智能印跡聚合物及其外場強化的識別機制研究進展

卞維柏，陳一帆，潘建明

（1 常州工學院光電工程學院，江蘇 常州 213032；2 江蘇大學化學化工學院，江蘇 鎮江 212013；3 江蘇省農用激素工程技術研究中心有限公司，江蘇 常州 213022）

利用一些天然化合物或合成化合物模擬生物體系進行分子識別研究，利用這種分子印跡技術合成的具有特異性識別和選擇性吸附的聚合物稱為分子印跡聚合物（MIP）[1-2]。分子印跡聚合物（MIP）是在聚合物結構上具有與模板分子在大小和形狀上互補的特異性位點，具有對模板分子“記憶”效應的一類材料[1-4]。印跡聚合物還具有穩定性高、易于制備、可定制識別、重復性好等優勢，因此基于不同目標物及不同應用領域，印跡聚合物材料的開發制備成為當前的研究熱點之一[5-6]。例如，在吸附分離領域，針對大分子目標物及無機金屬離子的分離富集，許多分子/離子印跡聚合物吸附材料得到開發制備并用于對特定目標物精準識別吸附與分離富集[7-8]。在檢測領域，一些具有特定識別位點的印跡聚合物能夠精確識別到低濃度的目標物[9]。因此，基于印跡聚合物對目標物的特異性識別功能，分子印跡技術在吸附分離、固相萃取、類酶催化、檢測、藥物傳遞等相關領域得到廣泛關注[7-8,10-13]。

常規分子印跡聚合物在交聯聚合過程中能夠在高度交聯聚合物中為特定模板目標量身定制特異性識別結合位點，較高的交聯度使得印跡聚合物一般具有一定的剛性結構以維持印跡空腔的形狀與尺寸穩定，保證對目標物的精準識別結合[14]，如圖1所示。同時，通過交聯聚合反應獲得的剛性結構還可以維持聚合物材料整體結構穩定。然而，較高的交聯度使得印跡聚合物中的模板分子傳質較慢，模板分子在分離純化過程中解吸率、選擇性和重復使用性難以平衡，進而限制了其在產業化實際分離中的應用[15-17]。為了提高模板分子的傳質效率、強化分子印跡聚合物的選擇性吸附性能，一些印跡聚合物的制備往往還與一些微納載體材料相結合，形成一些具有特定形態結構的復合型印跡聚合物吸附材料。比如，有一些研究工作把印跡聚合物與二氧化硅、埃洛石等載體顆粒相結合，制備出具有高比表面積識別位點的印跡聚合物復合吸附材料，進而提高吸附容量、強化對目標物的識別吸附分離[18-20]。然而，這些常規印跡聚合物礙于其剛性結構特點及功能單體本身的材料特性，暫無法對目標物的識別與釋放過程進行智能調控，特別是這種常規印跡聚合物在藥物傳遞、生物傳感、可控催化等特殊領域的應用存在著較大的局限性。

圖1 分子印跡聚合物（MIPs）常規制備過程[14]

印跡聚合物中的功能單體一般通過共價鍵、非共價鍵、金屬配位與模板物相互作用，再結合聚合物去除模板物后形成的特定剛性形態結構對目標物進行識別捕獲[21-22]。然而，高度交聯的印跡聚合物很難通過改變結合位點來調控結合力，這是常規分子印跡技術的一個重大技術缺陷[23-24]。為了解決這個問題，實現對目標物在外場強化過程中可逆切換結合或釋放，具有柔性結合位點的新型智能印跡聚合物材料引起廣泛的關注。對于具有柔性結合位點的智能印跡聚合物，其交聯度一般不能過高以保證一定的結構柔性。因此，其在外部環境因子刺激下印跡位點形構發生可逆變化，進而實現對目標物的可逆識別捕獲及釋放。從本質上來說，這種可控識別和釋放行為需要對印跡位點與目標物的親和力進行有效調控，具體來說通過改變位點與目標物間親和力大小解決常規分子印跡技術缺陷。在具體制備過程中，分子印跡技術可與一些智能材料單體相融合，制備出具有對環境刺激而響應的自控制“智能”能力的新型智能印跡聚合物。比如，最常見的溫敏型印跡聚合物能夠響應溫度的變化，通過溫度體積相變行為發生可逆的收縮和溶脹，使得識別位點的空間形態發生可逆改變，進而使印跡空腔結合模板物的親和力發生改變[25-27]。這種把分子印跡技術與溫敏材料融合制備的溫敏型印跡聚合物在藥物傳遞釋放等生物醫藥領域存在重大的應用價值。光敏型印跡聚合物可以通過光調控來實現印跡聚合物中光敏基團結構的異構化，進而改變受體結合位點的幾何形狀和空間排列，實現位點對模板分子的結合力調控[28-30]。總而言之，智能印跡聚合物在制備過程中化學耦合響應功能材料單體，借助外場環境刺激響應因子調控識別位點對目標物的親和力大小，進而在外場強化條件下實現對目標物的可控識別和釋放。本文以具有不同響應功能的智能印跡聚合物為出發點，對這些智能印跡聚合物在外場強化過程中的響應與識別機制分別進行分析，還對這些智能印跡聚合物做了分析比較，并綜述了近些年來這些智能印跡聚合物在不同應用領域中相關研究工作進展。

