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(shì)。在所列舉的實(shí)例中，分子印跡聚合物相對(duì)于常規(guī)的SPE固定相在選擇性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　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(lái)越大；然而，監(jiān)測(cè)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(wèn)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(dòng)物生長(zhǎng)促進(jìn)劑，而這些藥物在作為人們消費(fèi)的動(dòng)物性食品中是嚴(yán)格禁止使用的。各類組織（例如，歐盟、美國(guó)食品及藥物管理局、美國(guó)環(huán)保署）對(duì)這類化合物設(shè)定了非常低的檢測(cè)限，對(duì)其分析檢測(cè)方法提出了很高的要求，使得這些藥物的分析檢測(cè)需要復(fù)雜繁瑣的前處理和分析步驟。風(fēng)速計(jì) | 電表 | 溫度計(jì) | 粘度計(jì) | 沼氣檢測(cè)儀 | 聲級(jí)計(jì) | 流量計(jì) | 毒性氣體 | 粗糙度儀 | 尖嘴鉗 | 電能質(zhì)量分析儀
　　另一個(gè)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(zhǎng)時(shí)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(cè)不出來(lái)，因此發(fā)展活性藥物的分析檢測(cè)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(cè)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(diǎn)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(shí)，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(lái)比較困難，因而對(duì)目標(biāo)化合物回收率測(cè)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(jiàn)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(shí)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(xiàng)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(jiǎn)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(jiǎn)介

　　分子印跡聚合物是高度交聯(lián)的聚合相，對(duì)單個(gè)分子或者對(duì)一類結(jié)構(gòu)相近的分子有預(yù)先確定的選擇性（見(jiàn)圖1）。在非共價(jià)分子印跡過(guò)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(duì)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(diǎn)，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(jì)恰當(dāng)）也會(huì)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(bào)道用共價(jià)和半共價(jià)的印跡方法^[5]）。

2 分子印跡過(guò)程

　　模板設(shè)計(jì)和單體選擇是分子印跡過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵性因素。在實(shí)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(méi)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(guò)程中致孔劑的模板分子和單體，這也許是顯而易見(jiàn)的，但有時(shí)候需要進(jìn)行可溶性實(shí)驗(yàn)。
　　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(huì)發(fā)生其他副反應(yīng)。
　　6、選擇交聯(lián)單體時(shí)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(lái)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(bào)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(bào)道的一些早期應(yīng)用實(shí)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(wèn)題的困擾^[6-10]。為了克服這一問(wèn)題，Andersson 等^[11]報(bào)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于被分析物與模板分子可以用色譜分離，而不會(huì)發(fā)生模板分子的泄漏。后來(lái)還有其他一些使用結(jié)構(gòu)類似物的應(yīng)用實(shí)例的報(bào)道^[12,13]。盡管這是一個(gè)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(guò)程中將模板分子去除到ppb 級(jí)別的殘留量仍然非常重要。作者以前報(bào)道過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)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(cè)不出來(lái)。
　　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(wèn)題，但是還存在其他問(wèn)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(shí)是需要解決的問(wèn)題。

4 模板問(wèn)題

　　分子間的交叉識(shí)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(duì)模板分子有選擇性，對(duì)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(jì)中的藥效團(tuán)概念，對(duì)于分離領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，作者稱其為選擇基。例如在發(fā)展ExploraSep技術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)以煙堿為模板的酸性分子聚合物對(duì)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(guò)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(duì)，茶堿的氫鍵受體幾乎和煙堿氫鍵受體完全匹配（見(jiàn)圖2）。換句話說(shuō)，煙堿可以作為茶堿的模板分子類似物。

　　對(duì)于更加復(fù)雜的模板分子和目標(biāo)分子來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以采用計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)行模板設(shè)計(jì)^[15]。作者創(chuàng)建了一個(gè)有關(guān)相互作用的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)來(lái)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(kù)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法為新的目標(biāo)分子建立選擇基模型。這種方法的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)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(huì)對(duì)分析產(chǎn)生干擾。

5 氯霉素模板分子的篩選過(guò)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(huì)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(cè)限量是零檢出，這是因?yàn)閷?duì)于這一毒性水平的化合物，不適合給定一個(gè)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(cè)氯霉素的方法都比較繁瑣^[16]。已報(bào)道的方法中還沒(méi)有任何一種方法可以達(dá)到所需的特異性來(lái)確認(rèn)陽(yáng)性的檢測(cè)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(gè)選擇基，選定其中一個(gè)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(cè)限要低于LC-MS-MS方法最低要求的檢測(cè)限（MRPL）（0.3 μg/kg 或0.3 ppb）（見(jiàn)圖3），提高了檢測(cè)的可靠性。該方法的效果等同甚至優(yōu)于免疫檢測(cè)方法，并且沒(méi)有諸如假陽(yáng)性或需要特殊處理步驟的缺點(diǎn)。分子印跡聚合物的選擇性可以保證對(duì)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(cè)篩選過(guò)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(duì)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(shí)檢測(cè)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(cè)水樣實(shí)驗(yàn)中β - 阻斷劑的檢測(cè)限都低于1 ng/L（1 ppt）。對(duì)復(fù)雜水樣的測(cè)試結(jié)果表明，MIPs 不但是一種簡(jiǎn)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(diǎn)。在選擇性要求較高的應(yīng)用中，MIPs 固相萃取相對(duì)于傳統(tǒng)固相萃取具有明顯優(yōu)勢(shì)。在分析化學(xué)界圍繞這一技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)的一些荒誕說(shuō)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(wèn)題之一是被分析物從聚合物中泄漏的問(wèn)題。解決這一問(wèn)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(duì)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(kù)?一種典型的分子印跡聚合物高通量篩選方法，將會(huì)發(fā)現(xiàn)與目標(biāo)分子非常不同的模板類似物，這樣對(duì)分析的干擾將減到最小。最后這種篩選方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)將會(huì)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。