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1 离子印迹技术综述

1.1 离子印迹技术概述

离子印迹技术（Ion imprinting technology，IIT）是由分子印迹技术（Molecular imprinting technology，MIT）发展而来的，是制备对特定目标离子具有特异预定选择性的高分子化合物—离子印迹聚合物（Ion imprinted polymers，IIPs）的技术。

MIP的出现起源于免疫学。1894年，德国化学家E. Fischer在研究酶作用的专一性的时候提出了“锁和钥匙(lock and key theory)”或“模板(template)”的学说。认为酶和底物的结合位某某在化学结构上有紧密的互补关系，如同锁与钥匙的关系一样，非常契合地形成复合物。1931年，基辅的Polyakov用一种新的合成方法制备了具有不同寻常吸附特性的二氧化硅颗粒。Polyakov以(NH4)2CO3为凝胶剂，使硅酸钠在水中聚合，一段时间后，添加添加剂（苯、甲苯或二甲苯），然后在热水中洗去添加剂。吸附研究表明，与结构相关的配体相比，二氧化硅对添加剂的吸收能力更高，这是第一次观察到选择性效应，并从模板效应的角度加以解释。这些。不同寻常的吸附特性。已经在许多聚合物中得到了展示，这为分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIPs）的最初概念铺平了道路。20世纪30年代，Breinl、Haurowitz和Mudd都进行了生物体遭受抗原入侵时形成抗体的理论研究。随后1942年，美国科学家L. Pauling提出了“抗体形成”学说。该学说认为抗体形成时以抗原为模板，其三维结构会尽可能的同抗原形成多重作用点，而抗原作为模板就会“铸造”在抗体的结合部位。尽管后来该学说被“克隆选择”理论所推翻，但该学说却为分子印迹奠定了理论基础。1949年，Dickey提出了“专一性吸附”的概念，并用甲基橙模板印迹硅胶。然后用甲醇洗脱模板，留下独特的吸附位某某，通过特异性吸附可用于识别目标物。与空白硅胶相比，印迹硅胶对甲基橙的吸附作用大大增加。Dickey的概念可被认为是印迹技术的萌芽，然而，它并未在当时引起人们的重视。1960年，Patrikeev将细菌作为模板印迹二氧化硅。

直到1972年，德国的Wulff首次利用共价作用成功制备了有机MIPs。该MIPs由于动力学较慢，仅适用于催化领域，无法应某某分子识别领域。因此，该技术并没有引起研究者们强烈的反响，其发展也进入一个瓶颈期。1976年，Nishide以金属离子（如Cu(II)，Fe(III)，Co(II)，Zn(II)，Ni(II)，Hg(II)）为模板，通过聚（4-乙烯基吡啶）与1，4-二溴丁烷交联，首次成功制备了金属IIPs，其对模板离子的选择性明显高于未印迹聚合物。MIP由此扩展到IIP，使其进入了人们的研究视野，同时这也被认为是最有前途的MIPs分支。1979年，Sagiv提出了一种用二氧化硅制作印记的新方法—表面印迹法。模板吸附在二氧化硅颗粒表面，十八烷基三甲氧基硅氧烷则化学连接在二氧化硅表面。这导致了非衍生化二氧化硅的斑块，与模板的区域互补。1992年，Yu，Tsukagoshi，Takagi等采用表面印迹技术成功制备出IIPs，解决了传统印迹聚合物传质速率缓慢的问题，这为IIP的发展迈出了非常重要的一步。1993年，瑞典Lund大学的K. Mosbach利用非共价键作用成功制备了14种非共价型茶碱MIPs，并在《Nature》上发表分子印迹的。塑料抗体。和仿生免疫分析，使MIPs除了原有的分离催化功能外，又找到了与生物信息相关的多种生物传感技术及合成人工抗体等领域的新应某某，因此引起人们的广泛关注。1994年，Whitcombe提出并发展了一种半共价方法。1999年，Sreenivasan等人讨论了在聚(2-甲基丙烯酸羟乙基酯)中同时印迹两种不同模板分子的可能性，即水杨酸和氢化可的松，这提供了一个令人信服的策略。越来越多的IIPs和合成技术被报道，例如2014年报道的质子印迹技术，进一步推动了IIP的发展。目前，MIT和IIP(IIT)在许多领域得到了迅速的发展，但同时也面临着许多挑战。