智能印跡聚合物材料在外場環境發生微小變動時，其物理性能或化學結構會發生較顯著變化，進而影響印跡位穴形態結構并改變對目標物的親和力大小，宏觀表現為對外部刺激發生應對反應并對目標物特異性識別結合或釋放的一類聚合物材料。常見的智能印跡聚合物材料響應誘導因素主要包括磁場、pH、溫度、光、糖濃度、蛋白等[31-35]。因此，智能印跡聚合物主要可對應分為磁響應印跡聚合物、熱響應印跡聚合物、光響應印跡聚合物、pH響應印跡聚合物、生物大分子響應印跡聚合物等，以及一些磁/熱、磁/pH、磁/光等雙重功能響應印跡聚合物材料。

1 磁響應印跡聚合物

單純的磁響應印跡聚合物是一類較為簡單的印跡聚合物材料，其制備思路主要是把分子印跡技術與磁分離技術相結合，實際常見為在印跡聚合物制備過程中以磁性物質為載體制備成具有核殼結構特點的復合型聚合物材料。這種印跡聚合物材料回收不需要繁瑣的過濾和離心過程，通過外部磁場調控強化就可以對各種目標物進行可控的再結合和磁分離，常用于吸附分離純化領域。

比如，Zhang 等[36]以Fe3O4顆粒為載體、3-(2-氨基乙胺)丙基三甲氧基硅烷（AAPTS）為功能單體、四乙基硅酸鹽（TEOS）作為交聯劑、Pb(Ⅱ)離子作為模板，在堿性條件下聚合后脫除Pb(Ⅱ)離子模板制備成對Pb(Ⅱ)離子具有識別吸附功能的Fe3O4@SiO2@ⅡP離子印跡聚合物材料，如圖2。該印跡聚合物的識別機制為AAPTS 功能單體中的伯氨、叔氨基團與鉛離子相互作用并結合二氧化硅形成的剛性位穴結構，特異性地識別捕獲Pb(Ⅱ)離子。吸附實驗表明，Fe3O4@SiO2@ⅡP 離子印跡聚合物對Pb(Ⅱ)離子的最大吸附容量為19.61mg/g，在Pb(Ⅱ)/Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)/Zn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)/Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)/Hg(Ⅱ)的二元溶液體系中，印跡聚合物對Pb(Ⅱ)離子的選擇性系數分別為7.41、6.76、3.75和6.39。除了對金屬離子的吸附分離外，印跡聚合物還用于對大分子物質進行識別吸附。比如，Luo等[37]把分子印跡技術與磁分離技術相結合，以Fe3O4顆粒為載體、親水性1-(α-甲基丙烯酸酯)-3-甲基咪唑溴銨為功能單體、聚乙二醇為聚合物材料基體，利用反乳化-懸浮聚合法制備了一種新型親水性磁性分子印跡聚合物，用于去除水環境中的水溶性酸性染料污染物，如圖3所示。該印跡聚合物的識別機制主要概括為1-(α-甲基丙烯酸酯)-3-甲基咪唑溴銨功能單體中甲基咪唑溴銨部分帶正電荷，而常見的水溶性酸性染料中因含磺酸基團而具有較高的電負性，兩者易發生靜電吸引作用，并結合聚乙二醇聚合物表面模板位穴的選擇性，實現選擇性吸附。由于該印跡聚合物采用親水性的功能單體，其與水溶液中的污染物較易接觸，相比其他疏水性的功能單體制備印跡聚合物，該親水性磁性分子印跡聚合物對酸性染料的吸附容量最高。除了單一模板磁性印跡聚合物外，目前也有不少研究工作對多模板磁性印跡聚合物的制備進行了探究，多模板磁性印跡聚合物能夠同時對不同目標進行識別捕獲，其識別機制與單模板磁性印跡聚合物識別機制類似，這些研究工作大大豐富了印跡聚合物材料體系[38-39]。此外，磁性印跡聚合物材料為了防止漏磁現象并維持特定的印跡位穴形態結構對外殼聚合物的交聯度，一般要求較高，較高的交聯度對模板物的再結合與洗脫存在一定的限制。綜合來看，雖然磁性印跡聚合物的磁響應特性在材料回收分離方面具有巨大技術優勢，但是吸附后目標物的釋放仍需采用復雜的溶液洗脫工藝，這就為印跡聚合物的實際應用帶來不便。因此，實現印跡聚合物對目標物的可控識別或釋放，即印跡聚合物更“智能化”是進一步擴展印跡聚合物應用領域的重要研究方向。

