分子印跡聚合物

分子印跡聚合物(MIP) 是一種是一種使用分子印跡技術加工而成的聚合物，該技術在聚合物基質中留下空腔，對選定的「模板」分子具有親和力。製作MIP的過程通常涉及在模板分子存在下引發單體聚合，然後將模板分子提取出來，留下與之互補的空腔。這些聚合物對原始分子有親和力，並且已經用於化學分離、催化或分子傳感器等應用領域。相關研究可以追溯到20世紀30年代。

## 分子印跡技術的最新技術和觀點

分子印記是在固體或凝膠內產生印記的過程，其大小、形狀和電荷分布對應於（通常在聚合過程中存在的）模板分子。合成的受體能夠以高親和力和特異性結合目標分子。聚合物與模板之間的相互作用類似於抗體與抗原之間的相互作用，包括靜電相互作用、氫鍵、范德華力和疏水相互作用。

與天然存在的受體相比，人工受體的最大優勢之一是分子設計的自由度。它們的框架不限於蛋白質，可以使用各種骨架（例如，碳鏈和稠合芳環）。因此，穩定性、靈活性和其他特性可以根據需要自由調節。甚至在自然界中未發現的官能團也可用於這些合成化合物中。此外，必要時，可以通過使用適當的官能團來提供對外部刺激（光輻射、pH變化、電場或磁場等）的響應活性。

在分子印跡過程中，需要

- 模板
- 功能單體
- 交聯劑
- 自由基或其他聚合引發劑
- 致孔溶劑
- 萃取溶劑

根據聚合方法和最終聚合物形式，可能需要避免使用某些方法或者試劑。

主要有兩種方法可以製造這些專用聚合物。第一種是自組裝，即將MIP的所有元素結合起來形成聚合物，可能還會利用分子間作用形成帶有結合模板分子的交聯聚合物。第二種方法是先將模板分子共價連接到單體上，聚合後，再將模板分子裂解下來。選擇性受印跡聚合物合成中使用的交聯劑的種類和用量的影響很大。選擇性還取決於目標分子和單體官能團之間的共價和非共價相互作用。功能單體的選擇也對模板和底物互補相互作用有很大影響。在印跡聚合物中，交聯劑具有三個主要功能：首先，交聯劑可以控制聚合物基質的形態。其次，它可以穩定印跡結合位點。最後，它可以賦予聚合物基體機械穩定性。從聚合的角度來看，通常優選高交聯比的聚合物，以便獲得永久多孔材料，同時具有足夠的機械穩定性。

自組裝方法的優勢在於它形成了更自然的結合位點，並且可以靈活選擇單體。共價方法通常可以高產率地得到同質結合位點，但需要首先合成衍生化的印記分子，並且可能無法模仿可能存在於其他地方的「自然」條件。近年來，學術界和工業界對分子印跡技術的興趣迅速增加。聚合方法方面取得了重大進展，這些方法可以產生具有相當好的結合特性的 MIP 形式，以期提高性能或適應所需的最終應用，例如珠狀、薄膜或納米粒子。

目前，在實際應用中限制 MIP 性能的主要問題是缺乏簡單而穩健的方法地合成滿足應用所需的 MIP。MIP 的第一種聚合方法是「本體」或溶液聚合。這是從事相關工作的課題組最常用的技術，因為它簡單且功能多樣。該方法使用具有低介電常數的有機溶劑，混合所有組分（模板、單體、溶劑和引發劑），然後聚合；將所得聚合物塊粉碎、脫離模板、壓碎和篩分以獲得形狀不規則且尺寸在 20 - 50 µm之間的顆粒。根據目標（模板）類型和 MIP 的最終應用，MIP 可以製成不同的形式，例如納米/微米球形顆粒、納米線和薄膜或膜。聚合物可以用不同的方法製備，如本體聚合、沉澱聚合、乳液聚合、懸浮聚合、分散聚合、凝膠聚合和多步溶脹聚合。MIP 領域的大多數研究人員都在使用啟發式技術（例如分層印記法）製作 MIP。該技術首次被 Sellergren 等人用於製作 MIP 印跡小目標分子。Nematollahzadeh 等人 開發了一種名為聚合填充床的通用技術，使用二氧化矽多孔顆粒進行蛋白質識別和捕獲，獲得結構分層的高容量蛋白質印跡多孔聚合物珠。

## 固相合成

固相分子印跡可以作為傳統體印跡的替代方法，可用於產生水溶性納米粒子。顧名思義，該技術需要在聚合之前將目標分子固定在固體支持物上。這類似於肽的固相合成。固相兼作親和力分離基質，可以去除低親和力的 MIP 並克服許多之前的 MIP 的限制：

- 從固定的模板分子中分離 MIP 的過程大大簡化。
- 結合位點更均勻，模板分子不會被困在聚合物基質中。
- MIP 可以在合成後官能化（同時附著在固相上），而不會顯著影響結合位點。
- 固定化的模板可以重複使用，降低了 MIP 合成的成本。

