分子印跡膜分離技術進展

鄧燕芳，劉桉如，羅明輝，范杰平

（南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，江西南昌330031）

自20 世紀50 年代以來，膜分離技術取得了一系列的突破，從微濾和離子交換，到電滲析、反滲透和超濾，以及滲透汽化技術，在工業上取得了巨大的經濟效益和社會效益。膜分離技術由于其分離效率高、操作條件溫和、易于控制等優點，已經成為重要的分離手段之一。分子印跡膜分離技術作為一種新興的膜分離形式，具有廣泛的應用前景，得到了研究人員的密切關注。本文就分子印跡膜分離技術及最新研究進展進行介紹。

1 概述

1.1 分子印跡基本原理

分子印跡技術是指合成對模板分子或目標分子具有特異性識別能力的分子印跡聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）的新型分離技術。早在20世紀40年代，諾貝爾獎獲得者Pauling提出了以抗原為模板，制備出抗體的空間結合點位的“抗體形成理論”。1949 年，Dicky 提出了“專一吸附”的概念。1972 年德國Wulff[1-2]采用共價鍵結合作用，合成了對手性糖類分子和氨基酸衍生物具有識別能力的MIPs。1993 年瑞典Mosbach 等[3]發表了茶堿MIPs 的研究報道，人們開始對印跡分子技術有了更進一步的了解。1997 年成立了國際分子印跡學會，分子印跡技術發展迅速，在制備方法、分子識別機理和應用等方面有了很大進步。

分子印跡技術一般過程如下[2,4]（圖1）。

（1）模板分子與功能單體中的功能基團結合，形成功能單體-模板分子的主客體配合物（hostguest complex）。

（2）選擇合適的交聯劑，在惰性溶劑（致孔劑）中，對功能單體-模板分子配合物進行交聯，形成共聚物。在交聯過程中，將功能單體上與模板分子結合的功能基團的空間取向與排列位置固定下來。

（3）通過一定的方式（物理或化學方法），斷開模板分子與功能單體的結合鍵，再去除模板分子。

當模板分子去除后，在共聚物中就留下了可以與模板分子相匹配的三維空腔結構；同時，在該空腔結構中，具有結合功能的基團也按一定空間取向排列方式被保留下來。當待測底物通過該空腔結構時，與空腔結構形態相似，且能與功能基團穩定結合的目標分子將被選擇識別出來。大量的實驗證明，在分子識別過程中，功能基團所具有的一定空間排列位點和空腔結構形態是高選擇性的決定因素；而當大孔徑時，空腔結構形態的作用會相對弱些。也就是說，對于模板分子及具有類似結構及空間形態的分子，該聚合物具有選擇性結合作用和高度的特異性識別能力。

也有學者指出[5]，有些模板分子可以直接與功能單體之間進行聚合，無須加入交聯劑，同樣可以完成上述過程。該方法的優勢在于，當該MIP不再用于識別模板分子時，可將MIP回收再利用，形成可再生的分子印跡技術。當然，該方式也由于功能單體的過量，存在一定的非特異性識別。

1.2 分子印跡的結合方式

根據模板分子在MIPs 中結合方式和作用力的不同，分子印跡技術可分為三種方式，分別為共價鍵法（covalent molecular imprinting）、非共價鍵法[3]（non-covalent molecular imprinting）、半共價鍵法[6]（semi-covalent molecular imprinting）。

1.2.1 共價鍵法

共價鍵法也稱為預組裝法（preorganized approach）。當模板分子以共價鍵與功能基團結合時，由于共價鍵鍵能較強，作用穩定，通過共價鍵對底物進行識別時，單個共價鍵的選擇性就非常高；但共價鍵鍵能較高，模板分子不易除去，同時對底物識別的過程中，速度慢，在實際應用中有不足。若能通過一定條件（如催化劑作用），使共價鍵能夠迅速地結合與斷裂，那么以共價鍵相互作用作為分子的特異性識別的效率是非常高的。

1.2.2 非共價鍵

圖1 MIPs制備及識別過程示意圖［2，4］

非共價鍵作用力是氫鍵、配位鍵、靜電作用、π-π 共軛作用、離子作用及疏水作用等分子間作用力的總稱[7-9]。其鍵能較弱，優勢在于分子的結合與洗脫過程方便迅速。但由于鍵能弱，則需要較多的有效結合點位，維持其有效的空間排列結構，因而在結合過程中需加入過量的功能單體，使模板分子中的結合點位被功能基團充分飽和，形成穩定的復合物。但過量功能單體中的功能基團會造成一定的非特異性結合，從而降低MIPs 的特異性識別能力。目前，非共價印跡已被認為是最受歡迎的制備策略，因為它操作簡單，模板分子的結合與洗脫速度快。