圖2 Fe3O4@SiO2@ⅡP離子印跡聚合物的制備過程[36]

圖3 親水性磁性分子印跡聚合物的制備過程及其外加磁場去除水溶性酸性染料的應用[37]

2 熱響應印跡聚合物

一般情況下，溫度是最容易通過外場調節和控制的，因此熱響應印跡聚合物是研究和應用最多的一類智能印跡聚合物材料。熱響應印跡聚合物在外場強化調控過程中能夠通過溫度刺激進行縮聚與溶脹，進而改變位點對目標物的結合力，最終實現對目標物的可切換釋放與結合，同時熱響應印跡聚合物的交聯度不能太高[40]。常見的溫敏聚合物主要有聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）、聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)、聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚(2-羧基異丙基丙烯酰胺)等丙烯酰胺類聚合物，還包括一些聚醚、醇類或羧酸類等聚合物[41-43]。其中N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）單體是最常見的溫敏單體，其具有較低的臨界溶解溫度（LCST，32℃）。其分子結構中具有疏水性異丙基和親水性酰胺基，當溫度低于LCST時，聚合物具有親水性，鏈在水中膨脹并水化；當溫度高于LCST 時，鏈發生脫水和坍縮。此外，這種響應溫度變化的相變過程是迅速的和可逆的。利用這種溫敏單體具有的隨溫度變化導致結合位點大小變化的特性，使得含有PNIPAM聚合物的印跡聚合物具有因隨溫度變化具有調控結合目標物能力的功能。因此，基于N-異丙基丙烯酰胺等不同溫敏單體的印跡聚合物材料得到了廣泛的研究。

