分子印迹技术的性能表征与仪器介绍

分子印迹技术的性能表征与仪器介绍 木尼热·阿布都艾尼  王瑞英 107551400471 （新疆大学化学化工学院 新疆 乌鲁木齐 830046） 摘要：分子印迹技术是结合高分子化学、生物化学等学科发展起来的一门边缘学科。它对于研究酶的结构、认识受体-抗体作用机理及在分析化学等方面有重要的意义。本文从分子印迹技术的发展前景，原理及应用三个方面综述了分子印迹的研究进展,最后介绍了用紫外光谱，荧光光谱，红外光谱，核磁共振，电镜，XRD等测试方法对分子印迹聚合进行表征。 关键词：分子印迹技术；分子印迹聚合物；纳米磁性分子印迹聚合物；性能表征 一，分子印迹技术介绍 1.分子印记的发展及前景 40年代,Pauling，试图用锁匙理论解释免疫体系。虽然他的理论经后人的实践证明是错误的,但是在他的这种错误的理论中仍有两点是正确的:(1)生物体所释放的物质与外来物质有相应的结合位点;(2)生物体所释放的物质与外来物质在空间上相互匹配。正是基于这两点假设,化学家们发展了一项有效的分析技术称为分子印迹技术(Molecularly imprinting technology,MIT),在国内也有人把它称为“分子烙印”。1949年,Dickey首先提出了“分子印迹”这一概念,但在很长一段时间内没有引起人们的重视。直到1972年由Wulff研究小组首次报道了人工合成的有机分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers,MIPs)之后,这项技术才逐渐人们所认识,并于近10年内得到了飞速的发展。 MIPs具有三个特性: (1)预定性,可根据不同目的制备相应的MIPs; （2)识别性,MIPs是依据模板定做的,它具有与模板分子的立体结构和官能团相符的孔穴,所以选择性地识别模板分子;(3)实用性,它可以与天然的生物识别系统如酶与底物、抗原与抗体等相媲美,具有抗恶劣环境、稳定性高和使用寿命长等优点。二十多年来,在固相萃取、膜分离技术、异构体的分离等方面获得广泛研究,展现了良好应用前景。 2.分子印记的原理与方法 分子印记技术的原理：一系列功能分子(单体)在溶液中(或气相中)与模板分子相遇，它们之间可通过共价键(如果可以形成)或非共价键(氢键、静电作用、疏水相互作用以及其他非共价键的相互作用)作用，使这些功能分子与模板分子结构相互补的有序排列，在分子印记中，脱去模板后．使得模板分子在高分子体系中得以，并提供对一种目标分子的接受体。即：(1)功能单体与目标分子的功能基团在适当的条件下可逆结合，形成复合物；(2)加入交联剂将这种复合物“冻结”起来，制得高聚物(目标分子包埋在内)；(3)用一定的物理和化学方法，将模板分子(即目标分子1从聚合物中洗脱，以获得具有识别功能的分印迹聚合物。如图1可以看出制备原理： 3.分子印记技术的发展趋势 展望未来，分子印记技术的发展趋势可能有如下几个方面：(1)分子印记的识别过程的机理将从目前定性和半定量描述向完全定量描述，从分子水平上真正弄清楚印记过程与识别过程。(2)分子印记和识别过程将从有机相转向水相以便接近或达到天然分子识别系统的水平。(3)手性分离和固相萃取氨基酸、手性药物将步入商业化阶段。(4)印记技术将从氨基酸、药物小分子、超分子过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子，甚至生物活体细胞。总之，随着生物技术、电子技术、合成手段和现代分析检测手段的发展，制备分子印记聚合物的“塑料酶”、“塑料血管”、分子探针已不再是梦想。 二、MIPs性能表征用仪器 1.紫外吸收光谱(UV) 波长范围： 100 ?800 nm; 远紫外区： 100 ?200 nm； 近紫外区： 200 ?400 nm； 可见光区： 400 ?800 nm; 紫外吸收光谱：价电子能级跃迁。电子跃迁同时，伴有振动转动能级的跃迁，带状光谱。用于结构鉴定和定量分析. 基本组成;光源-单色器-样品室-检测器-显示器 1. 光源——在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。 2.单色器——将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。 3.样品室——吸收池(比色皿)+池架附件。吸收池：石英池，玻璃池。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。 4.检测器——利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。 5. 结果显示记录系统——检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。 实例——渗漏实验 从NIP中选出几种常见的功能单体的非印迹聚合物，通过渗漏实验对4-NP（对硝基苯芬），AOHCl(金胺O），IBA(吲哚丁酸），TA（色胺）分子印迹聚合物所需单体进行筛选。 准确称取选出的NIP100mg装在1mL的SPE柱，上下两端塞上筛板。然后将装有的聚合物的SPE柱先用甲醇：乙酸（v:v=9:1)洗去残留的模板或者为反应的单体，后用甲醇洗去乙酸。用3mL上样溶剂活化SPE柱，将上述模板分子溶液每次1mL，流速约为1mL/min 逐次上样，测定滤液吸光度（用紫外吸收光谱仪）。