分子印跡技術論文(2)
分子印跡技術論文篇二
生物大分子印跡傳感器研究進展
摘 要 分子印跡傳感器在有機小分子分析檢測方面的應用已趨近成熟，在生物大分子檢測方面的應用近年來也逐漸增多。本文就近年來分子印跡技術在大分子生物傳感器中的構建及應用進行綜述，包括光學傳感器、電化學傳感器、質量型傳感器等，并對目前分子印跡傳感器在生物大分子檢測方面存在的問題進行分析，對生物大分子印跡傳感器的未來發展方向提出展望。
關鍵詞 分子印跡傳感器; 生物大分子; 綜述
1 引 言
1.1 分子印跡技術
1.1.1 分子印跡的發展 分子印跡起源于20世紀30年代，Polyakov[1]和Dicky[2]首次提出了特異性吸附的硅膠，研究其對甲基橙和乙基橙的特異性吸附能力。此后，研究者一直局限于“抗原-抗體”相互作用的思維。直到1972年，Wulff等[3]提出了“分子印跡(Molecular imprinting)”的概念，成功制備了具有對D-甘油酸對映選擇性的分子印跡聚合物，使分子印跡技術取得了突破性的進展。1993年Vlatakis 等[4]在《Nature》上發表了關于茶堿分子印跡聚合物的研究，對分子印跡具有的特異性識別能力進行了第一次系統性的描述，形象地將分子印跡聚合物稱為“塑料抗體”[5]。該文章的發表直接促進了分子印跡技術在近20年內的飛速發展。目前，分子印跡技術已在材料學[6]、分析化學[7]、生物化學[8，9]、生物醫藥[10]學科領域廣泛應用。然而，分子印跡在蛋白質乃至生物大分子方面的應用仍然是最具有挑戰性的課題之一。1985年，Glad等[11]利用有機硅烷單體制備了蛋白質分子印跡聚合物，在高效液相色譜中表現出對糖蛋白的親和性。由于生物大分子尺寸巨大、構象復雜，分子印跡技術在生物大分子的應用進展緩慢。直到表面分子印跡技術[12]及抗原決定簇[13]印跡方法的興起，生物大分子印跡漸漸成為了分子印跡研究的熱點。本文主要就分子印跡技術在生物大分子傳感器中的應用進展進行綜述。
1.1.2 分子印跡技術基本原理 分子印跡技術主要原理[14]是將功能單體、模板分子以交聯劑或者電聚合的方式通過特殊的作用力相結合制備出分子印跡聚合物，而后通過一定的溶劑或者其它方式洗脫除去模板分子留下與模板分子大小、形狀、空間構型都互補的孔穴，從而具有對模板分子進行特異性識別的能力。構成分子印跡技術的基本要素有： (1)功能單體 與模板分子形成識別位點;(2)交聯劑 將功 能單體與模板分子固定下來形成具有一定空間構象的高聚物;(3)引發劑 通常分子印跡有化學聚合和電聚合兩種方式，在化學聚合中需要特定的引發方式如光、電、熱、化學物質等將已連接單體的模板分子通過交聯劑形成分子印跡聚合物;(4)洗脫劑 對已聚合的物質進行洗脫處理，從而形成對目標物質具有特異性識別能力的孔穴。
基于功能單體與模板分子之間的相互作用力的不同，研究者提出了3種聚合物結合方式： (1)由Wulff等[3]提出的預組裝法，功能單體與模板分子間以可逆的共價鍵相結合，通過打斷共價鍵的方式去除模板分子，由于共價鍵較為穩定，其所形成的分子印跡聚合物也較穩定，印跡孔穴的結合位點較為均一，但同時也導致了洗脫過程和響應時間較長。(2)Vlatakis 等 [4]提出了以“非共價作用”自組裝模板分子，主要以氫鍵、范德華力、π鍵等弱作用力將單體與模板分子相結合，降低了模板分子洗脫的難度，加快了響應時間。(3)1995年，Whitcombe等[15]結合了共價作用和非共價作用，提出了“半共價法”，在聚合過程中用共價鍵的形式結合，而通過非共價作用進行特異性識別，提高了分子印跡聚合物的穩定性的同時，加快了印跡識別的響應時間，成功制備了膽固醇分子印跡聚合物。
