Кіріспе
Полимер химиясының техникасы Молекулалық импринтинг – полимерлік матрицаларда алдын ала белгіленген селективтілігі және жоғары туыстығы бар шаблонға ұқсас қуыстар жасау әдісі. Бұл техника ферменттердің субстратты тану үшін пайдаланатын «біркелкі және кілт» моделіне негізделген. Ферменттің белсенді байланысу орны субстратқа тән пішінге ие. Байланысу орнына толық сәйкес келетін пішіндегі субстраттар ферментке таңдамалы түрде байланысады; байланысу орнына сәйкес келмейтін басқа пішіндер танылмайды. Молекулалық импринттелген материалдар шаблон молекуласы және функционалдық мономерлерді пайдалана отырып дайындалады, олар шаблонның айналасына жиналады, содан кейін бір-бірімен байланысады. Мономерлер, шаблон мен мономерлердегі функционалдық топтардың өзара әрекеттесуі арқылы шаблон молекуласының айналасында өздігінен жиналады, полимерлендіріліп, импринттелген матрицаны құрайды (ғылыми қауымдастықта молекулалық импринттелген полимер (МИП) ретінде белгілі). Шаблон кейіннен жартылай немесе толығымен алынып тасталады.
Molecular imprinting is a technique to create template shaped cavities in polymer matrices with predetermined selectivity and high affinity. This technique is based on the system used by enzymes for substrate recognition, which is called the "lock and key" model. The active binding site of an enzyme has a shape specific to a substrate. Substrates with a complementary shape to the binding site selectively bind to the enzyme; alternative shapes that do not fit the binding site are not recognized. Molecularly imprinted materials are prepared using a template molecule and functional monomers that assemble around the template and subsequently get cross linked to each other. The monomers, which are self assembled around the template molecule by interaction between functional groups on both the template and monomers, are polymerized to form an imprinted matrix (commonly known in the scientific community as a molecular imprinted polymer (MIP)). The template is subsequently removed in part or entirely,
Following Dickey’s observations, Patrikeev published a paper of his ‘imprinted’ silica with the method of incubating bacteria with gel silica. The process of drying and heating the silica promoted growth of bacteria better than other reference silicas and exhibited enantioselectivity. He later used this imprinted silica method in further applications such as thin layer chromatography (TLC) and high performance liquid chromatography (HPLC). In 1972, Wulff and Klotz introduced molecular imprinting to organic polymers. They found that molecular recognition was possible by covalently introducing functional groups within the imprinted cavity of polymers. The Mosbach group then proved it was possible to introduce functional groups into imprinted cavities through non covalent interactions, thus leading to non covalent imprinting. Many approaches regarding molecular imprinting have since been extended to different purposes. During this reestablishment, kinetics associated with bond binding and bond breakage are obtained back. The imprinted molecule is then released from the template, in which it would then rebind with the target molecule, forming the same covalent bonds that were formed before polymerization. In some cases, the rebinding of the polymer matrix with the template can be very slow, making this approach time inefficient for applications that require fast kinetics, such as chromatography.
