王莉燕, 王加男, 李金花, 陳令新

(1. 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所, 中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室, 山東 煙臺 264003; 2. 煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005; 3. 煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山東 煙臺 264006; 4. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

抗生素(antibiotics)殘留問題是當(dāng)今國內(nèi)外重要的研究熱點。自從1929年青霉素問世以來,抗生素成為改善人類和動物健康的福音,其主要包括磺胺類(sulfonamides, SAs)、氟喹諾酮類(fluoroquinolones, FQs)、β-內(nèi)酰胺類(β-lactams)、氨基糖苷類(aminoglycosides, AGs)、四環(huán)素類(tetracyclines, TCs)、大環(huán)內(nèi)酯類(macrolides, MACs)和氯霉素類(chloramphenicols, CPs)等,廣泛應(yīng)用于疾病治療、畜牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。然而,抗生素的濫用會導(dǎo)致其在動物體內(nèi)和環(huán)境中殘留并累積,不僅能誘導(dǎo)耐藥性細(xì)菌的生長,而且會通過食物鏈蓄積毒性,對生態(tài)環(huán)境造成一定危害,最終危害人體健康[1,2]?？股貫E用導(dǎo)致的細(xì)菌耐藥性已成為威脅人類健康的焦點問題,2015年第六十八屆世界衛(wèi)生大會批準(zhǔn)《抗微生物藥物耐藥性全球行動計劃》,旨在應(yīng)對抗微生物藥物耐藥性問題,包括抗生素耐藥性這一最緊迫的耐藥趨勢[3]。

抗生素的殘留量通常為痕量或超痕量水平(多以 μg/L或ng/L來計),更低的檢出限、更多組分的同時檢測和更短的檢測時間是抗生素檢測的突破方向。食物和環(huán)境樣品基質(zhì)復(fù)雜,且殘留的抗生素含量低、種類多,需要采取前處理技術(shù)最大限度地降低乃至去除基質(zhì)的干擾并濃縮富集目標(biāo)物,從而提高方法的檢測靈敏度。目前,最常用于分析抗生素的前處理方法是固相萃取法(SPE)[4],但市售的萃取填料選擇性低,在分析濃度極低的液體樣品時,富集倍數(shù)有限,很容易將共存的干擾物一起萃取出來;而且萃取操作過程復(fù)雜、費時費力,填料消耗較多,在處理復(fù)雜樣品時容易發(fā)生柱堵塞現(xiàn)象。為了降低乃至去除基質(zhì)干擾,實現(xiàn)抗生素的簡便、快速和靈敏分析,發(fā)展選擇性高且能實現(xiàn)簡便富集、快速分離的固相萃取吸附材料和技術(shù)成為研究的焦點,其中,采用分子印跡技術(shù)制得的分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)擁有與目標(biāo)分子高度匹配的特異性識別位點,在樣品前處理領(lǐng)域備受青睞[5]。本課題組[6,7]對分子印跡的內(nèi)涵、制備方法及熱點應(yīng)用進(jìn)行了綜合性評述,并總結(jié)了MIPs固相萃取研究進(jìn)展。李攻科課題組[8]綜述了分子印跡微萃取技術(shù)的研究進(jìn)展;歐陽剛峰課題組[9]總結(jié)了磁性MIPs在樣品制備中的應(yīng)用。Bitas和Samanidou[4]對MIPs萃取結(jié)合色譜分析用于牛奶中抗生素測定進(jìn)行了總結(jié);Mohsenzadeh等[10]綜述了MIPs用于牛奶中抗生素測定的研究進(jìn)展。因此,本文對MIPs在抗生素殘留檢測中的樣品前處理應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),提出MIPs制備面臨的挑戰(zhàn),重點介紹了抗生素MIPs的固相萃取應(yīng)用及其制備新策略(見圖1)。

1 分子印跡聚合物

1.1 分子印跡技術(shù)

分子印跡技術(shù)是在模擬自然界中酶-底物及抗原-抗體之間相互作用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種技術(shù),可制備對特定目標(biāo)分子具有特異選擇性的分子印跡聚合物，常被形象地描繪為制造識別“分子鑰匙”的“人工鎖”技術(shù)[6,7]。分子印跡過程通常分為3部分[11]: (1)模板分子與功能單體通過一定的方式(如非共價結(jié)合(氫鍵、靜電作用力、疏水作用力)、共價結(jié)合、配位作用等)進(jìn)行預(yù)組裝,形成主客體配合物;(2)加入交聯(lián)劑,通過一定的引發(fā)方式引發(fā)(如引發(fā)劑引發(fā)、熱引發(fā)、光引發(fā)等)進(jìn)行聚合,生成高度交聯(lián)的高分子聚合物;(3)用適當(dāng)?shù)氖侄?如索氏抽提等)洗脫去除模板分子,得到對模板分子具有構(gòu)效預(yù)定性、特異識別性的MIPs。

