李普庆

(陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中 723000)

分子印迹膜是在分子印迹技术的基础上结合膜技术形成的一类具有构效预定性、特异识别性和广泛实用性的人工合成分离膜［1］。分子印迹膜在制备过程中加入要识别的目标分子，洗脱后就会在膜内形成与目标分子相匹配的结合位点及化学空间结构，分离时就会高效的选择目标分子［2］。可以形象的将分子印迹膜和印迹分子想象成锁和钥匙的关系，分子印迹膜的这一特性使其在固相萃取分离、手性拆分及仿生传感器方面具有一定的应用价值。例如Piletsky等［3］在1990年首次制备的分子印迹膜成功实现了对腺嘌呤酸进行识别和分离。华东理工大学陈安等［4］以茶碱为模板分子，采用表面涂覆热聚合的方法制备的金属配位分子印迹膜，提高了茶碱的结合性能和选择性，易于分离提纯。林雪冰等［5］通过相转化法制备的分子印迹共混膜对双酚A表现出了高度的识别性。分子印迹膜由于其优越的识别及选择性将在越来越多的领域发挥重大作用。笔者从分子印记膜的分类、制备及应用三个方面入手，全面综述了分子印迹膜的发展现状并对未来的发展前景做出展望。

1 分子印迹膜的分类

分子印迹膜根据材料的不同可分为无机分子印迹膜、有机分子印迹膜和有机－无机杂化膜［6］。无机分子印迹膜继承了无机材料的优点，具有耐腐蚀、耐高温、高强度等优点，但也存在脆性大，不易加工、孔隙率低等缺点，应用范围受到一定的限制，相关报道不多。有机分子印迹膜是目前主流的印迹分子膜，还可细分为交联聚合物膜和非交联聚合物膜，交联聚合物膜交联度高，稳定性好，在膜中形成的印迹分子的三维空间结构不易改变，印迹位点能快速识别目标分子。非交联聚合物膜与交联聚合物膜的制备方法不同，它是在膜制备好后，直接在膜中引入目标分子的印迹识别位点，省去了自由基聚合交联，而且以这种方法制备的膜材料可再生性强。有机印迹分子膜克服了无机分子印迹膜脆性大的缺点，同时还具备一定的柔性，具有很好的应用效果，是发展潜力较大的一类分子印迹膜。

有机－无机杂化分子印迹膜兼备了无机分子印迹膜和有机分子印迹膜的优点，既具有无机网络的刚性又具有有机聚合物网络的柔性。有机分子和无机分子的协同效应改善了分子印迹膜的网络结构及膜的力学性能和热稳定性。无机组分和有机组分可通过氢键及范德华力等微弱相互作用结合形成杂化膜，由于相互作用力弱所以相容性较差;为了提高相容性，可以将两者通过共价键及离子键结合，除此之外，对无机膜进行有机改性也是提高相容性的很好方法。孙娜［7］借助偶联剂一步合成的有机－无机杂化分子印迹聚合物(OIHMIP)兼具有机分子印迹聚合物和无机分子印迹聚合物的优点，并能有效地克服各自的缺点，且材料具有独特的分子识别能力。

2 分子印迹膜制备的影响因素

分子印迹膜的原料包括印迹分子、功能单体、交联剂、溶剂、引发剂等，在制备过程中这些因素也会不同程度的影响分子印记膜的制备成本、质量及使用效果［8－9］。

功能单体是与印迹分子结合的材料，结合牢度及制备后印迹分子的脱除是衡量功能单体的指标，我们既要求功能单体能与印迹分子牢固结合，又要求后期容易洗脱，因此单体的选择直接决定了所制备分子印迹膜的质量及使用效果。

交联剂能赋予分子印迹膜一定的刚性，避免印迹分子的空间结构变形。交联剂的使用也有一定的要求，交联剂浓度较低，交联度不好，印迹分子的空穴结构无法稳定存在;交联浓度高，能保证分子印迹膜具有很好的识别能力，但是又增加了印迹分子的洗脱难度，膜的脆性强且孔隙率低，这是分子印迹膜的致命缺陷，因此交联剂浓度的选择至关重要。

溶剂能溶解印迹分子制备过程中的各种原料，还能加快印迹分子和功能单体的聚合，同时为制备的高聚物提供多孔道结构，利于后期洗脱印迹分子。

引发剂能促进印迹分子和功能单体的自由基聚合，加快制膜效率。

分子印迹膜的制备是一个复杂的过程，由于影响因素较多，所以对反应条件的控制及优化也成为研究热点。

3 分子印迹膜的制备

3.1 原位聚合法

原位聚合法是制备分子印迹膜最简单的方法，通常是将印迹分子、功能单体、交联剂、溶剂及引发剂及其他添加剂混合，放在具有一定间距的两块制膜基板之间，待交联反应完全后洗脱印迹分子得到分子印迹膜。原位聚合法所制得的分子印迹膜较厚，应用于传感器会直接影响分子印迹膜的检测灵敏度。通量也会因膜厚度受到一定的限制，在实际应用过程中可以根据膜的应用环境，在制膜过程中加入添加剂，增加膜通量。

