分子印迹技术 (2)精选PPT.ppt
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1、关于分子印迹技术(2)第1页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹技术(MolecularImprintingTechnique,MIT)又称分子烙印技术,是近年来集高分子合成、分子设计、分子识别、仿生生物工程等众多学科优势发展起来的一门新型的交叉学科。分子印迹技术是指为获得在空间结构和结合位点上与某一分子(印迹分子)完全匹配的聚合物的实验制备技术。第2页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹技术的出现是受免疫学启示的结果。Pauling提出的抗原抗体理论认为,当外来抗原进入生物体内时,体内蛋白质或多肽链会以抗原为模版,通过分子自组装和折叠形成抗体。这预示着生物体所释放的物质与外来抗原之间有相应的
2、作用基团或结合位点,而且它们在空间位置上是相互匹配的,这就是分子印迹技术的理论基础。第3页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹技术自20世纪70年代以来发展十分迅猛。特别是1993年Vlatakis在Nature上发表有关茶碱分子的印迹聚合物(MolecularImprintedPolymers,MIPs)的报道后,每年公开发表的相关论文数几乎直线上升。目前主要从事MIT研究工作的国家有瑞典、日本、德国、美国、英国、中国等十多个。国内主要研究单位有大连化物所、南开大学、兰州化物所、上海大学、军事科学院毒物所、湖南大学、东南大学、防化研究院等。第4页,讲稿共61张,创作于星期日茶碱又名二氧二甲基
3、嘌呤具有强心、扩张冠状动脉、松弛支气管平滑肌和兴奋中枢神经系统等作用。主要用于治疗支气管哮喘、肺气肿、支气管炎、心脏性呼吸困难等疾病。第5页,讲稿共61张,创作于星期日第6页,讲稿共61张,创作于星期日英晓光老师的研究方向第7页,讲稿共61张,创作于星期日MIT之所以发展如此迅速,主要是因为它有三大特点:预定性(predetermination)识别性(recognition)实用性(practicability)第8页,讲稿共61张,创作于星期日预定性:根据不同的目的制备不同的MIPs,以满足不同的需要。识别性:MIPs是按照模版分子定做的,可以专一地识别印迹分子。第9页,讲稿共61张,创作
4、于星期日实用性:它可以与天然的生物分子识别系统相比拟,例如,酶和底物;抗原与抗体等。由于它是化学合成方法制备的,具有天然分子系统不具备的抗恶略环境的能力,从而表现出高度的稳定性和长的使用寿命。第10页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹聚合物:分子印迹聚合物:分子印迹聚合物是一类内部具有固定大小和形状的孔穴并具有确定排列功能基团的交联高聚物。第11页,讲稿共61张,创作于星期日第12页,讲稿共61张,创作于星期日模板分子(印迹分子),即待分离、待识别物质的纯品。一般来说分子中含有强极性基团的化合物可以制备高效能的MIPs。目前用于分子印迹的分子很广泛,如药物分子、氨基酸、碳水化合物等均已成功地
5、用于分子印迹聚合物的制备中。第13页,讲稿共61张,创作于星期日功能单体,必须带有能与印迹分子发生作用的功能基,如与印迹分子成共价键的基团、产生氢键的基团或能与印迹分子发生离子交换作用的基团等。比较常用的功能单体有丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯类,对某些金属螯合反应还常常用到亚氨基二乙酸衍生物。另外,天然聚合物如蛋白质也可作为单体对其他分子进行印迹。第14页,讲稿共61张,创作于星期日交联剂,它的作用是使模板分子和功能单体形成高度交联、刚性的聚合物,“固化”单体的功能基团在模板分子周围的特定位置,并保持对印迹分子起识别作用的位点在使用过程中空间形状不发生变化,使特异选择性得以保留。为了得到高度交联的