目前用于MIPs制備的方法主要有自由基聚合和溶膠-凝膠法。自由基聚合主要包括傳統(tǒng)的本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合等,已被用于無定形[12]、球形[13-16]、樹枝狀[17]、整體柱[18]、膜[19]等不同形貌MIPs的制備。其中,本體聚合易于操作控制,但得到的聚合物顆粒大小不一,形狀不規(guī)則,降低了其在色譜應(yīng)用中的柱效率,造成峰拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重;沉淀聚合、懸浮聚合、乳液聚合是制備球形顆粒MIPs的有效方法;基于烷氧基硅烷(TEOS、TMOS等)水解的溶膠-凝膠聚合,條件溫和,能夠在水相識別,并克服了自由基聚合多在有機相中合成的缺點,已經(jīng)發(fā)展成為分子印跡一個重要的研究方向[6]。

1.2 MIPs制備中的挑戰(zhàn)

MIPs在聚合方法、聚合物形貌、應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,然而,一些亟待解決的問題[6,20,21]限制了MIPs的應(yīng)用,主要包括以下幾點:

(1)MIPs結(jié)合容量低。MIPs制備過程中使用大量交聯(lián)劑,使得單位質(zhì)量印跡聚合物中的識別位點數(shù)量有限,且大部分識別位點處于交聯(lián)聚合物內(nèi)部,介質(zhì)擴散阻力大,目標(biāo)識別分子難以接近這些內(nèi)部空穴,造成無效識別位點。采用表面印跡技術(shù)可有效解決這一問題。

(2)模板分子洗脫不徹底造成模板泄漏干擾。傳統(tǒng)聚合方法得到的聚合物微球內(nèi)部的印跡分子包埋過深,不易洗脫,位點無法利用;在萃取過程中,MIPs中未洗脫的模板分子可能出現(xiàn)泄漏,干擾真實樣品的檢測結(jié)果。采用虛擬模板策略可有效克服模板泄漏造成的干擾。

(3)MIPs水相識別能力差。目前水環(huán)境下的分子識別問題仍是一個較大挑戰(zhàn),原因在于:首先,常用的制備方法主要為非共價法,其中單體和模板分子之間的作用力主要為氫鍵,而水能破壞單體和模板之間的氫鍵作用力,使得MIPs在水相中識別能力差;其次,MIPs屬于有機高聚物,與水的極性相差較大,難以在水相中均勻分散,限制了其在水體環(huán)境中的應(yīng)用。常采用的解決方案是通過不受水干擾的作用力進(jìn)行印跡,如金屬螯合作用力、疏水作用力;對MIPs表面進(jìn)行親水性改性,如引入親水性功能單體、接枝親水性的聚合物刷。

(4)有效用于印跡的功能單體和交聯(lián)劑種類較少。對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊的模板分子難以進(jìn)行特異性結(jié)合和聚合反應(yīng),極大限制了分子印跡技術(shù)的發(fā)展。需要發(fā)展新型的具有多功能的單體(如離子液體[22]等)和相應(yīng)穩(wěn)定有效的交聯(lián)劑。此外,一些特異性好的功能單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑成本比較昂貴,需要研究探索一些便宜常見且實用的反應(yīng)原料。

(5)MIPs合成方式有限?，F(xiàn)階段MIPs材料合成方式還局限于溶膠-凝膠聚合、自由基聚合、單/多種子溶脹聚合等經(jīng)典方式,但是對于有效識別位點的可控、定向合成方式有待探索。嘗試?yán)命c擊化學(xué),通過銅催化疊氮化物-炔烴環(huán)加成反應(yīng),在聚合物表面引入功能鏈以實現(xiàn)精確定位結(jié)合模板分子的基團(tuán),該方法制備的MIPs甚至能區(qū)分細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化[23]。嘗試?yán)门鹩H和可控定向表面印跡[24],通過調(diào)節(jié)印跡時間來精確控制調(diào)整印跡層厚度,同時簡化印跡步驟。嘗試?yán)秒p模板對接定向印跡[25],通過模板-模板對接而實現(xiàn)在介孔材料內(nèi)部的空間定向印跡,提高印跡效率。上述方法成功實現(xiàn)了有效識別位點的可控、定向合成,與此同時,在定量合成一定數(shù)量的識別位點等方面還需進(jìn)一步探索。

