分子印迹：用于生物抗体和受体的人工合成物质外文翻译资料

 2022-08-07 15:20:01

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分子印迹：用于生物抗体和受体的人工合成物质

分子印迹是提供能够识别并在一些情况下回应生化试剂的功能的材料的一种多用途的技术。与生物抗体相比，我们熟知的受体产生于生物组合过程，而分子印迹高分子通过模板导向合成来获得。因此，分子印迹可以视为解决研究和应用问题的“合理设计”。材料化学家通过使用分子积木可以生成特定合成的材料，这种材料大幅提高了替代或补充自然受体过程的稳定性。

1.引言

对酶催化和抗体形成的潜在机理的研究开始于20世纪40年代。关于酶和底物间“锁和钥匙”的假设和多肽链围绕抗原的“引发性折叠”的发现激励了研究者继续探究相似的合成机理，并用化学方法获得特定的结合材料。虽然“指向性模型”对抗体的形成在后来的研究中（现在在支撑克隆选择理论）没有被证实它正确，至少它代表了一种指向性的开始。后来的研究指明使用了可以使印迹洞穴在相互交错的高分子聚合物和无机的晶体间形成的有机模板可以形成模型并已被证明是最有效的方法来合成可以承受选择性分子认别侧的材料。

分子印迹的过程包括了通过在分子引导下（或印迹分子）不同构件块间的连接来识别洞穴的形成。为了保持构件块协助模板（或印迹分子），可以被利用在初始的组合步骤中不同的驱动力。像这样相互作用的例子有共价键、氢键、范德华力、离子相互作用、金属配位相互作用和疏水作用。结合基团的固定可以通过不同的化学反应来完成（如不同的冷凝和额外的聚合），只要这些反应不扰乱模板构件块组合件的形成。虽然这些在理想条件下可以完成，简单自由地根本聚合是通过模板的大幅变化可以并存的可行的方法。两个不同的方法用于获得分子印迹高分子，或方便的小型的MIPs，它们选择性依靠模板和含有印迹和重连接齿印的功能性单体之间的反应。在Wulff等人提出的共价法中，模板和功能性单体间的可逆化学键在印迹聚合期间保持稳定。相同的驱动力用于与模板结合后获得MIPs。原理上讲，该反应会导致结合侧同质化，因为模板分子单体功能组件在聚合反应中可以保持完整。然而，从高度交叉聚合的高分子模型中移除化学键合模型通常很难完成，同时由于目标化合物和MIP间共价键的形成导致再结合过程通常很慢。同时，模板一开始的必要的改变需要严格的合成条件。在由Mosbach等人首先提出的非共价法中，利用了如氢键、范德华力、离子相互作用和疏水作用等非共价力。这模仿了生物分子识别过程中的主要反应。由于包含了相对较弱的反应，经常添加过量的具有功能的单体来稳定聚合期间的模型功能的单体聚合物，其可导致多种多样的结合侧需要继续提纯。然而，大量的功能性单体可以在市场上获得和易于筹备使这个方法广泛传播。组合合成法，最近发展的硅放映法同样加速了最佳非共价键印迹聚合物的发展。与此同时，像通过金属协调反应来结合特定的氨基酸链等更有效单体的合理设计使得结合侧更加同化。基于淀粉溶液和尿素的新的更有效的功能单体得到发展，实现了一定当量数的功能性群组嵌入到印迹高分子中来减少非特异性吸附。除上面提到的共价法和非共价法之外，人们做了尝试来结合共价法和非共价法的优点，用功能性单体共价键合模型再聚合成印迹，同时伴随有精心设计的非共价反应生成的选择性再结合位点。

对比于两种知名的产生于结合过程的受体——抗体和单链核酸适体，MIPs通过使用了模板导向合成的适宜简单分子块来获得，这个方法耗时少、更有效。很难用传统方法去评论准备好的不同受体，这些材料的基本对比在表1中给出。MIPs作为纯人工合成材料，可以在原理上被设计用来作为简单的吸附剂，同时也能对目标分子和不同的环境刺激作出反应。

