分子印迹技术在环境科学领域中的应用研究

　　分子印迹技术(MIT)是一门新兴的边缘科学技术,它的产生与发展将为环境科学的发展开辟又一领域。近年来,关于MIT的报道越来越多,国外已有学者开始研究MIT在环境科学领域的应用,国内对MIT在环境科学领域的应用研究还处于起步阶段。本文综述了现阶段国内外关于MIT在环境科学领域中的应用。
　　1 MIT的产生与发展
　　MIT的出现源于免疫学的发展。早在20世纪40年代,Pauling[1]在研究抗体抗原的相互作用时提出了以抗原为模板合成抗体的理论,这是对MIT最初的描述。1949年Dickey首先提出了分子印迹的概念[2],但在很长时间内没有引起世人的重视,直到1972年由德国HeinrichHeine大学的Wulff等[3]首次报道人工合成有机分子印迹聚合物(MIPs)之后,这项技术才逐渐为人们所认识;1993年瑞典Lund大学的Vlatakis等[4]在《Nature》上发表有关茶碱MIPs的研究报道后,使其成为化学和生物学交叉的新兴领域之一,这项技术才在近十几年内得到了蓬勃发展。1997年在瑞典Lund大学成立了国际性的分子印迹协会(SMI),目前有100个以上的学术机构和企事业团体在从事MIT的研究及开发工作,主要集中在瑞典、美国、德国、日本、英国、法国、中国等十多个国家。MIPs的早期应用研究主要集中在手性物质拆分和底物选择性分离、固相萃取、化学和生物传感器、模拟抗体、不对称催化和酶模拟催化及药物、毒素、杀虫剂、食物组分等的检测上,最近对MIPs的研究还涉及到一些新的应用领域,特别是在仿生传感器、毛细管电色谱、低浓度分析物的富集、控制化学反应过程、副产物的提纯等方面发展较快。
　　2 MIT的基本原理及特点
　　MIT是指为获得在空间和结合位点上与某一分子(模板分子或称印迹分子)完全匹配的聚合物的制备技术。MIT一般包括3个步骤[5]:(1)在一定溶剂(也称致孔剂)中,模板分子(印迹分子,TM)与具有适当功能基的功能单体(FM)依靠官能团之间的共价或非共价作用形成单体-模板分子复合物;(2)加入交联剂,通过引发剂引发进行光或热聚合,使单体-模板分子复合物与交联剂通过自由基共聚合在模板分子周围形成高交联的刚性聚合物;(3)将聚合物中的模板分子洗脱或解离出来,这样在聚合物中便留下了一个与模板分子在空间结构上完全匹配、并含有与模板分子特异性结合的功能基的立体空穴。这个立体空穴的空间结构和功能单体的种类是由模板分子的结构和性质决定的。由于用不同的模板分子制备的MIPs具有不同的结构和性质,一种MIPs只能与一种分子结合,也即MIPs对该模板分子具有选择性结合作用。这便赋予该聚合物特异的记忆功能,即类似生物自然的识别系统。MIPs具有亲和性和选择性高、抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应用范围广等特点。
　　3 MIT在环境科学领域的应用
　　3.1 MIT在固相萃取中的应用
　　由于MIT的出现,可以用固相萃取(试样富集)代替溶剂萃取,并且可利用MIPs选择性富集目标分析物。MIPs既可以在有机溶剂中使用,在优化条件下又可在水溶液中使用,与其他萃取过程相比,具有独特的优点。另外,由于MIPs的良好特性,它在极端环境(有机溶剂、强酸、强碱、高温、高压等)的分离过程中将显现出不可比拟的优势。MIPs的选择性和亲和性强,用作固相萃取剂,可克服环境试样体系复杂、预处理手续繁杂等不利因素,为试样的采集、富集和分析提供了方便,特别对于痕量分析具有重要作用。在环境检测中,如环境中广泛存在的除草剂、雌性激素、杀虫剂等痕量物质经MIPs吸附富集处理后,可提高对这些物质的检测灵敏度。Stanker等研制的MIPs可以从牛肝中富集除草剂莠去津,使高效液相色谱的精度得到提高,检出限达到510-3mg/L[6]。Immer[7]利用特丁津MIPs对环境水和底泥试样中的微量三嗪类农药进行选择性富集,除扑灭津外(回收率为53%),所有的三嗪类化合物回收率都高于80%,检出限0.05 0.20g/L。