Одним из основных требований, предъявляемых к сорбционным материалам, используемым для аналитических целей, является их высокая селективность. Как правило, данная задача решается путем формирования в полимере функциональных групп, обладающих избирательной сорбцией к определенным веществам, либо в случае имуносорбентов введением в состав полимера антител. Однако синтез таких полимеров является дорогостоящим, а в ряде случаев просто невозможно подобрать соответствующие функциональные группы или антитела для эффективной сорбции заданного вещества. Выходом может стать создание высокоселективных сорбентов на основе полимерных систем структурно настраиваемых на наноуровне. К таким системам можно отнести полимеры с молекулярными отпечатками (ПМО, molecular imprinting polymers), получаемые методом молекулярного импринтинга.

Сущность метода получения ПМО заключается в образовании межмолекулярного комплекса между функциональными группами мономеров (полимеров) и шаблонным соединением (соединение под которое настраивается полимер), закреплении полученной структуры, путем образования трехмерной структуры полимера за счет межмолекулярных сшивок и удалении шаблонного соединения.
В приведенной схеме можно условно выделить три ключевых стадии. На первой стадии осуществляются взаимодействия мономеров (полимеров) с шаблонным соединением с образованием ассоциата в условиях, когда мономер (функциональные группы полимеров) еще имеют достаточную подвижность. На второй стадии происходит фиксация системы, за счет образования сшитого полимера. И на последней стадии - удаление шаблонного соединения из полимера. По окончании процесса синтеза полимер представляет собой матрицу, в структуре которой присутствуют трехмерные молекулярные отпечатки (микропоры). Образованные молекулярные отпечатки по форме, размеру, расстоянию между зарядами идентичны (комплементарны) молекуле шаблонного соединения и способны повторно связывать (узнавать) эту молекулу среди множества других.

Области применения полимеров с молекулярными отпечатками.

Высокоэффективная жидкостная хроматография.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является одним из наиболее универсальных химико-аналитических методов. При рутинном анализе в качестве неподвижной фазы, как правило, используются сорбенты, неспецифически взаимодействующие с компонентами пробы. Однако когда требуется разделить искомое соединение и вещества сходного строения, возникает необходимость в сорбентах, содержащих высокоспецифичные рецепторы. Поскольку модификация неподвижной фазы, необходимая для иммобилизации рецепторов, всегда сопряжена с определенными трудностями, ПМО в качестве хроматографических носителей имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными сорбентами.
ПМО довольно давно используются в жидкостной хроматографии. В частности, ПМО-хроматография оказалась адекватной альтернативой аффинной хроматографии при разделении стереоизомеров, т. к. сам принцип молекулярного импринтинга подразумевает энантиоселективность распознавания. Более того, возможно получение ПМО-сорбентов для разделения соединений, содержащих несколько хиральных центров, например, дипептидов.
ПМО с успехом разделяют изомеры различных углеводов. Показательный пример высокой селективности ПМО-хроматографии – разделение структурно близких β-лактамных антибиотиков. Молекулярный импринтинг позволил получить неподвижные фазы, специфичные для разных β-лактамов, в отличие от традиционных сорбентов, отделяющих β-лактамные антибиотики только от соединений другой природы.

Выбор оптимальной структуры ПМО для использования в качестве хроматографических сорбентов – нетривиальная задача, которая должна специально решаться в каждом конкретном случае. Вследствие сильной гетерогенности участков молекулярного распознавания и низкой емкости полимерного материала качество разделения часто оставляет желать лучшего: число теоретических тарелок порядка 2 000–5 000 на метр. Основные подходы, используемые для повышения эффективности хроматографии, – оптимизация протокола разделения (варьирование температуры, подбор подвижной фазы, добавление конкурента, градиентное элюирование) и блокировка неспецифических участков связывания полимера.
ПМО могут быть успешно использованы в препаративной жидкостной хроматографии, в том числе и для получения оптически чистых изомеров.

Капиллярная электрохроматография.

Как и в ВЭЖХ, в капиллярной электрохроматографии (КЭХ) ПМО играют роль высокоселективной неподвижной фазы. По сравнению с ПМО-ВЭЖХ ПМО-КЭХ характеризуется лучшим разрешением (более 100 000 теоретических тарелок на метр). ПМО-сорбент может быть введен в капилляр либо путем набивки, либо, учитывая трудность заполнения, синтезирован непосредственно в капилляре. Приготовление капиллярной колонки занимает всего 2–3 часа, а полученный сорбент стабилен в течение нескольких месяцев.
Метод КЭХ с ПМО-сорбентами успешно использовался для разделения энантиомеров: β-блокаторов S- и R-пропранолола, L- и D-фенилаланина.

