抗生素分子印迹聚合物制备及环境应用研究进展.pdf

谢春生等：抗生素分子印迹聚合物制备及环境应用研究进展第5期收稿编号：2022.06.09.0008基金项目：肇庆学院创新科研团队项目（肇学院 2021 31号）；2023年广东省普通高校自然科学类（重点领域专项）项目；广东省大学生创新创业训练计划项目(S202010580061)作者简介：谢春生（1980-），广西岑溪人，男，肇庆学院环境与化学工程学院教授，博士.通信作者：吴贤格（1969-），湖南慈利人，男，肇庆学院环境与化学工程学院副教授，博士.抗生素分子印迹聚合物制备及环境应用研究进展谢春生1,2，游姿1，冯静怡1，张晓冰1，吴贤格1,2（1.肇庆学院 环境与化学工程学院，广东 肇庆 526061；2.广东省环境健康与资源利用重点实验室，广东 肇庆 526061）摘 要:抗生素分子印迹聚合物可以实现对环境中的抗生素污染物残留的选择性吸附，对环境中的抗生素污染物残留的检测与治理具有广阔的应用前景.研究了各种抗生素分子印迹聚合物制备及应用现状，以及抗生素分子印迹聚合物在耦合纳米技术吸附抗生素和耦合光催化选择性吸附降解环境中抗生素研究方面的新进展.关键词：分子印迹聚合物；分子印迹技术；抗生素污染物；研究进展中图分类号：O621.3文献标志码：A文章编号：1009-8445（2023）05-0001-08肇庆学院学报JOURNAL OF ZHAOQING UNIVERSITY第44卷 第5期2023年9月Vo1.44,No.5Sept.2023针对目标分子，通过化学反应制备得到的能够特异性结合目标分子的印迹材料被称为分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers,MIPs）1.分子印迹聚合物通常是由功能单体和交联剂等共聚合成；共聚反应结束后,采用物理或化学的方法将模板分子从高度交联的高分子基质中洗脱，能够获得在形状、尺寸、互补官能团及其排列等方面均为模板分子量身定做的特异性识别空腔，因而制备得到的分子印迹聚合物能够选择性识别和结合模板分子或其结构类似物2.中国是抗生素产量最大的国家，同时也是抗生素使用量最大的国家.由于在医疗、畜禽和水产养殖上大量使用抗生素，导致抗生素不断进入环境中，给生态环境与人体健康带来极大的风险3.部分抗生素具有高毒性、持久性、难生物降解性等.环境中抗生素残留和抗生素基因的分布及其健康风险评价成为近年来国内外研究的热点4-5.在我国地表水体中，抗生素污染物残留检出频率非常高，尤其是磺胺类抗生素和氟喹诺酮类抗生素的检出频率与残留浓度最高6-7.因此，迫切需要开发一种有效而廉价的处理方法，以选择性地识别和去除环境污染物中的目标抗生素.近年来，基于分子印迹的固相萃取技术研究及其在抗生素残留检测中的应用得到了国内外的普遍关注8-10.本文重点介绍近5年国内外研究获得的各种抗生素分子聚合物的制备及性能，以及在抗生素残留检测与去除中的研究进展.1抗生素分子印迹聚合物的制备及应用1.1 磺胺类抗生素分子印迹磺胺类抗生素具有抗菌谱较广、性质稳定、使用简便等优点.但人体长期接触磺胺类抗生素会导致造血机能受到干扰，并引起慢性中毒.Zamora-Glvez等人11报道了一种基于MIPs修饰的磁铁矿纳米粒子的杂化材料，此复合材料的传感系统具有较优的检测限（110-12mol/L），与液相色谱和质谱法相近，可以在海水等复杂的基质中检测磺胺甲噁唑残留.近年来，智能型的高分子聚合物被认为是极具前景的分子印迹材料.