新型親和基質(zhì)材料--分子印跡聚合物

新型親和基質(zhì)材料--分子印跡聚合物

摘要：論述了分子印跡聚合物（MIPs）在固相萃取方面的優(yōu)勢。在所列舉的實例中，分子印跡聚合物相對于常規(guī)的SPE固定相在選擇性方面有明顯的優(yōu)勢。
　　化學(xué)藥物是目前治療人畜疾病的重要臨床手段，并且其用量越來越大；然而，監(jiān)測生物和環(huán)境基質(zhì)中的藥物存在著很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。藥物的活性成分及其在血液、血清、尿液中的代謝產(chǎn)物的定量十分困難，并且目前分析方法步驟繁瑣。更加復(fù)雜的問題是，一些機(jī)理明確的藥用化合物例如抗生素氯霉素、β - 興奮劑類藥物經(jīng)常被用作動物生長促進(jìn)劑，而這些藥物在作為人們消費(fèi)的動物性食品中是嚴(yán)格禁止使用的。各類組織（例如，歐盟、美國食品及藥物管理局、美國環(huán)保署）對這類化合物設(shè)定了非常低的檢測限，對其分析檢測方法提出了很高的要求，使得這些藥物的分析檢測需要復(fù)雜繁瑣的前處理和分析步驟。風(fēng)速計 | 電表 | 溫度計 | 粘度計 | 沼氣檢測儀 | 聲級計 | 流量計 | 毒性氣體 | 粗糙度儀 | 尖嘴鉗 | 電能質(zhì)量分析儀
　　另一個受關(guān)注的領(lǐng)域是一些活性藥物成分進(jìn)入到環(huán)境中。它們可以在各種環(huán)境基質(zhì)中存留很長時間，不能被傳統(tǒng)的廢水處理工藝去除掉。這類化合物可以在土壤和地表水中存在，并且其濃度低于現(xiàn)有許多分析方法的靈敏度，從而在人畜飲用水源中很可能存在這類化合物而檢測不出來，因此發(fā)展活性藥物的分析檢測方法具有很重要的意義^[1]。
　　有藥物活性的物質(zhì)通常在很低濃度就可以發(fā)揮作用，一般在分析檢測前需要進(jìn)行濃縮處理。常用的提取方法有液- 液萃取和固相萃�。⊿PE）兩種方法。第一種方法的優(yōu)缺點就不在這里贅述。傳統(tǒng)的SPE 有眾所周知的局限性，如在提取水溶液中的極性藥物時，回收率比較低。此外，如果樣品基質(zhì)復(fù)雜，包含多類化學(xué)物質(zhì)，要做到既能選擇性地提取出目標(biāo)分析物又不能把其他污染物提取出來比較困難，因而對目標(biāo)化合物回收率測定有很大的影響。
　　為了克服上述缺陷，發(fā)展了基于免疫親和與分子印跡聚合物等具有選擇性的吸附材料。本文的目的不是為了比較免疫親和與分子印跡兩種方法的優(yōu)劣性；最新的關(guān)于分子印跡聚合物作為固相萃取材料方面的綜述見參考文獻(xiàn)2 和3。
　　以下是將分子印跡聚合物用于固相萃取材料的實例：1、從環(huán)境水樣中提取β - 阻斷劑^[4]（與西班牙巴塞羅那化學(xué)環(huán)境研究所合作項目）；2、發(fā)展了一種用于固相萃取的分子印跡聚合物，用其可以快速、簡單和接近定量地分析食品中的氯霉素。

1 分子印跡聚合物技術(shù)簡介

　　分子印跡聚合物是高度交聯(lián)的聚合相，對單個分子或者對一類結(jié)構(gòu)相近的分子有預(yù)先確定的選擇性（見圖1）。在非共價分子印跡過程，首先將模板分子和一種或多種功能單體溶解在溶劑中，形成的聚合物對模板分子具有選擇性。然后自引發(fā)聚合形成印跡復(fù)合物，印跡效果決定于模板分子化學(xué)官能團(tuán)與功能單體官能團(tuán)之間的互補(bǔ)性，以及印跡體系的溶液性質(zhì)（例如介電常數(shù)）。再加入交聯(lián)單體（交聯(lián)單體的親水性和疏水性也有很大差別），然后進(jìn)行聚合（溶劑起致孔劑的作用），再用強(qiáng)洗脫液將模板分子去除。得到的分子印跡聚合物有特異性的空穴和印跡位點，與模板分子有空間或者化學(xué)性質(zhì)的互補(bǔ)性，理論上（如果合成體系設(shè)計恰當(dāng)）也會與目標(biāo)分析物或一類目標(biāo)分析物有空間或者化學(xué)性質(zhì)的互補(bǔ)性。（注：也有報道用共價和半共價的印跡方法^[5]）。