比如，Liu 等[44]將氫鍵引入到合成體系中，并結合氫鍵在自組裝過程中的取向和飽和度以及N-異丙基丙烯酰胺溫敏單體，通過離子和氫鍵相互作用制備了一種溫敏型4-氨基吡啶印跡聚合物水凝膠。其中，甲基丙烯酸為識別4-氨基吡啶的功能單體，N-異丙基丙烯酰胺為對溫度敏感的單體，印跡聚合物水凝膠隨溫度的變化而膨脹和收縮，結合4-氨基吡啶的能力也隨之改變，從而實現在外場強化過程中對目標分子的識別和釋放切換。該印跡聚合物水凝膠具有特殊的選擇性、良好的熱敏性和重復使用性，在藥物控制釋放方面具有巨大的應用潛力。潘國慶教授團隊[45]以溶菌酶為模板、N-異丙基丙烯酰胺為主要溫敏單體，在表面活性劑十二烷基硫酸鈉的輔助下，通過水相沉淀法制備了蛋白質印跡的球形納米凝膠顆粒，用于特異性識別和控制溶菌酶釋放。該溶菌酶印跡的納米凝膠顆粒對溶菌酶的再識別結合和釋放特性都表現出顯著的溫度依賴性，即在33℃左右有明顯的吸附/釋放功能開關轉變，如圖4 所示。在金屬離子的吸附分離領域，Tokuyama團隊[46]采用分子印跡技術，以銅離子為模板，通過共聚反應制備了含N-異丙基丙烯酰胺熱敏組分、4-(乙烯基芐基)乙二胺為螯合劑和交聯劑的銅離子熱敏印跡聚合物，該印跡聚合物可以隨溫度變化收縮/膨脹，從而可以特異性吸附和解吸銅離子，如圖5所示。此外，還有一些基于其他溫敏聚合物制備的分子印跡聚合物，如Xiong 等[47]以丙烯酰胺（AAM）為功能單體，2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯磺酸（AMPS）為溫敏單體，通過聚合物間的絡合反應制備拉鏈式熱響應分子印跡聚合物，通過溫度調控選擇性識別和提取雌二醇分子（E2），如圖6所示。該印跡聚合物對雌二醇分子的吸附和釋放受溫度的變化控制，與在20°C 和40°C條件下相比，在30°C 條件下有較高的吸附容量與選擇性。然而，需要說明的是，雖然這些熱響應印跡聚合物通過溫度的調節在吸附分離、藥物傳遞釋放等領域得到了廣泛的研究。但是礙于溫敏單體種類單一及分子印跡技術制備方法有限，熱響應印跡聚合物真正走向實際應用受到一定制約。

圖4 水相沉淀法制備熱響應溶菌酶印跡納米凝膠的原理圖及其在體積相變溫度附近的收縮/膨脹行為示意圖[45]

圖5 溫敏型銅離子印跡聚合物識別吸附及脫附銅離子機理示意圖[46]

圖6 雌二醇分子印跡聚合物（E2-MIPs）的制備過程及其溫度調控拉鏈式控制機理示意圖[47]

3 光響應印跡聚合物

光與溫度類似，也是一種最容易通過外場調節和控制的環境刺激因素。其中最常見的一類光敏單體為偶氮苯衍生物，這類單體具有順-反異構體，其反式異構體在紫外光照下生成順式異構體，而相應的順式異構體在可見光下還原為反式異構體，基于光刺激條件下順-反異構體可逆轉變特點，其常被選為光敏單體用于制備光響應印跡聚合物[48]。其外場強化識別機制為印跡聚合物中光敏物質結構會發生順-反異構體轉變過程，導致受體結合位點的幾何形狀和空間排列也隨之變化進而改變識別位點對模板分子的親和力，實現對目標物可控結合與釋放。

例如，在吸附分離領域，Huang 等[49]為了實現水中鋰離子的綠色回收，以冠醚和偶氮苯衍生物的混合物為功能單體，LiNO3為模板，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）為交聯劑，在二維層狀介孔氮化碳（M-C3N4）表面設計制備了一種新型光響應型鋰離子印跡聚合物（P-ⅡPs）。其中二苯并-14-冠-4（DB14C4）為識別鋰離子的功能單體，偶氮苯（AB）為光響應功能單體，介孔氮化碳（MC3N4）不僅提供載體支撐而且還能提高該印跡聚合物的光吸收能力。該研究工作旨在實現對Li+的光選擇性吸附和可控釋放，避免再生過程中的二次污染和資源消耗問題。其光響應吸附機制為在可見光照射下印跡聚合物發生光異構化反應從而選擇性吸附Li+，而在可見光照射下光異構化反應改變了識別位點形態進而促進了Li+的釋放，其機理如圖7所示。除了針對金屬離子的識別吸附，針對一些大分子的光響應印跡聚合物也有研究。比如，Guang等[50]首先合成了一種具有可聚合的硅氧烷基團和偶氮苯基團的光響應功能單體，以2,4-二氯苯氧基乙酸（2,4-D）為模板，制備了光響應分子印跡聚合物（MIP），其中功能單體通過氫鍵對2,4-二氯苯氧基乙酸產生特定的結合位點。其光響應吸附機制為偶氮苯基團結構在紫外和可見光交替照射下可發生反式-順式異構化可逆反應，進而調節印跡識別位點對2,4-二氯苯氧基乙酸的結合力，控制2,4-二氯苯氧基乙酸吸附與解吸過程，如圖8所示。在藥物傳遞釋放領域，光響應印跡聚合物也有廣泛的研究，比如Gong 等[51]合成了一種含偶氮苯基團的水溶性功能單體4-[(4-甲基丙烯酰氧基)苯基偶氮苯]苯磺酸（MAPASA），進一步將此功能單體與雙丙烯酰胺和雙甲基丙烯酰胺交聯劑交聯，采用常用的鎮痛、解熱藥物撲熱息痛[N-(4-羥基苯基)乙酰胺]作為印跡分子模板，制備出在水介質中具有足夠光學透明度的撲熱息痛分子印跡水凝膠聚合物。該印跡聚合物具有生物兼容性，能夠在生理條件下進行應用，實驗結果表明，該水凝膠在波長為353nm紫外光照射下，83.6%受體結合的撲熱息痛從印跡水凝膠中釋放出來，隨后在440nm 可見光照射下，94.1%釋放的撲熱息痛再次被水凝膠吸附，并且這種光調節的釋放和吸收過程是可重復的，顯示出這種光響應分子印跡材料在生物兼容的智能化學藥品和藥物傳遞轉移系統應用領域具有重要潛力，如圖9所示。然而，光響應印跡聚合物對材料本身的光吸收能力具有一定的要求，即印跡聚合物具有保證光子傳遞到光敏單體的能力。此外，光敏單體材料種類非常單一，這也是嚴重制約光響應印跡聚合物發展的原因之一。