1.2.3 半共價鍵法[6]

半共價鍵法也稱犧牲空間法。模板分子與功能基團初始以共價鍵相結合，在破壞共價鍵洗脫模板分子后的分子識別過程中，結合點位與被識別的分子間利用非共價鍵作用相結合進行識別。半共價鍵法結合了共價鍵法與非共價鍵法的優勢，其通過共價鍵的結合，使腔體結構穩定；同時通過非共價鍵，可快速進行分子識別。其缺點是聚合物的制備過程相對復雜，印跡過程和分子識別過程的結合基團可能不同，使識別能力有所下降。

1.3 分子印跡聚合物的制備

MIPs 的制備方法是分子印跡技術的關鍵。通常由模板分子、功能單體、交聯劑、致孔劑和引發劑等通過適當的方法制備而成。MIPs 的結構、形態和功能取決于合成試劑的種類和制備方法。

作為對混合物起具有良好分離作用MIPs，一般應具有如下性質[2,10-12]：

（1）有一定的剛性結構，以確保具有識別功能的空腔結構及功能基團結合點位其定位的穩定性；

（2）有一定柔韌性，在溶液中有一定的溶脹性，便于被識別的分子盡快進入空腔與功能基團結合，達到動力學平衡；

（3）有效結合點位盡可能多，以提高識別過程的效率；

（4）有良好的力學性能和熱穩定性，不溶于所處理的混合物。

一般來說，任何分子都可以作為模板，為了防止“模板泄漏”可以采用結構相似的分子作為替代模板，也可采用多種模板分子制備多模板形式的MIPs，可同時對多種分子進行識別。

2 分子印跡膜

2.1 形態

按結構形態不同，分子印跡膜（molecularly imprinted membrane，MIM）可分成如下三類[10]。

2.1.1 分子印跡填充膜

分子印跡填充膜是將預先制備好的分子印跡顆粒（MIPs顆粒）填充在兩層作為支撐的膜層之間。MIPs 顆粒形態有多種，塊狀、棒狀、凝膠、顆粒狀、納米顆粒表面覆膜等，由于MIPs 顆粒比表面積較大的結構特性，該方式對模板分子的吸附性能較好，但由于MIPs 顆粒作為“濾餅”層的填充，致密的顆粒層易導致了傳質過程阻力大通量低[13]。

2.1.2 自支撐MIM

自支撐膜是指這個膜層采用同種材料構成。自支撐膜分為對稱膜與非對稱膜。對稱膜，也稱勻質膜，即膜的整個截面的形態結構均一。非對稱膜，是指膜的截面形態呈不同的層次結構。若作為膜分離材料，自支撐膜的厚度至少要為10μm[14]，才能保證足夠的機械強度和穩定性。MIPs 的膜材料，尤其是對稱膜，必須有孔隙，使模板分子進入膜內部與結合點位接觸。設計多層次孔結構的MIM，也即MIM 具有超大孔、大孔、中孔和微孔的分層次多孔結構，將有利于模板分子的傳遞過程。

2.1.3 復合MIM

復合膜是指由兩種材料構成，一般是在一層較厚的多孔支撐膜上復合一層很薄的MIM。分子印跡復合膜的制備方法很多，包括界面縮聚、涂覆、表面接枝、動態成膜和表面印跡等等。一般來說，復合膜的MIM 層厚度小于10nm，具有高度的親和力和選擇性。

近年來，以納米材料為載體，如SO2[15]、TiO2[16-17]、石墨烯[18]、納米金屬顆粒[19-20]、磁性Fe3O4納米粒子[21-22]等制備分子印跡納米聚合物，在納米材料表面改性，采用合適的手段，如接枝、螯合等在納米材料表面得到MIM 層，通過控制反應時間可很好地控制膜層厚度；利用納米材料高比表面積，在膜層內得到高密度的有效識別位點；同時可利用納米材料各自特性，如親水性、導電性、電磁性有效地提高選擇性及其效率。與分子印跡相結合的納米纖維膜，由于孔隙率高，比表面積大，與模板分子的有效結合點位多，不但保持高的流通通量，同時又具極高的吸附能力。

