鄧燕芳，劉桉如，羅明輝，范杰平

（南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330031）

自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)，膜分離技術(shù)取得了一系列的突破，從微濾和離子交換，到電滲析、反滲透和超濾，以及滲透汽化技術(shù)，在工業(yè)上取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。膜分離技術(shù)由于其分離效率高、操作條件溫和、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為重要的分離手段之一。分子印跡膜分離技術(shù)作為一種新興的膜分離形式，具有廣泛的應(yīng)用前景，得到了研究人員的密切關(guān)注。本文就分子印跡膜分離技術(shù)及最新研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 概述

1.1 分子印跡基本原理

分子印跡技術(shù)是指合成對(duì)模板分子或目標(biāo)分子具有特異性識(shí)別能力的分子印跡聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）的新型分離技術(shù)。早在20世紀(jì)40年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Pauling提出了以抗原為模板，制備出抗體的空間結(jié)合點(diǎn)位的“抗體形成理論”。1949 年，Dicky 提出了“專一吸附”的概念。1972 年德國(guó)Wulff[1-2]采用共價(jià)鍵結(jié)合作用，合成了對(duì)手性糖類分子和氨基酸衍生物具有識(shí)別能力的MIPs。1993 年瑞典Mosbach 等[3]發(fā)表了茶堿MIPs 的研究報(bào)道，人們開(kāi)始對(duì)印跡分子技術(shù)有了更進(jìn)一步的了解。1997 年成立了國(guó)際分子印跡學(xué)會(huì)，分子印跡技術(shù)發(fā)展迅速，在制備方法、分子識(shí)別機(jī)理和應(yīng)用等方面有了很大進(jìn)步。

分子印跡技術(shù)一般過(guò)程如下[2,4]（圖1）。

（1）模板分子與功能單體中的功能基團(tuán)結(jié)合，形成功能單體-模板分子的主客體配合物（hostguest complex）。

（2）選擇合適的交聯(lián)劑，在惰性溶劑（致孔劑）中，對(duì)功能單體-模板分子配合物進(jìn)行交聯(lián)，形成共聚物。在交聯(lián)過(guò)程中，將功能單體上與模板分子結(jié)合的功能基團(tuán)的空間取向與排列位置固定下來(lái)。

（3）通過(guò)一定的方式（物理或化學(xué)方法），斷開(kāi)模板分子與功能單體的結(jié)合鍵，再去除模板分子。

當(dāng)模板分子去除后，在共聚物中就留下了可以與模板分子相匹配的三維空腔結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在該空腔結(jié)構(gòu)中，具有結(jié)合功能的基團(tuán)也按一定空間取向排列方式被保留下來(lái)。當(dāng)待測(cè)底物通過(guò)該空腔結(jié)構(gòu)時(shí)，與空腔結(jié)構(gòu)形態(tài)相似，且能與功能基團(tuán)穩(wěn)定結(jié)合的目標(biāo)分子將被選擇識(shí)別出來(lái)。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在分子識(shí)別過(guò)程中，功能基團(tuán)所具有的一定空間排列位點(diǎn)和空腔結(jié)構(gòu)形態(tài)是高選擇性的決定因素；而當(dāng)大孔徑時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)形態(tài)的作用會(huì)相對(duì)弱些。也就是說(shuō)，對(duì)于模板分子及具有類似結(jié)構(gòu)及空間形態(tài)的分子，該聚合物具有選擇性結(jié)合作用和高度的特異性識(shí)別能力。

也有學(xué)者指出[5]，有些模板分子可以直接與功能單體之間進(jìn)行聚合，無(wú)須加入交聯(lián)劑，同樣可以完成上述過(guò)程。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)該MIP不再用于識(shí)別模板分子時(shí)，可將MIP回收再利用，形成可再生的分子印跡技術(shù)。當(dāng)然，該方式也由于功能單體的過(guò)量，存在一定的非特異性識(shí)別。

1.2 分子印跡的結(jié)合方式

根據(jù)模板分子在MIPs 中結(jié)合方式和作用力的不同，分子印跡技術(shù)可分為三種方式，分別為共價(jià)鍵法（covalent molecular imprinting）、非共價(jià)鍵法[3]（non-covalent molecular imprinting）、半共價(jià)鍵法[6]（semi-covalent molecular imprinting）。

1.2.1 共價(jià)鍵法

共價(jià)鍵法也稱為預(yù)組裝法（preorganized approach）。當(dāng)模板分子以共價(jià)鍵與功能基團(tuán)結(jié)合時(shí)，由于共價(jià)鍵鍵能較強(qiáng)，作用穩(wěn)定，通過(guò)共價(jià)鍵對(duì)底物進(jìn)行識(shí)別時(shí)，單個(gè)共價(jià)鍵的選擇性就非常高；但共價(jià)鍵鍵能較高，模板分子不易除去，同時(shí)對(duì)底物識(shí)別的過(guò)程中，速度慢，在實(shí)際應(yīng)用中有不足。若能通過(guò)一定條件（如催化劑作用），使共價(jià)鍵能夠迅速地結(jié)合與斷裂，那么以共價(jià)鍵相互作用作為分子的特異性識(shí)別的效率是非常高的。