2 分子印跡過程

　　模板設(shè)計和單體選擇是分子印跡過程的兩個關(guān)鍵性因素。在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)遵循“分子印跡六原則”：
　　1、盡量不要將被分析物作為模板分子，除非沒有其他選擇。
　　2、合理選擇被分析物在低極性溶劑（有機(jī)溶劑）中有較好反應(yīng)特性的區(qū)域，然后綜合這些因素確定分析物的類似化合物。
　　3、選擇在最佳溶劑體系中能形成較強(qiáng)相互作用的單體（例如：Bronsted 酸或堿，氫鍵供體或受體，非極性基團(tuán)），這將有助于提高印跡容量，改善孔穴的均一性。
　　4、選擇可以溶解在聚合反應(yīng)過程中致孔劑的模板分子和單體，這也許是顯而易見的，但有時候需要進(jìn)行可溶性實驗。
　　5、盡量保證模板分子- 單體混合物穩(wěn)定，在聚合條件下不會發(fā)生其他副反應(yīng)。
　　6、選擇交聯(lián)單體時應(yīng)考慮到最終被提取分析物所處基質(zhì)的性質(zhì)，一些含有雙或三不飽和鍵的不同化學(xué)性質(zhì)的交聯(lián)單體（例如：乙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸和丙烯酰胺等）可以用來形成多孔的有機(jī)網(wǎng)狀材料。

3 分子印跡聚合物在藥物分析中的應(yīng)用

　　一些文獻(xiàn)已經(jīng)報道了分子印跡聚合物在藥物分析中的應(yīng)用。上世紀(jì)90 年代報道的一些早期應(yīng)用實例中，由于是將被分析物作為模板分子，因而受到了模板分子泄漏問題的困擾^[6-10]。為了克服這一問題，Andersson 等^[11]報道了一種與sameri d i ne（一種類似嗎啡的麻醉劑）結(jié)構(gòu)類似的分子作為模板分子的印跡聚合物。實驗過程中，由于被分析物與模板分子可以用色譜分離，而不會發(fā)生模板分子的泄漏。后來還有其他一些使用結(jié)構(gòu)類似物的應(yīng)用實例的報道^[12,13]。盡管這是一個重大改進(jìn)，但如果分子印跡聚合物用于富集痕量水平的化合物，在合成聚合物的過程中將模板分子去除到ppb 級別的殘留量仍然非常重要。作者以前報道過一個應(yīng)用實例^[3]，由于模板分子去除不徹底，其在色譜分離中產(chǎn)生的色譜峰比被分析物的色譜峰大得多（大100 倍），目標(biāo)分析物在要求的（低濃度）水平檢測不出來。
　　雖然利用結(jié)構(gòu)與被分析物非常相近的類似物作為模板分子，可以解決模板分子泄漏問題，但是還存在其他問題，例如類似物與被分析物相比合成費(fèi)用昂貴、在聚合物體系中表現(xiàn)不同的溶解特性、類似物還可能有毒性等，這些確實是需要解決的問題。

4 模板問題

　　分子間的交叉識別概念引導(dǎo)發(fā)展出了ExploraSep^TM (MIP T echnologies AB, Lund,Sweden)^[14]。這一概念是指以一種分子作為模板合成的分子印跡聚合物，不僅對模板分子有選擇性，對于具有相互作用的官能團(tuán)、有相似三維空間分布的其他分子也有選擇性。這類似于藥物設(shè)計中的藥效團(tuán)概念，對于分離領(lǐng)域來說，作者稱其為選擇基。例如在發(fā)展ExploraSep技術(shù)時發(fā)現(xiàn)以煙堿為模板的酸性分子聚合物對茶堿也有選擇性。在這一例子中，可以很容易解釋原因。在印跡過程中最強(qiáng)的相互作用基團(tuán)應(yīng)是嘧啶環(huán)上的氮原子和酰胺鍵上的氧原子。如果將茶堿與煙堿比對，茶堿的氫鍵受體幾乎和煙堿氫鍵受體完全匹配（見圖2）。換句話說，煙堿可以作為茶堿的模板分子類似物。