1.1.3 分子印跡技術特點與應用 分子印跡技術具有顯著的特點： (1)構象預定性 分子印跡聚合物中的模板分子是預先設定的，根據模板分子的不同，可以選擇不同的單體進行分子印跡聚合物的制備。(2)識別特異性 模板分子在經過單體、交聯劑的共同作用下形成剛性空間結構，在洗脫模板分子后，聚合物空腔中依然存在與模板分子特異性結合的位點，從而達到類似于抗原-抗體的相互作用機制。(3)環境耐受性 聚合物具有的剛性結構決定了它具有優良的環境耐受性，耐酸堿、耐高溫、抗惡劣環境等。(4)使用壽命長 可重復使用、造價低廉和穩定性高。這些特點為分子印跡材料在仿生傳感器[16，17]、靶細胞給藥[18]、模擬酶[19，20]、固相萃取[21，22]等領域的應用奠定了堅實的基礎。但分子印跡技術應用的模板多數為有機物[23～27]、金屬離子配合物[28，29]等小分子化合物，而對生物大分子如蛋白質、DNA、病毒等的應用總體處于研究的初期階段。因此，有必要對分子印跡在生物大分子中的應用進行總結，從而尋求更大的突破。
1.2 生物大分子及印跡技術
生物大分子指的是作為生物體內主要活性成分的各種分子量達到上萬或更多的有機分子。生物大分子大多數是由簡單的生物單分子聚合而成的，蛋白質的組成單位是氨基酸，核酸的組成單位是核苷酸等，它們是構成大分子的基本物質[30]。蛋白質、核酸和多糖是3類主要的生物大分子，它們在分子結構和生理功能上差別很大，然而，在以下幾個方面又顯示出共性： (1)在活細胞內，生物大分子和相應的生物小分子之間的互變，通常通過脫水縮合，或加水分解。蛋白質鏈(或稱肽鏈)、核酸鏈和糖鏈都有方向性，盡管方向性的體現各不相同。(2)蛋白質、核酸和多糖分子都有各具特征的高級結構，正確的高級結構是生物大分子執行其生物功能的必要前提。(3)在活細胞中，三類生物大分子密切配合，共同參與生命過程，很多情況下形成生命活動必不可少的復合大分子，如核蛋白、糖蛋白。隨著生物醫學，蛋白質組學的快速發展，對蛋白質等生物大分子的檢測也受到了極大的關注，建立快速、簡單、特異性強、高通量的生物大分子檢測方法已經成為分析科學的研究重點之一。從1991年Dhal等[31]利用Cu2+的配位作用，制備了對咪唑化合物進行分子識別的表面分子印跡聚合物至今，將分子印跡技術應用于蛋白質[16，32，33]、DNA[34～37]、細胞[38，39]、病毒[40，41]等生物大分子檢測識別的研究一直是分子印跡應用的主要方向之一。據Web of Science統計，相關的年發表文獻量由1996年的10余篇增加到2014年的100余篇。 與小分子印跡技術相比，大分子印跡技術存在更大的困難和挑戰。首先，模板分子的洗脫及識別困難是大分子印跡技術面臨的最主要問題。目前報道中，強酸、強堿、乙醇、PBS緩沖是常規印跡技術中洗脫的常用手段，而在蛋白質等大分子印跡中，因尺寸較大，洗脫效果一直存在效率過低的問題[8]。此外，高度交聯的網絡結構還導致了目標分子擴散受到限制，從而結合能力低，平衡時間較長。表面分子印跡技術是目前解決模板分子傳質阻力較大的主要方法，例如印跡納米絲或印跡納米微球等[33，42，43]。在此基礎上，利用蛋白酶的降解作用來洗脫模板蛋白受到蛋白分子印跡研究者的重視[44]，Moreira等[32]在酰胺化的金電極表面先固定肌紅蛋白，采用丙烯酰胺類功能單體，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺作交聯劑在電極表面自組裝分子印跡層，然后用蛋白酶K消解除去模板肌紅蛋白。以鐵氰化鉀為離子探針，采用方波伏安法(SWV)測量，檢出限達0.28 μg/mL，其原理如圖1。
