劉微波，陳 偉，彭池方，胥傳來(lái)*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

磁納米分子印跡聚合物的制備及性能

劉微波，陳 偉，彭池方，胥傳來(lái)*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

以牛血清白蛋白為模板分子，四氧化三鐵磁性納米粒子為載體，多巴胺為功能單體制備磁納米分子印跡聚合物。用制備的磁納米分子印跡聚合物吸附蛋白，并測(cè)定對(duì)蛋白的吸附容量。結(jié)果表明：隨著吸附時(shí)間的增加，吸附量增加，一段時(shí)間后可達(dá)到吸附飽和；在其他條件不變的情況下，模板濃度增加，吸附容量相應(yīng)增加；印跡聚合物及其非印跡聚合物對(duì)牛血清白蛋白、人血紅蛋白和牛血紅蛋白的選擇性吸附表明所制備的磁性分子印跡聚合物對(duì)牛血清白蛋白具有特異性吸附效果。

分子印跡；磁性納米粒子；多巴胺

分子印跡技術(shù)(molecularly imprinting technique，MIT)是指制備對(duì)某一特定目標(biāo)分子具有選擇性的聚合物技術(shù)，又稱分子烙印技術(shù)、分子印記技術(shù)或分子模板技術(shù)[1]。分子印跡技術(shù)作為一種分離技術(shù)，由于具有預(yù)定性、識(shí)別性、實(shí)用性三大特性，在生命科學(xué)的研究中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[2]。磁性納米粒子(magnetic nanoparticles，MNPs)具有無(wú)毒無(wú)害、輕便迅速的分離特點(diǎn)，在蛋白質(zhì)和細(xì)胞分離、酶固定化等領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注[3]。制備具有識(shí)別生物分子功能的磁納米分子印跡聚合物，即合成Fe3O4磁性納米粒子-分子印跡聚合物核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子，可以有效地利用磁納米粒子的磁性和分子印跡的特異識(shí)別性來(lái)進(jìn)行目標(biāo)分子的快速磁分離。在外加磁場(chǎng)下，含有磁性的核殼結(jié)構(gòu)分子印跡納米球，可對(duì)目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)快速磁分離[4-7]。磁納米分子印跡納米球復(fù)合體系在分子識(shí)別方面具有高靈敏、耐用、強(qiáng)記憶效應(yīng)等特性，特別適合水溶液中生物分子的分離、富集，分子印跡磁性納米復(fù)合體系在生化、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景[8-10]。

本研究先合成具有羧基表面的水溶性磁性納米粒子，然后嘗試在其表面制備分子印跡聚合物，通過(guò)不同的表征手段確定所合成的磁納米分子印跡聚合物成功后，對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，以期建立新型的蛋白質(zhì)分離純化方法[11-12]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛血清白蛋白(BSA)、十二烷基硫酸鈉 北京拜爾迪生物公司；鹽酸多巴胺 美國(guó)Sigma公司；無(wú)水三氯化鐵 上海晶純?cè)噭┯邢薰?；無(wú)水乙酸鈉、三羥甲基氨基甲烷 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；考馬斯亮藍(lán)G-250 中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑總公司；Milli-Q超純水 美國(guó)Millipore公司。

1.2 儀器與設(shè)備

100mL水熱合成反應(yīng)釜 上海吉眾儀器儀表有限公司；1810-B石英自動(dòng)雙重純水蒸餾器 金壇市榮華儀器制造有限公司；ZD-9556脫色搖床 金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司；Costar96孔8×12可拆酶標(biāo)板 上海吉泰生物科技有限公司；TGL-40B臺(tái)式低速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；MPMSX-5T磁性能測(cè)量系統(tǒng) 美國(guó)Quantum Design公司；NICOLET NEXUS 470傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)Thermo Electron公司。

1.3 方法

1.3.1 磁性納米粒子的制備

在水熱合成反應(yīng)釜內(nèi)加入1.39g FeCl3、1.24g CH3COONa、14mL蒸餾水，緩慢滴加l0mL 1.0mol/L的NaOH溶液，不斷攪拌，反應(yīng)溫度140℃，12h后冷卻至室溫，得到黑灰色沉淀。經(jīng)過(guò)濾，熱水和無(wú)水乙醇洗滌，在70℃真空干燥4h，用透射電鏡表征，得到400nm準(zhǔn)球型多面體Fe3O4納米晶體，磁產(chǎn)率高于90%。