圖7 光響應鋰離子印跡聚合物（P-IIPs）光調控吸附/釋放鋰離子機理示意圖[49]

圖8 紫外和可見光照射下偶氮苯衍單體反式-順式異構化轉變示意圖[50]

圖9 撲熱息痛分子印跡水凝膠聚合物紫外及可見光調控下吸附與釋放撲熱息痛分子示意圖[51]

4 pH響應印跡聚合物

與溫度、光等類似，pH 也是一種常見的環境刺激因子。對于pH 響應印跡聚合物，常用功能單體一般通過氫鍵或電荷互補性提供聚合物與模板分子之間的相互作用力[52]。在外場強化過程中，其主要借助調節溶液的pH 來影響聚合物分子基團的氫鍵或電荷密度，間接調控聚合物與模板分子之間的相互作用力，實現對模板分子的可逆吸附與釋放。常見的pH 響應材料可分為兩大類：①具有弱酸性基團的聚合物如聚羧酸、聚磷酸、聚磺酸、聚氨基酸和聚硼酸類聚合物；②帶弱堿性基團的聚合物如含胺基、吡啶或咪唑基團的聚合物[53]。因此，利用pH響應材料特性，結合分子印跡技術，制備的pH響應印跡聚合物在吸附分離、藥物傳遞等領域都具有重要的潛在應用。

比如，Kanekiyo 等[54]制備了一種以直鏈淀粉為宿主基質的分子印跡聚合物。該實驗方法由經丙烯酰基修飾的直鏈淀粉與雙酚A模板分子在水溶液中預先形成螺旋包合物，然后與交聯劑N,N-亞甲基-雙丙烯酰胺功能單體發生自由基共聚反應，在去除模板物后，該印跡聚合物保留與模板分子形狀互補的疏水腔。研究發現如果丙烯酰基與具有可電離單元（如羧基）的單體共聚反應形成印跡聚合物，且交聯度適當調整后該印跡位點結構可隨著溶液pH發生可逆變化，如圖10所示。該pH響應印跡聚合物在pH 較低的情況下，聚合物中的羧基質子化，保持原始形態的印跡位點，具備對溶液中雙酚A模板分子的識別吸附功能。在溶液pH 升高過程中，聚合物識別位點隨著羧基基團去質子化發生形態結構的改變，結合力減弱并消失從而釋放雙酚A 模板分子。實驗結果表明其對雙酚A 分子具有較高的識別吸附能力而且對雙酚A 的識別吸附釋放再結合過程是可逆的，這項研究工作對于生理條件下藥物傳遞釋放應用研究具有重要的意義。針對雙酚A 模板分子的吸附研究，Zhao 等[55]通過孔填充方式，以雙酚A 為模板，制備了印跡聚醚砜顆粒型吸附劑，其中聚丙烯酸（PAA）凝膠被嵌入聚醚砜顆粒中。該印跡顆粒吸附劑的工作機制為，利用溶液pH 對聚丙烯酸（PAA）凝膠在印跡顆粒中膨脹和收縮行為的調控并結合體積排斥效應，實現印跡聚醚砜顆粒吸附劑對雙酚A 分子的識別再結合能力的可逆調控，如圖11 所示。然而，除了pH 響應材料種類單一以外，實際上關于pH 響應識別機制仍不是十分清楚，這種通過調控溶液pH 進而影響識別位點的形態過程較為復雜，其響應識別機制仍需進一步地探究。

