As(III)离子印记聚合物的制备及应用进展

王鹏飞, 杨洪志, 刘雪婷, 鲁梦玲, 徐 斐, 阴凤琴

上海理工大学健康科学与工程学院，上海食品快速检测工程技术研究中心，上海 200093

砷是一种剧毒元素，在元素周期表中位于第四周期、第五主族，原子序数33，因其具有部分金属特性，故被作为一种重金属研究[1]，是一种普遍存在且自然产生的污染物，也是构成地壳的第20位元素。砷在环境中可持久存在，使地下水、饮用水和土壤成为受砷污染的主要来源[2]，并多以五价砷酸盐(As(V))和三价亚砷酸盐(As(III))两种无机盐形式存在，这两种形式都是剧毒的[3]，但As(III)的毒性大于As(V)，约是As(V)毒性的10～60倍[4]。一般而言，人类接触砷的途径包括食物、空气和水等[5]。根据国际癌症研究机构的数据，砷已被证明具有致癌作用[6]。长期接触砷，会威胁身体健康，甚至导致皮肤癌、肺癌、肝癌、膀胱癌和肾癌等疾病[7]。故而，As(III)的吸附和检测愈发受到重视。

目前，去除As(III)离子的常规方法有吸附法[8-11]、沉淀法[3,9,10]、膜分离[12-14]和离子交换[15-17]等。其中，吸附法以其去除效率高、操作简单、处理效果好等优点被证明[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、沙子和部分有机聚合物等受限于高成本或低吸附效率无法被高效利用[19]。检测As(III)离子的常用方法有电化学、光学及显色等，此类方法对检测对象有一定的使用条件，而单一的重金属离子所产生的电化学/光学信号较弱，显色反应不够明显。因此一种低成本、稳定性高、灵敏度高、易制备、选择性好、重复性好且检测限更低[20]的代表性新型吸附分离材料——离子印迹聚合(Ion Imprinted Polymers, IIPs)得到了越来越多研究者的关注。IIPs通过特定的识别位点吸附富集目标离子，在此基础上可联用仪器等来检测体系中的目标离子，以提高其检测灵敏度、降低检测限。虽已有部分研究者综述了砷离子印迹聚合物制备方法和其在废水处理中的吸附应用[21]，但文献调研表明，目前对As(III)-IIPs的功能单体类别总结、各制备方法的比较分析和围绕其吸附与检测方面的研究相对较少。因此，本文简述了离子印迹聚合物的制备机理，重点综述了制备As(III)-IIPs的功能单体类型(硫脲类、氮杂环类、羧基类和巯基类)和制备方法，汇总了其在As(III)离子吸附和检测方面的应用，总结了当前As(III)离子印迹聚合物制备过程仍需进步的地方，并对未来的研究方向进行了展望。

1 离子印迹聚合物的制备机理

离子印迹聚合(IIPs)的概念最初是在1976年由NISHIDE等人提出[22]。离子印迹聚合(IIPs)是分子印迹聚合(molecularly imprinted polymer, MIPs)的分支之一，其本质区别是将模板分子替换为模板离子，选择性地识别被作为模板离子的目标离子。聚合体系中模板离子利用氢键、配位键、静电相互作用和共价键等作用与功能单体进行预聚合，后加入引发剂产生自由基，并在交联剂作用使单个功能单体进行交联聚合形成高度交联的聚合物。在不破坏聚合物结构的情况下，洗脱模板离子，留下特定的识别印迹空穴。通过氢键、范德华作用力、静电相互作用和疏水相互作用，对目标离子进行特定的选择吸附[23]。因此，IIPs制备和识别的一般步骤总结如下：(A) 模板离子与功能单体之间形成预聚物；(B) 交联形成含有目标离子的聚合物；(C) 去除模板以获得结合空腔；(D) 在干扰离子存在下，对目标离子进行选择性结合[24](如图1)。

图1 离子印迹聚合物(IIPs)合成及应用原理[24]

2 As(III)离子印迹聚合物的功能单体类型

功能单体是影响IIPs最终性质的重要原因之一，它们在聚合物与目标离子的相互作用中发挥基础作用。作为氧阴离子的亚砷酸根，可与常规单体上的官能团结合位点发生反应或相互作用，聚合形成稳定的配合物[25]。因此，含有氧、氮和硫原子官能团的单体可发挥这一作用，根据官能团特点将它们分为硫脲类、含氮杂环类、羧基类和酯类，表1对比了不同功能单体在不同模板、交联剂和引发剂选择下，制备的As(III)-IIPs在吸附三价砷的最大容量(吸附量)和可检测到样品中三价砷的最小浓度(检测限)的差异。

