磁性萃取材料在重金屬檢測及形態分析中的應用進展

關鍵詞 磁性材料；重金屬離子；萃取；形態分析；評述

隨著工業化進程的加速和人類活動的不斷增加，大量重金屬離子進入環境，不僅污染土壤和水體[1]，還經食物鏈進入人體，引發慢性中毒和疾病[2]。因此，對重金屬污染的監測和治理非常重要。實際樣品通常成分復雜，含有的重金屬離子濃度低，在檢測前通常需要進行樣品前處理以降低樣品基底的干擾和實現目標物的富集。目前，在諸多前處理技術中， 磁固相萃取（Magnetic solid-phase extraction， MSPE）將磁分離的優點與傳統的分散固相萃取技術相結合，具有萃取速度快、操作簡便、成本低、樣品和有機溶劑用量少等優點，已成為重金屬檢測及形態分析中理想的樣品前處理技術[3]。

在MSPE 技術中，制備和選擇適當的功能化磁性納米粒子（Magnetic nanoparticles， MNPs）吸附劑是MSPE 用于分離富集重金屬離子的關鍵。磁鐵礦（Fe₃O₄）納米材料因具有超順磁性，并且易于功能化而被廣泛應用于磁性吸附劑的制備[4]。為了解決Fe₃O₄ 納米材料易聚集、對酸敏感、相容性和選擇性差等問題，同時提高其對目標金屬離子的吸附能力和萃取性能，通常需要對其進行改性，如引入特定的官能團和配體等[5-6]。目前已有多種材料，包括離子印跡聚合物（Ion imprinted polymers， IIPs）、殼聚糖（Chitosan，CS）、金屬有機框架（Metal organic frameworks， MOFs）、離子液體（Ionic liquids， ILs）和其它功能化材料被用于修飾Fe₃O₄ 粒子，在MSPE 模式下富集各種重金屬離子，實現對痕量重金屬離子的準確分析。本文對近年來用于重金屬離子富集的磁性萃取材料的研究進展進行了總結，對存在的問題和面臨的挑戰進行了分析，并對未來的發展趨勢進行了展望，旨在為重金屬元素檢測及形態分析的發展提供參考，以推動MSPE 技術的發展和應用。

1 離子印跡聚合物

IIPs 是一種新型的功能分子材料，具有與目標離子互補的三維空腔結構，可以特異性識別目標離子。目前，可通過本體聚合和表面印跡聚合的方法制備IIPs。其中，本體聚合是單體在不加溶劑以及其它分散劑的條件下，在引發劑或光、熱、輻射作用下，其自身進行聚合引發的聚合反應。該方法制得的IIPs含雜質少，制備過程簡便，不需要復雜的分離和提純操作，生產成本低；但存在模板離子難以徹底去除和對目標離子特異性識別能力較低等缺點[7]。表面印跡聚合是一種在多孔材料表面上接枝或覆蓋上一層印跡聚合物薄膜的印跡聚合物制備方法，所制備的IIPs 傳質阻力小，可以充分去除模板離子，具有較高的特異性識別能力，但吸附容量相對較低[8]。為提高IIPs 的吸附容量，研究者在不同基底（如磁性氨基碳納米管、Fe₃O₄@SiO₂ 以及介孔二氧化硅/磁性氧化石墨烯復合材料）上，采用表面印跡聚合法制備IIPs[9-18]。

6 結論與展望

MSPE 作為綠色樣品前處理方法之一，研究者已制備出基于IIPs、CS、MOFs、ILs 和其它聚合物改性的多種磁性萃取材料，可從復雜樣品中有效萃取和分離重金屬離子。然而，MSPE 也面臨著諸多挑戰。具體而言，磁性IIPs 復合材料結構穩定、具有高的特異性識別能力和選擇性，但在制備過程中，仍需注意對模板的徹底去除，提升印跡位點的穩定性與可再生性。對于磁性CS 復合材料而言，其生物相容性好，但使用壽命、特異性識別能力和吸附容量有待提高。磁性MOFs 復合材料憑借其大的比表面積和可調的孔徑而展現出巨大的應用潛力，然而繁瑣且冗長的制備過程、相對較低的材料穩定性和較高的成本已成為其發展的瓶頸。盡管磁性ILs 復合材料因含有豐富的功能基團等優點而廣受青睞，但較高的制備成本以及其對環境可能造成的影響限制了其應用范圍。基于其它聚合物合成的磁性復合材料在選擇聚合物基體和改性單體方面的靈活度較高，可制備出不同特異性吸附的磁性吸附劑，但在選擇最適合的聚合物基體和改性單體方面具有一定的挑戰性。

未來，磁性萃取材料的研究應聚焦于提高性能、降低成本和拓寬應用領域等多個維度。應致力于開發新型制備技術，優化材料結構，增強其穩定性和選擇性；同時，通過與其它材料復合或引入功能基團，有望進一步提升材料的吸附容量、萃取效率和抗干擾能力；應努力實現功能化磁性粒子的批量化制備，實現良好性能磁性吸附劑的商品化。另外，應構筑高度自動化的萃取裝置，實現MSPE 過程從吸附到解析的自動化，減少人工操作，提高制樣效率，推動磁性萃取材料在重金屬檢測及形態分析中的持續發展和創新，并進一步拓展MSPE 的應用領域。