原位聚合法制备分子印迹膜的过程中，可以用引发剂来提高自由基聚合的速率及程度，也可以采用热引发、光引发、紫外引发等引发技术。

采用原子转移自由基聚合作用可合成具有高选择性的分子印迹纳米线膜，不仅丰富了分子印迹膜的种类，也提高了分子印迹膜的使用效果［10］。采用热聚合和光聚合的方法在金膜表面合成黄体酮分子印迹膜作为识别元件应用于表面等离子体共振传感器检测黄体酮，能够实现对黄体酮快速定量的专一性检测［11］。采用紫外灯引发聚合在MaxiSorp96孔板上合成的氯霉素分子印迹聚合膜作为人工抗体代替氯霉素的生物抗体，应用化学发光免疫法检测氯霉素可行性得到提高［12］。通过原位聚合法制备得到的孔雀石绿(MG)分子印迹膜对模板分子孔雀石绿表现出良好的渗透选择性，在与类似物甲基紫的竞争渗透中具有优先渗透能力［13］。

3.2 溶胶－凝胶法

溶胶－凝胶法是近年来新兴的分子印迹膜制备方法，在有机－无机杂化膜的制备中应用较多。溶胶－凝胶法制备分子印迹膜首先要将印迹分子与交联剂、溶剂及其他助剂制备成均质的溶液，形成凝胶，这个过程中会发生水解、缩合及缩聚等反应，然后加入功能单体充分反应，制备分子印迹膜，此法具有操作简单、反应条件温和，可以根据应用要求对分子印迹膜的结构进行调整。

运用最新科学技术也能够很好的控制造价成本。例如，近几年来，减震隔震技术得到了广泛研究，由于这项技术拥有构造简单、造价相对低廉，以及便于维护等优点，已经在国内外得到推广使用。此外，一些新的施工工艺、施工方法也会有效控制造价成本，设计人员需要根据实际情况合理选择最新科学技术。

溶胶－凝胶法制备的分子印迹膜中的目标分子较易洗脱，使用复合溶胶能提高分子印迹膜表面的粗糙度，增大比表面积并且在分子印迹膜表面形成大量孔洞及特异孔穴，而且具有良好的热稳定性［14］。研究发现分子印迹膜制备过程中凝胶化过程和蒸发过程的分开，使交联剂有充分水解和干燥的时间，更有利于膜内物质的扩散，有效地避免了膜的开裂［15］。借助于超声波振荡溶剂萃取可以很容易的将溶胶－凝胶法制备的分子印迹膜中的模板分子洗脱，得到更多的结合位点［16］。

3.3 相转化法

相转化法是将制膜所需的功能单体、印迹分子、引发剂等溶于溶剂中进行反应后直接在支撑体上刮膜，再转入非溶剂凝固浴中固化或者在一定温度下的惰性气体中使溶剂蒸发干燥，洗脱印迹分子后就制备成了分子印迹膜。相转化法是提高分子印迹膜通量的有效方法之一，能直接在已有的聚合物材料中引入识别位点，省去了自由基聚合反应，聚合物膜结构是在印迹分子存在下从其聚合物溶液中经相转化形成的［17－18］。相转化法的优点是可供选择的聚合物种类多，且当目标分子发生改变时，只需更换印迹分子即可获得新的分子识别材料，易于再生［19］。

相转化法制备分子印迹膜中不涉及聚合反应，因此反应条件简单，且制备的分子印迹膜性能还得到了提升，是值得推广的分子印迹膜制备技术。相转化法制备分子印迹膜是通过交联剂产生的交联聚合作用将目标分子引入膜中的，所以交联剂的用量及特性要慎重选择。相转化过程中也可与其他技术相结合，达到更好的制膜效果。有研究将超临界二氧化碳和相转化法结合制备分子印迹膜，制膜过程通过调节超临界二氧化碳的压力和温度来控制模板分子尿嘧啶在超临界二氧化碳的溶解度，从而使更多地模板分子结合到膜中，形成更多的有效识别位点，从而提高膜的识别能［20］。

