新型亲和基质材料--分子印迹聚合物

新型亲和基质材料--分子印迹聚合物

摘要：论述了分子印迹聚合物（MIPs）在固相萃取方面的优势。在所列举的实例中，分子印迹聚合物相对于常规的SPE固定相在选择性方面有明显的优势。
　　化学药物是目前治疗人畜疾病的重要临床手段，并且其用量越来越大；然而，监测生物和环境基质中的药物存在着很大的技术挑战。药物的活性成分及其在血液、血清、尿液中的代谢产物的定量十分困难，并且目前分析方法步骤繁琐。更加复杂的问题是，一些机理明确的药用化合物例如抗生素氯霉素、β - 兴奋剂类药物经常被用作动物生长促进剂，而这些药物在作为人们消费的动物性食品中是严格禁止使用的。各类组织（例如，欧盟、美国食品及药物管理局、美国环保署）对这类化合物设定了非常低的检测限，对其分析检测方法提出了很高的要求，使得这些药物的分析检测需要复杂繁琐的前处理和分析步骤。风速计 | 电表 | 温度计 | 粘度计 | 沼气检测仪 | 声级计 | 流量计 | 毒性气体 | 粗糙度仪 | 尖嘴钳 | 电能质量分析仪
　　另一个受关注的领域是一些活性药物成分进入到环境中。它们可以在各种环境基质中存留很长时间，不能被传统的废水处理工艺去除掉。这类化合物可以在土壤和地表水中存在，并且其浓度低于现有许多分析方法的灵敏度，从而在人畜饮用水源中很可能存在这类化合物而检测不出来，因此发展活性药物的分析检测方法具有很重要的意义^[1]。
　　有药物活性的物质通常在很低浓度就可以发挥作用，一般在分析检测前需要进行浓缩处理。常用的提取方法有液- 液萃取和固相萃取（SPE）两种方法。第一种方法的优缺点就不在这里赘述。传统的SPE 有众所周知的局限性，如在提取水溶液中的极性药物时，回收率比较低。此外，如果样品基质复杂，包含多类化学物质，要做到既能选择性地提取出目标分析物又不能把其他污染物提取出来比较困难，因而对目标化合物回收率测定有很大的影响。
　　为了克服上述缺陷，发展了基于免疫亲和与分子印迹聚合物等具有选择性的吸附材料。本文的目的不是为了比较免疫亲和与分子印迹两种方法的优劣性；最新的关于分子印迹聚合物作为固相萃取材料方面的综述见参考文献2 和3。
　　以下是将分子印迹聚合物用于固相萃取材料的实例：1、从环境水样中提取β - 阻断剂^[4]（与西班牙巴塞罗那化学环境研究所合作项目）；2、发展了一种用于固相萃取的分子印迹聚合物，用其可以快速、简单和接近定量地分析食品中的氯霉素。

1 分子印迹聚合物技术简介

　　分子印迹聚合物是高度交联的聚合相，对单个分子或者对一类结构相近的分子有预先确定的选择性（见图1）。在非共价分子印迹过程，首先将模板分子和一种或多种功能单体溶解在溶剂中，形成的聚合物对模板分子具有选择性。然后自引发聚合形成印迹复合物，印迹效果决定于模板分子化学官能团与功能单体官能团之间的互补性，以及印迹体系的溶液性质（例如介电常数）。再加入交联单体（交联单体的亲水性和疏水性也有很大差别），然后进行聚合（溶剂起致孔剂的作用），再用强洗脱液将模板分子去除。得到的分子印迹聚合物有特异性的空穴和印迹位点，与模板分子有空间或者化学性质的互补性，理论上（如果合成体系设计恰当）也会与目标分析物或一类目标分析物有空间或者化学性质的互补性。（注：也有报道用共价和半共价的印迹方法^[5]）。

2 分子印迹过程

　　模板设计和单体选择是分子印迹过程的两个关键性因素。在实际应用中应当遵循“分子印迹六原则”：
　　1、尽量不要将被分析物作为模板分子，除非没有其他选择。
　　2、合理选择被分析物在低极性溶剂（有机溶剂）中有较好反应特性的区域，然后综合这些因素确定分析物的类似化合物。
　　3、选择在最佳溶剂体系中能形成较强相互作用的单体（例如：Bronsted 酸或碱，氢键供体或受体，非极性基团），这将有助于提高印迹容量，改善孔穴的均一性。
　　4、选择可以溶解在聚合反应过程中致孔剂的模板分子和单体，这也许是显而易见的，但有时候需要进行可溶性实验。
　　5、尽量保证模板分子- 单体混合物稳定，在聚合条件下不会发生其他副反应。
　　6、选择交联单体时应考虑到最终被提取分析物所处基质的性质，一些含有双或三不饱和键的不同化学性质的交联单体（例如：乙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸和丙烯酰胺等）可以用来形成多孔的有机网状材料。