1.3.2 磁納米分子印跡聚合物的制備與表征

取4個(gè)容量瓶，1、2為實(shí)驗(yàn)組，加入模板蛋白，3、4為對(duì)照組，不加入模板蛋白。在4個(gè)瓶中分別加入200μL Fe3O4磁性納米粒子(平均粒徑為400nm)，并在1、2號(hào)均加入0.5mg牛血清白蛋白(BSA)，4個(gè)瓶中都加入預(yù)先配制好的Tris緩沖液(pH8.0)，搖床振蕩2h后，各加入0.4mL鹽酸多巴胺(10mg/mL，溶解于pH8.0的Tris緩沖液)，繼續(xù)振蕩3h后，用磁鐵吸出具有磁性的部分，去除上清液，用乙酸(含0.1g/100mL SDS)振蕩洗滌5次，每次洗滌后分別用磁鐵分離去上清液，再以去離子水徹底洗滌，1、2號(hào)瓶得到的磁性沉淀物即為磁納米分子印跡聚合物。

將得到的磁納米分子印跡聚合物進(jìn)行紅外掃描，制樣方法為KBr壓片法[13-15]。儀器分辨率4cm-1，掃描次數(shù)3 2次。

1.3.3 磁納米分子印跡聚合物對(duì)牛血清白蛋白的吸附

將1.3.2節(jié)所得的磁納米分子印跡聚合物各加入2mL 0.1mg/mL BSA(溶于 pH7.5、0.01g/100mL SDS Tris緩沖液)搖床振蕩2h，磁分離，考馬斯亮藍(lán)G-250測(cè)定蛋白質(zhì)含量。

1.3.4 蛋白含量的分析

采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定蛋白質(zhì)含量[16-17]?？捡R斯亮藍(lán)G250-蛋白質(zhì)復(fù)合物呈色后，在595nm波長(zhǎng)處吸光度與蛋白質(zhì)含量呈線性關(guān)系，故可用于蛋白質(zhì)濃度的測(cè)定。

取6支干凈試管，按1、2、3、4、5、6編號(hào)并加入試劑。1號(hào)試管不加標(biāo)準(zhǔn)蛋白液，加1mL蒸餾水、5mL考馬斯亮藍(lán)染液；2號(hào)試管加入0.2mL標(biāo)準(zhǔn)蛋白液、0.8mL蒸餾水、5mL考馬斯亮藍(lán)染液；3號(hào)試管加入0.4mL標(biāo)準(zhǔn)蛋白液、0.6mL蒸餾水、5mL考馬斯亮藍(lán)染液；4號(hào)試管加入0.6mL標(biāo)準(zhǔn)蛋白液、0.4mL蒸餾水、5mL考馬斯亮藍(lán)染液；5號(hào)試管加入0.8mL標(biāo)準(zhǔn)蛋白液、0.2mL蒸餾水、5mL考馬斯亮藍(lán)染液；6號(hào)試管加入1mL標(biāo)準(zhǔn)蛋白液、5mL考馬斯亮藍(lán)染液，不加蒸餾水?；靹颍覝仂o置2min，以第一管為空白，于波長(zhǎng)595nm處比色，讀取吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，在坐標(biāo)紙上繪制出濃度-吸光度曲線，得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y = 0.0069x + 0.0082(R2= 0.9941)。

樣液測(cè)定時(shí)另取一干凈試管，加入樣品1.0mL及考馬斯亮藍(lán)染液5.0mL，混勻，室溫靜置3min，于波長(zhǎng)595nm處比色，讀取吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線方程算出未知液的蛋白質(zhì)濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁性納米粒子的表征

圖1 磁性納米粒子透射電鏡圖Fig.1 TEM image of MNPs

從圖1可以清晰看出，磁性納米粒子呈粒徑均勻的球形，單分散性較好，平均粒徑在400nm左右，粒子的表面沒有包被物質(zhì)，較光滑，因此可以在所合成的磁納米粒子表面制備分子印跡。

圖2 磁分離Fig.2 Magnetic separation process

從圖2磁分離的過(guò)程可以看出，所合成的磁納米粒子磁性很強(qiáng)，在強(qiáng)磁鐵的磁場(chǎng)作用下，分散在水溶液中的磁納米粒子液相與固相可以迅速分離，在10s左右即可以達(dá)到完全分離狀態(tài)。圖中B、C即為磁鐵放置在裝有磁納米粒子的瓶子下面和側(cè)面，都可以使磁粒子快速吸出。因此采用所合成的磁性納米粒子作為載體制備分子印跡聚合物，可以有效地利用其在磁場(chǎng)作用下可快速磁分離這一特征。