陈小娟等12以聚苯乙烯二维光子晶体为模板，磺胺二甲嘧啶为印迹分子，甲醇为溶剂，甲基丙烯酸和二甲基丙烯酸乙二醇酯分别为功能单体和交联剂，2，2-二乙氧基苯乙酮为引发剂，经紫外光引发低温聚合反应，用甲醇/肇庆学院学报第44卷乙酸（体积比9:1）混合液洗脱除去印迹分子，制备得到能够特异性识别磺胺二甲嘧啶的分子印迹二维光子晶体水凝胶（MIPH）；应用此方法制备得到的水凝胶可以方便直观地用于样品中磺胺二甲嘧啶的即时检测.Zhang等人13设计了一种巧妙构思的分子印迹光敏传感器，该传感器将聚甲基丙烯酸（PMAA）嵌入海胆形Bi2S3体系结构中，专门用于灵敏地分析磺胺嘧啶；计算出的检出限为9.0610-8g/L.1.2 四环素类抗生素分子印迹四环素（TC）类药物由于具有广谱抗菌活性，价格低廉，常被广泛用于动物疾病的治疗.Ma等人14以酵母为基础，制备了一种具有热响应性和磁性的新型分子印迹聚合物（TMMIPs），用于选择性吸附水溶液中的四环素.Yeilova 等人15将TC印迹的聚甲基丙烯酸羟乙酯-N-甲基丙烯酰基-L-谷氨酸甲酯poly（HEMA-MAGA）颗粒包埋在聚甲基丙烯酸羟乙酯PHEMA中，制备了具有对TC分子具有选择性识别位点的聚（HEMA-MAGA）凝胶颗粒，对水溶液中四环素的吸附容量达680 mg/g.Jing等人16使用4-氨基硫酚（4-ATP）修饰的金纳米星（GNS）作为强拉曼报告分子，该膜上涂有抗TC单克隆抗体，作为生物识别，可在测试线上获得视觉和拉曼信号，检测到浓度为0.550 ng/mL的TC标准溶液，拉曼信号的检出限（LOD）为0.04 ng/mL.1.3 喹诺酮类抗生素分子印迹喹诺酮类（FQs）通常具有1,4-二氢-4-氧代喹啉-3-羧酸结构，广泛用于临床诊疗，动物疾病预防及促生长.An等17以恩诺沙星为模板，3-氨基丙基三乙氧基硅烷为功能单体，通过溶胶-凝胶法制备了一种新型的磁性分子印迹介孔硅胶，结果表明，与非印迹材料相比，MIPs对恩氟沙星的吸附量明显增加，吸附量达45.74mg/g.Tong等人18利用甲基丙烯酸3-（三甲氧基硅基）丙酯（MPS）修饰 Fe3O4/SiO2微球，制备了磁性分子印迹固相萃取剂耦合液相色谱，同时检测环境水中的4种氟喹诺酮类抗生素，方法的检出限达4.121.3 g/L，方法能够满足环境水样中氟喹诺酮类抗生素的残留检测要求.Lu等人19通过使用诺氟沙星（NOR）和恩诺沙星（ENR）作为双模板，通过沉淀聚合反应制备了具有高吸附能力和对NOR和ENR的优异选择性的双模板分子印迹聚合物（dt-MIP），对湖泊，海水和自来水样品中获得的2个FQ的回收率均在80.9%101.0%的范围内，相对标准偏差为0.9%6.9%.1.4 环丙沙星类抗生素分子印迹环丙沙星（CIP）是第三代氟喹诺酮类抗菌剂，有易于使用，成本低廉的特点，同时针对各种细菌感染的广泛活性具有独特的疗效，所有这些优点促使CIP一直成为最常用的抗生素之一.Lian等人20应用分子印迹固相萃取（MISPE）技术，开发了一种用于天然海水样品中环丙沙星的净化和预富集的高选择性预处理方法，海水样品的回收率介于75.2%112.4%之间，相对标准偏差小于4.46%，并对来自胶州湾的海水样品中的环丙沙星残留进行了实际应用检测分析.Zhu等21合成了一种新型的与水相容的环丙沙星印迹聚合物，由包含1-烯丙基-3-乙烯基咪唑氯和甲基丙烯酸2-羟乙酯的双官能单体提供的亲水基团，包括阴离子氯，羟基和羰基氧，被引入到印迹材料中.MIP对环丙沙星的最大吸附能力达19.96 