Bjarnason等[8]合成了以阿特拉津为模板的MIPs对氯代三嗪类除草剂进行富集提取,富集因子高达100,提取率为74% 77%。Matsui等[9]用悬浮聚合的方法制得的球形MIPs,用于从水中提取除草剂中的西吗三嗪,回收率达91%。Bastide等[10]以4-乙烯基吡啶或2-乙烯基吡啶为功能单体、二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂、除草剂为印迹分子制得MIPs,表现出对印迹分子和其他5种磺酰脲类除草剂较好的识别特性,该MIPs对这5种除草剂的吸附量达到0.08 0.1mg/g。Bae等[11]制备了印迹离子交换树脂,用在分光光度分析前去除和浓缩UO2+2。王宁等[12]研究了除草剂印迹聚合物的识别特性,发现在同样色谱条件下,以单除草剂印迹聚合物为固定相能够将单除草剂与土壤中的杂质分离,而C18键合固定相却无分离效果,说明单除草剂印迹聚合物可作为土壤中残留的单除草剂分析的固相提取剂。
　　3.2 MIT在膜分离中的应用
　　MIPs膜分离技术是利用MIPs膜对某一分子的高度选择性,将其从基质中吸附并分离出来。MIPs膜不仅对目标分子吸附的选择性和容量均很高,而且具有处理量大、易放大的特点。将MIPs应用于膜分离的物质有氨基酸及其衍生物、肽、除草剂等[13 15]。Wang等采用相转化法制备了茶碱的MIPs薄膜,该薄膜是丙烯腈、丙烯酸的共聚物。吸附实验结果表明,茶碱的吸附量远大于咖啡因。Kochkodam采用光引发聚合法制备了敌草净(Desmetryn)印迹的复合膜,在含有多种敌草净结构类似的除草剂的混合物中,它对敌草净的吸附量达10.2g/cm2。Sergeyeva等在亲水性聚偏氟乙烯膜表面接枝,以特丁通为模板分子、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为单体合成高聚物,对试样中除草剂进行膜分离。Ulbricht利用光接枝共聚技术制备了对扑灭通有特异识别能力的MIPs薄膜,通量达到120L/(m2h),这是目前MIPs膜的最大通量。深度水处理技术是通过微滤、超滤、纳滤或反渗透技术去除水中的杂质,没有选择性,在去除有害物质的同时,一些有益的离子也被去除。而用MIPs膜可以高度选择性地去除和分离水环境中的农药、除草剂、雌性激素、重金属以及放射性物质等,并保留饮用水中人体所必需的微量元素(如钾、钠、锌、钙等)。可以预见MIPs膜技术在饮用水的处理中将有很好的发展前景。
　　3.3 MIT在色谱分析中的应用
　　在某种情况下MIPs柱的理论塔板数较少,但由于MIPs的高选择性,多种手性化合物都可以用MIPs-高效液相色谱进行分离。但模板分子的色谱行为通常表现为色谱峰的变宽和拖尾,因此阻碍了这一技术的发展。将MIPs应用于毛细管电色谱(CEC,为毛细管电泳和高效液相色谱的融合技术),MIPs的高选择性与CEC的高分离效率相结合,具有极大的发展前景。特别是CEC的微柱形式可以降低印迹分子等的化学物质消耗[16]。因为在预聚合混合物中印迹分子的浓度很高,而一般情况下可得到的印迹分子的量很少,所以MIPs柱的大规模生产比传统的液相色谱柱要容易得多。颜流水等[17]以咖啡因为模板分子,经紫外光引发原位聚合制备了分子印迹毛细管整体柱,考察了制备过程中影响分子印迹毛细管整体柱性能的主要因素,优化了色谱分离条件。实验结果表明,所制备的分子印迹毛细管整体柱对咖啡因具有高度选择性,咖啡因与结构相似物的最高分离度为2.57。将这一方法用于测定绿茶饮料、百事可乐和复方药片中咖啡因的含量,已获得满意结果。
　　3.4 MIT在传感器中的应用
