In phân tử, MI, là một kỹ thuật tổng hợp các chuỗi polymer mô phỏng các đầu thu sinh học, ví dụ như các kháng thể hoặc các enzyme [12, 80]. Về cơ bản, MIP được tạo từ năm thành phần khác nhau: mẫu (chất) cần phân tích, monomer chức năng, thành phần liên kết chéo, thành phần làm xốp và thành phần khởi tạo. Trong đó, hai yếu tố cuối xác định hình thái học của polymer. Trong hình 1.1 trình bày các bước quy trình công nghệ chế tạo MIP. Đầu tiên, phân tử mẫu (các kháng nguyên hoặc chất phân tích) được kết hợp với các monomer chức
NGỤY PHAN TÍN 26
năng là các phân tử đồng thời chứa cả nhóm chức có khả năng tương tác (liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết không cộng hóa trị) và một nhóm chức có chức có khả năng polymer hóa (thường là một liên kết đôi). Trong bước thứ hai, quá trình polymer hóa được bắt đầu với một lượng lớn các phân tử liên kết chéo chứa ít nhất hai nhóm chức có khả năng polymer hóa. Các phân tử liên kết chéo này rất cần thiết để tạo ra được một mạng lưới polymer 3D cứng, giúp duy trì được khuôn in của mẫu/chất cần phân tích với đặc tính chọn lọc cao. Sau bước tách loại các phân tử chất phân tích, MIP được tạo ra có khả năng nhận biết một cách đặc hiệu dựa trên hình dạng, kích thước và các vị trí tương tác chọn lọc với phân tử mẫu trong các khuôn in trong mạng polymer.
Hình 1. 1. Các bước quy trình chế tạo của công nghệ in polymer phân tử (MIP).
Trong công nghệ MIP, tương tác hóa học giữa mẫu phân tích và monomer đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định độ đặc hiệu và tính chọn lọc. Trong tương tác này, mẫu phân tích và các nhóm chức của nó sẽ quyết định monomer chức năng được lựa chọn. Tính đặc hiệu của khuôn in được tạo thành được xác định chủ yếu bởi độ mạnh của tương tác giữa monomer và mẫu, nói chung, liên
NGỤY PHAN TÍN 27
kết càng mạnh ái lực càng tốt. Ngoài ra, số lượng các điểm tương tác giữa các mẫu/ chất phân tích và khuôn in càng nhiều càng tốt. Về mặt lý thuyết cần ít nhất ba điểm tương tác để xác định một cấu trúc ba chiều của phân tử mẫu trong khuôn in. Tùy theo loại tương tác hóa học giữa mẫu và monomer chức năng mà MIP được chia làm hai loại:
MIP dựa trên tương tác không cộng hóa trị (noncovalent): Như đã nêu ở trên, ái lực giữa mẫu và các monomer chức năng càng mạnh càng tốt. Do vậy trong trường hợp phân tử mẫu có chứa các nhóm amino thì các monomer chức năng nhóm acidic ví dụ như axit acrylic hoặc methacrylic sẽ được chọn để cho kết quả tốt nhất. Tuy nhiên, đối với trường hợp phân tử mẫu có chứa nhóm carboxylic axit thì lựa chọn tốt nhất của monomer chức năng phải là vinylpyridine. Các monomer này sẽ tạo ra các tương tác ion với mẫu. Các tương tác ion mạnh hơn liên kết hydro lẫn các tương tác kỵ nước hoặc ưa nước. Trong công nghệ MIP này, việc sử dụng nhiều loại liên kết khác nhau cùng lúc hoàn toàn có thể xảy ra như: liên kết ion và /hoặc liên kết hydro, liên kết tĩnh điện, tương tác ưa nước /kỵ nước và /hoặc tương tác van der Waals.
MIP dựa trên tương tác dựa trên tương tác cộng hóa trị (covalent): Trong trường hợp chế tạo MIP sử dụng tương tác cộng hóa trị, việc chọn lựa các monomer chức năng sẽ phức tạp hơn. Các monomer này phải tạo được liên kết cộng hóa trị với các mẫu trước khi in, phụ thuộc vào tính chất hóa học của mẫu mà các monomer sẽ khác nhau. Ví dụ như các mẫu chứa nhóm cis-diol thường được este hóa với axit vinyl-boronic để tạo thành bis-ester thuận nghịch. Nếu điều này là không thể thực hiện, lựa chọn thay thế là chế tạo bazơ Schiff (azomethines) với yêu cầu một nhóm amin trên mẫu và một nhóm axit cacboxyl trên monomer chức năng hoặc ngược lại. Trên hình 1.2 trình bày mô hình in phân tử sử dụng liên kết cộng hóa trị và không cộng hóa trị.