1.2.2 非共價(jià)鍵

圖1 MIPs制備及識(shí)別過(guò)程示意圖［2，4］

非共價(jià)鍵作用力是氫鍵、配位鍵、靜電作用、π-π 共軛作用、離子作用及疏水作用等分子間作用力的總稱[7-9]。其鍵能較弱，優(yōu)勢(shì)在于分子的結(jié)合與洗脫過(guò)程方便迅速。但由于鍵能弱，則需要較多的有效結(jié)合點(diǎn)位，維持其有效的空間排列結(jié)構(gòu)，因而在結(jié)合過(guò)程中需加入過(guò)量的功能單體，使模板分子中的結(jié)合點(diǎn)位被功能基團(tuán)充分飽和，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。但過(guò)量功能單體中的功能基團(tuán)會(huì)造成一定的非特異性結(jié)合，從而降低MIPs 的特異性識(shí)別能力。目前，非共價(jià)印跡已被認(rèn)為是最受歡迎的制備策略，因?yàn)樗僮骱?jiǎn)單，模板分子的結(jié)合與洗脫速度快。

1.2.3 半共價(jià)鍵法[6]

半共價(jià)鍵法也稱犧牲空間法。模板分子與功能基團(tuán)初始以共價(jià)鍵相結(jié)合，在破壞共價(jià)鍵洗脫模板分子后的分子識(shí)別過(guò)程中，結(jié)合點(diǎn)位與被識(shí)別的分子間利用非共價(jià)鍵作用相結(jié)合進(jìn)行識(shí)別。半共價(jià)鍵法結(jié)合了共價(jià)鍵法與非共價(jià)鍵法的優(yōu)勢(shì)，其通過(guò)共價(jià)鍵的結(jié)合，使腔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；同時(shí)通過(guò)非共價(jià)鍵，可快速進(jìn)行分子識(shí)別。其缺點(diǎn)是聚合物的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，印跡過(guò)程和分子識(shí)別過(guò)程的結(jié)合基團(tuán)可能不同，使識(shí)別能力有所下降。

1.3 分子印跡聚合物的制備

MIPs 的制備方法是分子印跡技術(shù)的關(guān)鍵。通常由模板分子、功能單體、交聯(lián)劑、致孔劑和引發(fā)劑等通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ苽涠?。MIPs 的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能取決于合成試劑的種類和制備方法。

作為對(duì)混合物起具有良好分離作用MIPs，一般應(yīng)具有如下性質(zhì)[2,10-12]：

（1）有一定的剛性結(jié)構(gòu)，以確保具有識(shí)別功能的空腔結(jié)構(gòu)及功能基團(tuán)結(jié)合點(diǎn)位其定位的穩(wěn)定性；

（2）有一定柔韌性，在溶液中有一定的溶脹性，便于被識(shí)別的分子盡快進(jìn)入空腔與功能基團(tuán)結(jié)合，達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡；

（3）有效結(jié)合點(diǎn)位盡可能多，以提高識(shí)別過(guò)程的效率；

（4）有良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，不溶于所處理的混合物。

一般來(lái)說(shuō)，任何分子都可以作為模板，為了防止“模板泄漏”可以采用結(jié)構(gòu)相似的分子作為替代模板，也可采用多種模板分子制備多模板形式的MIPs，可同時(shí)對(duì)多種分子進(jìn)行識(shí)別。

2 分子印跡膜

2.1 形態(tài)

按結(jié)構(gòu)形態(tài)不同，分子印跡膜（molecularly imprinted membrane，MIM）可分成如下三類[10]。

2.1.1 分子印跡填充膜

分子印跡填充膜是將預(yù)先制備好的分子印跡顆粒（MIPs顆粒）填充在兩層作為支撐的膜層之間。MIPs 顆粒形態(tài)有多種，塊狀、棒狀、凝膠、顆粒狀、納米顆粒表面覆膜等，由于MIPs 顆粒比表面積較大的結(jié)構(gòu)特性，該方式對(duì)模板分子的吸附性能較好，但由于MIPs 顆粒作為“濾餅”層的填充，致密的顆粒層易導(dǎo)致了傳質(zhì)過(guò)程阻力大通量低[13]。

2.1.2 自支撐MIM

自支撐膜是指這個(gè)膜層采用同種材料構(gòu)成。自支撐膜分為對(duì)稱膜與非對(duì)稱膜。對(duì)稱膜，也稱勻質(zhì)膜，即膜的整個(gè)截面的形態(tài)結(jié)構(gòu)均一。非對(duì)稱膜，是指膜的截面形態(tài)呈不同的層次結(jié)構(gòu)。若作為膜分離材料，自支撐膜的厚度至少要為10μm[14]，才能保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。MIPs 的膜材料，尤其是對(duì)稱膜，必須有孔隙，使模板分子進(jìn)入膜內(nèi)部與結(jié)合點(diǎn)位接觸。設(shè)計(jì)多層次孔結(jié)構(gòu)的MIM，也即MIM 具有超大孔、大孔、中孔和微孔的分層次多孔結(jié)構(gòu)，將有利于模板分子的傳遞過(guò)程。

