在分子上打烙印

通常所說的烙印，是在牲畜或器物上燙的火印，作為標(biāo)記，以便于識別。烙印還經(jīng)常用以比喻不易磨滅的印跡。

在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)中，科學(xué)家們經(jīng)常會碰到分子識別的問題。所謂分子識別，就是從混合物的分子集合體中把相似的分子辨別并分離開來，或只使其中某些特定的分子發(fā)揮作用，而另一些分子則不起作用。通常需要識別的分子之間是很相似的，因此分子識別往往很困難。

為了說明這個問題，我們先來看一個例子。比如人的左手和右手，看起來很像，在鏡子里面幾乎分不出來。但如果我們把左手插進或壓入一堆軟硬適當(dāng)?shù)酿ね林?，然后抽出來，使左手在黏土中留下一個印子，再試著把右手插進這個印子，我們就能發(fā)現(xiàn)，這個印子不適合右手。反過來，右手的印子也不適合左手。這里的黏土印子就像左手或右手的烙印，可以用來識別左手或右手。烙印黏土對左手或右手具有高度的選擇性。同樣，左手的手套只能帶在左手上，右手的手套只能帶在右手上，所以手套是一種事先做好的軟烙印模子。

有些分子之間的關(guān)系，就像左右手，看起來很像，但實際上不一樣。我們把具有類似左右手關(guān)系的分子，叫做手性分子。一對手性分子之間互呈鏡－物對映關(guān)系，所以又叫做對映體。連有四個不同原子或基團的中心原子，如碳原子，具有不對稱性，分子往往具有手性，這樣的中心原子叫做手性中心原子。手性分子在醫(yī)學(xué)上具有很多重要應(yīng)用，許多藥物都是手性的。對映體的生物活性，如藥效等，有很大差別。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有藥物中大約有60%具有一個或多個手性中心。因此對映體的識別和分離具有重要價值。

有些分子之間的關(guān)系，不是對映體，但也很相似，就像雙胞胎，互相之間僅有微小的差異。這樣的分子一般叫做異構(gòu)體。異構(gòu)體的識別和分離也是具有重要價值的。

要是能在分子上打烙印就好了，這樣可以高選擇性地識別相似的分子。自然界中，分子烙印的例子很多，如酶和底物、抗體和抗原，具有相似或互補的關(guān)系和高度的選擇性，它們是天然的分子識別系統(tǒng)。

最早提出人工合成分子烙印的設(shè)想，是在20世紀(jì)50年代，著名的諾貝爾獎獲得者鮑林在研究抗體和抗原的相互作用時，提出了以抗原為模板來合成抗體的設(shè)想。雖然這一設(shè)想后來發(fā)現(xiàn)是行不通的，但卻是對分子烙印技術(shù)的最初描述。70年代，武爾夫等人在分子烙印技術(shù)方面進行了開拓性的工作，得到了科學(xué)家們的充分重視，后來還成立了國際分子烙印協(xié)會。現(xiàn)在這個美好的愿望可以實現(xiàn)了，科學(xué)家們已經(jīng)研究合成了一些具有烙印功能的大分子——分子烙印聚合物，實現(xiàn)了許多相似小分子的識別與分離。

在分子上打烙印，道理與做黏土印子類似，但做起來可沒有這么簡單。實現(xiàn)分子烙印要經(jīng)過三個步驟：第一步，讓功能單體（用來制作烙印模的材料）和烙印分子（就像上述例子中的左手或右手）在一定條件下形成某種可逆的復(fù)合物；第二步，加入交聯(lián)劑并用一定的技術(shù)將這種復(fù)合物“凍結(jié)”起來，制得高聚物；第三步，設(shè)法將烙印分子抽提出來，這樣在聚合物的骨架上就留下了一個個對烙印分子有預(yù)定選擇性的分子識別位。

根據(jù)烙印分子和功能單體形成復(fù)合物時作用力的性質(zhì)，分子烙印分為共價型和非共價型兩種。共價型分子烙印過程中，烙印分子和單體通過可逆的共價作用形成復(fù)合物。共價作用力較強，形成的復(fù)合物很穩(wěn)定，烙印分子的抽提有較大困難。

在非共價型分子烙印過程中，烙印分子和單體通過可逆的非共價作用如氫鍵、偶極、離子、金屬螯合、電荷轉(zhuǎn)移、疏水和范德華力等形成復(fù)合物，作用力形式多樣，其分子識別過程也更接近于天然的分子識別系統(tǒng)，烙印分子也易于除去。目前絕大多數(shù)的分子烙印聚合物都是通過非共價型分子烙印技術(shù)制得的。

分子烙印聚合物可以制成塊狀、球形、棒形和膜形，以應(yīng)用于不同的目的。分子烙印聚合物已得到了許多應(yīng)用?，F(xiàn)在，利用球形、棒形分子烙印聚合物已實現(xiàn)許多對映體、異構(gòu)體的識別和分離。

有時候，需要識別和分離的分子在溶液（如水溶液）中，且含量較低，這時如果把分子烙印聚合物制成膜，對分離就非常有利。用一種分子烙印聚合物膜已可以實現(xiàn)有選擇性地分離茶葉中的茶堿和咖啡因。

生物傳感器具有極高的靈敏度和特異性，用于某些微量物質(zhì)的檢測非常有效，但用作分子識別元件的生物活性組分非常容易失去活性，使生物傳感器的實用化和商品化受到了很大的限制?？茖W(xué)家們一直希望能制備人工模擬生物傳感器。有了分子烙印聚合物，使它具備與自然界中存在的某些天然分子識別系統(tǒng)相似的選擇性和親和力，這樣用作分子識別元件，就會使傳感器在保持較高選擇性和靈敏度的同時，具有較強的耐受各種化學(xué)環(huán)境的能力和較長的壽命?，F(xiàn)在已發(fā)展了一種基于分子烙印技術(shù)的光纖傳感器，具有手性識別能力，能識別熒光標(biāo)記的氨基酸衍生物。有一種咖啡因的競爭電流傳感器，可用于咖啡因的檢測。還可設(shè)法將分子烙印聚合物放到場效應(yīng)晶體管里，當(dāng)烙印分子結(jié)合到分子烙印聚合物上時，分子烙印聚合物構(gòu)象的變化導(dǎo)致晶體管電容的變化，從而將化學(xué)事件轉(zhuǎn)化成了可檢測的電信號。將分子烙印技術(shù)與熒光光譜技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了一種用于檢測水中多環(huán)芳烴的靈敏的化學(xué)傳感器。

由于分子烙印聚合物可以有選擇性地同混合物中的某一種或某一類結(jié)構(gòu)的化合物相結(jié)合，因此非常適合于色譜分析前的樣品富集，可以用于固相萃取。它比普通的固相萃取更簡便。例如，用一種分子烙印聚合物從水里提取三嗪類除草劑中的西瑪三嗪，西瑪三嗪可被濃縮56倍，回收率達(dá)91%。用另一種分子烙印聚合物可從牛肝中富集天然除草劑莠去津。

有人還將分子烙印聚合物用于臨床藥物分析、模擬酶催化。然而，合成分子烙印聚合物的識別能力和效率與天然分子識別系統(tǒng)相比，還有相當(dāng)差距，需要我們進一步的努力?？梢韵嘈?，隨著分子烙印聚合物技術(shù)的發(fā)展，它的識別能力與效率將越來越高，用途也必將越來越廣泛。