王鵬飛, 楊洪志, 劉雪婷, 魯夢玲, 徐 斐, 陰鳳琴

上海理工大學健康科學與工程學院，上海食品快速檢測工程技術研究中心，上海 200093

砷是一種劇毒元素，在元素周期表中位于第四周期、第五主族，原子序數(shù)33，因其具有部分金屬特性，故被作為一種重金屬研究[1]，是一種普遍存在且自然產生的污染物，也是構成地殼的第20位元素。砷在環(huán)境中可持久存在，使地下水、飲用水和土壤成為受砷污染的主要來源[2]，并多以五價砷酸鹽(As(V))和三價亞砷酸鹽(As(III))兩種無機鹽形式存在，這兩種形式都是劇毒的[3]，但As(III)的毒性大于As(V)，約是As(V)毒性的10～60倍[4]。一般而言，人類接觸砷的途徑包括食物、空氣和水等[5]。根據(jù)國際癌癥研究機構的數(shù)據(jù)，砷已被證明具有致癌作用[6]。長期接觸砷，會威脅身體健康，甚至導致皮膚癌、肺癌、肝癌、膀胱癌和腎癌等疾病[7]。故而，As(III)的吸附和檢測愈發(fā)受到重視。

目前，去除As(III)離子的常規(guī)方法有吸附法[8-11]、沉淀法[3,9,10]、膜分離[12-14]和離子交換[15-17]等。其中，吸附法以其去除效率高、操作簡單、處理效果好等優(yōu)點被證明[18]是控制砷污染和除砷的最常用且十分有效的方法之一，但常用的吸附材料如活性炭、粘土、硅石、沙子和部分有機聚合物等受限于高成本或低吸附效率無法被高效利用[19]。檢測As(III)離子的常用方法有電化學、光學及顯色等，此類方法對檢測對象有一定的使用條件，而單一的重金屬離子所產生的電化學/光學信號較弱，顯色反應不夠明顯。因此一種低成本、穩(wěn)定性高、靈敏度高、易制備、選擇性好、重復性好且檢測限更低[20]的代表性新型吸附分離材料——離子印跡聚合(Ion Imprinted Polymers, IIPs)得到了越來越多研究者的關注。IIPs通過特定的識別位點吸附富集目標離子，在此基礎上可聯(lián)用儀器等來檢測體系中的目標離子，以提高其檢測靈敏度、降低檢測限。雖已有部分研究者綜述了砷離子印跡聚合物制備方法和其在廢水處理中的吸附應用[21]，但文獻調研表明，目前對As(III)-IIPs的功能單體類別總結、各制備方法的比較分析和圍繞其吸附與檢測方面的研究相對較少。因此，本文簡述了離子印跡聚合物的制備機理，重點綜述了制備As(III)-IIPs的功能單體類型(硫脲類、氮雜環(huán)類、羧基類和巰基類)和制備方法，匯總了其在As(III)離子吸附和檢測方面的應用，總結了當前As(III)離子印跡聚合物制備過程仍需進步的地方，并對未來的研究方向進行了展望。

1 離子印跡聚合物的制備機理

離子印跡聚合(IIPs)的概念最初是在1976年由NISHIDE等人提出[22]。離子印跡聚合(IIPs)是分子印跡聚合(molecularly imprinted polymer, MIPs)的分支之一，其本質區(qū)別是將模板分子替換為模板離子，選擇性地識別被作為模板離子的目標離子。聚合體系中模板離子利用氫鍵、配位鍵、靜電相互作用和共價鍵等作用與功能單體進行預聚合，后加入引發(fā)劑產生自由基，并在交聯(lián)劑作用使單個功能單體進行交聯(lián)聚合形成高度交聯(lián)的聚合物。在不破壞聚合物結構的情況下，洗脫模板離子，留下特定的識別印跡空穴。通過氫鍵、范德華作用力、靜電相互作用和疏水相互作用，對目標離子進行特定的選擇吸附[23]。因此，IIPs制備和識別的一般步驟總結如下：(A) 模板離子與功能單體之間形成預聚物；(B) 交聯(lián)形成含有目標離子的聚合物；(C) 去除模板以獲得結合空腔；(D) 在干擾離子存在下，對目標離子進行選擇性結合[24](如圖1)。

