Введение
Техника в полимерной химии
Молекулярный импринтинг – это техника создания полостей в форме шаблона в полимерных матрицах с заранее определенной селективностью и высоким аффинностью. Эта техника основана на системе, используемой ферментами для распознавания субстратов, известной как модель "замок и ключ". Активный центр фермента имеет форму, специфичную для субстрата. Субстраты с комплементарной формой к активному центру избирательно связываются с ферментом; альтернативные формы, не соответствующие активному центру, не распознаются. Молекулярно-отпечатанные материалы получают с использованием молекулы-шаблона и функциональных мономеров, которые собираются вокруг шаблона и впоследствии сшиваются друг с другом. Мономеры, самоорганизующиеся вокруг молекулы-шаблона посредством взаимодействия между функциональными группами как на шаблоне, так и на мономерах, полимеризуются с образованием отпечатанной матрицы (обычно известной в научном сообществе как молекулярно-отпечатанный полимер (MIP)). Затем шаблон удаляется частично или полностью.
После наблюдений Дикки, Патрикеев опубликовал статью о своей "отпечатанной" кремнеземной матрице, используя метод инкубации бактерий с гелем кремнезема. Процесс сушки и нагрева кремнезема способствовал лучшему росту бактерий по сравнению с другими контрольными образцами кремнезема и демонстрировал энантиоселективность. Позже он использовал этот метод отпечатанного кремнезема в дальнейших приложениях, таких как тонкослойная хроматография (TLC) и высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC). В 1972 году Вульф и Клотц внедрили молекулярный импринтинг в органические полимеры. Они обнаружили, что молекулярное распознавание возможно путем ковалентного введения функциональных групп в отпечатанную полость полимеров. Группа Мосбаха затем доказала, что введение функциональных групп в отпечатанные полости возможно посредством нековалентных взаимодействий, что привело к нековалентному импринтингу. С тех пор многие подходы к молекулярному импринтингу были расширены для различных целей. В процессе восстановления восстанавливаются кинетические параметры, связанные с образованием и разрывом связей. Затем отпечатанная молекула высвобождается из шаблона, после чего она повторно связывается с целевой молекулой, образуя те же ковалентные связи, которые были сформированы до полимеризации. В некоторых случаях повторное связывание полимерной матрицы с шаблоном может быть очень медленным, что делает этот подход неэффективным для приложений, требующих быстрой кинетики, таких как хроматография.
Нековалентные
При нековалентной импрессии силы взаимодействия между молекулой-шаблоном и функциональным мономером аналогичны силам взаимодействия между полимерной матрицей и аналитом. В число сил, участвующих в этой процедуре, могут входить водородные связи, диполь-дипольные взаимодействия и силы, возникающие за счет индуцированных диполей. Другой способ изменения нековалентного взаимодействия между молекулой-шаблоном и полимером – это техника «укус и переключение», разработанная профессором Сергеем А. Пилецким и Сринатом Субраманьямом.
Ионные/металлические
Ионный импринтинг, включающий ионы металлов, является подходом для усиления взаимодействия между молекулой-матрицей и функциональным мономером в воде. Обычно ионы металлов выступают в качестве посредника в процессе импринтинга. Сшитые полимеры в присутствии иона металла образуют матрицу, способную к связыванию металлов. Ионы металлов также могут опосредовать молекулярный импринтинг, связываясь с различными функциональными мономерами, где лиганды отдают электроны на внешнюю орбиталь иона металла.
Приложения
Одно из применений технологии молекулярного импринтинга – в разделениях на основе аффинности для биомедицинского, экологического и пищевого анализа. Предварительная концентрация и обработка образцов может осуществляться путем удаления целевых следовых количеств аналитов из образцов с использованием МИП. Возможность применения МИП в твердофазной экстракции, микротвердофазной экстракции и экстракции с использованием стержневого сорбента была изучена в ряде публикаций. Кроме того, хроматографические методы, такие как ВЭЖХ и ТСХ, могут использовать МИП в качестве наполнителей колонок и стационарных фаз для разделения аналитов-шаблонов. Кинетика нековалентно импринтированных материалов оказалась выше, чем у материалов, полученных ковалентным методом, поэтому нековалентные МИП чаще используются в хроматографии. Другое применение – использование молекулярно импринтированных материалов в качестве химических и биологических сенсоров. Они разработаны для определения гербицидов, сахаров, лекарственных препаратов, токсинов и паров. Сенсоры на основе МИП обладают не только высокой селективностью и чувствительностью, но и способны генерировать выходные сигналы (электрохимические, оптические или пьезоэлектрические) для детекции. Это позволяет использовать их во флуоресцентном, электрохимическом, хемолюминесцентном и УФ-видимом сенсинге. Молекулярный импринтинг все шире применяется в таких областях, как доставка лекарств и биотехнологии. Селективное взаимодействие между шаблоном и полимерной матрицей может быть использовано для создания искусственных антител. На биофармацевтическом рынке разделение аминокислот, хиральных соединений, гемоглобина и гормонов может быть достигнуто с использованием МИП-адсорбентов. Исследованы методы использования молекулярного импринтинга для имитации линейных и полианионных молекул, таких как ДНК, белки и углеводы. Сложной задачей является импринтинг белков. Крупные водорастворимые биологические макромолекулы представляют трудность для молекулярного импринтинга, поскольку их конформационная целостность не может быть гарантирована в синтетических условиях. Современные подходы к решению этой проблемы включают иммобилизацию молекул шаблона на поверхности твердых подложек, что минимизирует агрегацию и позволяет контролировать расположение молекул шаблона на поверхности импринтированных материалов. Фармацевтические применения включают селективную доставку лекарств и системы контролируемого высвобождения лекарств, использующие стабильные конформации МИП, быстрое равновесное высвобождение и устойчивость к ферментативному и химическому воздействию. По сравнению с природными рецепторами, МИП также обладают более высокой химической и физической стабильностью, большей доступностью и меньшей стоимостью. МИП могут быть особенно полезны для стабилизации белков, в частности, для селективной защиты белков от денатурации под воздействием тепла.