分子印迹材料的潜在应用在许多种类的期刊论文都是热门话题，包括像吸附分离、催化、有机合成、化学分析等主题。进一步讲，强调药剂发现的一篇普通文章就被引用。关于对分子印迹主题的科学论文的一项广泛调查（到2003年）已经出版，该调查的1500项参考提供了初期研究的透彻信息。最近观点看来，符合材料科学立场、符合发展规律、讨论未来发展方向的分子印迹是可能得到的。这个观点接下来介绍了MIPs有趣的物理形式的发展，包括控制有渗透结构的印迹材料。这是根据已经用于分子印迹的代表性新基质材料的讨论而得出。把微米级和纳米级加工的MIPs覆盖在分离单元上，因为这些代表了增长的研究焦点的领域，在这个领域中通过建立更多复杂结构和减少物理尺寸实现了分子印迹的新功能。新材料/分子在新应用领域的发现是重要一步，在第5章，利用直接合成的印迹纳米洞穴来探索是在诸多细节上随后要讨论的问题。在最后的总结部分我们对领先领域给予了远景与希望。

2.印迹材料控制物理形状和渗透结构

起先，我们提供了不同最近开发出的分子印迹材料的构型的综述（表2）。不规则形状渗透高分子颗粒印证了分子印迹的早期证明，这个颗粒是根据大小分级和筛分来打磨分子印迹块来获得。这个过程简单直接并通过不规则形状的材料确定了形状。许多印迹的生成依然在使用这种方法。然而，限制因素依然存在，限制因素有产生MIPs时对物理形状的控制不足，和MIP生产的难以扩大。在实际应用中，用有定义好的物理形状的高分子基质去合成印迹侧是一种更合适的方法。这类活动生成了很多种有趣的MIP材料，在关于新型MIP形式的观点中多次提到，包括MIP珠和膜、薄膜、和有位点的整块材料。

2.1 MIP珠。Kempe最近用悬浮聚合准备的球形MIP珠在矿物油（液体石蜡）中合成了。在乙腈中，印迹珠和心得安的结合比控制聚合物强，尽管MIP珠有更大的尺寸（图2A）。使用聚碳酸酯基螺旋微流反应器（图2B），Zourob等人发现在矿物油中，这个相同的印迹反应可以生产单分散性的MIP珠（图2C）。在研究中使用的新连续阶段比早些时候Mosbach和Mayes使用的全氟化碳溶液法更便宜，同时因为反应不需任何稳定剂和表面活性剂因此聚合珠更纯净。它有待观察在石腊油中印迹聚合的悬浮物解决更大范围的模板，因为极端制孔剂的使用有一定局限性。

Carter和Rimmer 凭借一种聚合的两性结合单体合成了一系列表层印有分子的核—壳粒子。这个两性分子结合单体在交联的聚苯乙烯芯上和乙烯-乙二醇-二甲基丙烯酸酯共聚。带有印迹的核-壳纳米粒子在水溶液条件下结合各自的模板（咖啡因、茶碱、普萘洛尔和阿替洛尔）具有出乎意料的选择性。Perez-Moral和Mayes同样介绍了一个在MIP纳米颗粒的核中的信号元件（荧光单体）。用甲基丙烯酸作为功能单体合成印迹壳，providing如果选择性结合到了核—壳粒子的原始模块上。这种印迹的核-壳纳米粒子建议使用荧光共振能量转移在非分离测定中被采用，比如信号转化。然而直到现在，印迹核壳纳米粒子的使用尚未证明这一点。

Wang等人在一步沉淀聚合中合成了茶碱印迹，单分散性聚合珠（图2D）。通过微调反应物组成（功能单体、交错剂和溶液）和摇动获得了直径5微米比之前相同方法合成的亚微米球大的珠。在最近工作中，我们已经证明在纳米到微米级别内通过改变反应条件精确控制MIP珠的尺寸是可行的，获得均匀的纳米或微米珠可应对不同的应用。虽然每种模板可能需要通过实验找到最佳条件，沉淀聚合法仍然是提供具有出色重现性的常规聚合物珠粒的最简单的方法。