通過這種方法合成的 MIP 納米粒子已在各種診斷測定和傳感器中得到應用。

## 分子建模

分子建模已成為 MIP 設計和分析中的一種便捷選擇，結合一系列不同的技術，它可以用於快速選擇單體和優化聚合物組。分子建模在這方面的應用通常歸功於Sergey Pletsky和他的訪問學生 Sreenath Subrahmanyam，他們開發了一種方法，可以使用分子力學方法針對給定的目標或模板自動篩選大型單體資料庫。近年來，技術進步允許通過量子力學分子模型更有效地分析單體-模板相互作用，提供更精確的結合能計算。分子動力學也已應用於聚合前系統和生成的聚合物的更詳細分析，與只考慮單體-模板相互作用相比，考慮了更多的系統組分（引發劑、交聯劑、溶劑）的預測更成功。分子建模、特定分子動力學和不太常見的粗粒度技術，通常也可以集成到更大的理論模型中，結合熱力學分析和動力學數據用於壓印聚合物塊體和 MIP 納米粒子的介觀分析。

## 應用

MIP 應用的利基領域是傳感器和分離。儘管目前分子印跡的總體狀況良好，但迄今為止仍然難以商業化。儘管如此，目前已有大量關於分子印跡的專利（根據Scifinder資料庫截至 2018 年 10 月共有1035 項專利）。

分子印跡聚合物技術製備快速且成本較低，在化學、生物學和工程的許多領域都有應用，特別是用於傳感器的親和材料，檢測化學品、抗菌劑和染料、食品中的殘留物、固相萃取吸附劑、結合測定、人工抗體、色譜固定相、催化、藥物開發和篩選以及化學反應中的副產物。分子印跡聚合物具有高度特異性的微腔結合位點，提供了廣泛的提取能力。該技術在分析化學中有作為實用固相萃取方法應用的前景。分子印跡聚合物技術能夠更便宜、更容易地生產抗體/酶樣結合位點，有望成為醫學研究和應用中的一個有價值的突破。可能的醫學應用包括「控釋藥物、藥物監測裝置和生物受體模擬物」。除此之外，MIP 在食品科學的發展和應用方面也有廣闊的前景。

與特定抗體相比，MIP 的結合活性可能較低，儘管也已有報導稱 MIP 的性能與商業生產的抗體相當或更好。這為 MIP 帶來了從高效提取到製藥/醫療用途的廣泛的應用。與蛋白質結合位點相比，MIP 具有許多優勢。蛋白質的純化、變性（pH、熱、蛋白水解）困難且昂貴，並且難以固定以供重複使用。合成聚合物便宜、易於合成，並可以結合複雜的合成側鏈。特殊的側鏈能夠擁有更高的親和力、選擇性和特異性。

分子印跡分析可以說體現了分子印跡聚合物作為用於診斷應用的替代親和試劑的最大潛力，因為它們具有與抗體相當（並且在某些方面更優越）的性能。因此，自 Vlatakis 等人的開創性工作以來，許多研究都集中在分子印跡分析 (MIA) 的開發上。1993 年，首次引入了術語「分子印跡測定」。利用 MIP 代替抗體的配體結合測定的最初工作是使用放射性標記的 MIA，但是該領域現在已經發展到包括許多測定形式，例如螢光 MIA、酶聯 MIA 和分子印跡納米顆粒測定 (MINA)。

分子印跡聚合物也已用於從細胞裂解物中富集低豐度磷酸肽，優於目前的黃金標準——二氧化鈦 (TiO 2 ) 富集。

## 歷史

在 1931 年發表的一篇論文中， Polyakov 報導了在乾燥新製備的二氧化矽過程中不同溶劑（苯、甲苯和二甲苯）的存在對二氧化矽孔結構的影響。當H2SO4被用作聚合引發劑（酸化劑）時，表面積（例如負載容量）與相應溶劑的分子量之間呈正相關。後來，在 1949 年，Dickey 報導了矽酸鈉在四種不同染料（即甲基、乙基、正丙基和正丁基橙）存在下的聚合反應。隨後去除染料，在再結合實驗中發現，在任何這些「模板分子」存在的情況下製備的二氧化矽會優先於其他三種染料結合模板分子。這項工作發表後不久，幾個研究小組開始使用 Dickey 方法製備特定的吸附劑。默克公司為尼古丁過濾器申請了專利，過濾器含有尼古丁印跡二氧化矽，能夠比非印跡二氧化矽多吸附 10.7% 的尼古丁。該材料旨在用於香菸、雪茄和菸斗過濾器。這項工作出現後不久，分子印跡引起了科學界的廣泛興趣，1931-2009 年期間該領域發表了 4000 篇原始論文（來自 Scifinder）。然而，通常分子印跡技術只在靶向分子量 <1000 的小分子時才有效。因此，在下面的小節中，分子印跡聚合物被分為兩類，分別為小模板和大模板。