(6)對MIPs從綠色合成到綠色應(yīng)用方面亟須加強。應(yīng)該從對環(huán)境無污染和生態(tài)友好方面來合理設(shè)計和制備MIPs并進(jìn)行綠色應(yīng)用。在MIPs的設(shè)計合成中,利用計算機輔助設(shè)計,篩選和優(yōu)化MIPs的制備條件,減少廢棄物的產(chǎn)生,降低實驗成本,節(jié)約時間,提高成功率。尋找環(huán)保的試劑來制備MIPs,如使用生物源的功能單體/交聯(lián)劑,使用離子液體作為功能單體,使用水作為綠色致孔溶劑和模板去除溶劑等。嘗試采用簡單、快速的聚合方法制備MIPs,如一鍋表面印跡法、一步沉淀聚合法、溶膠-凝膠法、可控/活性自由基聚合等。將MIPs應(yīng)用于小型/微型化、操作簡單、易分離的樣品前處理技術(shù)中,如分散固相萃取(DSPE)、固相微萃取(SPME)、磁固相萃取(MSPE)等,減少MIPs和有機試劑的使用量,節(jié)省前處理時間。

2 MIPs在抗生素吸附萃取中的應(yīng)用

MIPs具有構(gòu)效預(yù)設(shè)性、特異選擇性、穩(wěn)定性、制備成本低、可重復(fù)使用等特點,作為一種高效的吸附萃取材料,已被廣泛用于復(fù)雜樣品中痕量抗生素的高選擇性濃縮富集,并發(fā)展了基于這些MIPs材料的固相萃取[18,22,26-53]、分散固相萃取[19,54-57]、磁固相萃取[58-73]、基質(zhì)固相分散萃取(MSPD)[74,75]、固相微萃取[76-80]、攪拌棒吸附萃取(SBSE)[81-84]等固相萃取方法,結(jié)合色譜等分離檢測技術(shù),實現(xiàn)了復(fù)雜樣品中多種抗生素污染物的快速、同時、選擇性富集和靈敏檢測。MIPs在抗生素吸附萃取中的應(yīng)用見表1。

2.1 MIPs在固相萃取中的應(yīng)用

固相萃取是一種基于液-固相色譜理論的前處理技術(shù),利用固相吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)物進(jìn)行選擇性吸附萃取,然后再用洗脫液洗脫或加熱解吸附,達(dá)到分離和富集目標(biāo)化合物的目的。SPE主要過程包括活化、上樣、淋洗、洗脫,在很多國家或機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)方法中將固相萃取作為標(biāo)準(zhǔn)樣品前處理技術(shù),SPE也是用于復(fù)雜基質(zhì)樣品中抗生素富集濃縮的常規(guī)前處理方法。研究者們采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合、溶膠-凝膠聚合、本體聚合、自由基聚合、表面印跡、納米印跡技術(shù)制備了多種性能優(yōu)異的球形、核殼、中空等結(jié)構(gòu)的MIPs以及整體柱,用于選擇性固相萃取食品[18,26-45]、土壤[22,46]、環(huán)境水樣[47-50]、藥劑[51,52]、農(nóng)作物[53]樣品中的抗生素。Shao等[29]以左氧氟沙星為模板,制備了MIPs整體柱,結(jié)合HPLC-MS,檢測嬰兒配方粉中6種氟喹諾酮類抗生素,得到回收率為82.91%～102.00%,檢出限和定量限分別為0.19～1.24 μg/kg和0.63～4.13 μg/kg。Lian等[47,49]先后制備了以環(huán)丙沙星為模板的MIPs和以氯霉素為模板的MIPs,研磨后用作SPE吸附劑,分別選擇性富集萃取海水中的環(huán)丙沙星和氯霉素。Zhu等[22,46]采用離子液體作為功能單體制備MIPs,用于土壤中磺胺類抗生素的萃取分離。Song等[34]通過計算模擬篩選出兩種合適的虛擬模板分子,制備出能夠同時識別8種氟喹諾酮和8種磺胺的MIPs,同時制備并優(yōu)化SPE柱,結(jié)合超高效液相色譜檢測雞肉和豬肉中16種抗生素,得到回收率為92%～99%,檢出限為1.0～3.4 ng/g。其他研究者也報道了基于MIPs的可選擇性富集萃取食品、環(huán)境等樣品中抗生素的SPE方法(見表1)。