圖10 淀粉基印跡聚合物的合成過程及其pH響應結構的變化[54]

圖11 聚丙烯酸（PAA）凝膠膨脹導致印跡聚合物顆粒受體底物親和力改變示意圖[55]

5 生物大分子響應印跡聚合物

研究發現，動物的生理反應與生理環境中多種生物分子有著密切聯系。例如，胰島細胞分泌釋放胰島素是由復雜的細胞信號根據生理糖濃度的變化來調節的。為了模擬這些自然反饋系統，利用分子印跡技術，一些大分子刺激敏感智能材料得到了研究制備，這些材料能夠直接對特定分子作出響應，即生物大分子響應印跡聚合物[56]。此外，研究發現生物大分子響應印跡聚合物受體與模板分子間的作用力主要有靜電力、氫鍵、疏水力和范德華力等非共價鍵類作用力[57]。因此，可以推斷生物大分子在外場強化過程中主要是通過影響這些非共價鍵類作用力來實現可控響應過程。

生物大分子響應過程首次由Watanabe等[58]在研究熱響應印跡聚合物材料過程中提到，其所制備的基于聚異丙基丙烯酰胺的印跡聚合物在表現出溫度依賴性的體積變化，同時，聚合物體積也響應于客體分子的濃度變化。與光、熱響應印跡聚合物不同，生物大分子響應印跡聚合物沒有什么特定功能單體，其主要的響應機制是在蛋白模板的刺激下改變了受體識別位點上的功能基團排列與作用力，進而引發受體體積的宏觀變化。比如，針對生物大分子響應印跡聚合物的機制，Chen等[59]將蛋白印跡聚合物與非蛋白印跡聚合物作了系統對比分析，研究表明蛋白印跡聚合物不僅能響應外界刺激，如溫度和鹽濃度，也能響應相應的模板蛋白，表現出顯著的比體積收縮。印跡聚合物與非印跡聚合物的關鍵區別在于前者在印跡過程中正確地排列了功能基團，一旦形成初始結合狀態，就可以進一步與模板蛋白結合，最終轉化為宏觀響應，如圖12 所示。而非蛋白印跡聚合物不具有與模板蛋白特異性結合能力。生物大分子響應印跡聚合物材料在一些藥物靶向腫瘤治療方向具有重要潛在應用價值，如利用凝集素和抗體分子作為靶向腫瘤標志物糖蛋白的配體，實現糖蛋白印跡凝膠對生物分子的動態識別。所制備的生物偶聯印跡凝膠可以識別腫瘤特異性標記糖蛋白（α-胎蛋白）中的糖和肽鏈，在這些蛋白模板的刺激下導致印跡凝膠產生體積收縮或溶脹行為，進而釋放負載的藥物進行腫瘤細胞靶向治療[60]。實際上，生物大分子的外場強化響應識別過程機制較為復雜，其他環境因子可能也對響應過程存在一定影響，其識別響應理論機制仍需進一步地探究與完善。

圖12 蛋白響應印跡與非印跡聚合物識別蛋白示意圖[59]