圖1 離子印跡聚合物(IIPs)合成及應用原理[24]

2 As(III)離子印跡聚合物的功能單體類型

功能單體是影響IIPs最終性質的重要原因之一，它們在聚合物與目標離子的相互作用中發(fā)揮基礎作用。作為氧陰離子的亞砷酸根，可與常規(guī)單體上的官能團結合位點發(fā)生反應或相互作用，聚合形成穩(wěn)定的配合物[25]。因此，含有氧、氮和硫原子官能團的單體可發(fā)揮這一作用，根據(jù)官能團特點將它們分為硫脲類、含氮雜環(huán)類、羧基類和酯類，表1對比了不同功能單體在不同模板、交聯(lián)劑和引發(fā)劑選擇下，制備的As(III)-IIPs在吸附三價砷的最大容量(吸附量)和可檢測到樣品中三價砷的最小濃度(檢測限)的差異。

表1 As(III)-IIPs的功能單體類型

2.1 硫脲類

2.2 含氮雜環(huán)類

常用的含氮雜環(huán)類功能單體可分為咪唑類和吡啶類[31]，如1-乙烯基咪唑(1-vinylimidazole, 1-VI)[32]、4-乙烯基吡啶(4-vinylpyridine, 4-VP)[33]等。JINADASA等[27]以1-VI為功能單體，二乙烯基苯(divinylbenzene, DVB)為引發(fā)劑，制備As(III)-IIPs，其對As(III)的檢測限為1.83 μg/L。在pH=8.5時，該IIPs對As(III)的提取率最高，可達93%，遠高于對其他金屬離子的提取率。對比在同種制備條件下以4-VP和苯乙烯，1-VI制備的As(III)-IIPs的效果最優(yōu)，對As(III)有著優(yōu)異的選擇性和提取率，且對樣品中As(III)的靈敏度較高。此外，具有大環(huán)結構的化合物可根據(jù)環(huán)的大小和螯合能力來識別大離子半徑的亞砷酸根離子。如FANG等[28]將應用“大環(huán)效應”得到的新型正離子環(huán)狀化合物(Cyclic Functional Monomer, CFM)作為功能單體，制備As(III)-IIPs，最大吸附量為54.5 mg/g，是同等吸附條件下非環(huán)狀功能單體聚合物的2.16倍。該類功能單體因尺寸匹配和靜電對偶效應的雙重作用，制備的IIPs對As(III)離子具有高吸附量和高選擇性，在檢測As(III)離子方面有良好的應用前景。

2.3 羧基類

常用的羧基類功能單體是甲基丙烯酸(Methacrylic acid, MAA)，形成的離子印記聚合物多為親水材料[34]。ALIZADEH T等[29]先將亞砷酸鈉、功能單體MAA和對苯二酚溶解于乙腈進行預聚合，再引入交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑AIBN通過沉淀聚合法合成納米尺寸的As(III)-IIPs，制備了As(III)離子選擇性IIPs膜電極，在以52.4 μg/L為下限的線性范圍內對As(III)離子的檢測限為37.5 μg/L，對實際樣品中的As(III)離子有良好的檢測靈敏度，有效改善了其他選擇性電極存在的動態(tài)濃度范圍短、干擾效應嚴重、檢測限不理想等情況，展現(xiàn)出了廣闊的As(III)離子檢測應用前景。TüRKMEN等[30]以N-甲基丙烯酰基-L-半胱氨酸(N-methacryloyl-L-cysteine, MAC)為功能單體，EGDMA為交聯(lián)劑，甲基丙烯酸2-羥基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)為引發(fā)劑，通過半胱氨酸上的硫原子與As(III)和As(V)發(fā)生靜電相互作用，制備了磁性As(III)-IIPs。pH=5.0時，對As(III)的去除能力最佳，最大吸附量為85.6 mg/mL。與前幾類功能單體制備的IIPs相比，該類功能單體制備的IIPs吸附量更高，對As(III)離子選擇性更好，吸附量高且重復性良好，在檢測As(III)離子方面有著深遠的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.4 巰基類