2.2 磁納米分子印跡聚合物的表征

圖3 磁性納米分子印跡聚合物透射電鏡圖Fig.3 TEM image of molecular imprinted MNPs

從圖3磁納米分子印跡聚合物的透射電鏡圖可以看出，經(jīng)過(guò)處理的磁納米粒子外包裹了一層約20nm厚的物質(zhì)，即為所制備的分子印跡，也就是實(shí)驗(yàn)中所需的為了吸附BSA的空間構(gòu)架?？梢钥闯觯肿佑≯E的制備并沒有影響磁納米粒子本身的特征，與沒有包裹的磁粒子相比，包裹一層分子印跡的磁納米粒子表面顏色較淺，但粒子分布仍然較均勻，此外，由于磁納米粒子本身粒徑較大(400nm)，包裹的分子印跡層較薄(20nm)，因此對(duì)包裹后的磁粒子在磁場(chǎng)中的磁響應(yīng)速度影響不大，仍然可以有效利用其在磁場(chǎng)中的磁響應(yīng)性進(jìn)行目標(biāo)物的磁分離。

圖4 磁納米分子印跡聚合物的紅外掃描圖Fig.4 IR image of molecularly imprinted MNPs

由Fe3O4磁性納米粒子的紅外吸收?qǐng)D(圖4)可以看出，磁納米粒子表面有—COOH的存在：1624cm-1、1384cm-1處的吸收峰是C＝O和—O—的伸縮振動(dòng)峰，3417cm-1處的吸收峰是O—H的伸縮振動(dòng)峰，580cm-1處附近是Fe—O的特征振動(dòng)峰。這些特征峰說(shuō)明磁納米粒子的表面修飾上了羧基，為在其表面制備分子印跡聚合物提供了條件。曲線(b)為實(shí)驗(yàn)組，即為加入模板分子的磁納米分子印跡聚合物，2922cm-1處是C—H伸縮振動(dòng)，說(shuō)明了—CH2—的存在；3360cm-1處，可見酚羥基的伸縮振動(dòng)較弱的信號(hào)，為1241cm-1酚羥基的面內(nèi)變形振動(dòng)，說(shuō)明了—OH的存在。曲線(a)為對(duì)照組，即為沒有加入模板的分子印跡聚合物。從圖4磁納米粒子包裹分子印跡前后的吸收峰變化可以看出，在磁納米粒子表面制備分子印跡聚合物是成功的。

2.3 模板分子含量對(duì)分子印跡粒子吸附性能的影響

各組加入200μL Fe3O4磁性納米粒子(規(guī)格為400nm)，各加入0、0.5、1、2、4mg模板BSA(分子牛血清白蛋白)，按照1.3.2節(jié)所述反應(yīng)，磁分離，洗滌和吸附后以考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定剩余測(cè)定蛋白質(zhì)量，計(jì)算吸附率。

圖5 不同模板量對(duì)吸附率的影響Fig.5 Effect of template concentration on adsorption rate

由圖5可知，在變動(dòng)范圍不大的情況下，隨著模板分子質(zhì)量的增加，選擇性結(jié)合位點(diǎn)相應(yīng)增多，吸附性也相應(yīng)增強(qiáng)，吸附率增大。

吸附性取決于模板分子，功能單體以及交聯(lián)劑之間的比例。印跡分子與功能單體的用量比對(duì)分子印跡過(guò)程中識(shí)別孔穴的產(chǎn)生具有很大影響，對(duì)其比例的適當(dāng)選擇應(yīng)該依據(jù)印跡分子所含有的官能團(tuán)和制備過(guò)程中所用溶劑的性質(zhì)，一般而言增大功能單體的比例可以充分地預(yù)組裝印跡分子，但功能單體所占的比例并非越大越好，因?yàn)楣δ軉误w過(guò)量太多可增加由未參與組裝的功能單體所產(chǎn)生的非選擇性結(jié)合位點(diǎn)，而且過(guò)大濃度的功能單體有可能引起自身的聚合而減少選擇性結(jié)合位點(diǎn)數(shù)。功能單體和交聯(lián)劑的比例對(duì)MIPs的性能也有很大的影響。

2.4 分子印跡粒子的吸附容量曲線

取5組，分別加入200μL Fe3O4磁性納米粒子(400nm，10mg)，加入4mg模板BSA參照1.3.2節(jié)制備分子印跡聚合物。配制質(zhì)量濃度分別為10、50、100、150、200μg/mL BSA，分別取2mL，加入分子印記聚合物進(jìn)行吸附反應(yīng)2h，以考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定上清液蛋白質(zhì)質(zhì)量，計(jì)算吸附容量。

由圖6可以看出，隨著牛血清白蛋白初始質(zhì)量濃度的增大，印跡聚合物和非印跡聚合物的吸附容量也隨之增大。在200μg/mL時(shí)，印跡聚合物吸附容量為7.8mg/g，而非印跡聚合物的吸附容量為5.4mg/g。在相同條件下印跡聚合物對(duì)模板分子的吸附容量明顯高于非印跡聚合物對(duì)模板分子的吸附容量，說(shuō)明印跡聚合物具有比較強(qiáng)的印跡效應(yīng)，對(duì)牛血清白蛋白具有較好的選擇性吸附，這是由于制備過(guò)程中使配體進(jìn)行了有序排列，聚合物內(nèi)部形成了形狀與官能團(tuán)位置均與牛血清白蛋白相配合的空腔，正是由于這些空腔的存在，使MIP對(duì)模板物質(zhì)具有良好的選擇性結(jié)合能力。

