4-1 分子轉印技術與分子辨識的概念
赤足踩在未乾的水泥地上，待水泥固化之後，地上便會留下一個腳
印；這個腳印無論在形狀或大小上，都會與原來的腳相合，而分子轉印 技術 (Molecular imprinting) 的概念與此十分相似。早在1940年，分子轉 印技術的概念就由Linus Pauling所提出，Pauling 假設生物體中的聚縮氨
酸 (Poly-peptide) 鏈會與抗原中的作用點產生作用，改變三度空間的結
構，因此抗體中的許多活性點將與抗原進行組合作用，而此抗原可被視 為一種模板，用來複製具有選擇性的人造抗體，雖然此想法現今已證明 並不完全正確，但Pauling 是第一位提出分子辨識概念的人。58西元 1966 年，第一個以分子轉印技術而成功商業化的產品出現，即在香菸濾嘴上 附上吸附有害的尼古丁模板濾嘴。1970-1980 年代，分子轉印的概念逐漸 被應用在材料合成方面，而應用有機高分子為分子轉印的材料。59具有多 樣化的官能基之有機高分子，在做為分子辨識轉印的模板基材之改善有 顯著的提升。
分子模板轉印的概念起源很早，但一直沒有被用來合成辨識材料，
直到近年來才大量被應用在分析化學方面。1894年時 Fischer提出一個有 名的「鎖和鑰匙」之間關係的理論，60這個理論有點像生化中受質 (Substrate) 與酵素 (Enzyme) 作用的概念，其原理是將鑰匙分子和鎖一同 建造混合，即酵素表面的活性點以幾何形狀互補的方式鎖住受質，接著 由鎖中將分子鑰匙取出，而鎖會具有辨識性的功能而只認得原來的分子
鑰匙。分子鑰匙可以是任何物質的分子，小如藥物物質、氨基酸或類固 醇荷爾蒙，大如核酸或蛋白質，不過若選擇之鑰匙分子過大，則會造成 轉印材料製作上的困難，但如細胞和濾過性病毒亦可使用為轉印模板。
分子轉印技術即是利用模板分子做為模印，將模板分子移除後的孔洞可 與原分子進行再鍵結。而由於孔洞大小與原來的模板分子契合度極高，
因此就算是在一群結構相近的混合物中，此孔洞也會優先與模板分子結 合，即達到「分子辨識」的效果。
4-2 分子辨識的原理
分子辨識 (Molecular recognition) 一直是化學家及分子生物學家等 相當有興趣的課題，自然界中早就存在著許多極佳分子辨識的範例。生 物體中有極完美的分子辨識系統，但是我們對它的了解在早期只有抽象 的概念；一直到進入分子尺度的研究後才逐漸對分子辨識有進一步的認 識。
分子間的辨識存在有兩個要素：一是分子間作用力 (Intermolecular interaction) 及互補的結構 (Complementary structure)。而推動分子辨識的 主要動力是「分子間的作用」；受質與受體分子間具備愈多的作用力存 在，則分子辨識愈有效。然而，設計並製造一個分子辨識單元並不容易，
有大量研究者付出心力在設計具強親和力 (Strong affinity) 且具有專一
性 (Specificity) 的受體上。通常分子間作用力包含靜電作用、氫鍵、凡
得瓦力及疏水性作用。
具有愈好的辨識效果的受質-受體間，需要具有愈高的結合自由能
(Association free energy)，即愈高的結合常數 (Association constant, Ka)。 分子間的作用力，若相較於形成共價鍵或離子作用力，大部分只算是弱 的作用力 (Weak interaction)。除了考慮分子間的作用力外，在結構上還 需要具有互補單元，空間上剛好互相嵌入，才能達到最大的效果，即分 子間作用一定要有互相加成的空間排列。例如15-crown-5-ether 的環狀多 醚其孔洞 (Cavity) 對鈉離子 (Na+) 的親和力較好，61因此具有相當強的 結合能力，而未形成大環的多醚類，雖然有相似的分子作用力官能基，
當辨識基團在辨識時，需要額外付出「能量」引導它朝向正確的方位，
因此其對鈉離子的選擇性及親和力都是很差的。
4-3 分子轉印技術的類型
分子轉印技術依基材的性質不同可分為高分子及溶膠凝膠材料兩
類，目前使用最普遍的是高分子材料，而溶膠凝膠材料的應用也愈來愈 廣泛，現就兩種材料應用在分子轉印技術的原理及性質做一簡介：
4-3-1 分子轉印高分子
分子轉印高分子 (Molecular imprinting polymers, MIPs) 的轉印原 理是利用帶有特殊官能基的單體 (Functional monomer) 與模板分子
(Template) 作用，兩者之間以共價或非共價鍵結形成錯合物，再與交聯劑
作用產生聚合反應，經移除模板分子後，就可在高分子之結構中，形成 了轉印分子的形狀，最後此高分子便產生具有選擇性，而具有辨識轉印 分子的功能，如圖1所示。62
圖1、分子轉印高分子原理示意圖62
分子轉印高分子除了有明顯的辨認模板分子之性質之外，它們的物
理和化學性質都頗理想。以此建構出的高分子，其辨識性亦不會隨著使 用次數或時間的多寡而消失。
目前分子轉印高分子依錯合物的的鍵結方式可分為兩種，如圖2所 示，一是共價鍵鍵結，其鍵結反應較慢但鍵結較強，以致模板移除較難，