2.1.3 復(fù)合MIM

復(fù)合膜是指由兩種材料構(gòu)成，一般是在一層較厚的多孔支撐膜上復(fù)合一層很薄的MIM。分子印跡復(fù)合膜的制備方法很多，包括界面縮聚、涂覆、表面接枝、動(dòng)態(tài)成膜和表面印跡等等。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合膜的MIM 層厚度小于10nm，具有高度的親和力和選擇性。

近年來(lái)，以納米材料為載體，如SO2[15]、TiO2[16-17]、石墨烯[18]、納米金屬顆粒[19-20]、磁性Fe3O4納米粒子[21-22]等制備分子印跡納米聚合物，在納米材料表面改性，采用合適的手段，如接枝、螯合等在納米材料表面得到MIM 層，通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間可很好地控制膜層厚度；利用納米材料高比表面積，在膜層內(nèi)得到高密度的有效識(shí)別位點(diǎn)；同時(shí)可利用納米材料各自特性，如親水性、導(dǎo)電性、電磁性有效地提高選擇性及其效率。與分子印跡相結(jié)合的納米纖維膜，由于孔隙率高，比表面積大，與模板分子的有效結(jié)合點(diǎn)位多，不但保持高的流通通量，同時(shí)又具極高的吸附能力。

2.2 MIM傳質(zhì)機(jī)理

MIM 對(duì)模板分子及類似的衍生物有較強(qiáng)的選擇吸附性能，模板分子通過(guò)MIM 層的傳質(zhì)通量受到了MIM結(jié)構(gòu)的影響[23]。從文獻(xiàn)結(jié)果可以看到兩種情況：一種情況為，模板分子的傳質(zhì)速率高于其他非模板分子，多出現(xiàn)于MIM 孔徑較小的情況；另一種情況[12-13]為，模板分子的傳質(zhì)速率低于其他非模板分子，此時(shí)MIM 孔徑相對(duì)較大。對(duì)于這兩種情況，目前對(duì)應(yīng)有兩種傳質(zhì)過(guò)程機(jī)理，如下所示。

2.2.1 “促進(jìn)”傳質(zhì)——“門(mén)”效應(yīng)

“門(mén)”效應(yīng)由Piletsky 等[24]提出，如圖2 所示。當(dāng)MIM 孔徑很小時(shí)，膜層上的通道直徑最小處與印跡空腔的尺寸相當(dāng)，模板分子與空腔及對(duì)應(yīng)的識(shí)別點(diǎn)位相互作用，在一定的濃度推動(dòng)力作用下，可順利通過(guò)膜層。因此，該處就類似于一扇只有模板分子可以方便通過(guò)的“門(mén)”，而對(duì)形態(tài)與模板分子不同的物質(zhì)進(jìn)行攔截，對(duì)于模板分子而言這個(gè)過(guò)程為“促進(jìn)”傳質(zhì)。例如：Hong 等[25]分別以茶堿（THO）和咖啡因（CAF）作為模板分子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，THO 的MIM 對(duì)CAF 基本不識(shí)別；同樣，CAF的MIM對(duì)THO同樣不識(shí)別。

圖2 模板分子通過(guò)MIM的“門(mén)”效應(yīng)機(jī)理［24］

2.2.2 “延遲”傳質(zhì)

當(dāng)MIM 孔徑較大時(shí)，由于膜內(nèi)孔徑通道的壁面上存在空腔及識(shí)別點(diǎn)位，模板分子在通過(guò)膜層時(shí)，會(huì)被識(shí)別點(diǎn)位所結(jié)合，使得模板分子的傳質(zhì)過(guò)程受到阻滯，傳質(zhì)速率較小，該過(guò)程稱為“延遲”傳質(zhì)。

Shea等[26]的研究表明，針對(duì)大孔徑的MIM，模板分子或其衍生物與MIM 相互親和力越小則傳質(zhì)速率會(huì)越快；而模板分子或其衍生物在空白膜中的傳質(zhì)速率會(huì)高過(guò)MIM 中的傳質(zhì)速率。這是因?yàn)樵谀０宸肿蛹肮δ芑鶊F(tuán)參與的交聯(lián)過(guò)程中，通常模板分子的參與會(huì)使得MIM的結(jié)構(gòu)比空白膜更加致密。當(dāng)然，是否是由于孔道的變化，還是由于模板分子在通過(guò)時(shí)被識(shí)別而使最終的傳質(zhì)速率下降，這仍有待進(jìn)一步的研究。