2.2 MIM傳質機理

MIM 對模板分子及類似的衍生物有較強的選擇吸附性能，模板分子通過MIM 層的傳質通量受到了MIM結構的影響[23]。從文獻結果可以看到兩種情況：一種情況為，模板分子的傳質速率高于其他非模板分子，多出現于MIM 孔徑較小的情況；另一種情況[12-13]為，模板分子的傳質速率低于其他非模板分子，此時MIM 孔徑相對較大。對于這兩種情況，目前對應有兩種傳質過程機理，如下所示。

2.2.1 “促進”傳質——“門”效應

“門”效應由Piletsky 等[24]提出，如圖2 所示。當MIM 孔徑很小時，膜層上的通道直徑最小處與印跡空腔的尺寸相當，模板分子與空腔及對應的識別點位相互作用，在一定的濃度推動力作用下，可順利通過膜層。因此，該處就類似于一扇只有模板分子可以方便通過的“門”，而對形態與模板分子不同的物質進行攔截，對于模板分子而言這個過程為“促進”傳質。例如：Hong 等[25]分別以茶堿（THO）和咖啡因（CAF）作為模板分子，實驗結果表明，THO 的MIM 對CAF 基本不識別；同樣，CAF的MIM對THO同樣不識別。

圖2 模板分子通過MIM的“門”效應機理［24］

2.2.2 “延遲”傳質

當MIM 孔徑較大時，由于膜內孔徑通道的壁面上存在空腔及識別點位，模板分子在通過膜層時，會被識別點位所結合，使得模板分子的傳質過程受到阻滯，傳質速率較小，該過程稱為“延遲”傳質。

Shea等[26]的研究表明，針對大孔徑的MIM，模板分子或其衍生物與MIM 相互親和力越小則傳質速率會越快；而模板分子或其衍生物在空白膜中的傳質速率會高過MIM 中的傳質速率。這是因為在模板分子及功能基團參與的交聯過程中，通常模板分子的參與會使得MIM的結構比空白膜更加致密。當然，是否是由于孔道的變化，還是由于模板分子在通過時被識別而使最終的傳質速率下降，這仍有待進一步的研究。

3 MIM的研究進展及應用

分子印跡技術由于其獨特性，近年來受到廣泛的關注，涉及各個行業混合物的分離、提純及檢測，包括化工、食品、醫藥、環境等。但目前僅在分析檢測方向上有一定程度的商業化，有代表性的是西格瑪奧德里奇公司的作為樣品前處理的分子印跡固相萃取（SPE）設備，大多數仍處于實驗研究階段。如何設計和構建適合工業化的MIM 材料，獲得可期的經濟效益，也日漸受到關注。

3.1 MIM制備組成的優化方法

MIM 的分離效率與其組成以及制備策略密切相關。研究人員常需要對功能單體、交聯劑及致孔劑的種類和比例進行優化，主要有理論計算法和儀器測量法。

3.1.1 理論計算法

已經建立了對小分子模板分子與功能單體之間相互作用的模擬優化計算方法[12,27-33]，如密度泛函理論（DFT）[29-30]和分子動力學方法[28,32]等，模擬數據基本與實驗數據吻合。Li等[31]通過對模板分子的結構進行分析，利用DFT 根據模板分子的結合點位，設計能與之對應的新型功能單體。實驗結果表明，采用新型功能單體合成的MIPs 能夠很好地選擇性識別模板分子。Viveiros等[32]采用SYBYLTM軟件建立了功能單體的數據庫，利用分子動力學方法模擬了在超臨界CO2作為溶劑條件下，模板分子與功能單體的相互作用，對功能單體進行篩選，實驗結果與模擬數據一致。所以理論計算法是選擇合適的功能單體的一種新范式。

3.1.2 儀器測量法

通過相應的儀器對制備MIM 時，各組分的相互作用進行檢測[34]，如紫外-可見吸收光譜（UV）對液相定性檢測含有多重鍵、共軛雙鍵以及孤對電子與π鍵共存的體系，這項技術的主要優點是使用簡單，并且可以在水介質中控制模板-功能單體復合物的形成；傅里葉變換紅外光譜（FTIR）可以提供官能團、分子結構和分子空間結構等方面的信息，例如FTIR 可以很容易識別氫鍵及其產生的位移，而通過核磁共振波譜（NMR）可以獲得有關化合物分子骨架的信息等。通過檢測，了解模板-功能單體之間相互作用的機制和程度，從而合理地設計具有高選擇性和親和力的模板-功能單體體系。例如，Lu等[35]成功利用UV和NMR技術考察了不同功能單體和模板分子的相互作用，并選擇合適的功能單體種類和用量。