每次测定值与上样体积分数作图得到Breakthrough曲线，渗漏量50%处所对应的总体积即聚合物对模板分子的最大吸附体积，根据总体积及浓度计算各聚合物的最大吸附量计算分析物的含量。 图2——甲醇溶液在MIP与NIP上渗漏曲线及浓度对键合量的影响 2.荧光光度法 基本组成;光源-单色器-样品室-检测器-显示器 1.光源——需考虑其稳定性和强度，稳定性影响其精密度和重复性，强度影响测定的灵敏度、检出限。常用高压氙灯和高压汞灯。 2.试样池——用低荧光的石英制成的方形或长方形池体。 3.单色器——荧光分析仪具有两个单色器，荧光计采用滤光片，分光光度计采用光栅。 4.检测器——利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的光电管或光电倍增管，检测位置与激发光成直角。 5. 结果显示记录系统——检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。 实例——用荧光光谱测定实验制备出来的分子印迹聚合物的荧光强度来判断选用的功能单体是不是合适。 3.核磁共振波谱法（NMR） 1.磁体——用以提供一个强而稳定、均匀的磁场。常用永久磁铁，电磁铁或超导磁体。 2.射频发射器——从一个很稳定的晶体控制的振荡器发射的60MHZ（1.409T磁场）或100MHZ（2.350T磁场）的电磁波以进行氢核的核磁共振 3. 射频接收器——相当于共振吸收的检测器。 4. 探头——包含有试样管座，发射线圈，接受线圈，预防大器和变温元件。 发射线圈和接受线圈相互垂直并分别与射频发生器和射频接受器相连；试样管座处于线圈中心，用于放试样管，且连有压缩空气管，压缩空气驱动试样管快速旋转（20-40HZ）以消除不均匀性。 5. 扫描单元——用于控制扫描速率，扫描范围等参数。 磁性分子印迹技术是将磁性纳米技术与分子印迹技术相结合的一种新技术。磁性分子印迹聚合物，不但拥有磁性纳米颗粒具有的颗粒小、比表面积大、具有一定的磁导常数还具备了分子印迹聚合的高选择性识别特性。所以磁性分子印迹聚合具有吸附量大、选择性好，在磁场作用下容易分离的优点，受到了很多研究领域的关注。 以对硝基苯酚和金胺O为模板制备了磁性分子印迹聚合物（MMIP），解决了本体聚合中的难分离，操作繁琐的缺点。并且对聚合物的吸附性能进行评价，成功的运用了实际样品的测定中 4.电镜 1.照明系统——作用：提供高亮度、相干性好、束流稳定的照明电子束。组成包括电子枪和聚光镜。 2.成像系统——由物镜、中间镜和投影镜组成。成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上，通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。 3.像的观察记录系统——包括荧光板、双目镜、底片传送装置及控制曝光装置。 4.真空系统——需要真空的原因：a.因为高速电子与气体分子相遇和相互作用导致随机电子散射引起炫光和减低像称度；b.电子枪会发生电离和放电，但电子束不稳定；c.残余气体会腐蚀灯丝，缩短其寿命，故透射电镜对真空度的要求是越高越好。电子枪、照相室和样品预抽室与样品高真空部分隔开，这可保证各部分有自己的真空度，以提高效率。 5.电气系统——高压电源、透射电源、偏转线圈及用于真空系统、照相机的电源和安全保护电器。 实例——一般利用透射电子显微镜和扫描电子显微镜研究分子印迹聚合物的形貌、颗粒大小等。如图3所示，印迹聚合物是近似球形的微粒，直径在400～500 nm，TEM图显示聚合物为核壳结构。（a，b为扫描电子显微镜图像，c，d为透射电子显微镜图像） 图3- a.Fe3O4透射电子显微镜图像    b.Fe3O4@MIPs透射电子显微镜图像 5.X射线粉末衍射及技术(XRD) 基本组成：X射线发生器_射线测角仪_辐射探测器_测量电路_控制电子计算机系统 实例——MMIP的X-射线粉末衍射表征 MMIP的结构性质通过XRD进行表征，图4是Fe3O4@SiO2以及4-NP和AOHCl的MMIP的XRD图。可见MMIP结构上在20-70° 2θ区域内存在比较强的衍射峰，这个衍射峰与Fe3O4的非常相似。图中的衍射峰（30.2°,35.5°,43.1°,53.6°, 56.9°和62.7°）与JCPDS中磁性材料数据相符合。 图-4 Fe3O4@SiO2（a）、4NP-MMIP（b）、AOHCl-MMIP（c）纳米颗粒的XRD图 6.红外光谱法 实例——MMIP红外光谱表征 用红外光谱对Fe3O4@SiO2 ，活化后的Fe3O4@SiO2，硅烷化后的Fe3O4@SiO2进行表征，如下图5 。图中Fe3O4被SiO2包覆之后在1097和3600-3000cm-1处出现吸收峰，分别对应于Si-O-Si和O-H的伸缩振动。800和465cm-1处是Si-O伸缩振动，580cm-1处的吸收峰是Fe-O键伸缩，之外表明Fe3O4的确被SiO2包覆。用一定浓度盐酸活化之后3600-3000cm-1吸收峰增强，说明活化Fe3O4@SiO2表面形成-OH有利。硅烷化之后在1719cm-1出现峰，1630cm-1峰强度增强，这分别是C=O和C=C，说明成功的对Fe3O4@SiO2进行修饰，在其表面形成C=C，最合适在Fe3O4@SiO2表面制备印迹层的前提。聚合之后1730cm峰强度明显增强，表面成功制备了磁性分子印迹聚合物。