6、聚合物,目前最有效的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯等。第15页,讲稿共61张,创作于星期日溶剂,在分子印迹中发挥着重要作用。聚合时,溶剂可能影响模板分子和功能单体间的作用强度或聚合反应的动力学。一般来说,溶剂的极性越大产生的识别效果越弱。应用极性强的溶剂会不可避免地减弱模板分子和功能单体间的相互作用,从而导致弱的识别。另外,溶剂还会影响聚合物形态学,使聚合物溶胀导致结合部位三维结构的变化,引起弱的结合。通常识别用溶剂最好与聚合用溶剂一致,避免任何溶胀问题。第16页,讲稿共61张,创作于星期日制备步骤:MIPs制备过程中的聚合反应是通过自由基引发的,
7、一般以偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈为引发剂。常用的引发方式有光照、加热、加压、电合成等。低温光引发应用最为普遍,其中又以紫外光的能量适中而应用最多。聚合的方法有沉淀聚合、原位聚合、乳液聚合、多步溶胀聚合和表面印迹法等,应依据其所用场合选择合适的方法。第17页,讲稿共61张,创作于星期日第18页,讲稿共61张,创作于星期日第一步,使目标分子(印迹分子或模板分子)和具有适当功能基团、可以形成聚合物的功能单体分子在适当的介质条件下形成单体-模板分子复合物。第二步,在单体第二步,在单体-模板分子复合物体系中加入过量的模板分子复合物体系中加入过量的交联剂,在致孔剂的存在下,使功能单体与交联剂发生聚交联剂,
8、在致孔剂的存在下,使功能单体与交联剂发生聚合反应形成高分子聚合物。于是,功能单体上的功能基团合反应形成高分子聚合物。于是,功能单体上的功能基团就会在特定的空间取向上被固定下来。就会在特定的空间取向上被固定下来。第三步,透过适当的物理或化学的方法将模板分子第三步,透过适当的物理或化学的方法将模板分子从上述高分子聚合物中提取出来,得到分子印迹聚合物。从上述高分子聚合物中提取出来,得到分子印迹聚合物。第19页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹聚合物的特点:分子印迹聚合物的特点:在分子印迹技术中所用的聚合物必须具有特定的物理及化学性质,并对一些物理化学作用具有一定抵抗能力。第20页,讲稿共61张,创
9、作于星期日除具有上表所列的特点外,印迹聚合物还具有制备简单快速,稳定性强,可以长期保存等优点,尤其是对某些生物物质检测与分离。若无天然物质可以对应其特异性相互作用,也可通过分子设计制备出具有人工识别位点的印迹聚合物,用于对该物质的分析或纯化等。第21页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹方法的分类:分子印迹方法的分类:第22页,讲稿共61张,创作于星期日返回返回第23页,讲稿共61张,创作于星期日预组装法(preorganization)也称共价型分子印迹法,是印迹分子首先共价联结到单体上,然后聚合,聚合后再打开共价键去除印迹分子的方法。第24页,讲稿共61张,创作于星期日 优点优点是在聚合过
10、程中,功能基团能得到比较精确的是在聚合过程中,功能基团能得到比较精确的空间构型。空间构型。缺点由于单体和印迹分子间的强相互作用,在印迹分子自组装或分子识别过程中的反应(结合和解离)速度慢,难以达到热力学平衡,不利于快速识别反应,而且识别能力与生物识别相差较大。预组装法分子印迹中常用的功能单体有含乙烯基的预组装法分子印迹中常用的功能单体有含乙烯基的硼酸和二醇、含硼酸酯的硅烷混合物等。其中最具有代硼酸和二醇、含硼酸酯的硅烷混合物等。其中最具有代表性的是硼酸酯,其优点是能够生成相当稳定的三角形表性的是硼酸酯,其优点是能够生成相当稳定的三角形结构,而在碱性水溶液中或在有氮(氨气、哌啶)存在结构,而在碱
11、性水溶液中或在有氮(氨气、哌啶)存在下则生成四角形结构。这种四角形的硼酸酯与二醇能极下则生成四角形结构。这种四角形的硼酸酯与二醇能极快地达到平衡,其平衡速度与非共价键作用相当。快地达到平衡,其平衡速度与非共价键作用相当。第25页,讲稿共61张,创作于星期日自组装法(self-assembling)也称非共价型分子印迹法,是由瑞典Mosbach和其同事创立的。在自组装法中,印迹分子与功能单体之间靠弱的分子间相互作用力预先自组织排列,形成具有多重作用位点的非共价键单体-模板分子复合物,在交联聚合过程中,这种复合物的空间构型被固定下来。然后通过淋洗法去除印迹分子,得到分子印迹聚合物的方法。第26页,