Диккидің байқауларынан кейін Патрикеев бактерияларды гельді кремниймен инкубациялау әдісімен жасалған «импринттелген» кремнийі туралы мақала жариялады. Кремнийді кептіру және қыздыру процесі басқа анықтамалық кремнийге қарағанда бактериялардың өсуін жақсартты және энантиоселективтілік танытты. Кейіннен ол бұл импринттелген кремний әдісін жұқа қабатты хроматография (ЖҚХ) және жоғары өнімді сұйық хроматографиясы (ЖӨСХ) сияқты қосымшаларда қолданды. 1972 жылы Вульф және Клотц молекулалық импринтингті органикалық полимерлерге енгізді. Олар молекулалық тануды полимерлердің импринттелген қуысының ішіне функционалдық топтарды ковалентті түрде енгізу арқылы жүзеге асыруға болатынын анықтады. Мосбах тобы кейіннен функционалдық топтарды ковалентті емес өзара әрекеттесу арқылы импринттелген қуыстарға енгізуге болатынын дәлелдеді, осылайша ковалентті емес импринтингке әкелді. Молекулалық импринтингке қатысты көптеген тәсілдер содан бері әртүрлі мақсаттарға дейін кеңейтілді. Бұл қайта құру кезінде байланыстың пайда болуы және үзілуімен байланысты кинетика қайта алынады. Импринттелген молекула кейін шаблоннан босатылады, онда ол мақсатты молекуламен қайта байланысып, полимерленуден бұрын пайда болған ковалентті байланыстарды жасайды. Кейбір жағдайларда полимерлік матрицаның шаблонымен қайта байланысуы өте баяу болуы мүмкін, бұл хроматография сияқты жылдам кинетиканы қажет ететін қолданулар үшін бұл тәсілді уақытты тиімсіз етеді.
Molecular imprinting is a technique to create template shaped cavities in polymer matrices with predetermined selectivity and high affinity. This technique is based on the system used by enzymes for substrate recognition, which is called the "lock and key" model. The active binding site of an enzyme has a shape specific to a substrate. Substrates with a complementary shape to the binding site selectively bind to the enzyme; alternative shapes that do not fit the binding site are not recognized. Molecularly imprinted materials are prepared using a template molecule and functional monomers that assemble around the template and subsequently get cross linked to each other. The monomers, which are self assembled around the template molecule by interaction between functional groups on both the template and monomers, are polymerized to form an imprinted matrix (commonly known in the scientific community as a molecular imprinted polymer (MIP)). The template is subsequently removed in part or entirely,
Following Dickey’s observations, Patrikeev published a paper of his ‘imprinted’ silica with the method of incubating bacteria with gel silica. The process of drying and heating the silica promoted growth of bacteria better than other reference silicas and exhibited enantioselectivity. He later used this imprinted silica method in further applications such as thin layer chromatography (TLC) and high performance liquid chromatography (HPLC). In 1972, Wulff and Klotz introduced molecular imprinting to organic polymers. They found that molecular recognition was possible by covalently introducing functional groups within the imprinted cavity of polymers. The Mosbach group then proved it was possible to introduce functional groups into imprinted cavities through non covalent interactions, thus leading to non covalent imprinting. Many approaches regarding molecular imprinting have since been extended to different purposes. During this reestablishment, kinetics associated with bond binding and bond breakage are obtained back. The imprinted molecule is then released from the template, in which it would then rebind with the target molecule, forming the same covalent bonds that were formed before polymerization. In some cases, the rebinding of the polymer matrix with the template can be very slow, making this approach time inefficient for applications that require fast kinetics, such as chromatography.
Ковалентті емес
Ковалентті емес импринтингте, шаблон молекуласы мен функционалды мономер арасындағы өзара әрекеттесу күштері полимерлік матрица мен талдау зат арасындағы өзара әрекеттесу күштерімен бірдей болады. Осы процедураға қатысатын күштерге сутекті байланыстар, диполь-диполь өзара әсерлесулер және индукцияланған диполь күштері жатады. Шаблон молекуласы мен полимер арасындағы ковалентті емес өзара әрекеттесуді өзгертудің тағы бір жолы – профессор Сергей А. Пилецкий және Сринат Субраманьям әзірлеген "шағып алу және ауыстыру" техникасы.
Ионикалық/металл
Иондық импринтинг, металл иондарын қолданатын процесс, судағы шаблон молекуласы мен функционалды мономердің өзара әрекеттесуін күшейтуге бағытталған тәсіл болып табылады. Әдетте, металл иондары импринтинг процесінде делдал рөлін атқарады. Металл ионының қатысуымен жүзеге асырылатын байланысқан полимерлер металлдарды байланыстыруға қабілетті матрицаны құрайды. Металл иондары функционалды мономерлердің бірнешеуімен байланысу арқылы молекулалық импринтингке де ықпал ете алады, мұнда лигандтар металл ионының сыртқы орбитасына электрондарды ұсынады.