Wang等[45]在玻璃基質表面利用硼酸親和作用先共價結合模板糖蛋白，通過自聚合多巴胺和間氨基苯硼酸形成親和力導向可控的表面分子印跡聚合物，在高pH環境中顯示高效的硼酸親和作用，在酸性環境中呈現較低的親和作用。以辣根過氧化氫酶(HRP)為例，當pH=9.0時解離常數Kd=6.6×10 9，pH=3.0時， Kd=2.7×10 7，且在pH調整中并不影響分子印跡的特異性識別能力，表現出良好的選擇性。其原理如圖2。
此外，用于制備MIP的介質種類有限。在有機相中制備MIP已經日漸成熟，而以水溶液為介質的制備研究卻較少，而生物分子酶、蛋白質等生物活性物質通常在水環境中較穩定。研究水相中生物大分子印跡膜的合成方法是一個重要方向。最后，生物大分子印跡識別的機理還沒有得到較為完整且系統的理論，大分子結構的復雜性和印跡聚合物作用力的多樣性都成為其機理研究主要困難，只有解決了這個問題才會使大分子印跡傳感器得到進一步的發展。
2 生物大分子的分子印跡方法
將分子印跡技術應用到蛋白質等大分子至今，其印跡方法可以分為： (1)整體印跡[46～48](Bulk imprinting)，整體印跡又稱為包埋法，主要特征是模板分子大都聚合在印跡物內部，在印跡過程中由于傳質阻力的增大存在再識別的效率不高，聚合物有效尺寸過低等問題。常用的聚合方法有本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合和沉淀聚合等。(2)表面印跡法 (Surface imprinting)， 區別于整體印跡技術的三維印跡，表面分子印跡是指在載體或者基質表面制備分子印跡聚合物，由于其識別位點位于載體或者基質的表面，在一定程度上降低了印跡孔穴洗脫和再識別的傳質阻力，特別適合于蛋白質等生物大分子的分離檢測。表面印跡的方式主要有電聚合[49]、印跡微球[50]、印跡納米粒子[33，51，52]等。(3)抗原決定基法[13，53，54](Epitope approach)又名“子結構”印跡方法[55]，受抗原-抗體相互通過一小段活性位點進行識別的啟發，近年來，研究者在蛋白質分子印跡中，將一小段暴露的蛋白多肽序列作為模板分子進行印跡，得到的聚合物不僅能識別這一段多肽序列，更能進一步的識別整個蛋白質大分子，從而避免了由于蛋白尺寸過大導致的識別效率過低、傳質阻力過大等困難，同時，小段多肽聚合物材料具有更優良的特異性識別作用，近年受到越來越多的研究者的關注。
3 大分子印跡傳感器
受益于分子印跡聚合物類似于生物識別系統(抗原-抗體、酶-底物、激素-受體等)的高選擇特異性，且具有比生物識別材料更好的環境耐受性、更低的制作成本、更好的穩定性。生物傳感器的敏感元件使用的酶、激素等生物敏感材料對適用條件和環境的苛刻要求，極大地限制了其發展。分子印跡技術不僅擁有生物傳感器的高識別能力，同時具有生物敏感材料所缺少的高穩定性的特點，因而分子印跡傳感器是生物傳感器的理想發展方向之一。隨著分子印跡聚合物的模板分子不只是局限于小分子印跡，將分子印跡應用于傳感器方向將有更為廣闊的應用前景，例如制作一些具有免疫抑制性的人工抗體。