3.4 电化学聚合法

电化学聚合法制备分子印迹膜时首先要对电极进行清洗，然后制备制膜液，调价pH，再将制膜液倒入选定好的电解池中进行聚合，根据印迹分子及成膜特性通过水洗、酸洗或磁力搅拌等方法脱除印迹分子。电化学聚合法可以在任何形状的金属电极表面聚合得到致密的聚合膜，可通过调节电聚过程聚合溶液的浓度和电聚合扫描圈数等参数控制膜的厚度［21］，是比较活跃的分子印迹膜制备方法，循环伏安法是电化学聚合法中最常用的制膜方法。

电化学法制备的分子印迹膜可直接成膜而且速度快，最主要的特点是膜厚度较上述几种方法小很多，是传感器用膜的最佳选择。采用循环伏安法在玻碳电极表面聚合形成可用于检测间苯氧基苯甲酸的分子印迹膜，30 s即可对间苯氧基苯甲酸完成响应，检测精度高［22］。谢成根等［23］以水杨酸为模板分子，采用循环伏安法电聚合形成聚吡咯膜，以固定电位过氧化法去除印迹分子，制备了水杨酸分子印迹膜电极。印迹电极能促进水杨酸电氧化，有效地避免结构类似物(如苯甲酸)对水杨酸测定的干扰［24］。

4 分子印迹膜的应用

4.1 固相萃取

分子印迹膜具有特异的识别及选择性，可以在复杂的环境中将要分离的物质萃取出来，由于它选择性及分离性高，所以一次分离即可将目标物质几乎全部萃取出来，对于痕量物质的萃取效果更好。对于某些预处理手续繁琐的萃取分离过程，更能凸显分子印迹膜的使用价值，为样品的分离、富集和准确分析提供了极大的方便和可能。

邴乃慈等［25］以聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜为支撑膜，左氧氟沙星(LVFX)为模板分子，采用热聚合方法制备的分子印迹聚合物膜应用于固相萃取选择性分离氧氟沙星外消旋体(OFLX)，实验结果表明:分子印迹聚合物膜中存在着空间结构和大小均与模板分子LVFX互补的孔穴组成的通道，该通道可选择性地透过底物分子，得到的LVFX和OFLX的最大分配系数KL和KO分别为2.7和2。李小红［26］采用一种新的样品前处理方法－分子印迹膜固相萃取法，从含有复杂基质的生物样品牛奶中萃取有机磷农药残留，为含复杂基质样品中痕量分析物的检测提供新的样品前处理技术。结果表明分子印迹膜－固相萃取对甲胺磷有很好的专一选择性，且回收率能够满足农药残留分析要求。在相同实验条件下，与C18固相萃取柱进行比较，分子印迹膜固相萃取的选择性及样品净化能力优势明显。

分子印迹膜用作高效液相色谱的固定相，比普通固定相的保留时间长，可产生对印迹分子专一识别的分离效果，但也可能由于制备过程中分子印迹位点分布不均导致柱效率较低。基于分子印迹膜为吸附剂的固相萃取技术结合高效液相色谱检测饲料中5种磺胺类药物，与碱性氧化铝柱净化相比，分子印迹固相萃取柱净化后杂质更少，选择性更好，方法的定量限更低［27］。王靖宇［28］采用热聚合方法和原子转移自由基聚合方法制备的分子印迹膜制备成膜组件，在膜系统中检测其对模板分子茶碱的识别和分离效果。膜色谱过滤实验结果与空白膜相比，茶碱分子印迹膜对茶碱具有选择性吸附作用，其选择性因子随原液浓度和萃取液酸度增加而降低，说明分子印迹膜更适用于低浓度目标分子的固相萃取。研究还发现铜离子存在的条件下印迹膜的分离效果显著提高，能够实现茶碱和可可碱的完全分离。

4.2 手性拆分

手性药物分子式相同，但由于结构的差异具有不同的生理活性，通常都是相伴而生，用普通的分离方法很难彻底将所需要的具有药理活性的对映体分离出来，同时也存在分离成本高等问题。分子印迹膜可以模仿天然高分子的识别系统，对模板分子有特异选择性和亲和力。若以手性药物单对映体为模板制备分子印迹膜，会因其特殊的三维空腔结构而展现出对映体选择性识别的能力［29］。同时，分子印迹膜还可根据识别及选择的先后顺序来调节药物的释放速度，在医药领域有重要的应用前景。

手性药物布洛芬属2-芳基丙酸类抗炎药，其中具有药理作用的是S(+)－异构体，其药效是R(－)－异构体的160倍。赵潇等［30］以接枝环糊精的醋酸纤维素复合物为铸膜材料，S-布洛芬为印迹分子，采用相转化法制备了用于手性分离的分子印迹膜;该分子印迹膜对外消旋布洛芬的手性拆分结果表明，在β环糊精接枝质量分数为29.01%，模板分子浓度比为10，铸膜液质量分数为12.5%的条件下，分子印迹膜对右旋布洛芬的分离因子可达2.09。