Қолданбалар
Молекулалық импринтинг технологиясының бір қолданылуы биомедициналық, экологиялық және тағамдық талдаулардағы туыстық негіздегі бөлінулер болып табылады. Үлгілерді алдын ала шоғырландыру және өңдеуді МИП-терді пайдалану арқылы, үлгілердегі іздік мөлшердегі аналиттерді жою арқылы жүзеге асыруға болады. Қатты фазалық экстракция, қатты фазалық микроэкстракция және араластырғыш бар сорбциялық экстракцияда МИП-тің қолданылу мүмкіндігі бірнеше жариялымда зерттелді. Сонымен қатар, ЖЖХ және ЖСХ сияқты хроматографиялық әдістерде МИП-терді толтыру материалы ретінде және үлгілік аналиттерді бөлу үшін стационарлық фаза ретінде пайдалануға болады. Ковалентті емес материалдардың кинетикасы ковалентті тәсілмен дайындалған материалдарға қарағанда жылдам екендігі байқалды, сондықтан ковалентті емес МИП-тер хроматографияда жиі қолданылады. Тағы бір қолданылуы – молекулалық импринтингтелген материалдарды химиялық және биологиялық сенсорлар ретінде пайдалану. Олар гербицидтерді, қанттарды, дәрі-дәрмектерді, уларды және булануларды анықтау үшін жасалған. МИП-негізгі сенсорлар жоғары селективтілікке және жоғары сезімталдыққа ие ғана емес, сонымен қатар олар анықтау үшін шығыс сигналдарын (электрохимиялық, оптикалық немесе пьезоэлектрлік) тудырады. Бұл оларды флуоресценциялық, электрохимиялық, химилюминесценциялық және УФ-көрінетін спектроскопиялық сенсорларда пайдалануға мүмкіндік береді. Молекулалық импринтинг дәрі-дәрмектерді жеткізу және биотехнология сияқты салаларда үнемі дамып келеді. Шаблон мен полимерлік матрица арасындағы селективті өзара әрекеттесуді жасанды антиденелерді дайындауда пайдалануға болады. Биофармацевтикалық нарықта аминқышқылдарын, хиральды қосылыстарды, гемоглобин мен гормондарды МИП адсорбенттері арқылы бөлуге болады. ДНҚ, ақуыздар және көмірсулар сияқты сызықтық және полианиондық молекулаларды модельдеу үшін молекулалық импринтинг әдістерін пайдалану әдістері зерттелді. Ақуызды импринтинг қиындықтар тудыратын сала. Ірі, суда еритін биологиялық макромолекулалар молекулалық импринтингке қиындық туғызады, өйткені олардың конформациялық тұтастығын синтетикалық ортада сақтау мүмкін емес. Қазіргі әдістерге шаблон молекулаларын қатты субстраттардың бетінде бекіту, осылайша агрегацияны азайту және шаблон молекулаларын импринтингтелген материалдардың бетінде орналасуын бақылау кіреді. Фармацевтикалық қолданылулар селективті дәрі-дәрмектерді жеткізу және дәрі-дәрмектердің шығарылуын бақылау жүйелерін қамтиды, олар МИП-тің тұрақты конформацияларын, жылдам тепе-теңдік шығарылуын және ферменттік және химиялық стреске төзімділігін пайдаланады. Табиғи рецепторлармен салыстырғанда, МИП-тер жоғары химиялық және физикалық тұрақтылыққа, оңай қолжетімділікке және төмен құнға ие. МИП-терді, әсіресе, ақуыздарды тұрақтандыру үшін, сондай-ақ ақуыздарды жылудан денатурациядан селективті қорғау үшін пайдалануға болады.