mg/g，回收率为87.33%102.50%，可应用于分离真实的水样等样品中痕量的环丙沙星.Hashemi等22以合成的分子印迹聚合物为吸附剂，从海水等样品中微量提取环丙沙星并用于后续的检测，在最佳条件下的线性范围提取因子为5150 g/L，分析物的检出限为1.50 g/L，该方法的重现性（相对标准偏差）优于7.0%.Fan等23为了可以快速分离和分析多种水样中的痕量环丙沙星类药物，使用选定的环丙沙星作为模板，介孔二氧化硅改性的磁性氧化石墨烯作为载体，通过表面分子印迹技术制备MIP，并优化了制备条件和吸附条件.MIP对环丙沙星的吸附容量为20.01 mg/g，表现出对环丙沙星类的高吸附能力和出色的选择性识别能力.1.5 氯霉素类抗生素分子印迹氯霉素类抗生素（CAPs）已经广泛应用于治疗和预防家禽、家畜及水产品的疾病，然而长期使用可引起2谢春生等：抗生素分子印迹聚合物制备及环境应用研究进展第5期再生障碍性贫血和其他恶性血液病，故许多国家严格禁止将CAP用于食品动物（特别是蛋鸡和奶牛）中.Dai等24报道了一种新颖的核-壳表面印迹纳米球，该印迹球基于超薄的聚合物膜和磁性介孔纳米二氧化硅（MMSNs MIPs），通过简单的原位沉淀聚合反应而形成的具有与火龙果相似的结构的纳米印迹聚合物，它的吸附容量为232.6 mg/g，能够很好地应用于氯霉素的选择性吸附去除.Qin等人25应用表面印迹技术制备了Fe3O4 SiO2型磁性分子印迹纳米颗粒（NPs），从海洋沉积物样品中选择性分离氯霉素，通过HPLC用紫外二极管阵列检测器（DAD）对CAP进行定量检测，检测极限为0.1 g/L，在0.120 mg/L的CAP浓度之间具有良好的线性响应.Mohamed等人26制备了用于氯霉素吸附的氨基官能化二氧化硅接枝分子印迹聚合物，最大单层吸附能力达32.26 mg/g，可以用作潜在的水相容性吸附剂，以选择性地从水相中吸附和去除CAP.1.6 其他类型抗生素分子印迹Ayankojo等人27通过使用甲基丙烯酰胺（MAAM）作为有机功能单体，四乙氧基硅烷（TEOS）作为无机前体和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMOS）作为偶联剂的溶胶-凝胶法制备薄膜，合成了对阿莫西林（AMO）有选择性的有机-无机杂化MIP薄膜（AMO-MIP），并与表面等离振子共振（SPR）传感器集成在一起；实验结果显示，AMO-MIP膜对AMO的结合能力比相应的非印迹聚合物（NIP）高约16倍；经过AMO-MIP修改的SPR传感器可以检测LOD降至73 pM的AMO.Kuru等人28以无表面活性剂乳液聚合法合成了青霉素G印迹的聚纳米聚合物，以从环境样品中去除抗生素残留物.结果显示在5 mg/mL的青霉素G初始浓度下，纳米聚合物的比吸附值高达71.91 g/g，分子印迹纳米聚合物对青霉素G吸附能力是非印迹纳米聚合物的15倍.Pupin等人29以MAA和TRIM分别为功能单体和结构单体，AIBN为引发剂，密封并在5的水浴中使用125 W高压汞进行通过光聚合的合成策略制备选择性识别青霉素G（也称为苄青霉素）的磁性分子印迹聚合物，与常见的热聚合相比，光聚合具有在较低温度下发生的优势，这可防止分析物降解.2抗生素分子印迹聚合物的应用研究进展2.1 分子印迹耦合纳米技术吸附抗生素分子印迹聚合物在制备过程中如何获得更多的结合位点，更快的传质速度和更便捷的分离方法是应关注的重点.