在分子上打烙印

在分子上打烙印

通常所说的烙印，是在牲畜或器物上烫的火印，作为标记，以便于识别。烙印还经常用以比喻不易磨灭的印迹。

在生物学、医学、化学中，科学家们经常会碰到分子识别的问题。所谓分子识别，就是从混合物的分子集合体中把相似的分子辨别并分离开来，或只使其中某些特定的分子发挥作用，而另一些分子则不起作用。通常需要识别的分子之间是很相似的，因此分子识别往往很困难。

为了说明这个问题，我们先来看一个例子。比如人的左手和右手，看起来很像，在镜子里面几乎分不出来。但如果我们把左手插进或压入一堆软硬适当的黏土中，然后抽出来，使左手在黏土中留下一个印子，再试着把右手插进这个印子，我们就能发现，这个印子不适合右手。反过来，右手的印子也不适合左手。这里的黏土印子就像左手或右手的烙印，可以用来识别左手或右手。烙印黏土对左手或右手具有高度的选择性。同样，左手的手套只能带在左手上，右手的手套只能带在右手上，所以手套是一种事先做好的软烙印模子。

有些分子之间的关系，就像左右手，看起来很像，但实际上不一样。我们把具有类似左右手关系的分子，叫做手性分子。一对手性分子之间互呈镜－物对映关系，所以又叫做对映体。连有四个不同原子或基团的中心原子，如碳原子，具有不对称性，分子往往具有手性，这样的中心原子叫做手性中心原子。手性分子在医学上具有很多重要应用，许多药物都是手性的。对映体的生物活性，如药效等，有很大差别。据统计，现有药物中大约有60%具有一个或多个手性中心。因此对映体的识别和分离具有重要价值。

有些分子之间的关系，不是对映体，但也很相似，就像双胞胎，互相之间仅有微小的差异。这样的分子一般叫做异构体。异构体的识别和分离也是具有重要价值的。

要是能在分子上打烙印就好了，这样可以高选择性地识别相似的分子。自然界中，分子烙印的例子很多，如酶和底物、抗体和抗原，具有相似或互补的关系和高度的选择性，它们是天然的分子识别系统。

最早提出人工合成分子烙印的设想，是在20世纪50年代，著名的诺贝尔奖获得者鲍林在研究抗体和抗原的相互作用时，提出了以抗原为模板来合成抗体的设想。虽然这一设想后来发现是行不通的，但却是对分子烙印技术的最初描述。70年代，武尔夫等人在分子烙印技术方面进行了开拓性的工作，得到了科学家们的充分重视，后来还成立了国际分子烙印协会。现在这个美好的愿望可以实现了，科学家们已经研究合成了一些具有烙印功能的大分子——分子烙印聚合物，实现了许多相似小分子的识别与分离。

在分子上打烙印，道理与做黏土印子类似，但做起来可没有这么简单。实现分子烙印要经过三个步骤：第一步，让功能单体（用来制作烙印模的材料）和烙印分子（就像上述例子中的左手或右手）在一定条件下形成某种可逆的复合物；第二步，加入交联剂并用一定的技术将这种复合物“冻结”起来，制得高聚物；第三步，设法将烙印分子抽提出来，这样在聚合物的骨架上就留下了一个个对烙印分子有预定选择性的分子识别位。

根据烙印分子和功能单体形成复合物时作用力的性质，分子烙印分为共价型和非共价型两种。共价型分子烙印过程中，烙印分子和单体通过可逆的共价作用形成复合物。共价作用力较强，形成的复合物很稳定，烙印分子的抽提有较大困难。

在非共价型分子烙印过程中，烙印分子和单体通过可逆的非共价作用如氢键、偶极、离子、金属螯合、电荷转移、疏水和范德华力等形成复合物，作用力形式多样，其分子识别过程也更接近于天然的分子识别系统，烙印分子也易于除去。目前绝大多数的分子烙印聚合物都是通过非共价型分子烙印技术制得的。

分子烙印聚合物可以制成块状、球形、棒形和膜形，以应用于不同的目的。分子烙印聚合物已得到了许多应用。现在，利用球形、棒形分子烙印聚合物已实现许多对映体、异构体的识别和分离。

有时候，需要识别和分离的分子在溶液（如水溶液）中，且含量较低，这时如果把分子烙印聚合物制成膜，对分离就非常有利。用一种分子烙印聚合物膜已可以实现有选择性地分离茶叶中的茶碱和咖啡因。

生物传感器具有极高的灵敏度和特异性，用于某些微量物质的检测非常有效，但用作分子识别元件的生物活性组分非常容易失去活性，使生物传感器的实用化和商品化受到了很大的限制。科学家们一直希望能制备人工模拟生物传感器。有了分子烙印聚合物，使它具备与自然界中存在的某些天然分子识别系统相似的选择性和亲和力，这样用作分子识别元件，就会使传感器在保持较高选择性和灵敏度的同时，具有较强的耐受各种化学环境的能力和较长的寿命。现在已发展了一种基于分子烙印技术的光纤传感器，具有手性识别能力，能识别荧光标记的氨基酸衍生物。有一种咖啡因的竞争电流传感器，可用于咖啡因的检测。还可设法将分子烙印聚合物放到场效应晶体管里，当烙印分子结合到分子烙印聚合物上时，分子烙印聚合物构象的变化导致晶体管电容的变化，从而将化学事件转化成了可检测的电信号。将分子烙印技术与荧光光谱技术相结合，发展了一种用于检测水中多环芳烃的灵敏的化学传感器。

由于分子烙印聚合物可以有选择性地同混合物中的某一种或某一类结构的化合物相结合，因此非常适合于色谱分析前的样品富集，可以用于固相萃取。它比普通的固相萃取更简便。例如，用一种分子烙印聚合物从水里提取三嗪类除草剂中的西玛三嗪，西玛三嗪可被浓缩56倍，回收率达91%。用另一种分子烙印聚合物可从牛肝中富集天然除草剂莠去津。

有人还将分子烙印聚合物用于临床药物分析、模拟酶催化。然而，合成分子烙印聚合物的识别能力和效率与天然分子识别系统相比，还有相当差距，需要我们进一步的努力。可以相信，随着分子烙印聚合物技术的发展，它的识别能力与效率将越来越高，用途也必将越来越广泛。