表1 As(III)-IIPs的功能单体类型

2.1 硫脲类

2.2 含氮杂环类

常用的含氮杂环类功能单体可分为咪唑类和吡啶类[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为功能单体，二乙烯基苯(divinylbenzene, DVB)为引发剂，制备As(III)-IIPs，其对As(III)的检测限为1.83 μg/L。在pH=8.5时，该IIPs对As(III)的提取率最高，可达93%，远高于对其他金属离子的提取率。对比在同种制备条件下以4-VP和苯乙烯，1-VI制备的As(III)-IIPs的效果最优，对As(III)有着优异的选择性和提取率，且对样品中As(III)的灵敏度较高。此外，具有大环结构的化合物可根据环的大小和螯合能力来识别大离子半径的亚砷酸根离子。如FANG等[28]将应用“大环效应”得到的新型正离子环状化合物(Cyclic Functional Monomer, CFM)作为功能单体，制备As(III)-IIPs，最大吸附量为54.5 mg/g，是同等吸附条件下非环状功能单体聚合物的2.16倍。该类功能单体因尺寸匹配和静电对偶效应的双重作用，制备的IIPs对As(III)离子具有高吸附量和高选择性，在检测As(III)离子方面有良好的应用前景。

2.3 羧基类

常用的羧基类功能单体是甲基丙烯酸(Methacrylic acid, MAA)，形成的离子印记聚合物多为亲水材料[34]。ALIZADEH T等[29]先将亚砷酸钠、功能单体MAA和对苯二酚溶解于乙腈进行预聚合，再引入交联剂EGDMA和引发剂AIBN通过沉淀聚合法合成纳米尺寸的As(III)-IIPs，制备了As(III)离子选择性IIPs膜电极，在以52.4 μg/L为下限的线性范围内对As(III)离子的检测限为37.5 μg/L，对实际样品中的As(III)离子有良好的检测灵敏度，有效改善了其他选择性电极存在的动态浓度范围短、干扰效应严重、检测限不理想等情况，展现出了广阔的As(III)离子检测应用前景。TÜRKMEN等[30]以N-甲基丙烯酰基-L-半胱氨酸(N-methacryloyl-L-cysteine, MAC)为功能单体，EGDMA为交联剂，甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)为引发剂，通过半胱氨酸上的硫原子与As(III)和As(V)发生静电相互作用，制备了磁性As(III)-IIPs。pH=5.0时，对As(III)的去除能力最佳，最大吸附量为85.6 mg/mL。与前几类功能单体制备的IIPs相比，该类功能单体制备的IIPs吸附量更高，对As(III)离子选择性更好，吸附量高且重复性良好，在检测As(III)离子方面有着深远的发展潜力。

2.4 巯基类

巯基类化合物可通过巯基(-SH)与As(III)离子的配位作用形成离子印迹聚合物。TÜRKMEN D等[30]以N-甲基丙烯酰基-L-半胱氨酸(N-methacryloyl-L-cysteine, MAC)为功能单体，EGDMA为交联剂，甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate, HEMA)为引发剂，通过半胱氨酸上的硫原子与As(III)和As(V)发生静电相互作用，制备了磁性As(III)-IIPs。pH=5.0时，对As(III)的去除能力最佳，最大吸附量为85.6 mg/mL。巯基类功能单体制备的IIPs，通过巯基和As(III)离子的配位作用对As(Ⅲ)离子具有良好的吸附能力、高选择性和高灵敏度，未来在食品和环境领域还有更好的应用前景。

3 As(III)离子印迹聚合物的制备方法

在制备As(III)-IIPs的过程中，交联剂和引发剂有着重要且独特的作用。体系在引发剂作用下产生自由基开始聚合反应，功能单体间通过交联剂引导形成共聚物，使三维网络状的识别空腔更加稳定，从而让IIPs有更高的交联度和刚性。由于模板离子大多溶于水，EGDMA和AIBN成为制备As(III)-IIPs常用的交联剂和引发剂。现有As(III)-IIPs的制备方法，可分为四种主要方法：本体聚合法、沉淀聚合法、表面印迹法和乳液聚合法，另外还有如微波、超声等辅助方法(见表2)。