2.2 MIPs在分散固相萃取中的應(yīng)用

分散固相萃取是在傳統(tǒng)SPE的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型樣品前處理技術(shù),與SPE的原理基本相同,是利用固體吸附劑對液體試樣中各組分的吸附力差異而實現(xiàn)待測組分和干擾組分分離的技術(shù)。DSPE無需淋洗,萃取時間更短,吸附劑能充分分散到樣品溶液中從而有效增大接觸面積,凈化后的樣品經(jīng)過振蕩離心后,上清液可直接或經(jīng)過簡單處理后進(jìn)入下一分析步驟中,是一種快速、簡單、高效、試劑消耗少的前處理技術(shù)。Chen等[54]采用非共價分子印跡方法,制備了氧化石墨烯官能化的頭孢羥氨芐MIPs，用于分散固相萃取,結(jié)合超高效液相色譜-二極管陣列檢測(UPLC-DAD)，得到檢出限為0.01 μg/mL。Ji等[55]以螺旋霉素為模板分子,以介孔分子篩MCM-41為支撐材料,制備中空多孔MIPs,用于DSPE蜂蜜中7種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,結(jié)合HPLC-MS/MS測定,得到回收率為88.0%～117%,檢出限為3～17 ng/kg。Rozaini等[19]以磺胺甲惡唑為模板分子制備MIPs混合基質(zhì)膜,用于萃取富集3種磺胺類抗生素化合物,結(jié)合HPLC-DAD,得到回收率為80%～96%,檢出限為0.06～0.17 μg/L,定量限為0.20～0.56 μg/L。也有研究者通過在聚偏氟乙烯(PVDF)等膜上固載氯莫西林MIPs[56]或替考拉寧MIPs[57]制備MIPs膜,用于選擇性富集分離抗生素。

2.3 MIPs在磁固相萃取中的應(yīng)用

磁固相萃取是基于磁性微球材料的新型樣品前處理技術(shù),在磁固相萃取過程中,不需要裝填萃取柱,而是將磁性吸附劑添加到樣品的溶液或懸浮液中,使吸附劑能充分分散到樣品溶液中,目標(biāo)分析物被吸附到分散的磁性吸附劑表面,通過施加外部磁場,使目標(biāo)分析物與樣品基質(zhì)分離開來。MSPE僅通過施加一個外部磁場即可實現(xiàn)相分離,可以在短時間內(nèi)分離大體積樣品中的痕量物質(zhì),目標(biāo)分析物與吸附基質(zhì)的接觸面積大大增加,磁性吸附劑經(jīng)適當(dāng)?shù)娜軇┙馕罂梢匝h(huán)使用,且在處理復(fù)雜的環(huán)境樣品時不會存在傳統(tǒng)固相萃取中常遇到的柱堵塞問題。本課題組先后采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合、溶膠-凝膠聚合技術(shù),制備Fe3O4為核的磁響應(yīng)[58]、磁/溫雙響應(yīng)[59]、磁/光雙響應(yīng)[60]的MIPs,并用于海水、土壤、食物等樣品的前處理。目前,以Fe3O4納米球為核制備磁性MIPs用于MSPE的報道最為常見[61-73],如Peng等[61]通過在羧基官能化的Fe3O4@多面體低聚硅倍半氧烷(POSS)表面構(gòu)建四環(huán)素MIPs用作MSPE吸附劑,從牛奶中富集四環(huán)素類抗生素,結(jié)合HPLC-UV,得到回收率為86.2%～105.7%,檢出限為2.23～26.84 ng/mL。孫佳佳等[66]以Fe3O4納米球為核,以螺旋霉素為模板,制備MIPs磁性納米吸附劑用于富集4種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,結(jié)合HPLC-UV,得到回收率為80.78%～123.02%,檢出限為0.53～2.75 μg/L,定量限為1.78～9.16 μg/L。