2.2印迹膜。Minoura等人合成了包含偶氮苯可聚合衍生物的光敏印迹膜，p-苯偶氮丙烯酰苯胺。他们证明光反应化合物（紫外线和可见光下）的可逆异构化可作用于调节原始模板（丹西酰胺）的合成强度。为了分离，尚未实现的使用刺激性MIP膜来调节渗透得到了关注。在最近的研究中，薄印聚合物层不是直接制造 MIP 膜，而是嫁接到商业微滤膜上，以达到有利的液体流动特性。Yang等人合成了用氧化铝多孔膜支撑的分子印迹纳米管。这个印迹纳米管可以在氧化铝被移除前直接用来分离生物分子。这是一个用来研究模板通过狭窄孔道的途径扩散的理想系统，因为不同的印迹绑定位点可以嫁接在同一类型的氧化铝通道内，从而提供一个开放的管状结构，其中模板被动扩散的效果可以与任何绑定促进或绑定延迟传输分开。

2.3控制MIP的孔结构。Davis和他的同事使用了一种特定的过程来合成微孔二氧化硅分子印迹。他们使用特定的芳香族模板把功能性的有机组（氨丙基）吸附到被模板占用而形成的微孔墙上。随后去除芳香芯后，发现氨基功能化的微孔是一种形状选择基催化剂。也可以使用不同长度的标度来精确控制压印二氧化硅基质的孔结构。Dai和同事使用表面活性剂胶束和金属离子在二氧化硅材料中形成圆柱形中孔（直径2.5-4.0 nm）。圆柱孔上有压印腔（1-3Aring;），能够选择性地结合模板的金属离子。这些分层压印的材料不仅表现出快速的结合动力学和高容量，而且还展现出良好的金属离子识别能力。 Schmidt等人使用更大尺寸的不同线性聚合物来调节旋涂MIP膜的形貌。通过溶剂萃取除去衬里聚合物导致在普萘洛尔印迹膜中形成不同的多孔结构。

在压印反应期间存在具有确定的结构的牺牲性支撑材料，例如多孔二氧化硅珠，以及最近的胶体晶体，获得了被压印的有机聚合物的大且轮廓分明的孔。聚合后，通过化学溶解去除牺牲性支撑物，留下由牺牲性支撑物的骨架限定的大而规则的孔。或者，将用于压印的分子模板固定在牺牲性支撑物上时，去除牺牲性二氧化硅会导致有机聚合物中表面暴露的分子识别位点。

2.4复合材料。在多个实施例中已经报道了包含压印聚合物的复合材料。通过掺入磁性氧化铁，Ansell和Mosbach使用在全氟化碳液体中的悬浮聚合反应制备了超顺磁性MIP磁珠。通过施加磁场，可以轻松地从溶液中回收复合珠，从而实现基于MIP的快速，简单的亲和分离。

Sellergren及其同事研究了将MIP层接枝到预先形成的支撑材料上的方法，特别是在硅珠上。这些包括使用表面固定的自由基引发剂和引发剂，与硅石载体结合使用时，与交联的聚苯乙烯珠粒相比，后者更有效。尽管没有证据表明这种复合珠可以在色谱固定相上胜过传统的MIP颗粒，但是开发的接枝方法可以应用于其他系统，例如用薄的MIP层涂覆预制的金胶体或量子点。这种复合材料的核心，由于其有趣的光学特性，将允许开发新的基于MIP的传感材料。