3.2 MIM制備方法的優化

聚合方法對MIM 的性能有較大的影響。為了充分利用全部印跡位點，最好將結合點位盡可能多地分布在MIM 表層及有效孔隙內表面，因此研究人員需不斷改進和開發新的MIM制備策略。

3.2.1 表面接枝技術

圖3 點擊化學——Cu(Ⅰ)催化炔烴和疊氮化合物的環加成反應機理［37］

可控/“活性”自由基聚合反應（living/control radical polymerization，LCRP）反應條件比較溫和，可通過控制自由基的低濃度，來控制分子量及鏈結構，在保持端基的官能化同時，可以構建多嵌段共聚物以及多接枝空間網絡結構。在LCRP技術中，原子轉移自由基聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉移自由基聚合（reversible additon and fragmentation chain transfer radical polymerization，RAFT）兩種發展較快，各有優勢，其中RAFT 適用單體廣泛，相對簡單易控[36]。點擊化學[34,37]（click chemical）是指環加成反應、親核開環反應、碳碳多重鍵加成反應和碳酰基反應等具有選擇性的快速高效化學反應，可將分子片段快速拼接，以獲得分子多樣性，機理如圖3 所示。將LCRP 技術與點擊化學相結合，對于構建嵌段共聚物及實現MIM 的自組裝是一種很有成效的方式。利用小分子的表面活性劑，即雙親分子，在本體或溶液中通過兩嵌段共聚物的自組裝形成球形膠束、棒形膠束或雙分子層結構（片層或囊泡），可制備核-殼形MIM層；點擊化學反應可通過鏈接小的模塊單元，例如引入功能基團對聚合物進行改性；引入多種性能的納米材料，將多種方式結合起來，可以改善膜層結構提高印跡效率。以上這些方法將成為MIM 制備策略的發展新趨勢。例如，Awino 等[34]利用點擊化學，通過銅催化疊氮化物-炔烴環加成反應，以4-乙烯基苯硼酸為功能單體，制備了親水性的印跡膠束。該膠束能精確定位結合基團，甚至能區分糖類物質的細微結構變化。Chang 等[36]采用RAFT技術和點擊化學相結合的策略，以2,4-二氯苯酚（2,4-DCP）為模板，在二氧化硅顆粒表面，采用點擊反應，制備了結構清晰的silicaclick-MIPs，膜層厚度約為2.27nm；與常規聚合制備的silica-MIPs相比，相同時間內2,4-DCP的飽和吸附量分別為4.25mg/g 和3.07mg/g，SEM 顯示silica-click-MIPs 表面更為粗糙，存在大量的網狀介孔。該過程在銅催化條件下的環加成反應活性高，且接枝的鏈段空間位阻小，使得接枝密度高，進而在silica-click-MIPs 表面存在高密度的結合位點。

3.2.2 固定相印跡技術[38-41]

另一種新型的制備技術，其將模板分子與表面經過活化的固相進行接枝，把模板固定在固相表面，再將功能單體、交聯劑等與被固定的模板分子在固相表面聚合，通過洗滌，除去未印跡的組分以及印跡效果差（親和力弱）的顆粒，升高溫度再次洗滌，可將與模板分子發生印跡的納米顆粒洗脫，得到相應的MIPs，機理如圖4所示。該方法可以很好地將模板與MIPs 進行分離，防止模板“泄漏”的問題，同時有效的識別點位均處于MIPs 表層且均一固定，減少了非特異性識別，可以快速地對底物進行分離與洗脫。被固定的模板分子也可以進行重復印跡制備新的MIPs。當然，采用固定相印跡的模板分子必須要有一定的功能基團，使其分別與固定相和功能單體相結合。例如：Ashley 等[38]將磁性Fe3O4納米顆粒作為分散的固定相，提出了分散固定相印跡策略。由于納米顆粒具有高比表面積，因而所制得的MIPs的產率是玻璃珠顆粒的83～167倍。Altintas 等[41]以表面硅烷化的玻璃珠為固定相，對腺病毒進行印跡，得到腺病毒MIP，并在嚴格控制溫度的情況下，對固定相腺病毒模板進行多次印跡，得到腺病毒MIP 粒徑大小為265nm±10nm，實驗測定腺病毒與其特異性MIP的解離常數KD=3.10×10-11mol/L，表明腺病毒MIP與其靶病毒具有較高的親和力，并對多組腺病毒MIP的總體結果進行了分析R2=0.99。這些制備MIP 顆粒的固定相印跡技術完全可成為MIM的制備新策略。