3 MIM的研究進(jìn)展及應(yīng)用

分子印跡技術(shù)由于其獨(dú)特性，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注，涉及各個(gè)行業(yè)混合物的分離、提純及檢測(cè)，包括化工、食品、醫(yī)藥、環(huán)境等。但目前僅在分析檢測(cè)方向上有一定程度的商業(yè)化，有代表性的是西格瑪奧德里奇公司的作為樣品前處理的分子印跡固相萃取（SPE）設(shè)備，大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。如何設(shè)計(jì)和構(gòu)建適合工業(yè)化的MIM 材料，獲得可期的經(jīng)濟(jì)效益，也日漸受到關(guān)注。

3.1 MIM制備組成的優(yōu)化方法

MIM 的分離效率與其組成以及制備策略密切相關(guān)。研究人員常需要對(duì)功能單體、交聯(lián)劑及致孔劑的種類和比例進(jìn)行優(yōu)化，主要有理論計(jì)算法和儀器測(cè)量法。

3.1.1 理論計(jì)算法

已經(jīng)建立了對(duì)小分子模板分子與功能單體之間相互作用的模擬優(yōu)化計(jì)算方法[12,27-33]，如密度泛函理論（DFT）[29-30]和分子動(dòng)力學(xué)方法[28,32]等，模擬數(shù)據(jù)基本與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。Li等[31]通過(guò)對(duì)模板分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用DFT 根據(jù)模板分子的結(jié)合點(diǎn)位，設(shè)計(jì)能與之對(duì)應(yīng)的新型功能單體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型功能單體合成的MIPs 能夠很好地選擇性識(shí)別模板分子。Viveiros等[32]采用SYBYLTM軟件建立了功能單體的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了在超臨界CO2作為溶劑條件下，模板分子與功能單體的相互作用，對(duì)功能單體進(jìn)行篩選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)一致。所以理論計(jì)算法是選擇合適的功能單體的一種新范式。

3.1.2 儀器測(cè)量法

通過(guò)相應(yīng)的儀器對(duì)制備MIM 時(shí)，各組分的相互作用進(jìn)行檢測(cè)[34]，如紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UV）對(duì)液相定性檢測(cè)含有多重鍵、共軛雙鍵以及孤對(duì)電子與π鍵共存的體系，這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，并且可以在水介質(zhì)中控制模板-功能單體復(fù)合物的形成；傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可以提供官能團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)和分子空間結(jié)構(gòu)等方面的信息，例如FTIR 可以很容易識(shí)別氫鍵及其產(chǎn)生的位移，而通過(guò)核磁共振波譜（NMR）可以獲得有關(guān)化合物分子骨架的信息等。通過(guò)檢測(cè)，了解模板-功能單體之間相互作用的機(jī)制和程度，從而合理地設(shè)計(jì)具有高選擇性和親和力的模板-功能單體體系。例如，Lu等[35]成功利用UV和NMR技術(shù)考察了不同功能單體和模板分子的相互作用，并選擇合適的功能單體種類和用量。

3.2 MIM制備方法的優(yōu)化

聚合方法對(duì)MIM 的性能有較大的影響。為了充分利用全部印跡位點(diǎn)，最好將結(jié)合點(diǎn)位盡可能多地分布在MIM 表層及有效孔隙內(nèi)表面，因此研究人員需不斷改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新的MIM制備策略。

3.2.1 表面接枝技術(shù)