巰基類化合物可通過巰基(-SH)與As(III)離子的配位作用形成離子印跡聚合物。TüRKMEN D等[30]以N-甲基丙烯?；?L-半胱氨酸(N-methacryloyl-L-cysteine, MAC)為功能單體，EGDMA為交聯(lián)劑，甲基丙烯酸2-羥基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)為引發(fā)劑，通過半胱氨酸上的硫原子與As(III)和As(V)發(fā)生靜電相互作用，制備了磁性As(III)-IIPs。pH=5.0時，對As(III)的去除能力最佳，最大吸附量為85.6 mg/mL。巰基類功能單體制備的IIPs，通過巰基和As(III)離子的配位作用對As(Ⅲ)離子具有良好的吸附能力、高選擇性和高靈敏度，未來在食品和環(huán)境領域還有更好的應用前景。

3 As(III)離子印跡聚合物的制備方法

在制備As(III)-IIPs的過程中，交聯(lián)劑和引發(fā)劑有著重要且獨特的作用。體系在引發(fā)劑作用下產生自由基開始聚合反應，功能單體間通過交聯(lián)劑引導形成共聚物，使三維網絡狀的識別空腔更加穩(wěn)定，從而讓IIPs有更高的交聯(lián)度和剛性。由于模板離子大多溶于水，EGDMA和AIBN成為制備As(III)-IIPs常用的交聯(lián)劑和引發(fā)劑。現(xiàn)有As(III)-IIPs的制備方法，可分為四種主要方法：本體聚合法、沉淀聚合法、表面印跡法和乳液聚合法，另外還有如微波、超聲等輔助方法(見表2)。

表2 As(III)-IIPs的制備方法

3.1 本體聚合法

本體聚合法是先用少量的溶劑溶解以一定比例混合的功能單體、模板離子和交聯(lián)劑，再引發(fā)聚合反應制得塊狀聚合物[39]。因其可在短時間內獲得聚合物，過程相對簡單，不需要特殊設備，成為制備離子印跡聚合物基本且最常用的方法。JINADASA等[27]制備以1-VI為單體，與模板溶解于致孔劑20 mL 乙酸/甲醇，超聲后再加入交聯(lián)劑DVB和引發(fā)劑AIBN。攪拌后用N2吹掃混合物，再立即密封試管，置于低溫輥中12 h制備As(III)-IIPs，其LOD和LOQ值分別為0.32和1.05 μg/kg。FANG等[28]以CFM為功能單體與模板NaAsO2溶解于10 mL二甲亞砜中，N2吹掃后攪拌。再將交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑AIBN加入甲醇中，超聲混合制得懸浮液。兩種溶液混合升溫后進行反應，并用冷凝回流設備攪拌反應混合物12 h，再經離心制備了As(III)-IIPs，其在pH=7時擁有最大吸附量54.5 mg/g，經過5次吸附-解吸循環(huán)后，吸附能力僅下降9.8%。該法制備的IIPs對As(III)離子特異吸附性良好，有較好的重復性和良好的靈敏度。但是，該方法也存在如下缺點：其一，模板去除不完全、傳質緩慢和結合位點位于聚合物內部[40]。其二，反應聚合物物分子量大、黏度高且使用溶劑較少，導致傳熱困難且易在聚合物內部形成熱點，造成終產物中的某些部位發(fā)生熱降解和炭化[41]。其三，反應結束后需要粉碎、磨碎和篩分等操作，導致一些結合位點被破壞、聚合物回收率下降[42]。此外，該法會產生形狀和尺寸不規(guī)則的顆粒，使完全去除離子模板很困難[43]。該方法存在的不足推動了其他方法迅速發(fā)展。