分子印跡聚合物的合成是分子印跡研究的關鍵步驟，當洗脫完成后MIPs與模板分子結合，產生物理或者化學信號，轉換器(壓電晶體、電極、電阻等)將信號轉換為可定量輸出的檢測信號，通過檢測信號實現對待測物質的檢測，這就是一個傳感的過程，根據轉換信號的不同，可以大致的分為光學傳感器、電化學傳感器、質量型傳感器。
3.1 光學型印跡傳感器
光學傳感與分子印跡聯用通常有熒光[56]、發光[57]和表面等離子共振[58](SPR)型。光學傳感具有的高靈敏度，分子印跡光學傳感的檢出限在小分子檢測中通常能達到ng級，因此，人們正在積極探索將其應用于痕量大分子檢測的可能性。Sunayama等[59]合成了一種由甲基丙烯酰基、仲胺基、苯甲酸基三種功能團構成的單體，在改性的玻璃基質上制備了溶菌酶分子印跡膜，在移除溶菌酶分子后，在MIP仲胺基上引入熒光染料，只有當靶蛋白與分子印跡膜重新結合后，才能產生熒光信號，通過熒光信號的差異檢測目標蛋白，測定結果可與SPR相媲美。采用類似的策略，Sunayama等[60]合成了一種新的功能單體MDTA，將蛋白識別信號轉換為熒光信號，其檢測原理如圖3。Liu等[61]用磁性納米粒子來進行MIP表面印跡物的分離，用熒光探針檢測信號，建立了對目標酶蛋白的選擇性檢測的新方法。其在Fe3O4磁性納米粒子表面印跡了對DNase I具有特異選擇性的聚合納米材料，通過外加磁場分離出目標酶蛋白聚合物，進而洗脫出DNase I，用熒光探針進行酶含量的檢測。
3.2 分子印跡電化學傳感器
分子印跡電化學傳感器(MIECSs)是目前最為成熟、應用最為廣泛的傳感器體系，根據響應信號的不同可以分為電流(安培和伏安)、電位、電導、電容(阻抗)、場效應等類型。其中報道最多的傳感器主要是電流型和電容型，它們的主要區別是MIPs與模板分子進行重吸附后產生的檢測信號的不同。分子印跡電化學傳感器的印跡敏感膜制備方法大致有電聚合法、滴涂法、原位引發聚合以及自組裝法。電聚合法是使用最為廣泛且較為成熟的聚合膜制備方法，通常可以分為恒電位法、恒電流法以及循環伏安法。循環伏安法可通過對電化學參數及掃描圈數來控制成膜的厚度，重現性良好且操作較為簡便而應用廣泛。電聚合采用的功能單體有導電型和非導電型。在大分子印跡領域，還對單體的生物相容性提出了要求。導電型印跡膜單體通常有吡咯、苯胺等，非導電型單體主要采用鄰苯二胺、對氨基苯硫酚、苯酚等。 3.2.1 電容(阻抗)型傳感器
電容型分子印跡傳感器依據的是以印跡膜選擇性識別目標分子前后電容或阻抗的變化作為檢測信號，其優點是不需要外加試劑或者探針，可以提供實時信號，特別適用于一些非電活性物質的檢測。
Cai等[16]在玻璃基板上生長碳納米管陣列，嵌入SU8-2002聚合材料，以苯酚為單體，構建了人體鐵蛋白的阻抗型電化學傳感器，檢測的線性范圍達到1×10 12 ～ 1×10 7 g/L，其原理見圖4。Zhang等[62]用溶膠-凝膠及自組裝技術在Au電極表面聚合了人血清白蛋白，運用壓電石英晶體阻抗技術及電化學阻抗技術，以鐵氰化鉀為探針分子，對人血清白蛋白進行了定量檢測，檢出限為10 6 mg/mL。
3.2.2 電流型傳感器 電流型分子印跡傳感器是目前電化學傳感器應用最多的類型，以識別前后電流變化作為響應信號，既可以直接檢測電活性印跡分子的氧化-還原電流，也能通過底物探針如鐵氰化鉀[63]對非電活性物質進行間接測定。常規的電流型分子印跡傳感器靈敏度不高，特別是在大分子如蛋白質檢測方面。如何提高傳感器的靈敏度是目前重要的研究方向。納米材料為該問題的解決提供了一個有力的工具[64]。Wang等[49]在石墨烯改性玻碳電極上修飾離子液體，用電聚合吡咯的方法制備了牛血紅蛋白分子印跡電極(圖5)，用鐵氰化鉀為離子探針，采用DPV法測定目標蛋白在電極上印跡前后的電流變化值實現對BHb的測定，檢出限達30 pg/L。實踐證明，納米材料在印跡傳感器信號放大中有廣闊的應用前景[65～70]。