圖3 點(diǎn)擊化學(xué)——Cu(Ⅰ)催化炔烴和疊氮化合物的環(huán)加成反應(yīng)機(jī)理［37］

可控/“活性”自由基聚合反應(yīng)（living/control radical polymerization，LCRP）反應(yīng)條件比較溫和，可通過(guò)控制自由基的低濃度，來(lái)控制分子量及鏈結(jié)構(gòu)，在保持端基的官能化同時(shí)，可以構(gòu)建多嵌段共聚物以及多接枝空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在LCRP技術(shù)中，原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基聚合（reversible additon and fragmentation chain transfer radical polymerization，RAFT）兩種發(fā)展較快，各有優(yōu)勢(shì)，其中RAFT 適用單體廣泛，相對(duì)簡(jiǎn)單易控[36]。點(diǎn)擊化學(xué)[34,37]（click chemical）是指環(huán)加成反應(yīng)、親核開(kāi)環(huán)反應(yīng)、碳碳多重鍵加成反應(yīng)和碳酰基反應(yīng)等具有選擇性的快速高效化學(xué)反應(yīng)，可將分子片段快速拼接，以獲得分子多樣性，機(jī)理如圖3 所示。將LCRP 技術(shù)與點(diǎn)擊化學(xué)相結(jié)合，對(duì)于構(gòu)建嵌段共聚物及實(shí)現(xiàn)MIM 的自組裝是一種很有成效的方式。利用小分子的表面活性劑，即雙親分子，在本體或溶液中通過(guò)兩嵌段共聚物的自組裝形成球形膠束、棒形膠束或雙分子層結(jié)構(gòu)（片層或囊泡），可制備核-殼形MIM層；點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可通過(guò)鏈接小的模塊單元，例如引入功能基團(tuán)對(duì)聚合物進(jìn)行改性；引入多種性能的納米材料，將多種方式結(jié)合起來(lái)，可以改善膜層結(jié)構(gòu)提高印跡效率。以上這些方法將成為MIM 制備策略的發(fā)展新趨勢(shì)。例如，Awino 等[34]利用點(diǎn)擊化學(xué)，通過(guò)銅催化疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng)，以4-乙烯基苯硼酸為功能單體，制備了親水性的印跡膠束。該膠束能精確定位結(jié)合基團(tuán)，甚至能區(qū)分糖類物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化。Chang 等[36]采用RAFT技術(shù)和點(diǎn)擊化學(xué)相結(jié)合的策略，以2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）為模板，在二氧化硅顆粒表面，采用點(diǎn)擊反應(yīng)，制備了結(jié)構(gòu)清晰的silicaclick-MIPs，膜層厚度約為2.27nm；與常規(guī)聚合制備的silica-MIPs相比，相同時(shí)間內(nèi)2,4-DCP的飽和吸附量分別為4.25mg/g 和3.07mg/g，SEM 顯示silica-click-MIPs 表面更為粗糙，存在大量的網(wǎng)狀介孔。該過(guò)程在銅催化條件下的環(huán)加成反應(yīng)活性高，且接枝的鏈段空間位阻小，使得接枝密度高，進(jìn)而在silica-click-MIPs 表面存在高密度的結(jié)合位點(diǎn)。

3.2.2 固定相印跡技術(shù)[38-41]

另一種新型的制備技術(shù)，其將模板分子與表面經(jīng)過(guò)活化的固相進(jìn)行接枝，把模板固定在固相表面，再將功能單體、交聯(lián)劑等與被固定的模板分子在固相表面聚合，通過(guò)洗滌，除去未印跡的組分以及印跡效果差（親和力弱）的顆粒，升高溫度再次洗滌，可將與模板分子發(fā)生印跡的納米顆粒洗脫，得到相應(yīng)的MIPs，機(jī)理如圖4所示。該方法可以很好地將模板與MIPs 進(jìn)行分離，防止模板“泄漏”的問(wèn)題，同時(shí)有效的識(shí)別點(diǎn)位均處于MIPs 表層且均一固定，減少了非特異性識(shí)別，可以快速地對(duì)底物進(jìn)行分離與洗脫。被固定的模板分子也可以進(jìn)行重復(fù)印跡制備新的MIPs。當(dāng)然，采用固定相印跡的模板分子必須要有一定的功能基團(tuán)，使其分別與固定相和功能單體相結(jié)合。例如：Ashley 等[38]將磁性Fe3O4納米顆粒作為分散的固定相，提出了分散固定相印跡策略。由于納米顆粒具有高比表面積，因而所制得的MIPs的產(chǎn)率是玻璃珠顆粒的83～167倍。Altintas 等[41]以表面硅烷化的玻璃珠為固定相，對(duì)腺病毒進(jìn)行印跡，得到腺病毒MIP，并在嚴(yán)格控制溫度的情況下，對(duì)固定相腺病毒模板進(jìn)行多次印跡，得到腺病毒MIP 粒徑大小為265nm±10nm，實(shí)驗(yàn)測(cè)定腺病毒與其特異性MIP的解離常數(shù)KD=3.10×10-11mol/L，表明腺病毒MIP與其靶病毒具有較高的親和力，并對(duì)多組腺病毒MIP的總體結(jié)果進(jìn)行了分析R2=0.99。這些制備MIP 顆粒的固定相印跡技術(shù)完全可成為MIM的制備新策略。

3.3 MIM制備材料的開(kāi)發(fā)

隨著分子印跡技術(shù)的深入研究，在MIM 的制備中，開(kāi)發(fā)了許多新的功能復(fù)合材料，這既可以獲得功能材料的特性，同時(shí)功能材料也參與構(gòu)建孔道，增大比表面積，以獲得更好的識(shí)別和分離效果。如利用的納米顆粒（如納米鐵、碳納米管、石墨烯等），由于其高比表面積、快速的結(jié)合動(dòng)力學(xué)、良好的分散能力，在制備先進(jìn)功能性的納米印跡材料上，取得了重大的進(jìn)展。在這里介紹目前較為新穎的功能性MIM材料。