圖6 分子印跡粒子的吸附容量曲線Fig.6 Adsorption capacity curve of molecularly imprinted MNPs

2.5 分子印跡粒子的的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

200 μ L Fe3O4磁性納米粒子(規(guī)格為400nm)，加入4mg模板BSA(牛血清白蛋白)制備分子印跡聚合物，配制質(zhì)量濃度為200μg/mL BSA，分別取2mL，加入分子印記聚合物進(jìn)行吸附反應(yīng)，在5、30、60、120min取液相，以考馬斯亮藍(lán)法剩余測(cè)定蛋白質(zhì)量，計(jì)算吸附率。

圖7 分子印跡聚合物吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)Fig.7 Dynamic adsorption curve of molecular imprinted MNPs

圖7表明，制備的印跡聚合物具有高的吸附速度，吸附5min達(dá)到吸附容量(初始質(zhì)量濃度為0.1mg/mL)的22.3%，吸附30min之后吸附率為31.5%左右，60min之后吸附基本達(dá)到平衡。當(dāng)降低初始溶液的質(zhì)量濃度時(shí)，將在更短的時(shí)間內(nèi)內(nèi)達(dá)到吸附平衡。

2.6 分子印跡粒子的選擇性分析

取3組200μL Fe3O4磁性納米粒子(平均粒徑為400nm)，分別加入4mg人血紅蛋白、牛血紅蛋白、牛血清白蛋白，作為模板，參照1.3.2節(jié)制備分子印跡聚合物，其他條件相同在5、30、60、120min取液相，以考馬斯亮藍(lán)法剩余測(cè)定蛋白質(zhì)量，計(jì)算吸附率。

圖8 印跡和非印跡聚合物對(duì)人血紅蛋白(1)、牛血紅蛋白(2)、牛血清白蛋白(3)的選擇性吸附Fig.8 Selective adsorption of molecularly printed and non-printed MNPs towards human hemoglobin, bovine hemoglobin and bovine serum albumin

圖8表明，NMIP(非印跡聚合物)對(duì)3種底物的靜態(tài)分離因子相差很小，因?yàn)樵谒膬?nèi)部沒有經(jīng)過(guò)排列的選擇性結(jié)合位點(diǎn)，主要依靠聚合物表面非選擇性結(jié)合作用吸附底物分子，對(duì)底物無(wú)法進(jìn)行有效的分離與識(shí)別。而印跡聚合物MIP對(duì)3種底物的分離因子相差相對(duì)較大，說(shuō)明MIP對(duì)模板分子牛血清白蛋白有高度的選擇性和識(shí)別能力，對(duì)其他兩種底物的選擇性和識(shí)別能力則較差。

3 結(jié) 論

以牛血清白蛋白為模板分子，四氧化三鐵納米粒子為載體，多巴胺為功能單體制備磁納米分子印跡聚合物。吸附平衡曲線隨著吸附時(shí)間的增加，吸附量增加，結(jié)果一段時(shí)間后即達(dá)到吸附飽和；在其他條件不變的情況下，模板濃度增加，吸附容量相應(yīng)增加；印跡聚合物及其非印跡聚合物對(duì)牛血清白蛋白、人血紅蛋白、牛血紅蛋白的選擇性吸附表明，聚合物對(duì)牛血清白蛋白具有顯著吸附效果。

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Preparation and Properties of Molecularly Imprinted Polymer Based on Magnetic Nanoparticles

LIU Wei-bo，CHEN Wei，PENG Chi-fang，XU Chuan-lai*
(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

A molecular imprinted polymer was prepared using bovine serum albumin as the template molecule, iron oxide magnetic nanoparticles as the carriers and dopamine as the functional monomer. The prepared magnetic molecularly imprinted polymer nanoparticles (MNP-MIPs) were applied to adsorb protein and the protein adsorption capacity was measured. The results indicated that the adsorption capacity towards protein exhibited an increase up to the saturation level with prolonged adsorption time. Similarly, the adsorption capacity also revealed an increase trend as the template concentration rose and other conditions were kept unchanged. Moreover, bovine serum albumin could be specifically adsorbed by MNP-MIPs.

molecular imprinting；magnetic nanoparticle；dopamine

O635.2

A

1002-6630(2011)10-0061-05

2010-07-19

劉微波(1986—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闅埩粑餀z測(cè)。E-mail：liuweibo@126.com

*通信作者：胥傳來(lái)(1965—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称钒踩-mail：xcl@jiangnan.edu.cn