3.用于分子印迹的新支持矩阵

在常规的分子印迹中，高水平的交联用于确保模板结合特异性。然而，刚性的聚合物网络阻止了模板从MIP内部的有效移除。印迹聚合物还导致缓慢的结合动力学。已经表明，当前已经构想出的大生物大分子的表面印迹可以克服结合位点可及性方面的限制。最近，Shea和同事报道了使用特定表位（表面暴露的氨基酸序列）作为模板的蛋白质表面印迹。在压印反应过程中将模板固定在固体支持物上，从而在获得的MIP膜中形成表面暴露的和明确定义的蛋白质结合位点。 Rather和同事使用射频辉光放电等离子体沉积方法在糖糖基质上形成印迹位点。印迹材料显示出对多种模板蛋白的选择性识别大概率是通过涉及氢键，范德华力和疏水相互作用的协同非共价相互作用形成的。Marty等人为了简化模板移除和改善站点可及性，他们将液晶网络用作分子印迹的基本材料。由于液晶弹性体的介晶部分之间形成的相互作用通过非共价相互作用赋予网络额外的刚性，因此发现低水平的共价交联足以确保结合位点的完整性。分子印迹结合位点也因此成功引入水凝胶。Watanable等人通过使用温度响应部分，制备在收缩状态下暴露于模板分子时体积发生较大变化的印迹聚合物凝胶。

Biffis等人首先使用共价相互作用报道了可溶于有机溶剂的印迹微凝胶。

MIPs被用作酶模拟物的潜力已经被研究了一段时间。 Maddock等人最近通过使用非共价相互作用制备了催化MIP微凝胶。制备方法与沉淀聚合中所用的相似，不同之处在于对反应溶剂进行了微调以产生离散的微凝胶颗粒。在最近的一篇论文中，Wulff等人描述了印迹纳米凝胶（10–20 nm）的制备方法，该纳米凝胶具有与传统的大体积材料相当的催化活性。为了实现在纳米凝胶中有效的分子印迹，使用了一种不寻常的“后稀释法”。

包含单个结合位点的印迹聚合物（通过单分子印迹）已经被合成。 Griebel和Maier合成了含有单个催化位点的超支化聚酯。 Zimmerman及其同事首先报道了树状聚合物内部的印迹（图3）。在那里，在交联基质分子的外围之前，将模板分子共价连接到单个大分子的焦点上。他们还向生色的树枝状聚合物中引入了生色报告分子，从而可以通过跟踪紫外线吸收率的变化来监测烷烃二胺和三（2-氨基乙基）胺的选择性结合。因为每个MIP都包含一个结合位点，在每种情况下理想情况下都相同，所以单分子印迹可能是制备模仿真实单克隆抗体的MIP的选择方法。该方法的缺点是它需要多步有机合成和繁琐的纯化，并且只能应用于具有高分子对称性的几种类型的模板。

分子印迹单分子层已经在许多情况下得到研究。Piletsky等人在胆固醇模板存在下，在金电极上制备了十六烷基硫醇的自组装单分子层（SAM），并使用压印的SAM使用铁氰化钾作为电化学示踪剂测量胆固醇浓度。 Lahav等人使用光化学印迹方法在金电极上的硫醇单层中创建萘并苯醌衍生物的识别位点。在进行了这些原理验证研究之后，一些实验室报道了使用有机SAM在金电极上创建分子识别位点以开发各种化学传感器的方法。 Boal和Rotello使用纳米颗粒作为支架，使用二氨基吡啶和分核官能化的硫醇作为结构单元，在金胶体上组装了黄素的多价结合位点。硫醇在金胶体上的活动性有限，因此可以在识别元件和黄素模板之间实现最佳结合。类似地，有机硫醇在金表面的附着被用来捕获硼酸附加的聚（L-赖氨酸）的特定高阶构象。聚（L-赖氨酸）的特殊构象是通过其在硼酸侧基与葡萄糖模板之间的相互作用而诱导的。除去葡萄糖模板后，金表面上的固定聚合物构象保持其结合基团适当排列，能够选择性地重新结合糖模板。

4.微型和纳米制造的MIP

Yan和他的同事首先报道了制造微制造的MIP丝的过程，他们利用软光刻方法，在硅晶片和微制造的聚二甲基硅氧烷（PDMS）压模之间形成的微通道内发生了印迹聚合反应。 同样的方法也被用于制造用于荧光检测目标分析物的压印光波导。与PDMS微通道有关的一个问题是，压模材料与最常用的压印系统不兼容，这些压印系统包含丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯或苯乙烯单体。 Yang等人介绍了一种更通用的方法。用于制备能够选择性识别不仅小氨基酸而且大蛋白的表面印

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