6 雙重功能響應印跡聚合物

以上基本都是單因子響應印跡聚合物，在實際情況中，很多的智能印跡聚合物是雙重因子響應類型，其相比單因子響應印跡聚合物更加智能化。比如在吸附分離領域，磁響應常與熱、pH、光響應相結合，在熱、光或pH 響應下實現對目標物的可控識別結合或者釋放后，磁響應功能還可進一步對印跡聚合物材料進行可控分離收集，其性能更具優越性。磁響應的雙重因子響應主要制備思路是以磁性材料為載體材料，將熱或pH 響應材料結合高分子聚合物并利用分子印跡技術與磁性載體進行有效耦合制備而成，這種雙重功能響應印跡聚合物的響應功能往往由不同材料單體獨立承擔，兩者的刺激因子對彼此互不影響，故磁/光、磁/熱或磁/pH 響應印跡聚合物通常更容易實現，這也是目前研究最多的幾類雙重功能響應印跡聚合物。其中磁性載體多為微納顆粒，這可提高這種雙重功能響應印跡聚合物的有效接觸面積，促進模板分子的傳質與識別結合。關于熱/pH、光/pH、光/熱響應印跡聚合物，特別是熱/pH響應印跡聚合物，由于刺激因子對彼此響應功能單體具有交叉干擾影響，其雙重功能響應較難實現，相對應的印跡聚合物種類也有限。比如，聚合物中的熱敏材料N-異丙基丙烯酰胺在溫度變化下由于其分子與水分子間的氫鍵作用展現出收縮或溶脹的體積相轉變，而溶液pH 的改變，在一定條件下可以使其分子質子化進而破壞其與水分子間的氫鍵作用，對N-異丙基丙烯酰胺的熱響應功能產生干擾。因此，熱/pH、光/pH、光/熱響應印跡聚合物的種類有限，而基于磁響應的雙重功能響應印跡聚合物是研究最多的，特別是在吸附分離領域。

比如，Liu 等[61]制備了一種銅離子印跡的具有磁/熱雙重功能響應印跡聚合物用于對銅離子的吸附分離。其中磁性材料Fe3O4顆粒進行了碳包覆作為載體材料，以N-異丙基丙烯酰胺為溫敏功能單體，N,N-亞甲基-雙丙烯酰胺為交聯劑，Cu2+為模板，采用表面接枝共聚法制備而成，如圖13所示。其熱響應機制與上述單一熱響應印跡聚合物類似，印跡聚合物中的聚N-異丙基丙烯酰胺在溫度的改變下發生體積相轉變，導致識別位點對Cu2+的結合力發生改變，從而實現對銅離子的可逆結合與釋放，如圖13 所示。在通過熱響應功能實現對銅離子的吸附或者釋放后，進一步利用磁響應功能，可對印跡聚合物可控回收，避免了復雜的過濾離心過程。此外，Zhang 等[62]結合分子印跡技術，制備了一種磁/pH響應功能的分子印跡聚合物。該印跡聚合物的模板分子為具有重要經濟價值的咖啡酸（CA），具體制備過程為基于二氧化硅包覆的Fe3O4顆粒載體材料，以2-(二甲胺基)甲基丙烯酸乙酯（DMA）作為pH 響應功能單體，4-乙烯吡啶（4-VP）作為輔助功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）為交聯劑，引發共聚反應而成，如圖14所示。在通過調控溶液pH實現對咖啡酸的結合或釋放后，進一步利用磁響應功能實現對印跡聚合物的可控回收，這種磁/pH雙響應功能相比單一pH響應功能更具有技術優越性。除了常見的磁/pH、磁/熱雙響應功能印跡聚合物外，對磁/光雙響應功能印跡聚合物也有研究。如Chen 等[63]制備了一種具有核殼結構的對光子和磁刺激均敏感的雙響應分子印跡聚合物，用于水介質中對4種磺胺類藥物的檢測。這種磁/光雙響應功能印跡聚合物是以二氧化硅層功能化的超順磁Fe3O4納米顆粒為載體，水溶性4-[(4-甲基丙烯酰氧基)苯基偶氮]苯磺酸（MAPASA）為功能單體，磺胺嘧啶（SDZ）為模板，利用表面印跡技術以共聚法制備而成。其中4-[(4-甲基丙烯酰氧基)苯基偶氮]苯磺酸含有偶氮苯單元結構，其在光調變過程中表現出優異的快速反式-順式異構化反應，作為感光功能單體承擔模板識別和光控模板結合釋放，如圖15 所示。實驗表明，這種磁/光雙響應功能印跡聚合物在365nm的紫外光照射下，偶氮苯結構發生反式-順式異構化，導致結合位點形態改變與結合力減弱，誘導結合分子的釋放。在可見光或撤去紫外光條件下，具有專一性形態結構的結合位點重塑，展現出對模板分子的識別再結合能力，如圖15 所示。此外，結合磁響應功能，該印跡聚合物對于水樣中的磺胺類藥物的吸附萃取展現出巨大的便利性。綜上，相對于單因子響應印跡聚合物，具有雙重響應功能的印跡聚合物更智能化，在實際的外場強化過程中也更具便捷性。此外，需要注意的是雙重響應功能的實現要盡量建立在環境刺激因子對彼此對應響應材料互不干擾的條件下。總之，具有雙重因子響應功能的印跡聚合物在不同的實際應用領域具有很大的應用潛力。