圖4 固定相印跡策略過(guò)程［38］

納米纖維膜（NFMs）比表面積大，孔隙率在80%左右，將模板分子盡可能印跡在納米纖維表面，使制備得到的納米分子印跡纖維膜（MINFMs）具有較高的有效結(jié)合點(diǎn)位[42-44]。例如：研究人員[44]將N-α-芐氧羰基-D-谷氨酸（Z-D-Glu）和N-α-芐氧羰基-L-谷氨酸（Z-L-Glu）兩種手性分子為模板，通過(guò)電噴沉淀法，以乙?；?0%的乙酸纖維素（CA）為材料制備了兩種MINFMs；同時(shí)以未印跡的（CA）NFMs 作為參比，將3 種膜進(jìn)行分離兩種手性分子的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（表1），由于分子印跡層的引入，在使模板分子的滲透量和選擇性方面，MINFMs 的性能都優(yōu)于NFMs。這種在MINFMs 的印跡膜層上存在的級(jí)聯(lián)傳質(zhì)的過(guò)程，有利于底物滲透通過(guò)膜層。從目前分子印跡技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用來(lái)看，MINFMs 是極有希望進(jìn)入工業(yè)化的一種印跡分離技術(shù)，NFMs 在工業(yè)上已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)、安裝使用上都有了一定的基礎(chǔ)。但對(duì)于MINFMs的傳質(zhì)機(jī)理仍有待進(jìn)一步地研究，而且這種級(jí)聯(lián)傳質(zhì)的過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并不是所有的MINFMs都能夠?qū)崿F(xiàn)。

表1 CA納米分子印跡膜手性分離結(jié)果數(shù)據(jù)[44]

多巴胺能在弱堿性水溶液條件下發(fā)生氧化自聚，形成聚多巴胺是一個(gè)幾乎可以對(duì)一切化學(xué)材料進(jìn)行表面功能化的黏合性聚合物。例如：Wu 等[45]利用多巴胺的自聚性，設(shè)計(jì)了一種新穎的分子印跡納米復(fù)合膜的制備策略，該過(guò)程分為三步：將SiO2浸泡在多巴胺緩沖溶液中，合成聚多巴胺（PDA）并沉積在SiO2表面形成PDA@SiO2納米球；通過(guò)鄰苯二酚誘導(dǎo)Ag+還原反應(yīng)，對(duì)PDA@SiO2納米球進(jìn)行Ag 修飾，得到Ag-PDA@SiO2納米球；將引發(fā)劑固定在Ag-PDA@SiO2納米球上，共同集成到多孔載體聚偏氟乙烯膜（PVDF）結(jié)構(gòu)中，在多孔載體內(nèi)部形成了一個(gè)可進(jìn)行二次反應(yīng)的活性區(qū)域，形成一層高性能的納米復(fù)合膜；以普萘洛爾為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）作為功能單體。經(jīng)催化劑光引發(fā)在納米復(fù)合膜表層再發(fā)生原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)，制得分子印跡納米復(fù)合膜，其對(duì)普萘洛爾的吸附量達(dá)到48.53mg/g，滲透因子達(dá)到9.6。

金屬-有機(jī)骨架材料（MOFs）和共價(jià)有機(jī)骨架材料（COFs）由于具有多樣的結(jié)構(gòu)，高的比表面積，可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)，引起了研究者們的關(guān)注。例如：萬(wàn)麗斌[46]采用原位模板自組裝策略，以咖啡因?yàn)槟０宸肿?，F(xiàn)e(Ⅲ)為金屬離子，選擇2-氨基對(duì)苯二甲酸（2-aminoterephthalic acid，NH2-BDC） 為 有 機(jī) 配體，構(gòu)筑為NH2-MIL-101 為基底的分子印跡型MOFs 分子印跡材料（MMOF-CMIPs）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)MMOF-CMIP 的最大吸附量為671.1mg/g，而非印跡的MOFs 的最大吸附量?jī)H為33.7mg/g。共價(jià)有機(jī)骨架（COFs）比金屬有機(jī)骨架（MOFs）有更高的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，Yang等[47]用吡啶環(huán)和羧基修飾骨架（PAFs），在保持其層次孔隙率的同時(shí)，合成了具有協(xié)同基團(tuán)的多孔芳香骨架（PAFs）。吡啶基與金屬陽(yáng)離子（Pb2+）配位，羧基作為質(zhì)子工體，經(jīng)脫質(zhì)子后與Pb2+離子配位，采用分子印跡技術(shù)制備了吡啶環(huán)和羧基的印跡復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示Pb2+對(duì)Cu2+的選擇系數(shù)是1.5×102（Pb2+/Cu2+），Pb2+對(duì)Mg2+的選擇系數(shù)是1.0×106（Pb2+/Mg2+），而非印跡材料幾乎對(duì)Pb2+沒(méi)有任何選擇，PAF超高的選擇性歸因于PAF的剛性結(jié)構(gòu)。

Janus 材料其特性是兩側(cè)的結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成具有不對(duì)稱性，因而賦予了優(yōu)于均相結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性能。例如：Liu等[48]以2,6-二氯苯酚（DCP）為模板在Janus二氧化硅納米片一側(cè)印跡，另一側(cè)用L-半胱氨酸（L-cysteine）在進(jìn)行改性，制得J-MIPs/cys，研究了在DCP 與Pb2+共存的二元環(huán)境體系中J-MIPs/cys 的吸附性能，研究結(jié)果表明Pb2+的存在會(huì)顯著影響DCP的去除，這可以用Pb2+與DCP存在部分絡(luò)合作用來(lái)解釋；DCP 對(duì)有效巰基的競(jìng)爭(zhēng)較弱，導(dǎo)致對(duì)Pb2+的去除率下降。