表2 As(III)-IIPs的制备方法

3.1 本体聚合法

本体聚合法是先用少量的溶剂溶解以一定比例混合的功能单体、模板离子和交联剂，再引发聚合反应制得块状聚合物[39]。因其可在短时间内获得聚合物，过程相对简单，不需要特殊设备，成为制备离子印迹聚合物基本且最常用的方法。JINADASA等[27]制备以1-VI为单体，与模板溶解于致孔剂20 mL 乙酸/甲醇，超声后再加入交联剂DVB和引发剂AIBN。搅拌后用N2吹扫混合物，再立即密封试管，置于低温辊中12 h制备As(III)-IIPs，其LOD和LOQ值分别为0.32和1.05 μg/kg。FANG等[28]以CFM为功能单体与模板NaAsO2溶解于10 mL二甲亚砜中，N2吹扫后搅拌。再将交联剂EGDMA和引发剂AIBN加入甲醇中，超声混合制得悬浮液。两种溶液混合升温后进行反应，并用冷凝回流设备搅拌反应混合物12 h，再经离心制备了As(III)-IIPs，其在pH=7时拥有最大吸附量54.5 mg/g，经过5次吸附-解吸循环后，吸附能力仅下降9.8%。该法制备的IIPs对As(III)离子特异吸附性良好，有较好的重复性和良好的灵敏度。但是，该方法也存在如下缺点：其一，模板去除不完全、传质缓慢和结合位点位于聚合物内部[40]。其二，反应聚合物物分子量大、黏度高且使用溶剂较少，导致传热困难且易在聚合物内部形成热点，造成终产物中的某些部位发生热降解和炭化[41]。其三，反应结束后需要粉碎、磨碎和筛分等操作，导致一些结合位点被破坏、聚合物回收率下降[42]。此外，该法会产生形状和尺寸不规则的颗粒，使完全去除离子模板很困难[43]。该方法存在的不足推动了其他方法迅速发展。

3.2 沉淀聚合法

沉淀聚合是将单体、离子模板组成的均一混合物，溶解于大量的致孔剂[44]，再利用引发剂和交联剂的作用形成聚合物微球，避免了研磨和筛分，是一种广泛应用的IIPs制备技术。MUSTAFAI等[35]采用微波辅助的沉淀聚合方法将模板和单体1-VI溶解于10 mL甲醇中，超声后将MAA和EGDMA络合溶解于10 mL甲醇中[45]。二者混合后再用微波2次间隔辐射辐照反应混合物引发聚合。然后，将AIBN溶解至体系中聚合，持续搅拌并用N2吹去除溶解氧制备As(III)-IIPs。在PH=7下有最佳吸附量，且最佳吸附率为94.4%，LOD和LOQ为1.0 μg/L和3.3 μg/L，相较本体聚合物制备的IIPs吸附性能优异、合成方便，且通过微波加热缩短了反应时间、提高了灵敏度，在饮用水重金属残留检测中应用前景广阔，可惜该文并未提及微波辅助的具体参数。ABDULLAH等[46]通过超声介导沉淀聚合法，利用超声能量增加反应物之间的相互作用、减少反应时间，将双功能单体4-VP与MAA和模板在50 mL乙腈溶解后超声40 min，再加入交联剂EDGMA和引发剂AIBN，用N2除氧后超声处理8 h增强交联聚合作用合成As(III)-IIPs。在2 μg/L ～100 μg/L的线性范围内LOD和LOQ分别为0.65 μg/L和1.8 μg/L，且重复利用11次后，吸附能力仍然优异。该法通过使用大量溶剂可解决在本体聚合中高黏度和高散热的问题，利于合成纳米级的IIPs，具有良好的灵敏度和重复利用性，可广泛应用于金属离子分离和检测领域[47]。该法制备的IIPs有着高选择性、良好的可重复利用性、较本体聚合更短的制备时长和更高灵敏度，遗憾的是存在一些成本和体积上的缺点。