1997年在瑞典的Lund大学成立了国际性的分子印迹协会（Society for Molecular Imprinting，SMI），其宗旨是致力于分子印迹科学和技术的全面发展。到目前为止，全世界至少有100个以上的学术机构和企事业团体在从事MIP和IIP的研究及开发工作。虽然IIP早己经产生，但是其研究一直未受到更多学者的关注，但是从2001年起的研究论文呈上升趋势。IIP的发展如此之快，是因为这种方法和MIP一样，具有许多不可比拟的优点，主要包括：预定性(predetermination)、识别性(recognition)以及由此产生的实用性(Practicability)。因为模板分子和功能单体形成的这种自组装结构是在聚合之前预定形成的，所以这种预定性就决定了人们可以按照自己的目的制备不同的IIP，以满足各种不同的需要；识别性是因为IIP是按照模板离子的结构定做的，它具有能识别该模板分子的特定的识别空腔结构和识别位某某，因而其特异性识别作用很强；实用性是指IIP的稳定性好，不受高温、酸碱的影响，能够抵御比较恶劣的环境影响，而且贮存条件温和，能够长时间的保留识别性能。正因为IIP有上述优点，它在许多领域都有着广阔的应某某前景，但同时也面临着许多挑战。

1.2 离子印迹技术原理

IIP作为MIP的一个重要分支，通常某某、阳离子为模板，模板离子与功能单体通过静电、配位、螯合等作用力相互作用形成中间配合物，然后通过引发剂引发交联剂与功能单体之间的交联作用，将其固定起来，最后，通过改变外界的环境条件去除金属模板离子，得到具有特定排列基团、固定空穴大小和形状的刚性聚合物，形成对目标离子具有特异选择性的三维孔穴。金属与配体之间的相互作用相对非共价键有足够的稳定性，同时又可以通过环境条件的改变，来控制其结合与断裂速度。金属离子一方面可以把自身作为模板，利用其与功能单体配位原子之间的配位作用实现金属离子自身的印迹（图1）；另一方面，可以利用金属离子作为功能单体的组成部分，促成能与金属离子形成配位键的分子（如生物大分子）的印迹。

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图1离子印迹技术示意图

IIPs与印迹离子之间的结合作用是指功能单体与印迹离子之间的作用，要想得到有效的印迹聚合物，这种相互作用必须满足以下几点：

（1）作用力足够强。使功能单体与印迹离子之间形成的配合物，在制备的过程中稳定存在，有利于高效识别位某某的形成。

（2）形成聚合物后，印迹离子必须容易洗脱，要求相互作用不能太强。

（3）功能单体与印迹离子能够快速的结合与分离，提高传质动力学性能。

在制备印迹聚合物时，材料的选取必须同时满足以上几点。目前模板金属离子和聚合物单体之间形成多重作用位某某的方式主要为配位键，金属离子与聚合物单体及螯合剂形成配合物后，通过聚合过程被“记忆”下来，然后将配位键断裂而去除印迹离子。IIPs的饱和容量高，对模板离子的选择性好，选择性主要受到以下几方面的影响：

（1）配体与金属相互作用有专属性；

（2）金属配合物的几何构型和配位数；

（3）金属离子的电荷数；

（4）金属离子的尺寸

印迹过程中，三维空穴的空间结构和功能单体的种类是由模板离子的结构和性质决定的。理论上来说，由于用不同的模板离子制备的IIPs具有不同的结构和性质，所以一种印迹聚合物只能与一种离子结合，类似于“锁”和“钥匙”，即印迹聚合物对该模板离子具有选择性识别作用。一个理想印迹聚合物应具备以一下性质：

（1）具有适当的刚性，聚合物在脱去模板离子后仍能保持空穴原来的形状和大小。

（2）具有一定的柔性，使底物与空穴的结合能快速达到平衡。

（3）具有一定的机械稳定性，这一点对于高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography，HPLC)尤为重要。

（4）具有热稳定性，使其能在较高温度环境下使用，因为对于一般的反应来说，温度较高使动力学上更有利。

1.3 印迹技术识别机理

从本质上讲，IIPs对印迹离子的识别来源于IIPs同印迹离子在化学基团及空间结构上的相互匹配。尽管目前已成功制备了多种MIPs和IIPs，但对其识别的机理目前缺乏定量和系统的研究。印迹技术的相关研究大多是通过试错法进行的。