3.4 MIM的應(yīng)用

MIM 在分離領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，比如在環(huán)境污染物的去除[46-48]、藥物和蛋白質(zhì)的分離等，本文重點(diǎn)介紹MIM在藥物和蛋白質(zhì)的分離中的應(yīng)用。

3.4.1 在藥物分離中的應(yīng)用

不論天然藥物和合成藥物，分離純化是必不可少的工序。由于雜質(zhì)成分復(fù)雜和結(jié)構(gòu)相近的原因，使得該工序工藝復(fù)雜、成本高、周期長(zhǎng)和效率低。由于MIM 具有特異性的分子識(shí)別能力，高效的富集與分離能力，故在藥物的分離提純應(yīng)用中具有極大的發(fā)展空間，特別是分離結(jié)構(gòu)相似的分子，甚至手性異構(gòu)體。

本文作者課題組[49]采用混合半共價(jià)和非共價(jià)鍵的策略（圖5），以染料木素為模板，同時(shí)以二甲基亞砜為溶劑，進(jìn)行冷凍聚合，制備了一種新型的具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的MIM，可有效提高M(jìn)IM 的選擇性和滲透通量。MIM 對(duì)染料木素有較好的吸附選擇性，在提取液中對(duì)染料木素的吸附率分別是葛根素和大豆苷元的16倍和2.8倍。

為提高M(jìn)IM的分離選擇性，本文作者課題組[48]以離子液體作為溶劑和致孔劑，制備了自支撐和柔性的MIM，用于分離枳實(shí)中的辛弗林。由于離子液體的協(xié)同作用，MIM 的印跡因子可達(dá)6.8，膜滲透選擇性為2.9。

Ke 等[50]以乙酸纖維素為基膜，以功能化的環(huán)糊精為功能單體，制備了復(fù)合MIM。由于環(huán)糊精與藥物分子包合作用的差異，可用于手性藥物分離，例如：D/L-tryptophan（e.e%=27.2%），(±)-warfarin（e.e%=9.29%±3.21%） 和(±)-ibuprofen （e.e%=3.77%±0.23%）。

Yan 等[51]以PVDF 膜為基膜，以多巴胺為功能單體制備復(fù)合MIM，提高了膜的親水性能和分離ibuprofen 的選擇性，同時(shí)在MIM 上接合Ag 納米粒子，使膜具有抗菌性能，實(shí)現(xiàn)MIM的多功能化。

3.4.2 在蛋白質(zhì)分離中的應(yīng)用

與普通小分子相比，蛋白質(zhì)分子量更大且結(jié)構(gòu)更易改變，所以高選擇性分離蛋白質(zhì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本文作者課題組[52]引入功能化的離子液體為功能單體，可與蛋白質(zhì)發(fā)生多種作用力（如氫鍵、疏水作用、離子對(duì)作用等），可提高M(jìn)IM分離蛋白質(zhì)的選擇性；另外通過(guò)冷凍聚合形成大孔結(jié)構(gòu)，以利于蛋白質(zhì)的傳遞過(guò)程，如圖6所示。

劉東等[53]以硅酸鈣/海藻酸鈣復(fù)合水凝膠膜為基膜，硅烷耦聯(lián)劑為功能單體，制備了牛血紅蛋白的復(fù)合MIM，對(duì)牛血紅蛋白具有較好的識(shí)別性能。

Asliyuce等[54]以甲基丙烯酸羥乙酯為功能單體，進(jìn)行冷凍聚合，制備了乙型肝炎表面抗體（anti-HBs）的復(fù)合水凝膠MIM，并以膜色譜的模式，進(jìn)行了分離純化研究，并取得了良好的分離效果。

圖5 混合半共價(jià)和非共價(jià)鍵的策略制備染料木素的MIM［49］

圖6 以功能化離子液體制備多孔蛋白質(zhì)MIM［52］

4 目前存在的問(wèn)題及可能的解決方案

分子印跡技術(shù)從出現(xiàn)以來(lái)有了迅速的發(fā)展，作為一項(xiàng)新興分離技術(shù)，仍然存在著一定的問(wèn)題。

（1）MIM 高度特異性識(shí)別，在分離單一目標(biāo)時(shí)，MIM 是最佳的選擇，尤其在低濃度時(shí)，更具優(yōu)勢(shì)，例如中草藥中單一有效成分的分離；但在眾多復(fù)雜情況下，從成本和效率來(lái)看，單一的特異性識(shí)別成為一種局限，為解決這種局限，研究者們開(kāi)發(fā)了多模板印跡策略。同時(shí)，MIM 的特異性識(shí)別也決定了制備過(guò)程也不能為統(tǒng)一模式，如何簡(jiǎn)化制備過(guò)程或使制備過(guò)程程式化也是研究人員需要關(guān)注的問(wèn)題。

