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(shí)例中，分子印跡聚合物相對于常規的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(lái)越大；然而，監測生物和環(huán)境基質(zhì)中的藥物存在著(zhù)很大的技術(shù)挑戰。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。更加復雜的問(wèn)題是，一些機理明確的藥用化合物例如抗生素氯霉素、β - 興奮劑類(lèi)藥物經(jīng)常被用作動(dòng)物生長(cháng)促進(jìn)劑，而這些藥物在作為人們消費的動(dòng)物性食品中是嚴格禁止使用的。各類(lèi)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(lèi)化合物設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(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(cháng)時(shí)間，不能被傳統的廢水處理工藝去除掉。這類(lèi)化合物可以在土壤和地表水中存在，并且其濃度低于現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(lèi)化合物而檢測不出來(lái)，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(diǎn)就不在這里贅述。傳統的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)復雜，包含多類(lèi)化學(xué)物質(zhì)，要做到既能選擇性地提取出目標分析物又不能把其他污染物提取出來(lái)比較困難，因而對目標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(jiàn)參考文獻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，對單個(gè)分子或者對一類(lèi)結構相近的分子有預先確定的選擇性（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，形成的聚合物對模板分子具有選擇性。然后自引發(fā)聚合形成印跡復合物，印跡效果決定于模板分子化學(xué)官能團與功能單體官能團之間的互補性，以及印跡體系的溶液性質(zhì)（例如介電常數）。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)的互補性，理論上（如果合成體系設計恰當）也會(huì )與目標分析物或一類(lèi)目標分析物有空間或者化學(xué)性質(zhì)的互補性。（注：也有報道用共價(jià)和半共價(jià)的印跡方法^[5]）。

2 分子印跡過(guò)程

　　模板設計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)際應用中應當遵循“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（有機溶劑）中有較好反應特性的區域，然后綜合這些因素確定分析物的類(lèi)似化合物。
　　3、選擇在最佳溶劑體系中能形成較強相互作用的單體（例如：Bronsted 酸或堿，氫鍵供體或受體，非極性基團），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。
　　5、盡量保證模板分子- 單體混合物穩定，在聚合條件下不會(huì )發(fā)生其他副反應。
　　6、選擇交聯(lián)單體時(shí)應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)形成多孔的有機網(wǎng)狀材料。

3 分子印跡聚合物在藥物分析中的應用

　　一些文獻已經(jīng)報道了分子印跡聚合物在藥物分析中的應用。上世紀90 年代報道的一些早期應用實(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]報道了一種與sameri d i ne（一種類(lèi)似嗎啡的麻醉劑）結構類(lèi)似的分子作為模板分子的印跡聚合物。實(shí)驗過(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構類(lèi)似物的應用實(shí)例的報道^[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 級別的殘留量仍然非常重要。作者以前報道過(guò)一個(gè)應用實(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），目標分析物在要求的（低濃度）水平檢測不出來(lái)。
　　雖然利用結構與被分析物非常相近的類(lèi)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(lèi)似物與被分析物相比合成費用昂貴、在聚合物體系中表現不同的溶解特性、類(lèi)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

　　分子間的交叉識別概念引導發(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、有相似三維空間分布的其他分子也有選擇性。這類(lèi)似于藥物設計中的藥效團概念，對于分離領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，作者稱(chēng)其為選擇基。例如在發(fā)展ExploraSep技術(shù)時(shí)發(fā)現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(guò)程中最強的相互作用基團應是嘧啶環(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(jiàn)圖2）。換句話(huà)說(shuō)，煙堿可以作為茶堿的模板分子類(lèi)似物。

　　對于更加復雜的模板分子和目標分子來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以采用計算機模擬方法進(jìn)行模板設計^[15]。作者創(chuàng )建了一個(gè)有關(guān)相互作用的數據庫，數據來(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。數據庫可以通過(guò)經(jīng)驗方法為新的目標分子建立選擇基模型。這種方法的一個(gè)重要優(yōu)勢在于篩選得到的模板類(lèi)似物可以和目標分子截然不同，不會(huì )對分析產(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(gè)最高限量。因此需要有一種靈敏、準確、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(méi)有任何一種方法可以達到所需的特異性來(lái)確認陽(yáng)性的檢測結果的準確性。下面介紹的MIP-SPE 方法完全可以滿(mǎn)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，但結構相差很大。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(jiàn)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(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廣泛的樣品種類(lèi)例如牛奶、尿樣、蝦和蜂蜜都能達到分析要求。

6 天然水中痕量β-阻斷劑的檢測篩選過(guò)程

　　β - 阻斷劑是一類(lèi)重要的抗高血壓藥物。隨著(zhù)該類(lèi)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(shí)檢測水樣中這一類(lèi)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(lèi)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(lèi)化合物結果。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(lèi)化合物具有高效和高選擇性，回收率能夠達到80％以上，并且所有檢測水樣實(shí)驗中β - 阻斷劑的檢測限都低于1 ng/L（1 ppt）。對復雜水樣的測試結果表明，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用中，MIPs 固相萃取相對于傳統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(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(lèi)似物或以一種分子為模板的分子印跡聚合物對具有類(lèi)似三維空間結構、相互作用的官能團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(huì )發(fā)現與目標分子非常不同的模板類(lèi)似物，這樣對分析的干擾將減到最小。最后這種篩選方法結合經(jīng)驗設計將會(huì )加速新型分子印跡聚合物和現代分離、萃取材料的發(fā)展。