1.3.1 热力学

MIPs的制备中，模板分子与功能单体首先被溶解在有机溶剂中形成预组织溶液，让其充分作用排列形成复合物，这是一个动态平衡过程，在平衡中形成的复合物的稳定程度受吉布斯自由能的变化控制，这样焓变和熵变决定了平衡态势，即模板分子一功能单体复合物的稳定性。Nicholls认为，MIPs与印迹分子之间的识别，是受热力学控制的，功能单体与印迹分子之间形成配合物的自由能改变由下式计算：

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（1）

式中Gbind是形成配合物时Gibbs自由能的改变；Gt+r是分子位移自由转动时损失的自由能；Gr是分子内旋被冻结时损失的自由能；Gh是疏水性相互作用获得的自由能；Gvib是基团振动方式自由能；Gp是偶极基团相互作用总的自由能的贡献；Gconf是由构型变化引起的自由能的改变，Gvdw是由非范德华力相互作用损失的自由能。由此可见，MIPs体系是非常复杂的，很难从理论上定量的预测某一因素对结合能的贡献。SellerggrenB等研究了对映体在MIPs上传质的热力学与动力学性质。Chen等探讨了热处理对MIPs的热力学与传质动力学的影响。但是这个公式太过复杂，而且有些自由能的改变是可以忽略不计的。对公式（1）进行了简化：

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（2）

简化是基于以下假设进行的：单体模板分子复合物中没有构象的限制；没有范德华力的影响；聚合过程和识别过程是在相同的溶剂中进行的，在识别过程中没有构象的改变；在高度交联的分子印迹聚合物中，基团的运动受到了限制。

而对于在有机非极性溶剂中进行的实验，不存在疏水作用力，所以公式（2）还可以进一步简化为：

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（3）

经过简化后的公式虽然有利于计算，但同时也缩减了它的应某某范围；有时，在一些实验中简化的公式与实际情况之间的误差较大。因此，那些在公式中被省略掉的因素又会变得不可省略。

总而言之，在分子印迹技术的热力学和动力学等基础理论方面的研究还是初步的，尚有待进一步的研究，逐渐完善。

1.3.2 动力学

自组装分子印迹聚合物在制备和应某某时的化学动力学。一定假设的基础之上提出了以下等式：

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2

（4）

式中K为结合常数；[T]为模板分子浓度；[M]为模板分子-单体复合物浓度。

其假设如下：①两个功能单体与模板分子反应的能力是相等的；②两个功能单体与模板分子结合的过程是分别独立的。这个等式可用来计算当模板分子与结合位某某的结合达到平衡时TM和MTM的平衡浓度。在以上等式的基础上进一步假设：

(1)如模板分子在形成两位某某结合的作用力非常强(相对与单位某某结合)时，即使MTM的浓度非常低也能获得良好的选择性；

(2)模板分子与聚合物链之间没有强的非特异性反应；

(3)结合常数K在制备和应某某时是相同的。

则可以表示为：

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式中 N为单体与模板分子结合的总结合数；NS为单体与模板分子发生非特异性结合的结合数；NNS为单体与模板分子发生非特异性结合的结合数；L为自由配体的浓度；P为聚合物浓度因子(与模板分子和聚合物浓度有关)。