Тонкослойная хроматография.

Тщательно измельченный и смешанный со специальным связующим веществом полимер, нанесенный на твердую подложку, может использоваться в тонкослойной хроматографии для разделения хиральных соединений, например, производных аминокислот. Однако на сегодняшний день эффективность этого метода недостаточна, что проявляется в образовании «размытых» зон, затрудняющем определение Rf . Создание подходящих ПМО-сорбентов позволит широко применять быстрый и простой метод ТСХ для высокопроизводительного полуколичественного анализа.

Твердофазная экстракция.

Необходимость эффективной предварительной очистки и концентрирования проб для медицинского, экологического и пищевого анализа определяет интерес к созданию новых методов твердофазной экстракции (ТФЭ). ТФЭ с использованием ПМО предложена для предобработки проб биологических жидкостей – плазмы и сыворотки крови, мочи, желчи, экстракта из печени, – а также питьевой и природной воды, продуктов питания, растительных экстрактов и многих других объектов.
ТФЭ – более быстрый и воспроизводимый метод по сравнению с жидкостной экстракцией, обеспечивающий большую чистоту экстрактов при меньшем расходе растворителей и малом объеме проб. Как стадия пробоподготовки ТФЭ может быть включена в автоматизированный аналитический процесс. Наибольшее число публикаций по применению импринтированных полимеров посвящено именно системам ТФЭ, что обусловлено дешевизной ПМО, их совместимостью с органическими растворителями, устойчивостью в различных средах и высокой избирательностью связывания.

Пример ТФЭ с использованием ПМО определение пестицида атразина в печени крупного рогатого скота. После хлороформной экстракции аналит селективно выделяли и концентрировали на колонке, заполненной полимером с молекулярными отпечатками атразина. Затем аналит смывали с сорбента смесью органических растворителей и определяли его количество методами обращенно-фазовой хроматографии и твердофазного иммуноферментного анализа (ИФА). По сравнению с анализом без использования ТФЭ порог детекции снизился с 20 до 5 нг/мл (для ВЭЖХ), а степень извлечения аналита возросла c 79,6 до 92,8% (по данным ИФА).

Катализ.

Создание каталитических систем на основе ПМО представляет не только научный, но и практический интерес. Получение каталитически активных импринтированных полимеров является непростой задачей. Шаблоном для синтеза полимера должно служить соединение, сходное с переходным состоянием трансформируемого субстрата. Действительно, использование шаблона, структурно близкого к субстрату или продукту, приведет к необратимому связыванию, а не к катализу. Так как переходные состояния субстратов крайне неустойчивы, для импринтинга подбираются их стабильные аналоги. Фактически при этом реализуются те же принципы, что и при получении абзимов – каталитических антител.
К настоящему времени катализ на основе искусственных полимеров был успешно осуществлен только для некоторых типов реакций: альдольной конденсации, гидролиза эфиров, реакции Дильса–Альдера, дегидрофторирования, изомеризации. Этот ряд хорошо соответствует системам, для которых описаны абзимы. Хотя ПМО не могут конкурировать с природными ферментами по эффективности катализа, совместимость с органическими растворителями, температурная и рН-стабильность являются их неоспоримыми преимуществами.

Скрининг комбинаторных библиотек.

Молекулярный импринтинг может использоваться как для подбора оптимального рецептора к данному лиганду путем создания библиотеки ПМО, так и для скрининга с помощью определенного ПМО панели структурно сходных соединений, разделение которых другими методами затруднительно. Примером может служить скрининг комбинаторной библиотеки стероидных гормонов с использованием полимеров, импринтированных кортикостероном и 11-α-гидроксипрогестероном. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности ПМО для селективного распознавания шаблонного соединения и дискриминирования искомого аналита от структурно сходных аналогов.

Органический синтез

Оригинальны идеи использования ПМО в синтетических технологиях для сдвига равновесия и удаления побочного продукта с целью повышения выхода и степени чистоты продукта реакции. Например, ферментативный синтез аспартама идет в несколько стадий; исходя из этого, сдвиг равновесия осуществляли введением в реакционную среду полимера, импринтированного одним из промежуточных продуктов. Применение этого подхода позволило увеличить выход синтеза с 15% до 63%, а чистоту продукта – за счет селективной сорбции побочного продукта – с 56% до 96%.