3.3 MIM制備材料的開發

隨著分子印跡技術的深入研究，在MIM 的制備中，開發了許多新的功能復合材料，這既可以獲得功能材料的特性，同時功能材料也參與構建孔道，增大比表面積，以獲得更好的識別和分離效果。如利用的納米顆粒（如納米鐵、碳納米管、石墨烯等），由于其高比表面積、快速的結合動力學、良好的分散能力，在制備先進功能性的納米印跡材料上，取得了重大的進展。在這里介紹目前較為新穎的功能性MIM材料。

圖4 固定相印跡策略過程［38］

納米纖維膜（NFMs）比表面積大，孔隙率在80%左右，將模板分子盡可能印跡在納米纖維表面，使制備得到的納米分子印跡纖維膜（MINFMs）具有較高的有效結合點位[42-44]。例如：研究人員[44]將N-α-芐氧羰基-D-谷氨酸（Z-D-Glu）和N-α-芐氧羰基-L-谷氨酸（Z-L-Glu）兩種手性分子為模板，通過電噴沉淀法，以乙酰基含量40%的乙酸纖維素（CA）為材料制備了兩種MINFMs；同時以未印跡的（CA）NFMs 作為參比，將3 種膜進行分離兩種手性分子的對照實驗。從實驗數據發現（表1），由于分子印跡層的引入，在使模板分子的滲透量和選擇性方面，MINFMs 的性能都優于NFMs。這種在MINFMs 的印跡膜層上存在的級聯傳質的過程，有利于底物滲透通過膜層。從目前分子印跡技術在工業上應用來看，MINFMs 是極有希望進入工業化的一種印跡分離技術，NFMs 在工業上已經有了一定的應用，在設計生產、安裝使用上都有了一定的基礎。但對于MINFMs的傳質機理仍有待進一步地研究，而且這種級聯傳質的過程，通過實驗發現，并不是所有的MINFMs都能夠實現。

表1 CA納米分子印跡膜手性分離結果數據[44]

多巴胺能在弱堿性水溶液條件下發生氧化自聚，形成聚多巴胺是一個幾乎可以對一切化學材料進行表面功能化的黏合性聚合物。例如：Wu 等[45]利用多巴胺的自聚性，設計了一種新穎的分子印跡納米復合膜的制備策略，該過程分為三步：將SiO2浸泡在多巴胺緩沖溶液中，合成聚多巴胺（PDA）并沉積在SiO2表面形成PDA@SiO2納米球；通過鄰苯二酚誘導Ag+還原反應，對PDA@SiO2納米球進行Ag 修飾，得到Ag-PDA@SiO2納米球；將引發劑固定在Ag-PDA@SiO2納米球上，共同集成到多孔載體聚偏氟乙烯膜（PVDF）結構中，在多孔載體內部形成了一個可進行二次反應的活性區域，形成一層高性能的納米復合膜；以普萘洛爾為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）作為功能單體。經催化劑光引發在納米復合膜表層再發生原子轉移自由基聚合反應，制得分子印跡納米復合膜，其對普萘洛爾的吸附量達到48.53mg/g，滲透因子達到9.6。