12、讲稿共61张,创作于星期日印迹分子与功能单体之间的分子间相互作用力主要是氢键、范德华力、静电相互作用、螯合作用、电荷转移相互作用等弱相互作用。优点由于印迹分子与功能基团的结合强度弱,所以,采用物理的萃取方法就可以将模板分子去除。第27页,讲稿共61张,创作于星期日如果在自组装和分子识别过程中只有氢键一种相互如果在自组装和分子识别过程中只有氢键一种相互作用力,则这种分子印迹聚合物拆分外消旋体的效果较作用力,则这种分子印迹聚合物拆分外消旋体的效果较差;而如果在自组装和分子识别过程中除了氢键相互作差;而如果在自组装和分子识别过程中除了氢键相互作用力外,还有其他弱相互作用力存在,则这种分子印迹用力外,
13、还有其他弱相互作用力存在,则这种分子印迹聚合物拆分外消旋体的效果较好;如果在自组装和分子聚合物拆分外消旋体的效果较好;如果在自组装和分子识别过程中只有静电相互作用力,则这种分子印迹聚合识别过程中只有静电相互作用力,则这种分子印迹聚合物的选择性较低。物的选择性较低。自组装分子印迹中常用的功能单体是甲基丙烯酸,它即可与氨基发生离子相互作用,也可与酰胺基或羧基发生氢键相互作用。第28页,讲稿共61张,创作于星期日两种方法比较:预组装法由于共价作用一般较强,在印迹分子预组装或识别过程中结合和解离速度慢,难以达到热力学平衡,不适合于快速识别,并且识别作用机理和生物识别相差甚远,发展缓慢;自组装法由于使用
14、超分子作用制备仿生模型,其分子识别机理类似于天然生物分子,因而发展很快。第29页,讲稿共61张,创作于星期日第30页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹原理:分子印迹原理:分子印迹原理:分子印迹原理:模板分子与功能单体在合适分散介质中依靠相互作用力,如共价健、氢健、离子健、范德华力、疏水作用以及空间位阻效应等,形成可逆结合的复合物;加入交联剂,在光、热、电场等作用以及引发剂和致孔剂辅助下,形成既具有一定刚性又具有一定柔性的多孔三维立体功能材料,并且,将模板分子有规律的包在其中;合成后用一定方法把模板分子去除,从而获得与模板分子互补具有特异识别功能的三维孔穴,以便用于与模板分子再结合,如图所示。
15、第31页,讲稿共61张,创作于星期日第32页,讲稿共61张,创作于星期日在分子印迹聚合物骨架上有与模板分子大小相同、在空间结构上完全匹配的空穴,而且空穴内原功能单体的功能基团在空间的位置也被固定,正好与模板分子相应的作用位点匹配。上述制备MIPs的操作就好像制作特定的模具一样,所以,那种被预先嵌入聚合物分子中,而后又被提取出来的目标分子常常被称作模板分子。这个三维的空间结构和功能单体的种类是由模板分子的性质和结构决定的。因为从不同的模板分子制备出来的分子印迹聚合物将具有不同的空穴大小、功能基团和基团的空间结构。所以,一种印迹聚合物通常只能与一种分子结合,即“一把钥匙只能开一把锁”。这种三维空穴
16、对模板分子将会产生特异的选择性结合,或者说预先制备好的这种模板将会对该模板分子产生专一性的识别作用。第33页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹聚合物的分子识别机理:分子印迹聚合物的分子识别机理:分子印迹聚合物之所以能够选择性地识别模板分子或其类似物,主要是因为在用洗脱等方法除去聚合物中的模板分子后,在高度交联的聚合物中就留下了空间大小和构型都与模板分子匹配的具有多重作用位点的微腔。第34页,讲稿共61张,创作于星期日分子印迹的表征方法:分子印迹的表征方法:MIPsMIPs性质的表征到目前还没有一个统一的理论描述,性质的表征到目前还没有一个统一的理论描述,主要原因是因为主要原因是因为MIPsM
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