2.4 MIPs在基質(zhì)固相分散萃取中的應(yīng)用

基質(zhì)固相分散萃取是將固相吸附材料直接添加到樣品基質(zhì)中,機械混勻后得到半干狀態(tài)的混合物,并將得到的混合物作為填料裝柱,然后用少量試劑清洗柱子去除雜質(zhì),最后用少量洗脫劑將目標(biāo)物洗脫下來。該技術(shù)集樣品破碎、提取、凈化于一體,可從同一樣品中選擇性洗脫單一化合物或幾類化合物,既避免了樣品損失,消除了基質(zhì)干擾,又減少了試劑的使用量,操作簡便快捷,適于自動化分析。Wang等[74]將吡哌酸、磺胺苯甲酰胺、四環(huán)素作為混合模板,制備同時識別8種氟喹諾酮、8種磺胺和4種四環(huán)素的MIPs,并開發(fā)了基于該MIPs的MSPD前處理方法,結(jié)合超高效液相色譜法檢測豬肉中該20種抗生素,得到回收率為74.5%～102.7%,檢出限為0.5～3.0 ng/g。Wang等[75]使用金屬有機骨架作為載體材料,四環(huán)素作為模板分子,3-氨基苯硼酸作為功能單體和交聯(lián)劑,制備能夠選擇性識別奶粉中四環(huán)素的MIPs,并將該MIPs用于MSPD,結(jié)合UPLC-MS/MS,得到回收率為84.7%～93.9%,檢出限為0.217～0.318 ng/g。

2.5 MIPs在固相微萃取中的應(yīng)用

固相微萃取是通過涂覆固定相的萃取纖維來吸附、富集樣品中的目標(biāo)物,是可同時進(jìn)行樣品采集、萃取、富集濃縮、進(jìn)樣的微型化前處理技術(shù)。SPME的萃取過程主要包括吸附和解吸兩步。首先,將SPME萃取頭插入樣品瓶,釋放出萃取纖維于待測液中吸附目標(biāo)物;當(dāng)目標(biāo)物在樣品溶液和纖維涂覆的涂層中達(dá)到分配平衡后,將萃取纖維收回至SPME裝置,取出待用。在色譜檢測進(jìn)樣時,可通過熱脫附或溶劑脫附,將吸附組分從萃取纖維中解吸下來而后檢測。李攻科課題組[76,77]制備了一系列固載MIPs涂層的SPME纖維,用于四環(huán)素、雌激素等的選擇性萃取。Barahona等[78]以恩諾沙星為模板,在聚丙烯中空纖維(HF)的孔中構(gòu)建MIPs,并將該MIPs-HF膜用于SPME,以富集地表水、地下水和尿液中的諾氟沙星、環(huán)丙沙星、達(dá)氟沙星、恩諾沙星,結(jié)合HPLC-MS/MS，得到檢出限為0.1～10 μg/L。Mirzajani等[79]以環(huán)丙沙星為模板,在不銹鋼絲上制備MIPs,并將其用于SPME血漿、血清和藥物樣品中的環(huán)丙沙星、氧氟沙星、諾氟沙星和左氧氟沙星,結(jié)合HPLC-UV，得到檢出限為0.023～0.033 μg/L。Liu等[80]以羅紅霉素為模板分子,在木尖表面修飾MIPs涂層，發(fā)展了一種SPME,并將其用于富集飲用水、蜂蜜和牛奶樣品中的5種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,結(jié)合電噴霧電離-質(zhì)譜(ESI-MS)分析,檢出限分別為0.003～0.05、1.1～5.1和1.9～15.8 ng/g,回收率為73.4%～98.1%,標(biāo)準(zhǔn)偏差不高于8.6%。

2.6 MIPs在攪拌棒吸附萃取中的應(yīng)用

攪拌棒吸附萃取是一種新型的固相微萃取樣品前處理技術(shù),是在內(nèi)封磁芯的玻璃管上涂覆萃取吸附涂層,目標(biāo)物在樣品基質(zhì)和攪拌棒表面涂覆的涂層之間達(dá)到分配平衡后,利用熱脫附或溶劑脫附技術(shù)解吸后進(jìn)樣分析。相對于SPME, SBSE的固定相面積大,萃取容量高,在自身攪拌的同時進(jìn)行萃取富集。目前,聚二甲基硅烷(PDMS)被廣泛用于商品化SBSE涂層,其種類單一,選擇性不高,MIPs的引入拓寬了其應(yīng)用范圍。李攻科課題組[81,82]制備了一系列MIPs涂層的萃取攪拌棒,并將其成功應(yīng)用于選擇性萃取富集復(fù)雜基質(zhì)樣品中的磺胺類抗生素、農(nóng)藥等。Yang等[83]以二氟沙星和氧氟沙星為模板分子,制備了能夠識別9種氟喹諾酮抗生素的雙模板MIPs涂覆的攪拌棒,結(jié)合HPLC測定肉中9種抗生素,該攪拌棒具有高濃縮因子(33～47倍)、高捕獲能力(4 640～4 950 ng)和高回收率(>90%),檢出限為0.1～0.3 ng/g。Tang等[84]在玻璃棒表面原位聚合制備了氨基脲MIPs涂層,而后將該攪拌棒用于SBSE魚肉中的氨基脲,結(jié)合HPLC-UV,得到檢出限為0.59 ng/mL。