3.2 沉淀聚合法

沉淀聚合是將單體、離子模板組成的均一混合物，溶解于大量的致孔劑[44]，再利用引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用形成聚合物微球，避免了研磨和篩分，是一種廣泛應用的IIPs制備技術。MUSTAFAI等[35]采用微波輔助的沉淀聚合方法將模板和單體1-VI溶解于10 mL甲醇中，超聲后將MAA和EGDMA絡合溶解于10 mL甲醇中[45]。二者混合后再用微波2次間隔輻射輻照反應混合物引發(fā)聚合。然后，將AIBN溶解至體系中聚合，持續(xù)攪拌并用N2吹去除溶解氧制備As(III)-IIPs。在PH=7下有最佳吸附量，且最佳吸附率為94.4%，LOD和LOQ為1.0 μg/L和3.3 μg/L，相較本體聚合物制備的IIPs吸附性能優(yōu)異、合成方便，且通過微波加熱縮短了反應時間、提高了靈敏度，在飲用水重金屬殘留檢測中應用前景廣闊，可惜該文并未提及微波輔助的具體參數(shù)。ABDULLAH等[46]通過超聲介導沉淀聚合法，利用超聲能量增加反應物之間的相互作用、減少反應時間，將雙功能單體4-VP與MAA和模板在50 mL乙腈溶解后超聲40 min，再加入交聯(lián)劑EDGMA和引發(fā)劑AIBN，用N2除氧后超聲處理8 h增強交聯(lián)聚合作用合成As(III)-IIPs。在2 μg/L ～100 μg/L的線性范圍內LOD和LOQ分別為0.65 μg/L和1.8 μg/L，且重復利用11次后，吸附能力仍然優(yōu)異。該法通過使用大量溶劑可解決在本體聚合中高黏度和高散熱的問題，利于合成納米級的IIPs，具有良好的靈敏度和重復利用性，可廣泛應用于金屬離子分離和檢測領域[47]。該法制備的IIPs有著高選擇性、良好的可重復利用性、較本體聚合更短的制備時長和更高靈敏度，遺憾的是存在一些成本和體積上的缺點。

3.3 表面印跡法

表面印跡法是將制得聚合物經表面改性或嫁接后，經各類載體修飾，制得的識別空腔位于或靠近聚合物表面的IIPs，有效解決在本體聚合法中模板離子難完全除去的問題。CHI等[37]以亞砷酸鹽為模板離子、MAA為功能單體溶解于甲醇中超聲浴30 min，后加入磁性載體Fe3O4攪拌進行預聚合。再加入交聯(lián)劑EGDMA和引發(fā)劑AIBN進行分散式反應，并通N2除氧。然后，用氫氧化鈉洗滌至上清液中無法用電感偶聯(lián)等離子體質譜檢測到的模板離子，最后用真空冷凍干燥技術制備出MGO-As(III)-IIPs顆粒(如圖2)。該IIPs在pH=6時最大吸附量為49.42 mg/g，在溶液中具有穩(wěn)定的分散性。經過重復利用5次后，吸附效率仍有75%，具備良好的可重復利用性。在其他競爭性組分存在的情況下，MGO-As(III)-IIPs仍具有較高的選擇性。該法因載體材料的特點，增加了比表面積和吸附識別位點，提高了IIPs的吸附量和靈敏度，且隨著不同載體材料的進步，會進一步優(yōu)化IIPs的性能。

圖2 表面印跡法制備MGO-As(III)-IIPs[37]