欧俊杰等［31］在常规不锈钢色谱管中以甲基丙烯酸为功能单体，采用原位聚合法制备了(5S，11S)-特罗格尔碱(S-TB)的印迹整体柱，结合台阶梯度洗脱模式在S-TB整体柱上实现了对TB消旋体的快速分离。王辉等［32］通过膜透过实验研究了氨基酸海因对映异构体选择性分离分子印迹聚合物膜对外消旋体的分离特性。Scatchard分析显示聚合物膜中形成了两类结合位点，其解离常数分别为1.88 mmol/L和5.14 mmol/L;选择性透过实验表明膜中形成了与5R-5-氨基酸海因分子形状和功能基因位置匹配的孔穴。与非印迹聚合物膜相比，印迹聚合物膜对对映体具有良好的选择性。

4.3 仿生传感器

仿生传感器由分子识别原件和信号转换器组成，通过将感受到的检测信息按一定规律变成电信号或其他形式输出来反应检测结果。分子印迹膜由于很好的识别能力可以作为仿生传感器的分子识别原件，检测灵敏度高、生物降解难、可重复利用、材料易得、易于保存，还能有效解决传感器界面接触问题。用分子印迹膜制作的仿生传感器在食品工业、药物残留、环境保护等领域已经引起了高度关注。

有机磷农药被广泛用作农业杀虫剂，如果残留，这种高毒性的物质将会直接影响人体健康，因此有机磷的快速精确检测显得十分重要。用电聚合法在金电极上制备的以硫磷为模板分子的自组装邻氨基硫酚分子印迹膜传感器对一系列与对硫磷相近似的化合物如甲基对硫磷、对氧磷、辛硫磷、氧乐果、硝基苯及邻、间、对硝基苯酚都具有良好的选择性和灵敏度［33］。刘小娟［34］以甲基丙烯酸(MAA)为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，甲基膦酸二甲酯(DMMP)为模板分子，并结合卟啉ZnTPP，制备的具有大量纳米孔结构的DMMP分子印迹膜，薄膜重现性及选择性较好，制作的卟啉传感膜阵列初步显示出对200 ppm DMMP气体具有显著的检测效果。

为了增强分子印迹膜的导电性，提高检测灵敏度，商哲一等［35］利用掺杂多壁碳纳米管的Nafion膜在玻碳电极上固定联吡啶钌制得修饰电极，为了提高修饰电极的选择性，将电化学发光与分子印迹技术结合，制作了电化学发光－分子印迹传感器，并将其应用于海洛因的检测。传感器显示出较强的抗干扰能力，其发光强度在海洛因浓度为1.0×10－14～1.0×10－10mol/L范围内有良好的线性关系，检出限达到4.0 ×10－15mol/L(S/N=3)，此传感器的高灵敏度和良好的选择性使其可直接用于尿液和唾液中海洛因的测定。

万德慧等［36］采用分子印迹膜技术制备了莱克多巴胺分子印迹聚合物膜，并对其吸附性能进行了研究。将该印迹聚合物膜为识别原件，与微流控化学发光法结合起来制备高选择性的化学发光传感器，用来检测猪肝及牛肉中莱克多巴胺分子残留率。此方法与传统检测方法相比，具有操作简单、灵敏度高、分析快速等优点，为食品中莱克多巴胺残留检测提供了一种新思路。

5 展望

分子印迹膜的制备是其应用的关键，不同材料及方法制备的分子印迹膜的性质及应用范围不同，因此要在应用的基础上结合分子印迹膜自身特性进行合理选择，同时还要考虑制膜成本及应用效果。对于结构相似的目标分子，在制膜过程中可以采用多种功能单体与模板分子形成结构互补，增加结合位点，提高目标分子的选择性。制膜过程中也有研究者将新技术与几种相对成熟的制备技术进行结合，收到了很好的效果，这也是未来分子印迹膜制备的一个突破点。还可借助计算机技术从分子水平进行设计及模拟来提高分子印迹膜的应用效果。印迹分子的洗脱也是制备难题，洗脱不完全结合位点减少，降低了分子印迹膜的使用价值，此方面的研究还需深入。在分子印迹膜的应用领域，分子印迹膜预先的特异识别能力及高效的选择性使其在固相萃取、手性拆分、仿生传感器等方面的应用不断拓展，但是大多数还只是处于实验室研究阶段，实际应用中还需考虑外界环境及其他条件的影响，所以分子印迹膜还有很多要完善的地方，相信随着研究的不断深入，更多有关分子印迹膜的可喜成果将会造福社会。

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