3.2.3 電位型傳感器 分子印跡電位型傳感器采用的響應信號是分子識別前后電極電位的變化，識別過程中探針或模板分子不需要擴散穿過印跡膜，降低了信號響應時間。Wang等[71]通過在Au涂層表面自組裝多羥基硫醇單分子膜建立對肌紅蛋白和血紅蛋白的電位型分子印跡傳感器，傳感器表現出了對目標蛋白的優異選擇性。Moreira等[72]采用了類似的方法在硅珠表面自組裝有機硅烷的單分子膜構建了肌紅蛋白的電位型傳感器。
3.3 質量型傳感器
分子印跡質量型傳感器主要包括壓電石英晶體微天平型[73，74](QCM)及表面聲波傳感器型(SAW)。其中較為常用的是QCM型，它是在石英晶體電極表面固定識別元件，通過印跡識別前后振幅、頻率等的變化得到目標分子質量及濃度信息來達到檢測目標分子的目的。而SAW與QCM的區別是共振頻率更高，具有更高的靈敏度。Rick等[75]用溶菌酶和細胞色素C混合蛋白作為模板分子，采用間氨基苯硼酸(APBA)作為功能單體，在過硫酸銨的引發下，將聚合的印跡物涂覆在QCM金電極表面，通過比較識別前后的頻率變化來對物質濃度進行檢測。結論顯示出此聚合物電極具有特異性識別混合蛋白的能力，對模板蛋白的檢出限低至1.39 × 10 9 mol/L(圖6)。Reddy等[76]合成了以牛血紅蛋白和胰島素為模板，采用丙烯酰胺類功能單體，制備了親水型分子印跡水凝膠，利用QCM對目標蛋白進行檢測。文章同時考察了四種丙烯酰胺類功能單體的特異性結合能力，通過計算印跡膜與非印跡膜的識別位點數比值α確定在最佳條件下丙烯酰胺功能單體具有最佳的特異性吸附能力。
3.4 在分子成像中的應用
分子成像是近年來將分子生物學與成像技術相結合的新領域，它具有可視化、動態采集、全面反映等特點。隨著原子力顯微鏡、分子成像技術等的逐漸普及和分子造影技術的長足發展，分子印跡技術也逐步用于分子成像可視化分析[77]。此外，分子印跡-分子成像技術近年來也不再局限于界面表征，Alessandro等[78]用納米二氧化硅作為載體材料，有機硅烷作為功能單體，利用表面印跡的方法和分子成像技術對番茄叢矮病毒和蕪菁黃花葉病毒的印跡行為進行識別和分析。隨著高分辨率及高通量電子顯微鏡的普及，印跡技術在分子成像中的應用將會更加廣泛，病毒、細菌等生物活體的在線監測也將具有良好的研究前景。
4 生物大分子分子印跡傳感器的展望
分子印跡技術利用仿生原理進行分子識別，它具有的高度特異性和對生物活性物的高親和性及良好的穩定性都為其在生物大分子的分析應用奠定了基礎。隨著生命分析科學的發展，大分子印跡技術將不再局限于蛋白質、DNA等的識別檢測，細胞、細菌乃至病毒等帶有生命體征的“模板”將會是分析工作的下一個重點。其次，新材料的應用，例如石墨烯、MOF材料、C60等的應用對提高大分子分析檢測的靈敏度和穩定性有巨大的潛力。最后，印跡傳感器的微型和便攜化，例如芯片實驗室等，同樣是分析工作的重要領域。傳感器的微型化優勢不僅僅表現在野外現場檢測，在大規模的傳染性疾病的臨床檢測中，同樣具有廣闊的應用前景。
Refferences
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