3 抗生素MIPs萃取材料的制備新策略

MIPs作為固相萃取吸附劑,在消除基質(zhì)干擾、選擇性富集檢測痕量抗生素方面發(fā)揮了重要作用。為進(jìn)一步提高萃取效率,制備吸附量更大、選擇性更高、親水性更好、便于分離的MIPs,就需要引入新的印跡制備策略,如多模板、多功能單體、虛擬模板、刺激(磁、溫度等)響應(yīng)、親水性等策略,并探索多種印跡策略的合理有效、協(xié)同組合方式。

3.1 多模板印跡策略

多模板印跡策略以多種分子同時為模板制備多模板MIPs,使其含有多種模板分子的識別位點,由于MIPs的結(jié)合位點和識別能力擴大,可以實現(xiàn)多種物質(zhì)的同時識別、富集和分離,大大節(jié)省了時間和提高M(jìn)IPs的利用效率,在復(fù)雜樣品多殘留、高通量分析中應(yīng)用潛力巨大[12]。

圖 2 (a)多模板、(b)虛擬模板、(c)磁響應(yīng)和(d)溫度響應(yīng)MIPs的制備過程示意圖Fig. 2 Schematic illustration for preparation of (a) multi-template[88], (b) dummy template, (c) magnetic-responsive and (d) thermo-responsive MIPs MAA: methacrylic acid; EGDMA: ethylene glycol dimethacrylate; AIBN: 2,2-azo-bis-isobutyronitrile.

本課題組采用多模板印跡策略,先后制備出以6種酚類化合物為模板的MIPs[85]、16種PAHs為模板的MIPs[86]和3種維他命B為模板的MIPs[87],并分別應(yīng)用于海水、工業(yè)廢水、飲料等實際樣品前處理中。Lu等[88]以諾氟沙星和恩諾沙星為模板分子,通過沉淀聚合制備雙模板MIPs(dt-MIPs),如圖2a所示,將其用于DSPE湖水、河水和海水中的諾氟沙星和恩諾沙星,結(jié)合HPLC-UV,得到諾氟沙星的檢出限和定量限分別為0.22 μg/L和0.67 μg/L,恩諾沙星的檢出限和定量限分別為0.36 μg/L和0.98 μg/L,回收率為80.9%～101.0%。王建平課題組采用多模板印跡策略制備出能夠識別9種氟喹諾酮抗生素的dt-MIPs[83],8種氟喹諾酮與8種磺酰胺MIPs的dt-MIPs[34],以及8種氟喹諾酮、8種磺胺和4種四環(huán)素的三模板MIPs[74],將以上3種MIPs分別作為固相吸附劑,對豬肉和雞肉中的多類抗生素進(jìn)行同時分離富集。Xie等[89]以紅霉素、四環(huán)素和氯霉素為模板制備了三模板MIPs用作SPE填料,結(jié)合HPLC,同時高選擇測定了牛奶中的該3種抗生素殘留。Kechagia等[90]以6種磺胺類抗生素的混合物為模板,采用一鍋法合成多模板MIPs,將其作為SPE吸附劑并結(jié)合HPLC-DAD實現(xiàn)了對牛奶中該6種抗生素的同時高效識別、萃取和檢測。Ma等[91]以環(huán)丙沙星和左氧氟沙星混合為模板,1-乙烯基-3-乙基咪唑溴化物為功能單體,氧化石墨烯為核心材料,制備了分子印跡SPE整體柱,結(jié)合HPLC測定了人尿液中的環(huán)丙沙星和左氧氟沙星。