## 生產限制

新型 MIP 的生產面臨該領域獨有的挑戰。分子印記聚合物的基材各不相同，因此需要不同的單體和交聯劑組合才能在特定基材上形成印跡聚合物。第一個也是較小的挑戰是如何選擇那些將產生與底物分子的官能團互補的結合單體。例如，選擇完全疏水的單體來印上高度親水的基材一般是不可取的。在創建新的 MIP 之前，需要考慮這些注意事項。分子建模可用於預測模板和單體之間的有利相互作用，從而實現智能單體選擇。

更麻煩的是，一旦聚合物在周圍形成，MIP 的產量受到從 MIP 上清洗模板的能力的限制。在創建 MIP 時，必須在完全移除原始模板和損壞基板結合腔之間做出折衷。結合腔損壞通常是由強力移除方法造成的，包括空腔塌陷、變形結合點、模板移除不完全和空腔破裂。

## 模板移除

在過去十年中，MIP 生產的大部分發展成果都是新聚合技術，這些聚合技術試圖控制單體的排列，從而控制聚合物結構。然而，在模板聚合後從 MIP 中有效去除模板方面進展甚微。模板去除過程現在是 MIP 生產中成本效率最低且最耗時的過程。

目前有幾種不同的提取方法用於模板去除。這些已分為 3 大類：溶劑萃取、物理輔助萃取以及亞臨界或超臨界溶劑萃取。

### 溶劑萃取

- 索氏提取自發明以來，一直是使用有機溶劑的標準提取方法。該技術將 MIP 顆粒放入提取室內的筒中，然後將提取溶劑倒入與提取室相連的燒瓶中。將溶劑加熱並在柱內冷凝，從而接觸 MIP 顆粒並萃取模板。該技術的主要優點是用新鮮的萃取溶劑反覆洗滌 MIP 顆粒，由於使用熱溶劑有利於溶解，完成後無需過濾即可收集 MIP 顆粒，設備價格適中，用途廣泛，可以適用於幾乎任何聚合物基體。主要缺點是提取時間長，使用的有機溶劑量大，對溫度敏感的聚合物可能會分解，該技術的靜態性質不利於溶劑流過 MIP，並且難以實現自動化。
- 孵育是將 MIP 浸入溶劑中，溶劑會導致聚合物溶脹，有利於模板從聚合物中解離。一般這種方法在溫和的條件下進行，聚合物的穩定性不受影響。然而，與索氏提取技術類似，此方法也非常耗時。
- 固相模板將模板分子固定在玻璃珠等固體支持物上，可以輕鬆從模板中去除 MIP。在冷洗去除未反應的單體和低親和力聚合物後，可以添加熱溶劑以破壞結合併收集高親和力 MIP。

### 物理輔助提取

- 超聲波輔助提取 (UAE)通過空化的過程發揮左右，該過程在液體中形成小氣泡，對固體顆粒造成機械侵蝕。這導致局部溫度和壓力升高，有利於溶劑和模板分子的溶解擴散、滲透傳輸。
- 微波輔助萃取 (MAE)使用微波直接與分子相互作用，造成離子傳導和偶極子旋轉。可以使提取迅速發生，但是，如果聚合物對熱敏感，則必須小心避免溫度過高。當該技術與強有機酸一起使用時，效果最好，但是，這也可能導致部分 MIP 降解。這種方法顯著減少了提取模板所需的時間，降低了溶劑成本，是一種清潔的技術。
- 機械方法：一項研究表明，微接觸分子印跡方法可以從模板中機械去除目標（大生物分子、蛋白質等）。該技術與生物傳感器應用相結合，有望用於生物技術、環境和醫學應用。

### 亞臨界或超臨界溶劑萃取

- 亞臨界水 (PHWE) 方法在高溫(100–374 °C) 高壓(10–60 bar)下使用水作為溶劑。水在高溫下極性顯著降低，使得該條件下水可以溶解各種極性、離子性或非極性化合物。在高溫高壓條件下，水的粘度與表面變張力降低，也有利於擴散。此外，高溫能破壞分子間作用力，例如模板與基質間的偶極-偶極相互作用、范德華力、氫鍵等，有利於解離的發生。
- 超臨界 CO2 (SFE) 是一種綠色的提取方法，使用超臨界 CO2 作為溶劑。超臨界 CO2 的臨界點為 31.1 °C 和 73.8 bar，此時 CO2 的密度與液體相近，但是具有氣體的擴散性。超臨界 CO2 的極性較低，因此對於極性化合物的溶解度較低，但是對於非極性化合物的溶解度較高。此外，超臨界 CO2 的粘度低，有利於擴散。超臨界 CO2 的溫度較低，因此對於熱敏感的聚合物有利。

## 外部連結

- MIP database
- The Society for Molecular Imprinting