以Fe3O4纳米颗粒为磁性载体（内核），利用其制备Fe3O4MIPs印迹微球，用作磁性固相萃取吸附材料，可以从环境等样品中快捷高效和选择性地吸附富集抗生素30.多种纳米材料对水溶液中的抗生素残留具有良好的吸附效果31，将纳米材料与分子印迹聚合物相结合，可以有效改善传统印迹所存在的聚合物形状不规则，有效结合位点少以及传质速度慢等缺点，成为近年的研究热点32.2.1.1 耦合石墨烯（GO）材料石墨烯具有非常稳定的苯六元环基本结构，并且具有较高的吸附能力和氧化能力.基于石墨烯的吸附和高级氧化工艺去除抗生素已有较多的研究，然而结合分子印迹方面的报道尚较罕见33.Tan等34制备聚多巴胺包覆的氧化石墨烯/Fe3O4印迹纳米颗粒，用于选择性去除氟喹诺酮类抗生素，吸附容量达70.9 mg/g，吸附后纳米颗粒可以很容易地被磁铁分离，然后通过简单的洗涤进行重复吸附来再生；成功用于海水中氟喹诺酮类抗生素的去除，去除效率超过95%.Chen等人35应用非共价分子印迹方法制备了氧化石墨烯（GO）-官能化的分子印迹聚合物（MIP）（GO-MIPs），并将其应用于分散固相萃取（DSPE），对河水和自来水样品的头孢羟氨苄检出限为0.01 g/mL，加标平均回收率在72.5%104.8%之间.Fan等人36使用六种磺胺类抗生素作为模板，介孔二氧化硅负载在磁性氧化石墨烯表面作为载体，以4-乙烯基苯甲酸为功能性单体，在有模板与功能性单体的预聚合条件下制备MIP，用于快速分离和分析环境水样中的磺胺类抗生素.3肇庆学院学报第44卷2.1.2 耦合碳纳米管(CNTs)材料碳纳米管（CNTs）是由石墨片组成的圆柱形、中空结构的纳米碳材料，具有良好的传热性、导电性、较高的机械强度和较大的比表面积，在环境水处理方面显示较强的应用潜力37.碳纳米管与分子印迹技术相结合不仅可以增加其表面结合位点，降低结合位点被包埋的几率，提高结合率，并且可以提高对目标抗生素残留的吸附选择性38.Liu等39基于分子印迹聚吡咯/多壁碳纳米管复合涂层的电化学增强固相微萃取方法，用于选择性萃取水性样品中的氟喹诺酮，尿液样品的回收率为85.1%94.2%，土壤样品的回收率为89.8%95.5%.Wong等人40开发了一种用羧基官能化的多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）和氧化石墨烯（GO）组合修饰而成的基于碳糊电极的电化学传感器，用于灵敏和选择性测定四环素；将GO和MWCNT-COOH掺入碳糊中可改善器件的灵敏度，选择性和稳定性；MWCNT-COOH-GO/CPE传感器成功地用于检测河水等样品中的四环素，相对标准偏差（RSD）小于6.5%（n=3）.Kazemi等人41通过共沉淀法合成了一种新型的高效磺胺嘧啶印迹聚合物，并将其成功接枝在磁性多壁碳纳米管上；在最佳条件下，该方法的检测限为0.56 g/L，富集系数为300.0，该方法成功地用于测定环境水样等样品中的磺胺嘧啶.2.1.3 耦合金属有机框架（MOF）材料金属有机骨架（MOF）被认为是与有机配体协调形成一个或某些尺寸结构的一组化合物（金属离子或簇），具有其他固体没有显示出化学修饰中通常使用的精度，甚至没有在不更改基础拓扑的情况下增加其度量的能力42.Lian等人43制备了独特的核-壳钛基金属有机骨架（MOF）功能化的磁性微球并用作磁性吸附剂，用于从水样中富集5种氟喹诺酮，所制备的Fe3O4CysMIL125-NH2显示出强大的磁响应性，良好的亲水性以及对目标分析物的优异亲和力，对自来水和河水样品，5种氟喹诺酮类的满意回收率在83.8%109.4%的范围内，RSD低于8.9%.Zhao等人44在一种金属有机骨架的UiO-66-NH2的表面上制备了一种新型的具有高吸附能力，高吸附速率和对氟喹诺酮类选择性的表面分子印迹聚合物；最大吸附容量为99.19 