǎo)傳 感器，檢測(cè)除草劑莠去津(atrazine)，隨著底物濃度的增 加，電導(dǎo)率降低。Piletskv等將MIP膜用于電導(dǎo)傳感器，用 來定性檢測(cè)核苷酸、氨基酸和除草劑。1年之后，通過改 進(jìn)，他們將莠去津的印跡聚合物膜制成電導(dǎo)傳感器，檢測(cè) 溶液中莠去津的線性范圍為O．O1～O．05 mg／L，響應(yīng)時(shí)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(dǎo)傳 感器，其檢測(cè)溶液中印跡分子的濃度為1～50~mol／L[5l。 最近，他們通過進(jìn)一步改進(jìn)，制成了一種對(duì)atrazine敏感的 傳感器，其檢測(cè)限可達(dá)到5 nmol／L，響應(yīng)時(shí)間視其膜的厚 度不同縮短到6～15 min，其使用壽命長(zhǎng)達(dá)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(yīng)時(shí)間在1O min以內(nèi)，其電流響應(yīng)范圍是1～10~mol／L，通過在不同 的pH之下的試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)相似 的物質(zhì)放在莠去津溶液中，對(duì)其選擇性進(jìn)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(fù)性較差， 并發(fā)現(xiàn)使用壽命、重復(fù)性與MIP膜的厚度及電極的結(jié)構(gòu)有 關(guān)，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(xué)傳感器測(cè)定模板分 子時(shí)，響應(yīng)的上升時(shí)間僅需2 min，其使用壽命可達(dá)6 m。 其選擇性也非常高，在對(duì)葡萄糖與尿素的混合溶液中進(jìn)行 的結(jié)合試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)與葡萄糖和尿素分子的結(jié)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(yīng)，其 選擇性已超過了當(dāng)前的臨床檢測(cè)方法，其檢測(cè)限可達(dá)到1O ttmol／L，可用于臨床檢測(cè)。M．C．Blanco-Lo pez等【 J應(yīng)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(duì)模板分子進(jìn)行檢測(cè)，它的檢測(cè) 限達(dá)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(jié)構(gòu)相似的4種物質(zhì) (HGA，DOPAC，MHPG，HVA)溶液中，發(fā)現(xiàn)4種物質(zhì)均 對(duì)其有影響(化合物的結(jié)構(gòu)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(duì)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(dāng)可觀，可以進(jìn)行洗滌，結(jié)合，測(cè)量操縱20～3O次，并 且容易制造，有相當(dāng)可觀的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Koji Sode等l10_ 將類似印跡分子合成技術(shù)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(jìn)技術(shù)，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(jié)構(gòu)的相似性，將其作為識(shí)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(shí)別Fru-o-lys的 敏感材料，識(shí)別Fru-o-lys的機(jī)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(cè)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(jié)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(xì)管電泳電色譜固定相材料，選擇性催化劑到人造受 體，化學(xué)傳感器的應(yīng)用以及分子印跡技術(shù)的形成與發(fā)展， 反映了分子印跡技術(shù)是集高分子合成、物化分子設(shè)計(jì)、分 析的分離和測(cè)試、生物和醫(yī)藥等眾多相關(guān)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可能有如下幾個(gè) 方面：(1)分子印跡和識(shí)別過程的機(jī)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(shí)別過程，包括各種過渡態(tài)以及MIP的形態(tài)、價(jià) 態(tài)和構(gòu)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(shí)別過程； (2)為了迎合不同的模板分子和 不同的應(yīng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)batch-to-batch得到良好的重現(xiàn)性； (4)將 分子印跡和識(shí)別過程從有機(jī)相轉(zhuǎn)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(dá)到與天然分子識(shí) 別系統(tǒng)相媲美的完美境地，也是分子印跡技術(shù)發(fā)展的一個(gè) 關(guān)鍵問題，但這需要研究者們長(zhǎng)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(chǎn)生活的實(shí)際方面。 總之，隨著生物技術(shù)、電子技術(shù)、合成手段和現(xiàn)代分 析檢測(cè)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(yīng)用范圍更加廣泛。