分子印迹技术及其在环境分析中的应用
摘要：分子印迹是近十年发展起来的新技术．本文阐述了分子印迹技术的原理与
分子印迹聚合物的制备方法，介绍了该技术在环境领域中的若干应用，提出了分子印迹技术将为环境领域的科学研究开辟一条新路等观点。
关键词：分子印迹；分子印迹聚合物；环境领域
分子印迹技术是指为获得在空间结构和结合位点上与某一分子完全匹配的聚合物的实验制备技术。它最初源于20世纪40年代的免疫学。1972年首次成功制备出分子印迹聚合物(molecular imprinted polymers，简称MIPs)，这项技术才逐渐为人们所认识。近10年来分子印迹技术得到了飞速发展，并在医药、食品、军事、化工和环境等领域显示出广泛的应用前景。
分子印迹技术原理以及分子印迹聚合物的制备方法
分子印迹技术是制备分子印迹聚合物的技术，其制备过程包括三个步骤：一是使目标分子(即印迹分子，模板分子)与特定功能单体通过共价或非共价作用形成复合物；二是在复合物中加入交联剂，使其在复合物周围与功能单体聚合，形成刚性的高分子聚合材料；三是用物理或化学方法将模板分子从聚合物中取出，该聚合物即分子印迹聚合物，简称MIps，便产生与模板分子的形状、大小和官能团的固定排列相匹配的印迹孔穴。对模板分子具有“记忆”能力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。
根据印迹分子与功能单体间作用力的性质。通常将MIPs分为共价结合型(预组装型)、非共价结合型(自组装型)和综合型。共价结合型印迹过程单体和模板分子间的作用力强，形成的复合物稳定。所得的印迹聚合物对模板分子具有高的选择性，但印迹过程比较复杂，从聚合物中除去目标模板分子较为困难。而且结合与解离速度缓慢，不利于分离。目前。用此法已获得一些酯、酮、醛、糖类及其衍生物、甘油酸及其衍生物、氨基酸及其衍生物、铁转移蛋白酶、联辅酶和西佛碱等化合物的MIPs。非共价结合型印迹技术主要是利用较弱的分子间作用力来形成复合物，印迹过程较为简单，可在温和的条件下除去模板分子。但易导致所得的空穴对模板分子的亲和力不均一。这种类型的MIPs包括一些染料、酸、胺类、维生素、氨基酸及其衍生物、多肽、苄眯、激素、除草剂、金属、核酸和蛋白质等。综合型印迹技术是将以上两种技术结合起来。得到兼有共价型亲和性强、选择性高以及非共价型操作条件温和等特点。早期研究中制备的分子印迹聚合物是块状的，使用时研成细末。近年来的MIPs主要有四种形态，其制备技术也有所不同，如图
MIT在环境科学领域的应用
环境样品具有种类多、组分复杂、浓度低、且易变化等特点、需要一个能够针对这些特点进行快速简便检测的分析方法。而分子印迹聚合物能够在复杂的体系中识别专门的化合物，即具有专属性，能够很好地将待分析污染物从复杂的环境体系中分离出来。分子印迹技术经过多年的发展，涌现出来了很多新型的分子印迹材料，这种印迹材料克服了传统印迹材料制备过程繁琐，传质速度慢，吸附容量低的缺点。随着分子印迹技术研究的不断深入和应用领域的不断拓展、环境工作者越来越认识到分子印迹技术在环境监测领域应用的广阔前景。
1、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。它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。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。
2、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。吸附实验结果表明，茶碱的吸附量远大于咖啡因。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、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。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。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。
4、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。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。5、MIT在废水处理中的应用
分子印迹吸附剂因其对目标分子选择性强、吸附速率快、吸附容量大、易脱附等优点而引起人们将其用于重金属废水处理的兴趣。将金属离子的配位作用引入分子印迹技术为重金属离子废水处理提供了一种新的方法。目前的研究主要集中在Nj、cu、Pb、Cr、Fe等离子的吸附处理。江伟等采用分子印迹技术，以Pb2+为印迹离子，制备了铅印迹壳聚糖包覆硅藻土微球(PbCSDE)。研究了PbCSDE对红景天水煎液中重金属Pb2+、Cu2+的吸附，考察了吸附时间、溶液pH对吸附的影响。与732商业树脂比较，PbCSDE对红景天水煎液中Pb“、Cu2+的吸附能力提高了2倍多。
存在的问题与今后的发展
尽管目前分子印迹技术发展的速度比较快，但仍然存在一定问题，需要深入研究。分子印迹和识别过程的机制将从目前的定性和半定量描述向完全定量描述发展，从分子水平上真正弄清楚印迹和识别过程；在水相中的制备和识别是历来存在的问题，影响了MIP在水性条件下的应用。期望在不久的将来，开发出更多的MIP能在水相和气相中发挥识别作用。此外，用于气相中识别的MIP研究也需要加强。能寻找到更廉价的模板及合成材料，降低某些分子印迹聚合物的成本；更易于洗脱的模板分子和更好的洗脱剂，彻底的洗脱其中残留的模板分子，解决MIP 的模板渗漏问题。合成种类更多、性能更好的功能单体和交联剂，改善分子印迹聚合物吸附特性，增加其吸附容量，使吸附底物的种类多样化。印迹技术将从小分子、超分子逐渐过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子，甚至生物活体细胞。
参考文献：
[1]Ellen Verheyen, Joris P. Schillemans, Martin van Wijk, Marie-Astrid，Demeniex, Wim E. Hennink,Cornelus F. van Nostrum. Challenges for the effective molecular imprinting of proteins，Biomaterials 2011,32:3008-3020.
[2]Yong-zhen Yang, Xu-guang Liu, Bing-she Xu.Recent advances in molecular