可選用的單體也較少，目前最常見的是以具有硼酸官能基 (-B(OH)2) 化 合物為單體；63另一種是由非共價或金屬配位鍵所形成的自我組合方法，
其轉印的步驟較簡單，64首先根據分子模板的特性去選擇適當官能基單 體，加上能夠把單體聚合的交聯劑，再選擇一個可以溶解三者的溶劑，
使分子模板、單體及交聯劑形成均相的溶液，分子模板與單體中的官能 基會因為氫鍵、離子作用力、凡得瓦力及疏水性等作用力互相吸引，驅 使單體與模板分子移動而進行自我組合，形成一種複合體，此時模板與 單體具有空間位置互補的關係。
圖2、分子轉印高分子錯合物的形成方式65
在分子模板高分子形成後，必須再將分子模板移除，才能得到具有
記憶性的分子辨識高分子。通常分子模板與單體官能基的結合作用必須 是一種弱的結合鍵，例如非共價鍵結合或可逆的共價鍵結合，弱鍵結合 才能透過溶劑洗滌將分子模板從高分子包圍中移除。在轉印過程中，溶 劑的選擇扮演著舉足輕重的角色，因它除了會影響高分子的型態之外，
也會牽涉到非共價鍵的強度。極性愈大的溶劑會影響非共價鍵，使辨識 效果變弱，造成欲辨識分子較難接近辨識位置。通常所使用的溶劑為氯 仿、甲醇、乙醇、水等為清洗劑進行移除模板分子的步驟，最後可得到 具有分子孔洞的辨識物質，對特定形狀及尺寸的分子具有專一的選擇性。
4-3-2 溶膠凝膠分子轉印材料
無機單體的使用在分子模板的發展歷史上佔有十分重要的地位，最
初於1949年由Frank Dickey 報導使用。66典型以溶膠凝膠法合成分子轉
印材料在室溫下即可進行反應，即利用一選定的分子模板導入金屬烷氧
之前驅物中，利用金屬烷氧之羥基團與分子模板間產生氫鍵作用或離子 對作用力及凡得瓦力，經過水解縮合的步驟在分子模板周圍形成網狀結 構，再以鍛燒或溶劑萃取的步驟移除網狀結構中的分子模板，產生具分 子模板辨識位置的孔洞基材。根據溶膠凝膠合成產生的網狀結構上來 看，溶膠凝膠材料應可以提供很高的表面積、孔隙率及交聯密度，並且 其合成步驟較高分子來得簡單，分析物的擴散也較快，具有結構穩定性 高、剛性強、膨潤問題較小等優點。
目前溶膠凝膠材料應用在分子轉印技術可大略分為兩類，一是以矽 的烷氧化合物為前驅物，例如1997 年C.E. Barnes等人利用TMOS (Tetra-
methyl orthosilicate) 為前驅物的溶膠凝膠材料結合時間解析螢光光譜來
辨識鈾氧基 (Uranyl ions)，67之後陸續有研究指出此種溶膠凝膠材料可以 成功地應用在辨識神經傳導物質多巴胺 (Dopamine)、68殺蟲劑 (DDT)69 及具有構形選擇性的觸媒。另一種是以鈦的烷氧化合物為前驅物，例如 T. Kunitake等人利用TiO2薄膜並結合石英震盪感測天平 (Quartz crystal
microbalance, QCM) 可以辨識一些含有苯環的有機酸，70或者結合離子敏
感場效電晶體 (Ion-sensitive field effect transistor, ISFET) 來辨識除草劑 (Hebicides)。71近年來，TiO2薄膜在生化感測器上的應用引起了許多研究 學者的興趣，有文獻指出利用氨基酸或其衍生物做為分子模板的TiO2薄 膜可以達到分辨對掌異構物 (Enantiomers) 的效果，更有研究以TiO2薄 膜表面轉印酵母菌 (Yeast) 並結合QCM可以成功地達到辨識酵母菌的效 果。72
4-4 分子轉印技術的應用與發展
分子轉印技術是以選擇性的分子辨識為基礎，可應用在化學分析
上，並能夠提供如具選擇性、高專一性等的優點，主要可應用在下列四 類的分析方法：感測器應用、配位基鍵結分析、化學分離及樣品預濃縮，
茲分述如下：
4-4-1 感測器應用
化學感測技術是目前快速成長的研究領域之一，73許多研究學者嘗試
著將化學裡的基本概念導入分子轉印技術並製成感測元件，發展快速偵 測分析的方法。通常感應元件如酵素、抗體或受體是固定在感應器與分 析樣品之間的界面上，藉由分析物與辨認元件之結合程序產生對應之化 學訊號並將其轉換成電子訊號，經訊號放大處理轉換為可加以定量之輸 出訊號。感測元件可以被設計為針對任何分子的偵測，然而在這類感測 器中，模板或其類似物與接受器的結合後，必須產生可供偵測的反應或 訊號。目前成功發展中的系統是以修飾電極 (Electrode) 為分子辨識元件 的電化學分析方式居多。其他例如以溶膠凝膠材料塗佈在QCM 的表面，
可成功地應用在感測氣相及液相分析物中的特定分子，而利用一些獨特 的性質，如在分子轉印高分子上結合發射螢光的標幟基團、或結合表面 電漿共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 及表面增強拉曼散射 (Surface enhanced raman spectroscopy, SERS) 可以增強所產生訊號的偵 測靈敏度，也有極大的發展潛力。
4-4-2 配位基鍵結分析
配位基鍵結分析 (Ligand binding assays) 是利用分子轉印概念為基
礎的另一種技術，它的原理與酵素免疫分析法 (ELISA) 中抗體與抗原的
礎的另一種技術，它的原理與酵素免疫分析法 (ELISA) 中抗體與抗原的