NGỤY PHAN TÍN 28
Hình 1. 2. a) In phân tử sử dụng liên kết cộng hóa trị; b) In phân tử sử dụng liên kết không cộng hóa trị.
Một phương pháp khác để có thể tạo ra các tương tác mạnh là sử dụng các ion kim loại để tạo ra các phức hợp kim loại hữu cơ. Các kim loại, ví dụ như đồng, đóng vai trò như một cầu nối giữa các monomer chức năng và mẫu. Ví dụ như tương tác giữa monomer chức năng 4(5) -vinylimidazol và axit amin đóng vai trò mẫu với sự hiện diện của các ion đồng, như trong hình 1.2. Các ion đồng phối hợp hai nguyên tử nito có cấu trúc imidazole của monomer với nhóm chức amino và carboxyl của mẫu tương ứng. Bằng cách áp dụng kỹ thuật này thậm chí có thể tạo ra các khuôn chọn lọc đối xứng.
Hình 1. 3. Phức chelate giữa ion kim loại đồng với các monomer vinylimidazol và mẫu axit amin.
Các thành phần liên kết chéo cung cấp lên đến 90% các nhóm polymer hóa; do vậy chúng quyết định "tính chất hóa học polymer" của MIP. Các chất liên kết chéo đóng vai trò như một dung môi cho mẫu và các porogen. Một yếu tố quan trọng cần chú ý đó là số lượng các nhóm chức có thể polymer trên mỗi phân tử liên kết chéo. Chất liên kết chéo điển hình được sử dụng cho việc chế tạo MIP
NGỤY PHAN TÍN 29
là dimethacrylate ethyleneglycol (EGDMA) và divinylbenzene (DVB), cả hai đều chỉ chứa hai nhóm vinyl có thể trùng hợp. Gần đây người ta đã chỉ ra rằng các chất liên kết chéo có hơn hai nhóm chức polymer hóa, ví dụ trimethylolpropane trimethacrylate (TRIM), dẫn đến vật liệu xốp hơn, cải thiện đặc tính chuyển động khối (khả năng tiếp cận tốt hơn với các khuôn in), do đó dẫn đến hiệu suất bắt cặp tốt hơn của MIP.
Hầu hết MIP ngày nay được tạo dựa trên quá trình polymer hóa gốc tự do tiêu chuẩn trong môi trường phân tán [80]. Nhân tố khởi tạo cho quá trình trùng hợp phải được lựa chọn dựa trên độ tin cậy của nó. Có một vài hợp chất azo-bis như AIBN, thường được sử dụng trong qua trình polymer hóa khởi tạo bằng nhiệt, nhưng đối với các quá trình khởi tạo bằng UV, ABCHC có sự tin cậy hơn AIBN. Đối với một số phương pháp tiếp cận đặc biệt, mà quá trình in phân tử diễn ra trong môi trường dung dịch nước, chất khởi tạo tan trong nước như ABDV nên được chọn.
Các porogen (dung môi) đóng vai trò lớn trong việc hình thành các lỗ xốp trong mạng polymer. Trong điều kiện của quá trình trùng hợp phân tán điển hình, các polymer kết tủa khi được tạo thành, vẫn còn có chứa một lượng lớn các porogen trong các lỗ xốp. Đối với một khuôn in được tạo ra thành công, mẫu phải được hòa tan trong porogen (đôi khi hỗn hợp đã được đun nóng để đảm bảo điều này), nhưng porogen được lựa chọn phải đảm bảo không cạnh tranh với các monomer chức năng tương tác với các mẫu. Nếu các tương tác này, chủ yếu được dựa trên các liên kết hydro thì các porogen proton sẽ gây trở ngại và hạn chế ít nhất một phần của mẫu tương tác với các monomer chức năng. Trong trường hợp như vậy một porogen proton phân cực nên được sử dụng. Ngoài ra, hỗn hợp phản ứng nên hòa tan hoàn toàn trong nước, vì nước cạnh tranh rất hiệu quả với các liên kết hydro. Oxy hòa tan trong dung dịch nên được loại bỏ khỏi porogen bằng cách thổi khí nitơ, vì nói chung oxy có xu hướng ức chế trùng hợp cực đoan. Một số porogen thường được sử dụng là DMF, DMSO, ACN, THF và chloroform.
NGỤY PHAN TÍN 30