同时再假定：

（1）形成聚合物的[Mo]/[T0]为2 (M0，T0分别为单体和模板分子的起始浓度)；

（2）聚合物前体混合物(未聚合前的单体、模板分子、交联剂)与成某某(porogen)各占50%；

（3） MTM，MT，M(未与模板分子结合的单体)在聚合物前体混合物中的分布与在聚合物中所成链是可以全部重新被占据的。

通过以上假设，就可以用公式去预测分子印迹聚合物的选择性的大小。其中，K值可以用主一客体软件计算出来；其它相应的值可以通过色谱、光谱、NRM等实验得出。

1.4 印迹体系组成

IIPs的制备一般需要模板离子、功能单体、交联剂、致孔剂以及引发剂等，它们的种类和用量都会影响印迹聚合物的性能如选择性及吸附容量等。

1.4.1 模板离子

制备IIPs时，印迹离子的选择范围很广，目前报道的IIPs的模板离子绝大多数为金属阳离子，主要包括过渡金属离子、主族金属离子、稀土及锕系金属离子，如Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pd2+、Hg2+、Cs+、Sr2+、Pb2+、Li+、La3+、Ce3+、Th4+、UO22+。此外，以阴离子为模板的IIPs也有少量报道，如?zkütük等报道了硫氰酸根IIPs，而Fujiwara等则以络阴离子[Fe(CN)6]4-为模板制备了亚铁氰化钾印迹微球，Daniel等分别以[PdI4]2-和[Pd(SCN)4]2-为模板离子制备了两种印迹聚合物用于环境样品中Pd2+的测定。通常功能单体与模板离子的结合位某某越多，聚合物的选择性和亲和力也越高，且聚合物中功能基团的数量和种类一般是由模板离子所决定的。

1.4.2 功能单体

在IIPs的制备过程中，根据功能单体的选择原则，功能单体一端能与聚合物结合，另一端能和印迹离子结合，与聚合物应有合适的结合力，既有利于模板的去除，又有利于模板的选择性。功能单体在IIP的制备以及目标离子的识别过程中直接与模板离子作用，对IIP的选择性和亲和力有显著的影响。功能单体与模板离子之间通常以离子键、配位键、静电作用以及螯合作用等强的作用力结合，有利于制备高选择性的印迹聚合物。功能单体的选择取决于模板离子的性质，两者之间的作用方式以及摩尔比都会对印迹聚合物的性能产生直接影响。制备IIPs时不仅可以使用一种功能单体，也可多种功能单体混配使用。目前，研究较多的功能单体包括芳香化合物（能够与金属离子形成多种结合作用，如苯胺、酪胺、苯酚）、有机酸类（如甲基丙烯酸、丙烯酸和烷基磷酸类等）、杂环弱碱类（如烯基吡啶和乙烯基咪唑等）、氨基二乙酸衍生物及硅氧烷类等。另外，一些含羟基、氨基等功能基团的螯合配体也常被用作功能单体，如邻苯二酚、8-羟基喹啉及其衍生物等。近年来，有研究者用常见的天然高分子物（如壳聚糖、环糊精）作为功能单体制备印迹聚合物吸附剂，大多用于水处理、贵金属富集回收以及痕量金属的检测。此外，模板离子与功能单体的比值对印迹过程中识别孔穴的产生具有很大影响，两者比例应该依据印迹离子所含有的官能团和制备过程中所用溶剂的性质而定。一般而言，增大功能单体的比例，可以充分地预组装印迹离子；但功能单体所占的比例并非越大越好。因为功能单体过量太多，未参与组装的功能单体所产生的非选择性结合位某某数量增加，同时过量的功能单体会引起自身的聚合而减少选择性结合位某某数，所以印迹离子和功能单体的比例一般是1：4，即使使用混合功能单体，模板离子与功能单体的比例也保持在1：4左右。

1.4.3 交联剂（聚合物母体）

交联剂的作用是与功能单体交联，将功能基团固定在模板离子周围，形成一个高度交联的刚性聚合物结构，使“印迹空穴”在脱除模板离子以后不受破坏。在实现印迹聚合物的选择性时，聚合物母体的结构与性能起着非常重要的作用。它必须具有一定的硬度和一定的柔性，良好的热稳定性和机械稳定性，才能起到对印迹离子的选择性吸收作用。交联剂与功能单体的比例对聚合物的性能有明显的影响。交联剂的量较低时，则在脱去模板离子以后不能有效维持印迹识别位某某不变，导致其选择性降低；而过多的交联剂则会使得单位质量聚合物中印迹位某某的数量减少，降低其吸附容量，而且还会影响其传质过程；适量的交联剂既可以减少在不同溶剂中的溶胀问题，又能提高选择性，尤其是可以增强对结构类似物的区分能力，增大聚合链的空隙，使待测物较快地通过扩散作用进入识别位某某。常用的功能单体与交联剂的摩尔比例为1：5。常用的交联剂主要有冠醚类、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）、二乙烯基苯（DVB）、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TMPTM）、原硅酸四乙酯（TEOS）、表氯醇及戊二醛等。