（2）在分子印跡過(guò)程常會(huì)出現(xiàn)模板“泄漏”的問(wèn)題，會(huì)影響到分離后的檢測(cè)。通常采用表面印跡或固定相印跡策略可以很好地控制“泄漏”問(wèn)題，同時(shí)可以采用合適的虛擬模板，或者印跡過(guò)程的模板分子用同位素標(biāo)記。

（3）減少制備與分離過(guò)程中有機(jī)溶劑的使用，可再生的分子印跡技術(shù)是一種綠色印跡技術(shù)，可通過(guò)模擬對(duì)功能單體進(jìn)行設(shè)計(jì)；使用飽和蒸氣壓極小的離子液體作為制備溶劑，減少對(duì)環(huán)境的影響；在超臨界條件下進(jìn)行分離操作，也可以提高滲透速度。

（4）進(jìn)行嵌入或逐層組裝，識(shí)別點(diǎn)位分布在外表面時(shí)，底物的識(shí)別和洗脫效果好，但會(huì)使得吸附容量會(huì)下降?？山柚嗫撞牧希ㄈ鏜OFs 和COFs）以及多巴胺的材料，建立多層次結(jié)構(gòu)。

（5）目前開(kāi)發(fā)的MIM 多以吸附分離為主，吸附與滲透之間似乎存在“trade-off”的關(guān)系，深入研究印跡過(guò)程的機(jī)理，提高滲透通量，強(qiáng)化“門(mén)”效應(yīng)。

5 展望

分子印跡技術(shù)作為一種新型的分離手段，由于具有分離效率高的特點(diǎn)，受到研究者們的廣泛關(guān)注。MIP 在色譜分離檢測(cè)方向已進(jìn)入商業(yè)化，但MIM 大多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，對(duì)于應(yīng)用于分離工程上的設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)、操作特性上仍是空白；MIM 高度特異性識(shí)別的專一性，在一定程度上會(huì)增加其向工業(yè)化邁進(jìn)的成本；但MIM 高度特異性識(shí)別能力在快速識(shí)別檢測(cè)，分析和樣品處理方向上的實(shí)際應(yīng)用極有競(jìng)爭(zhēng)力。MINFMs 是一極有潛力形成工業(yè)化的印跡分離技術(shù)，工業(yè)上裝置性能的穩(wěn)定尤為重要，由于NFMs在膜分離上的工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，因而MIMFMs更容易進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的階段。

大多數(shù)MIM在分離過(guò)程中都以吸附作用為主，以“延遲”效應(yīng)為主，如何利用MIM 的“門(mén)”效應(yīng)，值得進(jìn)一步研究，能否與超分子化學(xué)進(jìn)一步結(jié)合（模板分子與功能單體的非共價(jià)鍵的結(jié)合也屬于超分子化學(xué)范疇），利用非共價(jià)鍵相互作用，容易受外界條件影響的特性，將共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵的自組裝相結(jié)合，設(shè)計(jì)復(fù)合MIM；通過(guò)LCRP技術(shù)和點(diǎn)擊化學(xué)等完成共價(jià)鍵的自組裝，增強(qiáng)MIM 的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；對(duì)于膜內(nèi)通道利用超分子自組裝技術(shù)，強(qiáng)化MIM的“門(mén)”效應(yīng)，膜的一側(cè)識(shí)別吸附，通過(guò)調(diào)控，在另一側(cè)進(jìn)行釋放，利用Janus 雙面性材料的構(gòu)建將有可能實(shí)現(xiàn)。MIM 也可以與多種新型材料相結(jié)合，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性。

總之，MIM 在以下幾個(gè)方面值得更加深入研究。

（1）MIM 在膜分離的傳質(zhì)機(jī)理方面有待進(jìn)一步的研究，深入對(duì)其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，同時(shí)對(duì)MIM 進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，利用膜分離過(guò)程放大效應(yīng)小的特性，建立可行的數(shù)學(xué)模型，為MIM 的工業(yè)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，使MIM 在膜分離方面邁入工業(yè)化的行列。

（2）在功能單體及交聯(lián)劑的開(kāi)發(fā)上，可借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，從分子水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是針對(duì)大分子的印跡過(guò)程。

（3）通過(guò)改進(jìn)制備策略，采用多種制備方式的聯(lián)合，調(diào)整聚合物孔徑結(jié)構(gòu)，使結(jié)合位點(diǎn)均勻分布，提高有效的特異性結(jié)合能力。

（4）MIM 對(duì)蛋白質(zhì)甚至細(xì)胞等生命體的印跡識(shí)別和分離，該研究有待持續(xù)加強(qiáng)。

總之，隨著研究的不斷深入，由于MIM 所具有分離效率高和特異性的識(shí)別能力等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在分離領(lǐng)域?qū)?huì)有非常好的應(yīng)用前景。