mg/g，在65 s内达到吸附平衡；对湖水中4种氟喹诺酮类化合物的回收率为92.6%100.5%，相对标准偏差为2.9%6.4%（n=3）.2.2 分子印迹耦合光催化选择性降解环境中的抗生素抗生素分子印迹聚合物可以有效实现对环境中各种抗生素污染物的选择性吸附去除，但只是实现了抗生素污染物的转移.分子印迹耦合生物降解技术，即利用分子印迹聚合物对环境中有机污染物进行选择性吸附的同时引入微生物对其进行生物降解，具有良好的应用前景45-46.然而，由于抗生素通常对微生物具有强烈抑制作用，微生物对抗生素污染物的降解效率较低47，因此，近年来，分子印迹耦合光催化选择性氧化降解环境中的抗生素成为研究热点48.2.2.1 分子印迹耦合TiO2催化氧化降解抗生素光催化是一种绿色高效的高级氧化技术，能够在紫外或者可见光激发下实现有机污染物的完全降解以及重金属的还原.近年来，基于半导体光催化的环境污染物治理技术受到越来越多的关注，其中又以成本低、效率高、化学稳定性强的纳米TiO2应用最为广泛49.将光催化技术与分子印迹技术相耦合，则有望实现低浓度有机污染物的选择性降解.由此可见，在分子印迹吸附剂选择性富集环境污染物的基础上，采用耦合TiO2光催化的手段进行污染物的完全降解或还原去除,是近年来研究者重点关注的一个方向50.He等51耦合高度定向的一维MOF材料（MIL-100Fe）和TiO2纳米阵列制备印迹光催化剂，制备的（MIL-100Fe）/TiO2复合纳米阵列实现了抗生素四环素高达90.79的光降解效率，远高于原始TiO2纳米阵列（35.22%）.郑旭阳等52制备了石墨化介孔碳-TiO2复合光催化材料，一方面借助石墨化介孔碳高效吸附性和导电性，另一方面对其表面进行分子印迹优化，增加复合材料的选择性，制得的样品对CIP的饱和吸附量和光催化降解速率常数分别为竞争污染物磺胺甲恶唑的7.2倍和3倍.Tabatabai等人53制备了包含TiO2纳米片，还原的氧化石墨烯和不同4谢春生等：抗生素分子印迹聚合物制备及环境应用研究进展第5期负载量银的三元纳米复合材料（TGA），以光催化处理四环素（TC）抗生素废水，可见光照射3 h后，对水样四环素的最佳降解效率为52.56%；还原的氧化石墨烯充当了将光致电子从等离子体银纳米颗粒转移到TiO2纳米片的桥梁作用.Fang等人54应用表面分子印迹技术，结合光催化降解和磁选技术，制备了一种新型的磁性分子印迹聚合物（CoFe2O4 TiO2-MMIP）对氟喹诺酮类药物诺氟沙星的最大吸附容量为14.26 mg/g，可以同时完成污染物的吸附，光催化降解和原位再生，具有良好的可重复使用性.2.2.2分子印迹耦合非TiO2催化氧化降解抗生素近年来，Bi基光催化材料，石墨相氮化碳（g-C3N4）等非TiO2光催化材料得到越来越多的关注.Lyu等55通过简单的溶剂热法合成了具有吸附-光催化双重功能的含氧空位的BiOBr微球，具有氧空位的BiOBr微球比缺乏缺陷的BiOBr微球表现出更高的吸附和光催化活性以去除四环素.吸附30 min和可见光照射90 min后，含氧空位的BiOBr微球去除了约94%的TC，并且在3.1至11.00的pH范围内有效地去除了TC.