3.4 乳液聚合法

乳液聚合的連續(xù)相通常是包含產生自由基的引發(fā)劑的水溶液，可制得微米級至納米級的離子印跡顆粒[38]。該法須用穩(wěn)定劑，以供交聯(lián)聚合物吸收并阻止其進一步凝聚。因為需要一個額外的凈化步驟，導致該技術沒有被廣泛使用。JALILIAN等[38]利用2-乙酰苯并呋喃氨基硫脲與As(III)形成的配合物作模板，以MAA為單體，并加入疏水鐵納米顆粒、EGDMA和AIBN制備離散相溶液。后以殼聚糖顆粒作穩(wěn)定劑，加入IIPs膠體納米顆粒，建立連續(xù)相。形成的混合物以含有四氧化三鐵納米顆粒的深棕色油相為頂，以含有殼聚糖納米顆粒的乳白色水相為底。經搖晃和攪拌后，得到一種油包水型乳液(W/O)。然后，將制備的乳液脫氧密封聚合，于水浴中劇烈攪拌20 h制得磁性As(III)的Fe3O4@OA-IIPs(如圖3)。在pH=7.25時回收率最高，吸附量為37.04 mg/g，遠高于非印跡聚合物(Non-imprinted polymers, NIPs)的吸附量，其LOD為0.004 3 μg/L。IIPs中心的疏水磁性顆粒有助于納米顆粒從溶液中分離，取代了離心機技術，可簡化后期操作、節(jié)省反應時間。該法相較上述方法，所制備的IIPs靈敏度更高，在特定高靈敏需求下有較好的應用前景，但需要特別注意穩(wěn)定劑的選擇，避免引入其他危害物質。

圖3 W/O型Pickering乳液聚合形成磁性IIPs的過程[38]

4 As(III)離子印跡聚合物的應用

因IIPs制備方法的特殊性，使其具有良好的選擇性、可重復利用性，被廣泛應用于從水環(huán)境、水產品、食品和土壤中吸附和去除As(III)離子，也在逐漸與磁性石墨烯、微波和超聲等輔助手段結合，用來更加高效、快速、簡便的除去As(III)離子。此外，As(III)-IIPs因高靈敏、高選擇性、低成本和制備簡單等優(yōu)勢被作為識別元件或探針用于傳感器檢測領域，還可作為吸附劑用于前處理操作中。

4.1 電化學傳感器

離子印跡聚合物因其優(yōu)勢作為識別元件，與電化學傳感器結合，通過識別目標離子產生的電化學信號改變，可有效處理各種復雜樣品，如環(huán)境或廢水、人類生物流體或固體樣品等[24]。RASMUSSEN等[48]和 MA等[49]以As(III)離子為模板，鄰苯二胺為功能單體，制備As(III)-IIPs，后通過電聚合法將As(III)-IIPs合成在納米孔金(NPG)表面，研制了一種改性金電極(IIPs/NPG/GE)電化學傳感器。實驗采用循環(huán)伏安法(CV)和電化學阻抗譜(EIS)測得IIPs/NPG/GE在2.0×10-11mol/L～9.0×10-9mol/L的線性范圍內，LOD為7.1×10-12mol/L，該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，能很好地應用于水質中As(III)離子的檢測。ALIZADEH等[29]將制備出的As(III)-IIPs納米顆粒分散于聚氯乙烯中，用二酰鄰苯二甲酸二壬酯增塑，構建了膜電極。在7.0×10-7mol/L～1.0×10-1mol/L的線性范圍內，LOD為5.0×10-7mol/L，且非印跡聚合物(NIPs)基膜電極對水溶液中的砷不敏感。因制備方案，使得后者制備的電化學傳感器檢測限較高，還存在可進一步優(yōu)化的空間。

4.2 光學傳感探針

量子點因具有發(fā)光特性，成為化學傳感器開發(fā)的有吸引力的材料，其不但用于熒光傳感，還可用于室溫磷光。JINADASA等[50]利用雙功能單體1-VI和(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷((3-aminopropyl) triethoxysilane,APTES)并基于Mn摻雜的ZnS量子點制備出IIPs@ZnS:Mn QDs納米粒子，成功開發(fā)了一種新型室溫磷光(RTP)化學傳感器探針，應用于魚類樣品中無機總砷(As(III)+As(V))的選擇性檢測和定量實驗。經優(yōu)化發(fā)現(xiàn)該IIPs在pH為7.0時為最佳條件，該探針對As(III)的印跡效應值為153.4，其LOD和LOQ值分別為6.82×10-9mol/L和2.26×10-6mol/L，故而該方法有著簡單、低成本和分析時間短等優(yōu)點，且與分析儀器的結果無較大差異，并對無機總砷有高選擇性和高檢測靈敏度，可應用于食品和其他生物領域的無機砷檢測工作。