3.3 表面印迹法

表面印迹法是将制得聚合物经表面改性或嫁接后，经各类载体修饰，制得的识别空腔位于或靠近聚合物表面的IIPs，有效解决在本体聚合法中模板离子难完全除去的问题。CHI等[37]以亚砷酸盐为模板离子、MAA为功能单体溶解于甲醇中超声浴30 min，后加入磁性载体Fe3O4搅拌进行预聚合。再加入交联剂EGDMA和引发剂AIBN进行分散式反应，并通N2除氧。然后，用氢氧化钠洗涤至上清液中无法用电感偶联等离子体质谱检测到的模板离子，最后用真空冷冻干燥技术制备出MGO-As(III)-IIPs颗粒(如图2)。该IIPs在pH=6时最大吸附量为49.42 mg/g，在溶液中具有稳定的分散性。经过重复利用5次后，吸附效率仍有75%，具备良好的可重复利用性。在其他竞争性组分存在的情况下，MGO-As(III)-IIPs仍具有较高的选择性。该法因载体材料的特点，增加了比表面积和吸附识别位点，提高了IIPs的吸附量和灵敏度，且随着不同载体材料的进步，会进一步优化IIPs的性能。

图2 表面印迹法制备MGO-As(III)-IIPs[37]

3.4 乳液聚合法

乳液聚合的连续相通常是包含产生自由基的引发剂的水溶液，可制得微米级至纳米级的离子印迹颗粒[38]。该法须用稳定剂，以供交联聚合物吸收并阻止其进一步凝聚。因为需要一个额外的净化步骤，导致该技术没有被广泛使用。JALILIAN等[38]利用2-乙酰苯并呋喃氨基硫脲与As(III)形成的配合物作模板，以MAA为单体，并加入疏水铁纳米颗粒、EGDMA和AIBN制备离散相溶液。后以壳聚糖颗粒作稳定剂，加入IIPs胶体纳米颗粒，建立连续相。形成的混合物以含有四氧化三铁纳米颗粒的深棕色油相为顶，以含有壳聚糖纳米颗粒的乳白色水相为底。经摇晃和搅拌后，得到一种油包水型乳液(W/O)。然后，将制备的乳液脱氧密封聚合，于水浴中剧烈搅拌20 h制得磁性As(III)的Fe3O4@OA-IIPs(如图3)。在pH=7.25时回收率最高，吸附量为37.04 mg/g，远高于非印迹聚合物(Non-imprinted polymers, NIPs)的吸附量，其LOD为0.004 3 μg/L。IIPs中心的疏水磁性颗粒有助于纳米颗粒从溶液中分离，取代了离心机技术，可简化后期操作、节省反应时间。该法相较上述方法，所制备的IIPs灵敏度更高，在特定高灵敏需求下有较好的应用前景，但需要特别注意稳定剂的选择，避免引入其他危害物质。

图3 W/O型Pickering乳液聚合形成磁性IIPs的过程[38]

4 As(III)离子印迹聚合物的应用

因IIPs制备方法的特殊性，使其具有良好的选择性、可重复利用性，被广泛应用于从水环境、水产品、食品和土壤中吸附和去除As(III)离子，也在逐渐与磁性石墨烯、微波和超声等辅助手段结合，用来更加高效、快速、简便的除去As(III)离子。此外，As(III)-IIPs因高灵敏、高选择性、低成本和制备简单等优势被作为识别元件或探针用于传感器检测领域，还可作为吸附剂用于前处理操作中。

4.1 电化学传感器

离子印迹聚合物因其优势作为识别元件，与电化学传感器结合，通过识别目标离子产生的电化学信号改变，可有效处理各种复杂样品，如环境或废水、人类生物流体或固体样品等[24]。RASMUSSEN等[48]和 MA等[49]以As(III)离子为模板，邻苯二胺为功能单体，制备As(III)-IIPs，后通过电聚合法将As(III)-IIPs合成在纳米孔金(NPG)表面，研制了一种改性金电极(IIPs/NPG/GE)电化学传感器。实验采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)测得IIPs/NPG/GE在2.0×10-11mol/L～9.0×10-9mol/L的线性范围内，LOD为7.1×10-12mol/L，该传感器具有良好的稳定性和选择性，能很好地应用于水质中As(III)离子的检测。ALIZADEH等[29]将制备出的As(III)-IIPs纳米颗粒分散于聚氯乙烯中，用二酰邻苯二甲酸二壬酯增塑，构建了膜电极。在7.0×10-7mol/L～1.0×10-1mol/L的线性范围内，LOD为5.0×10-7mol/L，且非印迹聚合物(NIPs)基膜电极对水溶液中的砷不敏感。因制备方案，使得后者制备的电化学传感器检测限较高，还存在可进一步优化的空间。

