分子印跡聚合物在抗生素殘留測(cè)定中的應(yīng)用

王莉燕, 王加男, 李金花, 陳令新

(1. 中國科學(xué)院煙臺(tái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264003; 2. 煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264005; 3. 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 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(diǎn)。自從1929年青霉素問世以來,抗生素成為改善人類和動(dòng)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(huì)導(dǎo)致其在動(dòng)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(huì)通過食物鏈蓄積毒性,對(duì)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(diǎn)問題,2015年第六十八屆世界衛(wèi)生大會(huì)批準(zhǔn)《抗微生物藥物耐藥性全球行動(dòng)計(jì)劃》,旨在應(yīng)對(duì)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(shì)[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(jì)),更低的檢出限、更多組分的同時(shí)檢測(cè)和更短的檢測(cè)時(shí)間是抗生素檢測(cè)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(cè)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(shí),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(fèi)時(shí)費(fèi)力,填料消耗較多,在處理復(fù)雜樣品時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn),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(shí)別位點(diǎn),在樣品前處理領(lǐng)域備受青睞[5]。本課題組[6,7]對(duì)分子印跡的內(nèi)涵、制備方法及熱點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行了綜合性評(píng)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(duì)MIPs萃取結(jié)合色譜分析用于牛奶中抗生素測(cè)定進(jìn)行了總結(jié);Mohsenzadeh等[10]綜述了MIPs用于牛奶中抗生素測(cè)定的研究進(jìn)展。因此,本文對(duì)MIPs在抗生素殘留檢測(cè)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(jià)結(jié)合(氫鍵、靜電作用力、疏水作用力)、共價(jià)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(duì)模板分子具有構(gòu)效預(yù)定性、特異識(shí)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(shí)別,并克服了自由基聚合多在有機(jī)相中合成的缺點(diǎn),已經(jīng)發(fā)展成為分子印跡一個(gè)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(diǎn):

(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(shí)別位點(diǎn)數(shù)量有限,且大部分識(shí)別位點(diǎn)處于交聯(lián)聚合物內(nèi)部,介質(zhì)擴(kuò)散阻力大,目標(biāo)識(shí)別分子難以接近這些內(nèi)部空穴,造成無效識(shí)別位點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)樣品的檢測(cè)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(shí)別能力差。目前水環(huán)境下的分子識(shí)別問題仍是一個(gè)較大挑戰(zhàn),原因在于:首先,常用的制備方法主要為非共價(jià)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(shí)別能力差;其次,MIPs屬于有機(jī)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)于有效識(shí)別位點(diǎn)的可控、定向合成方式有待探索。嘗試?yán)命c(diǎn)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(shí)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(shí)間來精確控制調(diào)整印跡層厚度,同時(shí)簡化印跡步驟。嘗試?yán)秒p模板對(duì)接定向印跡[25],通過模板-模板對(duì)接而實(shí)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(shí)現(xiàn)了有效識(shí)別位點(diǎn)的可控、定向合成,與此同時(shí),在定量合成一定數(shù)量的識(shí)別位點(diǎn)等方面還需進(jìn)一步探索。

(6)對(duì)MIPs從綠色合成到綠色應(yīng)用方面亟須加強(qiáng)。應(yīng)該從對(duì)環(huán)境無污染和生態(tài)友好方面來合理設(shè)計(jì)和制備MIPs并進(jìn)行綠色應(yīng)用。在MIPs的設(shè)計(jì)合成中,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),篩選和優(yōu)化MIPs的制備條件,減少廢棄物的產(chǎn)生,降低實(shí)驗(yàn)成本,節(jié)約時(shí)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M(fèi)IPs和有機(jī)試劑的使用量,節(jié)省前處理時(shí)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(diǎn),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(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜樣品中多種抗生素污染物的快速、同時(shí)、選擇性富集和靈敏檢測(cè)。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(jī)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(cè)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(jì)算模擬篩選出兩種合適的虛擬模板分子,制備出能夠同時(shí)識(shí)別8種氟喹諾酮和8種磺胺的MIPs,同時(shí)制備并優(yōu)化SPE柱,結(jié)合超高效液相色譜檢測(cè)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(bào)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(duì)液體試樣中各組分的吸附力差異而實(shí)現(xiàn)待測(cè)組分和干擾組分分離的技術(shù)。DSPE無需淋洗,萃取時(shí)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(jià)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(cè)(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(cè)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?yàn)槟０宸肿又苽銶IPs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(chǎng),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(gè)外部磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)相分離,可以在短時(shí)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(shí)不會(huì)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?yàn)楹酥苽浯判訫IPs用于MSPE的報(bào)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?yàn)楹?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(jī)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(dòng)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(shí)識(shí)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(cè)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(jī)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(shí)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(shí)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(cè)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(cè)進(jìn)樣時(shí),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(cè)。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(duì)于SPME, SBSE的固定相面積大,萃取容量高,在自身攪拌的同時(shí)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(shí)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(cè)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(cè)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(shí)為模板制備多模板MIPs,使其含有多種模板分子的識(shí)別位點(diǎn),由于MIPs的結(jié)合位點(diǎn)和識(shí)別能力擴(kuò)大,可以實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的同時(shí)識(shí)別、富集和分離,大大節(jié)省了時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)豬肉和雞肉中的多類抗生素進(jìn)行同時(shí)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(shí)高選擇測(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)牛奶中該6種抗生素的同時(shí)高效識(shí)別、萃取和檢測(cè)。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(cè)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(gè)或兩個(gè)以上功能單體與模板分子不同識(shí)別位點(diǎn)作用,充分發(fā)揮多種功能單體的協(xié)同優(yōu)勢(shì),增加MIPs的識(shí)別位點(diǎn)數(shù)量,增強(qiáng)MIPs的選擇性和富集能力,實(shí)現(xiàn)多種抗生素的同時(shí)識(shí)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(diǎn)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(duì)檢測(cè)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(duì)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(cè)定。此策略適用于溶解度過低、價(jià)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(cè),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(cè)。付珍珍等[97]以鹽酸強(qiáng)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(cè)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(cè)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(duì)外界刺激有規(guī)律性響應(yīng)的MIPs,以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)在于打破原有響應(yīng)模式,以外界刺激作為MIPs的智能識(shí)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(chǎng)作用下進(jìn)行定向移動(dòng),磁響應(yīng)MIPs通常與MSPE相結(jié)合,實(shí)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(bào)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(shí),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(shí),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(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的可逆識(shí)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)光控下對(duì)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(shí)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(cè)定了動(dòng)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(diǎn)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(cè)、水相識(shí)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí),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(duì)多種目標(biāo)物最優(yōu)的選擇性,仍然是難點(diǎn)和發(fā)展方向。如何巧妙設(shè)計(jì)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(hào)召,需要進(jìn)一步發(fā)展高效、智能、綠色環(huán)保的MIPs,并對(duì)目前的樣品前處理技術(shù)進(jìn)行改良,實(shí)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(duì)豐富和擴(kuò)大MIPs在樣品前處理的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。