金屬-有機骨架材料（MOFs）和共價有機骨架材料（COFs）由于具有多樣的結構，高的比表面積，可調的孔結構，引起了研究者們的關注。例如：萬麗斌[46]采用原位模板自組裝策略，以咖啡因為模板分子，Fe(Ⅲ)為金屬離子，選擇2-氨基對苯二甲酸（2-aminoterephthalic acid，NH2-BDC） 為 有 機 配體，構筑為NH2-MIL-101 為基底的分子印跡型MOFs 分子印跡材料（MMOF-CMIPs）。實驗結果發現MMOF-CMIP 的最大吸附量為671.1mg/g，而非印跡的MOFs 的最大吸附量僅為33.7mg/g。共價有機骨架（COFs）比金屬有機骨架（MOFs）有更高的機械和化學穩定性，Yang等[47]用吡啶環和羧基修飾骨架（PAFs），在保持其層次孔隙率的同時，合成了具有協同基團的多孔芳香骨架（PAFs）。吡啶基與金屬陽離子（Pb2+）配位，羧基作為質子工體，經脫質子后與Pb2+離子配位，采用分子印跡技術制備了吡啶環和羧基的印跡復合物。實驗數據顯示Pb2+對Cu2+的選擇系數是1.5×102（Pb2+/Cu2+），Pb2+對Mg2+的選擇系數是1.0×106（Pb2+/Mg2+），而非印跡材料幾乎對Pb2+沒有任何選擇，PAF超高的選擇性歸因于PAF的剛性結構。

Janus 材料其特性是兩側的結構或化學組成具有不對稱性，因而賦予了優于均相結構的獨特性能。例如：Liu等[48]以2,6-二氯苯酚（DCP）為模板在Janus二氧化硅納米片一側印跡，另一側用L-半胱氨酸（L-cysteine）在進行改性，制得J-MIPs/cys，研究了在DCP 與Pb2+共存的二元環境體系中J-MIPs/cys 的吸附性能，研究結果表明Pb2+的存在會顯著影響DCP的去除，這可以用Pb2+與DCP存在部分絡合作用來解釋；DCP 對有效巰基的競爭較弱，導致對Pb2+的去除率下降。

3.4 MIM的應用

MIM 在分離領域的應用很廣泛，比如在環境污染物的去除[46-48]、藥物和蛋白質的分離等，本文重點介紹MIM在藥物和蛋白質的分離中的應用。

3.4.1 在藥物分離中的應用

不論天然藥物和合成藥物，分離純化是必不可少的工序。由于雜質成分復雜和結構相近的原因，使得該工序工藝復雜、成本高、周期長和效率低。由于MIM 具有特異性的分子識別能力，高效的富集與分離能力，故在藥物的分離提純應用中具有極大的發展空間，特別是分離結構相似的分子，甚至手性異構體。

本文作者課題組[49]采用混合半共價和非共價鍵的策略（圖5），以染料木素為模板，同時以二甲基亞砜為溶劑，進行冷凍聚合，制備了一種新型的具有多級孔結構的MIM，可有效提高MIM 的選擇性和滲透通量。MIM 對染料木素有較好的吸附選擇性，在提取液中對染料木素的吸附率分別是葛根素和大豆苷元的16倍和2.8倍。

為提高MIM的分離選擇性，本文作者課題組[48]以離子液體作為溶劑和致孔劑，制備了自支撐和柔性的MIM，用于分離枳實中的辛弗林。由于離子液體的協同作用，MIM 的印跡因子可達6.8，膜滲透選擇性為2.9。

Ke 等[50]以乙酸纖維素為基膜，以功能化的環糊精為功能單體，制備了復合MIM。由于環糊精與藥物分子包合作用的差異，可用于手性藥物分離，例如：D/L-tryptophan（e.e%=27.2%），(±)-warfarin（e.e%=9.29%±3.21%） 和(±)-ibuprofen （e.e%=3.77%±0.23%）。

Yan 等[51]以PVDF 膜為基膜，以多巴胺為功能單體制備復合MIM，提高了膜的親水性能和分離ibuprofen 的選擇性，同時在MIM 上接合Ag 納米粒子，使膜具有抗菌性能，實現MIM的多功能化。

3.4.2 在蛋白質分離中的應用

與普通小分子相比，蛋白質分子量更大且結構更易改變，所以高選擇性分離蛋白質是一個挑戰。

本文作者課題組[52]引入功能化的離子液體為功能單體，可與蛋白質發生多種作用力（如氫鍵、疏水作用、離子對作用等），可提高MIM分離蛋白質的選擇性；另外通過冷凍聚合形成大孔結構，以利于蛋白質的傳遞過程，如圖6所示。

劉東等[53]以硅酸鈣/海藻酸鈣復合水凝膠膜為基膜，硅烷耦聯劑為功能單體，制備了牛血紅蛋白的復合MIM，對牛血紅蛋白具有較好的識別性能。

Asliyuce等[54]以甲基丙烯酸羥乙酯為功能單體，進行冷凍聚合，制備了乙型肝炎表面抗體（anti-HBs）的復合水凝膠MIM，并以膜色譜的模式，進行了分離純化研究，并取得了良好的分離效果。