3.2 多功能單體印跡策略

多功能單體印跡策略是利用兩個或兩個以上功能單體與模板分子不同識別位點作用,充分發(fā)揮多種功能單體的協(xié)同優(yōu)勢,增加MIPs的識別位點數(shù)量,增強MIPs的選擇性和富集能力,實現(xiàn)多種抗生素的同時識別與富集,此策略適用于高分離度要求的樣品的分析。本課題組利用明膠、殼聚糖、8-羥基喹啉3種功能單體中豐富的官能團(tuán)形成多作用位點來結(jié)合目標(biāo)離子,制得銅離子印跡聚合物[92];使用甲基丙烯酸和4-乙烯基吡啶為功能單體,制得鉛離子印跡聚合物,具有良好印跡性能[93]。Li等[94]以甲基丙烯酸和丙烯酰胺為雙功能單體,制備氯霉素MIPs用于富集萃取豬肉和蜂蜜中的氯霉素。Xu等[95]以牛血清和多巴胺為雙功能單體,制備了四環(huán)素MIPs,用于從牛奶樣品中直接選擇性地分離四環(huán)素。此外,傳統(tǒng)聚合功能單體與溫敏性單體結(jié)合,可以制備溫度響應(yīng)型MIPs。

3.3 虛擬模板印跡策略

虛擬模板印跡策略是以與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)、大小、形狀等類似的分子為模板分子制備MIPs,一方面可減少模板的泄漏對檢測結(jié)果的干擾,另一方面可根據(jù)一類目標(biāo)分子的共有結(jié)構(gòu)選擇合適的虛擬模板對一些具有共同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)進(jìn)行選擇性富集、分離和測定。此策略適用于溶解度過低、價格昂貴、有毒有害、易燃易爆等不適宜直接作模板的物質(zhì)的檢測,圖2b顯示的是采用虛擬模板印跡策略制備MIPs的基本過程。本課題組[96]以三硝基苯酚為虛擬模板,采用溶膠-凝膠聚合制備MIPs,并將其用于土壤樣品中三硝基甲苯炸藥的高靈敏檢測。付珍珍等[97]以鹽酸強力霉素為虛擬模板合成四環(huán)素類MIPs,并將其作為填料制備SPE柱,結(jié)合HPLC檢測牛奶中的四環(huán)素、土霉素和金霉素。Song等[98,99]分別以泰拉霉素、泰樂菌素為虛擬模板合成MIPs,用于分離富集豬肉或環(huán)境水樣中的多種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。Meng等[100]使用綠色溶劑的低共熔溶劑(DES)作為致孔劑,以加替沙星為虛擬模板制備MIPs,結(jié)合UPLC測定人血漿中的左氧氟沙星,檢出限和定量限分別為0.012 μg/mL和0.04 μg/mL。

圖 3 光/磁雙響應(yīng)MIPs的制備過程示意圖[105]Fig. 3 Schematic illustration for the preparation of photo-responsive magnetic MIPs[105] TEOS: tetraethoxysilane; MPS: 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane; MAPASA: 4-[(4-methacryloyloxy) phenylazo] benzenesulfonic acid.

3.4 刺激響應(yīng)策略

刺激響應(yīng)策略是通過構(gòu)建對外界刺激有規(guī)律性響應(yīng)的MIPs,以實現(xiàn)對目標(biāo)分子特異控釋的智能化控制方法。這種策略的優(yōu)勢在于打破原有響應(yīng)模式,以外界刺激作為MIPs的智能識別條件,主要包括磁響應(yīng)、溫度響應(yīng)、光響應(yīng)及pH響應(yīng)。磁響應(yīng)和溫度響應(yīng)是抗生素MIPs的最常見響應(yīng)方式。

磁響應(yīng)MIPs的制備,通常是在磁性材料(如Fe3O4納米球)表面制備MIPs層,該MIPs具有較大的比表面積,可有效解決傳統(tǒng)方法制備的MIPs結(jié)合容量低、模板分子難以洗脫等問題;具有磁性的MIPs可在外界磁場作用下進(jìn)行定向移動,磁響應(yīng)MIPs通常與MSPE相結(jié)合,實現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)中目標(biāo)物的快速萃取、分離。其中,Fe3O4納米球是最常用的磁性載體(內(nèi)核),利用其制備Fe3O4@MIPs微球(見圖2c),用作MSPE吸附材料,從食品、環(huán)境等樣品中快速和選擇性地富集抗生素[61-73]。利用其他磁性材料為載體制備磁性MIPs也屢見報道[101-103],如Hu等[101]以氧氟沙星為模板分子,在磁性羧化纖維素納米晶體(M-CCN)表面構(gòu)建MIPs層,并將該M-CCN@MIPs應(yīng)用于河水中7種氟喹諾酮類抗生素的萃取。