　　传感器通常是指由敏感部件与转化器紧密结合,对特定物质组分具有选择性和可逆响应的分析装置。生物传感器虽然具有极高的灵敏度和特异性,但由于用作分子识别元件的生物活性组分极易变性失活、传感器的制作成本高、可供使用的生物活性组分的种类有限等不足,限制了它的大规模应用。由于MIPs具有高度交联的结构、稳定性好、能在高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂等苛刻环境中使用,将MIPs用作分子识别元件就会使传感器在保持较高的选择性和灵敏度的同时,提高耐受性,而且MIPs不易被生物降解破坏,可多次重复使用,易于保存。由MIPs制成的传感器已经用于除草剂、糖类、核酸和氨基酸及其衍生物、医药、毒素、溶剂和蒸气等的检测。Sergeyeva等[15]以莠去津为模板制备了印迹聚丙烯酸膜,用于莠去津检测传感器,检出限达到5nmol/L,响应时间6 15min,且连续使用6个月的检测性能不变。Jenkins等[18]成功地将MIPs修饰的光纤和光纤阵列作为光纤传感器测定水环境中的有机磷杀虫剂,测定时间5 10min,应答响应时间20 30min,动态响应线性范围2.510-7 1.010-5。严守雷等[19]还利用MIPs作为敏感材料制成光纤传感器对水环境中的农药进行检测,检出限为0.01ng/L,在1pg/L 1g/L范围内有良好的线性关系,应答响应时间为15min。Luo等[20]利用厚度剪切模式体波传感器以MIPs为敏感材料对除草剂阿特拉津进行检测,检出限为2mol/L。Dickert等[21]将MIT与荧光光谱技术结合制成一种用于检测水中多环芳烃的灵敏的化学传感器。他们还将MIPs薄膜与一些通用型的质量换能器及表面声波结合在一起,用于分子印迹传感器。Graham等[22]利用分子印迹固溶胶技术建立了荧光探针传感器,在显微镜下可以根据荧光点数检测滴滴涕(DDT),响应时间为60s,每次用完后用丙酮冲洗可反复使用。Kriz等[23]还用丹酰-L-苯丙氨酸MIPs制成了光纤传感器。随着MIPs研究的不断深入,制备含有多种印迹聚合物的敏感层,实现污染物的在线监测与多分析物的同时检测将成为现实。
　　3.5 MIPs的酶催化作用
　　因为MIPs内的孔穴类似于酶活性中心,因此具有模拟酶催化作用。由于分子印迹可以获得具有特定取向的功能位点,人们便通过分子印迹得到酶的结合部位与催化基团,从而与底物结合并催化底物反应以显示出酶的活性;由于过渡态能促进产物的生成,所以将过渡态类似物成功印迹也可以显示出酶的催化活性。这种模拟酶同天然酶相比的最大优点是稳定性好、寿命长;分子印迹对酶的活性调控也将具有重要作用;此外,对于没有天然酶催化的反应也可以通过分子印迹的方法得到模拟酶。有研究者以吡多醛为印迹分子,用4-乙烯基咔唑为单体制备出MIPs,促进了氨基酸衍生物的质子转移,说明应用聚乙烯咔唑印迹聚合物能促进模板分子的酯水解能力[24]。Leonhard等[25]利用硝基苯-甲基-磷酸酯为模板制得MIPs,并用于对硝基苯乙酸酯的水解,实验结果表明,MIPs加速了水解过程。目前,有研究者利用含二价钴的MIPs来催化水解有机磷农药,发现含二价钴的MIPs对有机磷农药有很好的水解能力,在实验条件下水解速率达到2.410-6mol/(hmg)[2]。四氯噻吩与马来酸酐之间的Diels-Alder反应制得的MIPs催化了该反应,但至今为止尚未发现天然酶能催化该类反应[26]。随着科学的发展,人工合成的化学物质种类越来越多,大多数物质(包括一些天然的化学污染物)将释放于环境中,在天然酶和微生物的作用下难以降解或降解速度很慢,若长期残留在环境中将对人类及生物造成非常不利的影响。利用MIPs作为降解化学污染物的催化剂,可加速降解速率,将成为环境修复中的又一研究方向。
　　4 结语
　　MIT是最近几年才发展起来的一门新兴技术,随着化学、生命科学、材料科学、合成手段和现代分析检测手段的不断发展及人们对分子识别机理、功能单体种类、分子印迹在水相中进行制备和识别研究的不断深入,MIT在环境检测特别是痕量物质的分析、饮用水的深度处理、污染物的在线监测与多种污染物的同时检测以及环境修复中的应用将越来越多。