圖5 混合半共價和非共價鍵的策略制備染料木素的MIM［49］

圖6 以功能化離子液體制備多孔蛋白質MIM［52］

4 目前存在的問題及可能的解決方案

分子印跡技術從出現以來有了迅速的發展，作為一項新興分離技術，仍然存在著一定的問題。

（1）MIM 高度特異性識別，在分離單一目標時，MIM 是最佳的選擇，尤其在低濃度時，更具優勢，例如中草藥中單一有效成分的分離；但在眾多復雜情況下，從成本和效率來看，單一的特異性識別成為一種局限，為解決這種局限，研究者們開發了多模板印跡策略。同時，MIM 的特異性識別也決定了制備過程也不能為統一模式，如何簡化制備過程或使制備過程程式化也是研究人員需要關注的問題。

（2）在分子印跡過程常會出現模板“泄漏”的問題，會影響到分離后的檢測。通常采用表面印跡或固定相印跡策略可以很好地控制“泄漏”問題，同時可以采用合適的虛擬模板，或者印跡過程的模板分子用同位素標記。

（3）減少制備與分離過程中有機溶劑的使用，可再生的分子印跡技術是一種綠色印跡技術，可通過模擬對功能單體進行設計；使用飽和蒸氣壓極小的離子液體作為制備溶劑，減少對環境的影響；在超臨界條件下進行分離操作，也可以提高滲透速度。

（4）進行嵌入或逐層組裝，識別點位分布在外表面時，底物的識別和洗脫效果好，但會使得吸附容量會下降。可借助多孔材料（如MOFs 和COFs）以及多巴胺的材料，建立多層次結構。

（5）目前開發的MIM 多以吸附分離為主，吸附與滲透之間似乎存在“trade-off”的關系，深入研究印跡過程的機理，提高滲透通量，強化“門”效應。

5 展望

分子印跡技術作為一種新型的分離手段，由于具有分離效率高的特點，受到研究者們的廣泛關注。MIP 在色譜分離檢測方向已進入商業化，但MIM 大多數處于實驗室的研究階段，對于應用于分離工程上的設計、安裝、維護、操作特性上仍是空白；MIM 高度特異性識別的專一性，在一定程度上會增加其向工業化邁進的成本；但MIM 高度特異性識別能力在快速識別檢測，分析和樣品處理方向上的實際應用極有競爭力。MINFMs 是一極有潛力形成工業化的印跡分離技術，工業上裝置性能的穩定尤為重要，由于NFMs在膜分離上的工業化應用技術已經相對成熟，因而MIMFMs更容易進入生產實驗的階段。

大多數MIM在分離過程中都以吸附作用為主，以“延遲”效應為主，如何利用MIM 的“門”效應，值得進一步研究，能否與超分子化學進一步結合（模板分子與功能單體的非共價鍵的結合也屬于超分子化學范疇），利用非共價鍵相互作用，容易受外界條件影響的特性，將共價鍵和非共價鍵的自組裝相結合，設計復合MIM；通過LCRP技術和點擊化學等完成共價鍵的自組裝，增強MIM 的穩定性和適應性；對于膜內通道利用超分子自組裝技術，強化MIM的“門”效應，膜的一側識別吸附，通過調控，在另一側進行釋放，利用Janus 雙面性材料的構建將有可能實現。MIM 也可以與多種新型材料相結合，對微觀結構進行改性。

總之，MIM 在以下幾個方面值得更加深入研究。

（1）MIM 在膜分離的傳質機理方面有待進一步的研究，深入對其熱力學和動力學的研究，同時對MIM 進行放大實驗，利用膜分離過程放大效應小的特性，建立可行的數學模型，為MIM 的工業化設計提供依據，使MIM 在膜分離方面邁入工業化的行列。

（2）在功能單體及交聯劑的開發上，可借助計算機模擬技術，從分子水平進行設計，尤其是針對大分子的印跡過程。

（3）通過改進制備策略，采用多種制備方式的聯合，調整聚合物孔徑結構，使結合位點均勻分布，提高有效的特異性結合能力。

（4）MIM 對蛋白質甚至細胞等生命體的印跡識別和分離，該研究有待持續加強。

總之，隨著研究的不斷深入，由于MIM 所具有分離效率高和特異性的識別能力等獨特的優勢，在分離領域將會有非常好的應用前景。