Lấy ý tưởng từ quá trình nhận dạng phân tử trong tự nhiên, kỹ thuật in dấu phân tửđược đưa vào nghiên cứu nhằm tạo ra các khuôn mẫu bằng polyme với các liên kết sinh học đặc hiệu được giữ nguyên hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển, đặc biệt trong chế tạo các cảm biến phát hiện nhanh các tác nhân hóa sinh. Về cơ bản, MIP được tạo thành 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 [51]. Trong đó, hai yếu tố cuối xác định hình thái học của polyme. Hình 1.8 trình bày các bước trong quy trình công nghệ chế tạo MIP [53]-[55].
Quá trình gồm:
i) Phân tử khuôn kết hợp với monomer chức năng thông qua liên kết cộng hóa trị hoặc không cộng hóa trị. Các monome này có chứa nhóm chức có khảnăng polyme hóa (thường là liên kết đôi);
ii) Quá trình polyme hóa được bắt đầu với một lượng lớn các phân tử liên kết chéo chứa ít nhất hai nhóm chức có khả năng polyme hóa. Các phân tử liên kết chéo này rất cần thiết để tạo ra được một mạng lưới polyme 3D cứng, giúp duy trì được khuôn in của phân tử mẫu với đặc tính chọn lọc cao;
18
iii) Tách loại bỏ các phân tử mẫu, MIP được tạo ra có khảnăng 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 polyme.
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý công nghệ MIP
Các phân tử khuôn mẫu, monome chức năng, liên kết chéo và chất khơi mào là cần thiết với tỷ lệ tối ưu cho quá trình trùng hợp hoàn toàn. Sau khi trùng hợp, các hốc nhận biết có độ đặc hiệu cao được hình thành trong ma trận MIP cho các phân tử khuôn. MIP có thểđược tạo thành bằng các phương pháp khác nhau. Như được minh họa trong hình 1.9, các liên kết cộng hóa trị thuận nghịch (A), các nhóm liên kết polyme hóa được gắn cộng hóa trịđược kích hoạt cho các tương tác không cộng hóa trị (B), tương tác tĩnh điện (C), tương tác kỵnước hoặc Van der Waals (D) hoặc phối hợp với một tấm kim loại (E). Tất cả các tương tác được hình thành với các nhóm chức năng bổ sung của các phân tử khuôn mẫu (a - e) [55]-[57], [57].
19
Trong polyme in dấu phân tử, các vị trí cụ thể có thểđược tạo ra cho nhiều khuôn mẫu khác nhau như axit amin [34], [52], [58], protein [59], [60], [61], [62], enzym [63], [64], hormone [65]-[68], kháng thể [69]-[71], nucleic axit [72]-[75], vi khuẩn [75], vi rút [77]-[80], thuốc [81]-[85], ion kim loại [88]-[90], kháng sinh [91]-[96] và thuốc trừ sâu [96], [97]… Hơn nữa, MIP rất dễ tổng hợp, ổn định cao, tiết kiệm chi phí và thân thiện với người dùng. Chúng có thểđược sản xuất với số lượng lớn với hiệu suất tái sử dụng cao.
Trong công nghệMIP, tương tác hóa học giữa phân tử mẫu và monomer đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định độ đặc hiệu và tính chọn lọc. Trong tương tác này, phân tử mẫu và các nhóm chức của nó sẽ quyết định monomer chức năng được lựa chọn. Tính đặc hiệu của khuôn in tạo thành được xác định chủ yếu bởi độ mạnh của liên kết giữa monomer và phân tử mẫu, liên kết càng mạnh ái lực càng tốt. Ngoài ra, sốlượng các điểm liên kết giữa phân tử mẫu và khuôn in càng nhiều càng tốt. Về mặt lý thuyết cần ít nhất ba điểm liên kết đểxác định một cấu trúc ba chiều của phân tử mẫu trong khuôn in. Tùy theo loại tương tác hóa học giữa phân tử mẫu và monomer chức năng mà MIP được chia làm ba loại [56], [97], [99], [100]-[104]:
- MIP dựa trên tương tác cộng hóa trị: Kỹ thuật MIP dựa trên các liên kết cộng
hóa trị đã được giới thiệu và mô tả lần đầu tiên bởi Wulff và các cộng sự của ông (1972). Trong trường hợp này, các monomer phải tạo được liên kết cộng hóa trị với các mẫu trước khi in, do vậy tùy thuộc vào tính chất hóa học của phân tử mẫu mà các monomer sẽ khác nhau. Việc sử dụng kỹ thuật MIP dựa trên các liên kết cộng hóa trị làm tăng tính đồng nhất của các vị trí liên kết và làm giảm các liên kết không đặc hiệu. Tuy nhiên, các tương tác cộng hóa trị tương đối bền vững, do đó đòi hỏi các điều kiện loại bỏ mẫu khắc nghiệt, có thể gây biến dạng polyme và mất tính liên kết của vị trí gắn kết [56], [104], [105].
- MIP dựa trên tương tác không cộng hóa trị: Kỹ thuật MIP dựa trên các liên
kết không cộng hóa trị được áp dụng lần đầu tiên bởi Klaus Mosbach và các đồng nghiệp (1980). Với cách tiếp cận này, Mosbach đã sử dụng các tương tác không cộng hóa trị đểổn định liên kết giữa các monomer chức năng với phân tử mẫu thông qua liên kết chéo, về sau kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật tạo mẫu tự gắn kết (self-assembly). Việc in dấu phân tử bởi liên kết không cộng hóa trị phụ thuộc vào sự hình thành của nhiều tương tác yếu hơn như liên kết hidro, liên kết kị nước và liên kết ion giữa phân tử mẫu và các monomer để cung cấp ái lực cho in dấu polyme, những liên kết này có thể dễ dàng bị phá vỡ bởi các điều kiện nhẹ dẫn đến phân tử mẫu dễ dàng bị loại bỏ sau quá trình polyme. Ưu điểm của cách tiếp cận không cộng hóa trị là sựđa dạng và sẵn có các monomer chức năng có thểđược sử dụng, quá trình tổng hợp cũng ít phức tạp hơn so với cách tiếp cận sử dụng liên kết cộng hóa trị. Chính điều này đã đưa MIP sử dụng tương tác không cộng hóa trị trở thành kỹ thuật chính của phương pháp in dấu phân tử [105], [106].
20
- MIP dựa trên cả hai loại tương tác cộng hóa trị và không cộng hóa trị: Đây là
kỹ thuật lai ghép của hai kỹ thuật trên. Liên kết cộng hóa trịđược thiết lập giữa monomer và phân tử mẫu trước khi tiến hành polyme. Sau khi phân tử mẫu đã được tách ra khỏi ma trận polyme thì việc tái liên kết giữa phân tử mẫu và màng MIP lại thông qua tương tác không cộng hóa trị [55], [56], [106]-[108].