4.3 與分析方法結合

隨著分析儀器和分析技術的不斷發(fā)展，樣品預處理方法也在逐漸進步，使用具有更高選擇性的萃取材料IIPs有助于提高復雜樣品分析的靈敏度、降低目標物質的檢測限[51]。如JINADASA等[52]利用雙功能單體1-VI中含N雜環(huán)部分與As(III)和As(V)氧陰離子中的羥基相互作用，制備As(III)-IIPs作為渦旋輔助分散式微固相萃取(vortex-assisted dispersive micro-solid phase extraction, VAD-μ-SPE)的吸附劑，通過超聲輔助技術(ultrasoundassisted extraction, UAE)提高對As的高選擇能力，從水稻中分離出砷As(III)和As(V)，再應用高效液相色譜-電感耦合等離子體-質譜技術(HPLC-ICP-MS)進行分離和測定。當pH=8.0時，As(III)在水稻提取物的回收率最高，約為40%，LOD為1.52×10-8mol/L，低于其他作者使用HPLC-ICP-MS[53-55]、電熱原子吸收光譜(ETAAS)[56]或氫化物生成原子吸收光譜(HG-AAS)[48]所得結果。因此，用IIPs做吸附劑可有效提高色譜或質譜等技術的檢測限，具有較高的靈敏度和選擇性，但相較IIPs在傳感器中的應用還有進步空間。

5 總結與展望

離子印跡聚合物作為一種可類比天然抗體的人工合成材料，對目標分子具有良好的選擇性和富集性，且具有快速便捷、特異性好、重復利用性好等優(yōu)勢[57]。As(III)-IIPs制備所用的功能單體可分為有硫脲類、氨基雜環(huán)類、羧基類和巰基類，其制備的主要方法有本體聚合、沉淀聚合、表面印跡聚合和乳液聚合四種，不同的制備方法可通過不同的特點影響As(III)-IIPs性能，且可利用超聲和微波等輔助手段，來簡化制備流程、提高IIP的性能。此外，IIPs可與多種分析方法聯(lián)用形成新型的As(III)離子殘留吸附和檢測方法。

雖然目前對于As(III)離子印跡聚合物的研究已有部分報道，但對于As(III)-IIPs的研究還不夠全面，在制備方面和作用效果方面仍存在可進步的空間。針對以上種種問題，在日后的研究方向中，應著眼于以下幾個方面：(1)研發(fā)、選擇或設計新型功能單體，拓展出其他具有高選擇性的硫脲類、含氮雜環(huán)類、羧基類和巰基類功能單體；(2)嘗試研發(fā)雙/多功能單體離子印跡聚合或者虛擬印跡聚合，提高吸附性能和降低洗脫后模板的殘留量；(3)嘗試采用環(huán)保的提取技術，制備“綠色化學”的印跡聚合物；(4)研究模板離子與生物基質的聚合作用，如核苷酸、氨基酸、抗體等，并解決配合物因親水性而溶于水的難點；(5)優(yōu)化載體材料，選用更加穩(wěn)定、環(huán)保、可重復性高、成本低的材料；(6)增加As(III)離子印跡聚合物與分析方法的應用結合；(7)拓寬IIP在電化學和光學領域的研究。

綜上所述，As(III)離子印跡聚合物的發(fā)展前景仍十分廣闊，還需要更多科學家和研究學者在此方面投入更多的研究經歷，以此來提高聚合物的性能和降低As(III)對人類和環(huán)境的危害。