1.4.4 溶剂

溶剂对成功获得的非共价键印迹有决定性的作用。一是，在聚合反应过程中，溶剂分子进入高聚物内部，之后经过后处理洗涤去除，这样便在高聚物内留下先前溶剂所占据的空间而形成小孔。二是，溶剂可以将反应过程中释放的热量分散，避免因局部温度过高导致发生副反应。因此，选择的溶剂首先必须具备充分溶解功能单体和模板的能力；其次，能为印迹高聚物提供多孔结构，进而促进对客体分子的键合程度。

1.4.5 致孔剂

致孔某某IIPs的性能有重要影响，其主要作用是在印迹聚合物中形成多孔结构，增强印迹识别位某某与模板离子的结合，同时聚合体系中的各组分必须能够完全溶解于致孔剂中。致孔剂的类型和用量都会对印迹聚合物的性能产生显著的影响，一些醇类、非质子溶剂及非极性溶剂都被用作致孔剂。

1.4.6 引发剂

聚合反应需在引发剂的引发下完成，通常选用偶氮二异丁腈作为引发剂，通过加热或在低温、紫外灯照射下反应，或是将光照与加热结合使用。其他常用的引发剂还有过氧类引发剂如过氧化苯甲酰以及水溶性引发剂如过硫酸钾、过硫酸铵等。聚合反应的温度以及时间都会影响印迹聚合物的性能。

1.5 离子印迹聚合物制备方法

目前，IIPs的制备方法主要有本体聚合、乳液聚合、悬浮聚合、分散聚合、沉淀聚合、表面印迹法以及溶胶-凝胶法等。

1.5.1 本体聚合法

本体聚合法是制备印迹聚合物的传统方法，是指将模板离子、功能单体、交联剂和引发剂按一定比例溶于适当溶剂中，经聚合得到块状聚合物，粉碎、研磨和过筛后得到适当大小的颗粒，最后脱去模板离子后真空干燥。该方法操作简便，制备的印迹聚合物对目标离子具有很好的选择识别能力。如Segatelli等采用本体聚合法制备了Cd2+印迹聚合物。Ren等以4-烯基吡啶为功能单体采用本体聚合法制备了Cr(VI)印迹聚合物，该印迹聚合物显示出较高的选择性和吸附容量。该方法的缺点也很明显，如后续处理过程繁杂且损失率高，颗粒形状不规则，许多结合位某某破坏和被包埋于聚合物内部，影响吸附容量和结合速率，模板脱除困难等。

1.5.2 乳液聚合法

乳液聚合是将模板离子、功能单体、交联剂溶于有机溶剂中，然后将此溶液转入水中，通常加入一定量的表面活性剂，搅拌乳化，然后加入引发剂，交联聚合就可得到粒径较为均一的球形聚合物，聚合物的尺寸较小，一般在纳米级。此外，反相乳液聚合也可用于制备IIPs。乳液聚合目前也存在产物分离困难以及乳化剂对产物污染等缺点。

1.5.3 悬浮聚 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 般只能应某某于含有裸露组氨酸基的蛋白质，使得金属离子的印迹技术在蛋白质印迹中的应某某受到了一定限制。在生物大分子方面的识别研究的种类还较少，期望能扩展到核酸、多糖甚至超分子水平的细胞与病毒的印迹；

（４）金属IIP还主要应某某于对目标分子的分离富集方面，对金属离子的分析检测领域涉及较少。

未来IIP可能会朝以下几个方面发展：

（１）由于表面印迹技术克服了传统的印迹聚合物后处理复杂，结合位某某被包埋过深等缺点，因此进一步发展表面印迹技术，制备出识别性能好，工艺简单的IIPs是其一个发展方向；

（２）将IIP应某某到一些检测技术中，借助光信号和电信号的响应来定量分析检测金属离子；

（３）对主族金属离子、常见的阴离子和稀有金属离子的研究将得到进一步的发展；

（４）现有的交联剂及功能单体比较单一，应某某范围小，因此合成或者发现新的交联剂及功能单体也有待解决；

（５）在水处理方面，金属离子印迹聚合的吸附量及选择性还有待提高，期望在未来应某某到实际的污水处理中；

（６）在医学领域的应某某将得到进一步发展。

随着科技的发展，相信以上问题都会逐步得到解决，IIP也会得到更好的发展，在实际的应某某中将会起到重要的作用。

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