溫度響應(yīng)MIPs的制備通常是在聚合體系中引入溫度敏感型功能單體(如N-異丙基丙烯酰胺)。溫度響應(yīng)MIPs既帶有疏水基團(tuán)又帶有親水基團(tuán),在低溫時,聚合物鏈上的親水部分與水分子之間形成的氫鍵作用占主導(dǎo)地位,提高了該聚合物在水中的溶解性能;當(dāng)溫度高于低臨界溶解溫度時,氫鍵被破壞,疏水作用增大,高分子鏈聚集,凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮,溶脹率急劇下降,從而達(dá)到通過溫度升降來實現(xiàn)目標(biāo)分子的可逆識別與萃取的目的,并能夠調(diào)節(jié)聚合物的水溶性,基本制備過程見圖2d。Huang等[104]在硅球表面通過溫度敏感單體N-異丙基丙烯酰胺制備磺胺二甲嘧啶MIPs。

光響應(yīng)MIPs的制備,是在MIPs中引入光敏基團(tuán),利用光照變化引起光敏基團(tuán)結(jié)構(gòu)、極性等變化,從而引起整個MIPs形態(tài)的變化,以達(dá)到控釋模板分子的目的,避免了大量洗脫劑的使用,實現(xiàn)了簡單快速的MIPs循環(huán)使用。Chen等[105]以磺胺嘧啶為模板分子,親水性的4-[(4-甲基丙烯酰氧基)苯偶氮]苯磺酸(MAPASA)為功能單體,以Fe3O4為核,制備了光/磁雙響應(yīng)印跡微球,用作MSPE吸附劑,實現(xiàn)光控下對環(huán)境水樣中4種磺胺類抗生素的選擇性萃取(見圖3),方法簡單、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

3.5 親水性印跡策略

親水性印跡策略是通過不受水干擾的作用(如金屬螯合作用力、π-π偶極作用、疏水作用等),引入帶有親水性基團(tuán)的功能單體或MIPs表面接枝親水刷等方式制備MIPs,大大提高了MIPs在水相中的識別能力。Zhu等[106]通過以含有親水基團(tuán)的1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯化物離子液體和2-羥乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)為功能單體,在水中合成了具有良好水相容性的環(huán)丙沙星MIPs,將其用于湖水、河水、土壤、豬肉樣品的固相萃取。Zhao等[107]利用可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移與回流沉淀聚合接枝親水性刷,制備了水相容性磺胺嘧啶MIPs,用于固相萃取,結(jié)合HPLC-MS/MS測定了動物源性食品和水樣中6種磺胺類抗生素。

4 結(jié)論與展望

本文簡要介紹了MIPs的制備方法與挑戰(zhàn),重點綜述了抗生素MIPs的固相萃取應(yīng)用及印跡新策略。通過總結(jié)這些研究,發(fā)現(xiàn)其主要的創(chuàng)新性集中于抗生素MIPs的合成方法和印跡策略的選擇,以及樣品前處理技術(shù)的模式選擇和條件優(yōu)化。印跡新策略的發(fā)展,尤其是多種印跡策略的組合使用,可有效解決傳統(tǒng)MIPs結(jié)合容量低、模板泄漏干擾檢測、水相識別困難等問題,從而制備出性能更為優(yōu)異、易分離、智能控釋的MIPs作為固相吸附劑,可為復(fù)雜樣品的前處理提供良好的技術(shù)支撐,可為消除基質(zhì)干擾、高選擇性富集痕量抗生素奠定堅實基礎(chǔ)。同時,也應(yīng)該指出,多模板MIPs雖然適于多殘留、高通量分析,但是如何巧妙組合多種不同的模板分子以獲得對多種目標(biāo)物最優(yōu)的選擇性,仍然是難點和發(fā)展方向。如何巧妙設(shè)計合成專一性功能單體,如何組合多種功能單體以提高M(jìn)IPs選擇性,如何選擇合適的虛擬模板,如何巧妙組合各種印跡策略并獲得最佳的協(xié)同效應(yīng),都是MIPs合成的發(fā)展方向。此外,為了響應(yīng)綠色可持續(xù)發(fā)展的號召,需要進(jìn)一步發(fā)展高效、智能、綠色環(huán)保的MIPs,并對目前的樣品前處理技術(shù)進(jìn)行改良,實現(xiàn)微型化、快速、準(zhǔn)確和高選擇性地萃取復(fù)雜基質(zhì)中的目標(biāo)分析物。而且,MIPs在SPE中的應(yīng)用較為普遍,而在MSPD、SPME和SBSE中的應(yīng)用研究還不十分深入,這就對豐富和擴大MIPs在樣品前處理的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。