圖13 磁/熱雙重響應功能的Cu2+印跡聚合物制備過程示意圖[61]

圖14 磁/pH雙重響應功能的咖啡酸分子印跡聚合物制備過程[62]

圖15 磁/光雙重響應功能的磺胺嘧啶印跡聚合物制備過程[63]

7 結語與展望

本文首先對分子印跡技術進行分析，指出常規分子印跡聚合物材料特點及其在實際應用中常見局限性問題，進而引出智能印跡聚合物。緊接著以常見的幾個單因子響應智能印跡聚合物為切入點，分別對這幾類智能印跡聚合物的外場強化響應機制及識別機制進行分析總結，緊接著還對常見的具有雙重響應功能的智能印跡聚合物進行分析總結，同時綜述了近些年來這些智能印跡聚合物在不同應用領域中的相關研究工作進展。

對于磁響應印跡聚合物，其磁響應功能主要由作為載體材料的磁性材料提供，其與印跡位點的形態或位點基團的作用力相關性不大。因此，磁響應印跡聚合物一般無法實現對模板分子的可控結合與釋放。然而，磁響應功能能夠對印跡聚合物實現可控回收，避免了復雜的過濾離心等步驟，特別是在吸附分離領域具有不可替代的技術優勢。對于熱、光、pH、生物大分子響應印跡聚合物，其一般具有柔性識別位點，即在對應的外部環境刺激下印跡聚合物識別位點對模板物的結合與釋放過程是可逆的，因此這類印跡聚合物的識別位點結構具有柔性特點。因此，為了獲得柔性識別位點，這類智能印跡聚合物的交聯度不能太高，避免識別位點在環境因子的刺激下無法實現空間構型的可逆變化。此外，這類智能印跡聚合物在外場環境刺激下導致對模板分子的可逆識別與釋放的根本原因基本都是柔性識別位點上的有效基團與模板物之間的作用力受到干擾造成的，這種干擾可以來源于聚合物體積的溶脹與收縮也可以是基團的異構化等。另外，在一些實際應用領域如選擇性吸附分離領域，單因子功能響應印跡聚合物往往還不能滿足實際應用要求，雙重功能響應的印跡聚合物往往更智能化，常見磁響應功能往往被耦合于熱、光、pH 響應印跡聚合物，以便于材料的可控回收。以上主要從不同響應印跡聚合物的響應識別機制及不同材料的特點方面進行了簡要分析對比與總結歸納。

智能印跡聚合物具有結構可預定性、穩定性、實用性和特異識別性等特點，在選擇性吸附分離、固相萃取、藥物控制釋放、化學傳感、檢測等眾多領域展現出廣闊的應用前景，為目標物的精準分離提供了良好的物質基礎和技術支撐。然而，智能印跡聚合物真正走向實際應用還有許多問題需要解決。在理論方面，對于智能印跡聚合物，特別是一些大分子印跡聚合物及一些特殊雙重響應功能印跡聚合物，其外場強化響應機制及可逆識別機制仍缺乏一定的理論支撐，相關作用機制仍需進一步的研究驗證。在材料制備方面，面臨的一個重大問題是一些功能單體及智能響應材料種類太單一，嚴重限制了智能印跡聚合物種類的拓展，智能響應材料功能單體種類的單一也嚴格限制了實際應用范圍。同時，智能響應材料功能單體種類的單一，對應于制備方法體系也較單一。除此之外，在具體的制備過程中，智能印跡聚合物的交聯度對印跡位點具有重要影響，要實現智能印跡聚合物中識別位點形構可逆變化并維持印跡聚合物結構穩定，就需要控制好聚合物的交聯度，不同材料的合適交聯度難以掌握。不過隨著相關研究工作的不斷推進，智能印跡聚合物的理論體系與材料制備體系會不斷壯大完善。