環(huán)境科學分子技術研究

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1分子印跡技術原理

分子印跡技術是制備分子印跡聚合物的技術，其制備過程包括三個步驟[1]：一是使目標分子(即印跡分子，模板分子)與特定功能單體通過共價或非共價作用形成復合物；二是在復合物中加入交聯劑，使其在復合物周圍與功能單體聚合，形成剛性的高分子聚合材料；三是用物理或化學方法將模板分子從聚合物中取出，該聚合物(即分子印跡聚合物，簡稱MIPs)中便產生與模板分子的形狀、大小和官能團的固定排列相匹配的印跡孔穴，對模板分子具有“記憶”能力。根據模板分子和功能單體形成復合物時作用力的性質，可以將其分為以下幾種類型：

1.1共價法

共價法又稱預組裝法。在此方法中，印跡分子與單體以共價鍵相互連接形成單體-印跡分子復合物，再交聯聚合；聚合后再通過化學途徑將共價鍵斷裂而去除印跡分子，從而得到分子印跡聚合物，其結構中具有與印跡分子互補，并可通過共價鍵結合的反應基團，可選擇性的結合印跡分子。

1.2非共價法

非共價法又稱自組裝法，在此方法中，印跡分子與功能單體之間自組織排列，以非共價鍵自發(fā)形成具有多重作用位點的單體-印跡分子復合物，經交聯聚合后這種作用被保存下來。常用的非共價作用有：氫鍵、靜電引力、金屬螯合作用、電荷轉移、疏水作用以及范德華力等，其中氫鍵的應用最多。

1.3共價法與非共價法的結合

聚合時單體與印跡分子間作用力是共價鍵，而在對印跡分子的識別過程中，二者的作用是非共價的，得到的MIP既有共價印跡聚合物親和專一性強的優(yōu)點,又具有非共價印跡操作條件溫和的優(yōu)點。Piletsky[2]等也發(fā)展了一種以硅酸為印跡分子的分子自組裝和分子預組裝相結合的方法。

2分子印跡聚合物的制備方法和過程

2.1傳統(tǒng)方法（本體聚合）

將印跡分子、功能單體、交聯劑和引發(fā)劑按一定比例溶解在惰性溶劑中，然后移入一玻璃安培瓶中，超聲脫氣，通氮氣除氧，在真空下密封，經熱引發(fā)或紫外光照射引發(fā)聚合得到塊狀聚合物，再經粉碎、研磨和篩分，得到適當大小的粒子，洗脫除去印跡分子，經真空干燥后即成分子印跡聚合物。

2.2原位聚合

原位聚合是一種在色譜柱中直接聚合得到雙連續(xù)結構和雙孔分布印跡聚合物的方法。此方法將MIP的制備與裝柱一步完成，實驗過程得到大大簡化，具有很強的適用性。

2.3懸浮聚合

懸浮聚合法是制備聚合物微球最簡便也最常用的方法之一。將模板、功能單體、交聯劑、引發(fā)劑溶于有機溶液中，形成均相體系，然后移入懸浮介質中聚合而得到印跡聚合物。

2.4乳液聚合

乳液聚合是將模板分子、功能單體、交聯劑溶于有機溶劑中，然后將此溶液轉入水中（通常再加入一定量的表面活性劑），攪拌使其乳化。然后加入引發(fā)劑交聯聚合就可得到粒徑較為均一的球形聚合物。

2.5表面印跡法

表面分子印跡是指在固體表面進行印跡聚合的技術。先將模板分子與功能單體在有機溶劑中反應形成加合物，然后此加合物在基質表面反應嫁接。

3分子印跡技術的發(fā)展

傳統(tǒng)印跡材料存在著制備過程繁瑣，傳質速度慢，吸附容量低的缺點。因此一些新的技術和方法出現，如分子印跡膜技術、分子印跡磁性材料和分子印跡納米材料等等。

3.1分子印跡膜技術

分子印跡膜源于表面印跡，是一種兼具分子印跡技術與膜分離技術優(yōu)點的新興技術，其研究最早開始于20世紀90年代。

3.2分子印跡磁性材料

結合磁性材料的分子印跡技術制備的分子印跡聚合物稱為磁性分子印跡聚合物。表面修飾過的磁性微球在聚合過程中嵌入分子印跡聚合物母體中，從而使分子印跡聚合物具有一定的磁性。分子印跡聚合物在再識別吸附過程完成后，分離傳統(tǒng)MIPs和溶液需要離心和過濾等繁瑣的步驟。磁性分子印跡聚合物則只需要外加一個磁場即可以實現與溶液分離，其操作相對簡單且分離時間短。

3.3分子印跡納米材料

納米技術的發(fā)展，以及納米材料的特殊性質，使人們越來越開始關注納米材料。納米材料是指三維尺度中有一維以上處于納米量級（1-100nm），即由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。納米材料與傳統(tǒng)材料相比有較低的熔點、較小的體積、巨大的比表面積、強化學活性和催化活性，此外還有特殊的比熱、光學、電學、磁學、力學等一系列優(yōu)良的性能。分子印跡技術利用納米材料巨大的比表面積制備印跡聚合物，可以充分地暴露印跡識別位點，大大減少吸附過程中的傳質阻力，增強吸附過程中的動力學特征，同時提高吸附容量[3]。

4分子印跡技術在環(huán)境科學中的應用

環(huán)境樣品具有組分復雜，污染物濃度低的特點，因此在分析過程中需要將環(huán)境樣品進行分離富集，同時檢測方法的靈敏度要求較高。而分子印跡聚合物能夠在復雜的體系中識別專門的化合物，即具有專屬性，能夠很好地將待分析污染物從復雜的環(huán)境體系中分離出來；同時分子印跡利用專屬性，能夠將待分析污染物從低濃度的環(huán)境體系中吸附到聚合物中，即具有較強的富集能力。分子印跡技術集分離與富集于一體的特點，再加上其與SPE、GC、GC-MS、HPLC、HPLC-MS等后繼分析技術聯用的高靈敏度的特點，分子印跡技術在環(huán)境監(jiān)測領域將會有很大的發(fā)展空間。

5展望

環(huán)境樣品具有種類多、組分復雜、濃度低、且易變化等特點、需要一個能夠針對這些特點進行快速簡便檢測的分析方法。而分子印跡聚合物能夠在復雜的體系中識別專門的化合物，即具有專屬性，能夠很好地將待分析污染物從復雜的環(huán)境體系中分離出來。分子印跡技術經過多年的發(fā)展，涌現出來了很多新型的分子印跡材料，這種印跡材料克服了傳統(tǒng)印跡材料制備過程繁瑣，傳質速度慢，吸附容量低的缺點。隨著分子印跡技術研究的不斷深入和應用領域的不斷拓展、環(huán)境工作者越來越認識到分子印跡技術在環(huán)境監(jiān)測領域應用的廣闊前景。