　　對于更加復(fù)雜的模板分子和目標(biāo)分子來說，已經(jīng)可以采用計算機(jī)模擬方法進(jìn)行模板設(shè)計^[15]。作者創(chuàng)建了一個有關(guān)相互作用的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)來源于已合成的分子印跡聚合物。由此可以建立起高通量的分子印跡聚合物篩選方法。數(shù)據(jù)庫可以通過經(jīng)驗方法為新的目標(biāo)分子建立選擇基模型。這種方法的一個重要優(yōu)勢在于篩選得到的模板類似物可以和目標(biāo)分子截然不同，不會對分析產(chǎn)生干擾。

5 氯霉素模板分子的篩選過程

　　氯霉素（Chloramphenicol 【CAP】）是一種獸用抗生素，在畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖中廣泛使用。由于懷疑氯霉素是致癌物，還會引起再生障礙性貧血，歐盟從1994 年起全面禁止使用氯霉素�，F(xiàn)在食品中的檢測限量是零檢出，這是因為對于這一毒性水平的化合物，不適合給定一個最高限量。因此需要有一種靈敏、準(zhǔn)確、選擇性好的氯霉素分析方法。目前已有的幾種檢測氯霉素的方法都比較繁瑣^[16]。已報道的方法中還沒有任何一種方法可以達(dá)到所需的特異性來確認(rèn)陽性的檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。下面介紹的MIP-SPE 方法完全可以滿足上述要求。
　　使用ExploraSep 技術(shù)，篩選到了幾個選擇基，選定其中一個做進(jìn)一步研究。雖然它的原始極性模板分子與氯霉素的選擇基很相似，但結(jié)構(gòu)相差很大。為氯霉素合成的分子印跡聚合物的檢測限要低于LC-MS-MS方法最低要求的檢測限（MRPL）（0.3 μg/kg 或0.3 ppb）（見圖3），提高了檢測的可靠性。該方法的效果等同甚至優(yōu)于免疫檢測方法，并且沒有諸如假陽性或需要特殊處理步驟的缺點。分子印跡聚合物的選擇性可以保證對廣泛的樣品種類例如牛奶、尿樣、蝦和蜂蜜都能達(dá)到分析要求。

6 天然水中痕量β-阻斷劑的檢測篩選過程

　　β - 阻斷劑是一類重要的抗高血壓藥物。隨著該類藥物的廣泛使用，對環(huán)境水體的污染也大大增加。發(fā)展一種選擇性高、靈敏度高以及能夠同時檢測水樣中這一類化合物的方法迫在眉睫。作者與Pizzolato 等合作發(fā)展了一種可以用分子印跡聚合物提取這一類化合物的固相萃取方法[4]。圖4 為使用匹配β - 阻斷劑選擇基的分子印跡聚合物提取這一類化合物結(jié)果。在從環(huán)境水樣中提取阿替洛爾、卡諾左洛、心得靜、心得安、心得怡（β - 受體阻滯藥），塞嗎洛爾和美托洛爾一類化合物具有高效和高選擇性，回收率能夠達(dá)到80％以上，并且所有檢測水樣實驗中β - 阻斷劑的檢測限都低于1 ng/L（1 ppt）。對復(fù)雜水樣的測試結(jié)果表明，MIPs 不但是一種簡單、快速的分析方法，還可以有效地避免基質(zhì)干擾。

7 結(jié)論

　　本文論述了用MIPs 作為固相萃取固定相的優(yōu)點。在選擇性要求較高的應(yīng)用中，MIPs 固相萃取相對于傳統(tǒng)固相萃取具有明顯優(yōu)勢。在分析化學(xué)界圍繞這一技術(shù)的優(yōu)缺點的一些荒誕說法，很大程度上源于許多人仍在使用已經(jīng)被其他方法取代的技術(shù)手段。問題之一是被分析物從聚合物中泄漏的問題。解決這一問題的方法已有許多描述，例如使用模板分子類似物或以一種分子為模板的分子印跡聚合物對具有類似三維空間結(jié)構(gòu)、相互作用的官能團(tuán)的分子也有較好的選擇性。
　　篩選分子印跡聚合物庫?一種典型的分子印跡聚合物高通量篩選方法，將會發(fā)現(xiàn)與目標(biāo)分子非常不同的模板類似物，這樣對分析的干擾將減到最小。最后這種篩選方法結(jié)合經(jīng)驗設(shè)計將會加速新型分子印跡聚合物和現(xiàn)代分離、萃取材料的發(fā)展。