3 分子印迹聚合物在药物分析中的应用

　　一些文献已经报道了分子印迹聚合物在药物分析中的应用。上世纪90 年代报道的一些早期应用实例中，由于是将被分析物作为模板分子，因而受到了模板分子泄漏问题的困扰^[6-10]。为了克服这一问题，Andersson 等^[11]报道了一种与sameri d i ne（一种类似吗啡的麻醉剂）结构类似的分子作为模板分子的印迹聚合物。实验过程中，由于被分析物与模板分子可以用色谱分离，而不会发生模板分子的泄漏。后来还有其他一些使用结构类似物的应用实例的报道^[12,13]。尽管这是一个重大改进，但如果分子印迹聚合物用于富集痕量水平的化合物，在合成聚合物的过程中将模板分子去除到ppb 级别的残留量仍然非常重要。作者以前报道过一个应用实例^[3]，由于模板分子去除不彻底，其在色谱分离中产生的色谱峰比被分析物的色谱峰大得多（大100 倍），目标分析物在要求的（低浓度）水平检测不出来。
　　虽然利用结构与被分析物非常相近的类似物作为模板分子，可以解决模板分子泄漏问题，但是还存在其他问题，例如类似物与被分析物相比合成费用昂贵、在聚合物体系中表现不同的溶解特性、类似物还可能有毒性等，这些确实是需要解决的问题。

4 模板问题

　　分子间的交叉识别概念引导发展出了ExploraSep^TM (MIP T echnologies AB, Lund,Sweden)^[14]。这一概念是指以一种分子作为模板合成的分子印迹聚合物，不仅对模板分子有选择性，对于具有相互作用的官能团、有相似三维空间分布的其他分子也有选择性。这类似于药物设计中的药效团概念，对于分离领域来说，作者称其为选择基。例如在发展ExploraSep技术时发现以烟碱为模板的酸性分子聚合物对茶碱也有选择性。在这一例子中，可以很容易解释原因。在印迹过程中最强的相互作用基团应是嘧啶环上的氮原子和酰胺键上的氧原子。如果将茶碱与烟碱比对，茶碱的氢键受体几乎和烟碱氢键受体完全匹配（见图2）。换句话说，烟碱可以作为茶碱的模板分子类似物。

　　对于更加复杂的模板分子和目标分子来说，已经可以采用计算机模拟方法进行模板设计^[15]。作者创建了一个有关相互作用的数据库，数据来源于已合成的分子印迹聚合物。由此可以建立起高通量的分子印迹聚合物筛选方法。数据库可以通过经验方法为新的目标分子建立选择基模型。这种方法的一个重要优势在于筛选得到的模板类似物可以和目标分子截然不同，不会对分析产生干扰。

5 氯霉素模板分子的筛选过程

　　氯霉素（Chloramphenicol 【CAP】）是一种兽用抗生素，在畜牧和水产养殖中广泛使用。由于怀疑氯霉素是致癌物，还会引起再生障碍性贫血，欧盟从1994 年起全面禁止使用氯霉素。现在食品中的检测限量是零检出，这是因为对于这一毒性水平的化合物，不适合给定一个最高限量。因此需要有一种灵敏、准确、选择性好的氯霉素分析方法。目前已有的几种检测氯霉素的方法都比较繁琐^[16]。已报道的方法中还没有任何一种方法可以达到所需的特异性来确认阳性的检测结果的准确性。下面介绍的MIP-SPE 方法完全可以满足上述要求。
　　使用ExploraSep 技术，筛选到了几个选择基，选定其中一个做进一步研究。虽然它的原始极性模板分子与氯霉素的选择基很相似，但结构相差很大。为氯霉素合成的分子印迹聚合物的检测限要低于LC-MS-MS方法最低要求的检测限（MRPL）（0.3 μg/kg 或0.3 ppb）（见图3），提高了检测的可靠性。该方法的效果等同甚至优于免疫检测方法，并且没有诸如假阳性或需要特殊处理步骤的缺点。分子印迹聚合物的选择性可以保证对广泛的样品种类例如牛奶、尿样、虾和蜂蜜都能达到分析要求。

6 天然水中痕量β-阻断剂的检测筛选过程

　　β - 阻断剂是一类重要的抗高血压药物。随着该类药物的广泛使用，对环境水体的污染也大大增加。发展一种选择性高、灵敏度高以及能够同时检测水样中这一类化合物的方法迫在眉睫。作者与Pizzolato 等合作发展了一种可以用分子印迹聚合物提取这一类化合物的固相萃取方法[4]。图4 为使用匹配β - 阻断剂选择基的分子印迹聚合物提取这一类化合物结果。在从环境水样中提取阿替洛尔、卡诺左洛、心得静、心得安、心得怡（β - 受体阻滞药），塞吗洛尔和美托洛尔一类化合物具有高效和高选择性，回收率能够达到80％以上，并且所有检测水样实验中β - 阻断剂的检测限都低于1 ng/L（1 ppt）。对复杂水样的测试结果表明，MIPs 不但是一种简单、快速的分析方法，还可以有效地避免基质干扰。

7 结论

　　本文论述了用MIPs 作为固相萃取固定相的优点。在选择性要求较高的应用中，MIPs 固相萃取相对于传统固相萃取具有明显优势。在分析化学界围绕这一技术的优缺点的一些荒诞说法，很大程度上源于许多人仍在使用已经被其他方法取代的技术手段。问题之一是被分析物从聚合物中泄漏的问题。解决这一问题的方法已有许多描述，例如使用模板分子类似物或以一种分子为模板的分子印迹聚合物对具有类似三维空间结构、相互作用的官能团的分子也有较好的选择性。
　　筛选分子印迹聚合物库?一种典型的分子印迹聚合物高通量筛选方法，将会发现与目标分子非常不同的模板类似物，这样对分析的干扰将减到最小。最后这种筛选方法结合经验设计将会加速新型分子印迹聚合物和现代分离、萃取材料的发展。