4.2 光学传感探针

量子点因具有发光特性，成为化学传感器开发的有吸引力的材料，其不但用于荧光传感，还可用于室温磷光。JINADASA等[50]利用双功能单体1-VI和(3-氨基丙基)-三乙氧基硅烷((3-aminopropyl) triethoxysilane,APTES)并基于Mn掺杂的ZnS量子点制备出IIPs@ZnS:Mn QDs纳米粒子，成功开发了一种新型室温磷光(RTP)化学传感器探针，应用于鱼类样品中无机总砷(As(III)+As(V))的选择性检测和定量实验。经优化发现该IIPs在pH为7.0时为最佳条件，该探针对As(III)的印迹效应值为153.4，其LOD和LOQ值分别为6.82×10-9mol/L和2.26×10-6mol/L，故而该方法有着简单、低成本和分析时间短等优点，且与分析仪器的结果无较大差异，并对无机总砷有高选择性和高检测灵敏度，可应用于食品和其他生物领域的无机砷检测工作。

4.3 与分析方法结合

随着分析仪器和分析技术的不断发展，样品预处理方法也在逐渐进步，使用具有更高选择性的萃取材料IIPs有助于提高复杂样品分析的灵敏度、降低目标物质的检测限[51]。如JINADASA等[52]利用双功能单体1-VI中含N杂环部分与As(III)和As(V)氧阴离子中的羟基相互作用，制备As(III)-IIPs作为涡旋辅助分散式微固相萃取(vortex-assisted dispersive micro-solid phase extraction, VAD-μ-SPE)的吸附剂，通过超声辅助技术(ultrasoundassisted extraction, UAE)提高对As的高选择能力，从水稻中分离出砷As(III)和As(V)，再应用高效液相色谱-电感耦合等离子体-质谱技术(HPLC-ICP-MS)进行分离和测定。当pH=8.0时，As(III)在水稻提取物的回收率最高，约为40%，LOD为1.52×10-8mol/L，低于其他作者使用HPLC-ICP-MS[53-55]、电热原子吸收光谱(ETAAS)[56]或氢化物生成原子吸收光谱(HG-AAS)[48]所得结果。因此，用IIPs做吸附剂可有效提高色谱或质谱等技术的检测限，具有较高的灵敏度和选择性，但相较IIPs在传感器中的应用还有进步空间。

5 总结与展望

离子印迹聚合物作为一种可类比天然抗体的人工合成材料，对目标分子具有良好的选择性和富集性，且具有快速便捷、特异性好、重复利用性好等优势[57]。As(III)-IIPs制备所用的功能单体可分为有硫脲类、氨基杂环类、羧基类和巯基类，其制备的主要方法有本体聚合、沉淀聚合、表面印迹聚合和乳液聚合四种，不同的制备方法可通过不同的特点影响As(III)-IIPs性能，且可利用超声和微波等辅助手段，来简化制备流程、提高IIP的性能。此外，IIPs可与多种分析方法联用形成新型的As(III)离子残留吸附和检测方法。

虽然目前对于As(III)离子印迹聚合物的研究已有部分报道，但对于As(III)-IIPs的研究还不够全面，在制备方面和作用效果方面仍存在可进步的空间。针对以上种种问题，在日后的研究方向中，应着眼于以下几个方面：(1)研发、选择或设计新型功能单体，拓展出其他具有高选择性的硫脲类、含氮杂环类、羧基类和巯基类功能单体；(2)尝试研发双/多功能单体离子印迹聚合或者虚拟印迹聚合，提高吸附性能和降低洗脱后模板的残留量；(3)尝试采用环保的提取技术，制备“绿色化学”的印迹聚合物；(4)研究模板离子与生物基质的聚合作用，如核苷酸、氨基酸、抗体等，并解决配合物因亲水性而溶于水的难点；(5)优化载体材料，选用更加稳定、环保、可重复性高、成本低的材料；(6)增加As(III)离子印迹聚合物与分析方法的应用结合；(7)拓宽IIP在电化学和光学领域的研究。

综上所述，As(III)离子印迹聚合物的发展前景仍十分广阔，还需要更多科学家和研究学者在此方面投入更多的研究经历，以此来提高聚合物的性能和降低As(III)对人类和环境的危害。