张艳荣等56为了有效处理低浓度抗生素残留废水，以水热法制备的BiOBr为载体，诺氟沙星为模板，通过表面分子印迹法制备了BiOBr分子密封材料，实验结果表明，在pH为中性，MIP投加量为2.5g/L的条件下，MIP对5 mg/LNOR溶液的去除率达到96.2%，且对低浓度（1 mg/L）NOR溶液的去除率达到99%.Du等人57以四环素（TC）为分子模板，通过后合成修饰法合成了一种简单，可回收的半导体MOF光催化印迹（ZnO NH2-UiO-66，ZUM），可见光照射30 min后，TC的降解率达到61.9%；OH和 O-2自由基在降解过程中起着非常重要的作用.Sun等人58制备了一种分子印迹的Ag/Ag3VO4/g-C3N4光催化剂（MIP），对四环素具有出色的特异性识别能力以及出色的光催化活性，MIP的选择性因子（a）达到3.20，实现了光催化降解TC的优先选择，光催化过程的主要活性物种为 O-2和h+.Yuan等人59合成了分子印迹的石墨碳氮化物（MIP-C3N4）纳米片用于市政污水处理系统中细胞外抗生素抗性基因（ARG）选择性吸附和降解.在UVA辐照下，使用MIP-C3N4对二级处理后废水中的ARG的光催化去除比使用裸石墨氮化碳快37倍.3结论与展望环境中抗生素污染物残留浓度低，干扰物多，对其检测和去除均较困难.抗生素分子印迹聚合物对环境中抗生素残留具有极强的选择性吸附能力，可减少其他物质的干扰，有效提高抗生素残留检测的检出限和精密度.分子印迹耦合纳米技术不仅提高了各种纳米材料对环境中抗生素污染物残留的吸附容量，也提高了对其选择性吸附的能力.而分子印迹耦合光催化技术更是实现了对环境中抗生素污染物残留的选择性吸附和同步降解具有广阔的应用前景.抗生素分子印迹聚合物的制备及应用取得了较大的进展，但通过分析目前的研究进展，将来的研究方向主要集中在：印迹材料与各种新型材料或传感器结合，实现对环境中抗生素残留的更快捷、更灵敏的检测；通过开发与优化新型分子印迹制备体系，提高分子印迹聚合物吸附环境中抗生素污染物残留的实用性和经济性；通过印迹耦合新型催化降解材料，实现对环境中抗生素污染物残留的同步吸附与原位降解.由此可见，抗生素分子印迹聚合物的研究与应用，前景广阔.参考文献：1CHENL,WANGX,LUW,etal.Molecularimprinting:perspectivesandapplicationsJ.ChemicalSocietyreviews,2016,45(8):2137-2211.2BELBRUNO J J.Molecularly imprinted polymers J.Chemical Reviews,2019,119(1):94-119.3GOTHWALR,SHASHIDHAR T.Antibiotic pollution in the environment:Areview J.CLEAN-Soil,Air,Water,2015,43(4):479-489.5肇庆学院学报第44卷4YANG Y,SONG W,LIN H,et al.Antibiotics and antibiotic resistance genes in global lakes:A review and meta-analysis J.Environment 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