靶向分子印迹吸附材料分离林源活性成分的研究进展

吕慕洁，王立涛，王建栋，曹劲松，靳豪杰，付玉杰，*

(1.北京林业大学 林学院,北京 100083; 2.东北林业大学 森林植物生态学教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150040)

林源活性成分是来源于森林生物资源且对生物体具有一定预防保健和治疗作用的一类化学组分或单体成分，如黄酮、生物碱、萜类和有机酸类化合物等[1]。林源活性成分作为高值化林业产业的重要原料被广泛应用于医药、食品添加剂、功能食品、日用化学品、植物农药和植物兽药等领域[2]。随着我国以林源活性成分为重要物质基础的林业生物制剂产业的快速发展，林源活性成分的需求量与日俱增，林源活性成分的精准分离和高值化加工技术，是提升我国林源产品质量的重要科学任务。然而，在实际生产中，森林资源提取物成分复杂，既有林源小分子活性成分，也有蛋白质等大分子物质及其他杂质[3]，且部分林源活性成分稳定性低、水溶性差、易分解[4]，使分离产物变得困难，尤其是在化学结构类似的情况下，靶向精准分离特定的目标林源活性成分变得尤为困难。因此，以林源活性成分为主体的精准林业产业发展亟需林源活性成分的产业化系列创新技术，以促进我国林源活性成分的快速发展。靶向分子印迹技术(MIT)是以目标化合物为模板，通过一系列合成手段建造能够与目标化合物特定结合的聚合物的过程。这种聚合物即为靶向分子印迹吸附材料，其具有良好的稳定性、对目标化合物的靶向吸附性高，并且可以回收重复利用，所以在林源活性成分的靶向分离产业中颇受青睐。本文介绍了靶向分子印迹技术的原理和分类，以及几种靶向分子印迹吸附材料的新型载体，并对靶向分子印迹吸附材料在分离黄酮、多酚、生物碱、有机酸等林源活性成分中的应用进行了综述，以期为靶向分子印迹吸附材料的研究和利用提供参考。

1 靶向分子印迹技术的分离原理和分类

1.1 分离原理

靶向分子印迹技术是将目标化合物作为模板分子(又称印迹分子)，选择能与印迹分子产生相互作用的功能单体，通过共价键或者非共价键作用形成印迹分子-功能单体复合物，加入引发剂和交联剂后形成三维交联的聚合物，再用溶剂除去印迹分子，最终在聚合物中形成空间和化学功能与印迹分子高度匹配的空穴[5]。形成的空穴与印迹分子结构一致，可以对印迹分子或结构类似的分子实现特异性的识别[6]。靶向分子印迹技术具有结构预知性、特异性识别和广泛适用的特点[7]。靶向分子印迹吸附材料对分子的识别能力来自它与印迹分子之间在化学基团和立体空间结构上能够相互匹配，即分子印迹的选择性与模板分子和功能单体之间相互作用的数量与强度以及模板分子的形态与刚性有关[7]。此外，靶向分子印迹吸附材料具有很高的稳定性，可以耐高温、高压、耐酸碱[8]，且可以重复回收利用。靶向分子印迹吸附材料分离活性成分的原理如图1所示。

靶向分子印迹吸附材料的制备过程大致可以分为3步：第一步是印迹过程，即将印迹分子和功能单体按比例混合，使其形成分子间作用力；第二步是加入交联剂使复合物通过聚合反应形成聚合物；第三步是除去印迹分子，将印迹分子洗脱后将形成具有一定空穴的分子印迹吸附材料。

1.2 靶向分子印迹技术的分类

1.2.1本体聚合 根据靶向分子印迹吸附材料聚合方式的不同，靶向分子印迹技术可以分为本体聚合、沉淀聚合、乳液聚合、悬浮聚合、原位聚合等。本体聚合法是制备靶向分子印迹吸附材料最常用的方法，具体操作过程为将模板分子、功能单体、交联剂和引发剂全部放入溶剂中，通入氮气除去氧气，在真空的条件下合成聚合物。但这样形成的聚合物为块状，需要将其碾碎后再进行洗脱模板分子，最终得到靶向分子印迹吸附材料。陈晶晶等[9]采用本体聚合法制备了苯酚分子印迹吸附材料，并对该吸附材料进行了表征和吸附实验，结果显示：苯酚分子印迹吸附材料对苯酚有着良好的吸附效果。本体聚合工艺简便，过程易于控制，对实验条件要求不高。但是本体聚合也存在模板分子洗脱率不高、外力碾碎材料易受损、回收利用率低等问题[10]。贾玉香等[11]在合成以地西泮为模板分子的分子印迹吸附材料过程中就发现，本体聚合得到的吸附材料形状不规则，不利于后续的分离过程。

1.2.2沉淀聚合 沉淀聚合是指生成的吸附材料不溶于其单体，或者单体和引发剂能溶于反应介质，而生成的吸附材料不能溶于反应介质，吸附材料生成后就从反应体系中沉淀出来，因此又称为非均相溶液聚合。采用沉淀聚合法得到的靶向分子印迹吸附材料是均一稳定的纳米级球体，不再需要后续的碾磨。因此，这是一种在大量非均相溶剂下制备分子印迹微球的最简便方法，所制备的印迹材料与外界接触面积大，特异性吸附强，且制备的过程中不需要加入表面活性剂和稳定剂，但其使用的溶剂量要比本体聚合的多[12]。廖辉等[13]采用沉淀聚合和本体聚合方法分别制备了槲皮素分子印迹吸附材料，通过表征实验和吸附实验发现：采用沉淀聚合法获得的靶向分子印迹吸附材料对槲皮素的吸附量比本体聚合法多一倍。

1.2.3乳液聚合 乳液聚合是将模板分子、功能单体、交联剂等在有机溶剂中稳定溶解后，再转移到含有表面活性剂的水中，搅拌形成乳液，最后加入引发剂合成分子印迹吸附材料。乳液聚合法得到的吸附材料也是均一稳定的小球，接触面积大，并且可以分离水溶性化合物。但是表面活性剂的存在影响了其特异性吸附，这也是乳液聚合得到的分子印迹吸附材料在应用上的一个限制。马珍珍等[14]利用皮克林作为表面活性剂，采用乳液聚合法制备了对四环素类抗生素具有特异性吸附的磁性分子印迹生物炭微球，这种生物炭微球对四环素类抗生素的吸附量可达11.68 mg/g，可以应用于四环素类抗生素的痕量分离检测。

1.2.4悬浮聚合 悬浮聚合一般用于水相中的分子印迹吸附材料的合成。该方法与沉淀聚合法相似，但是在溶剂中额外加入了稳定剂。稳定剂的存在使获得的分子印迹吸附材料在溶液中悬浮而不是形成沉淀，通过悬浮聚合获得的分子印迹吸附材料微球的大小可以通过调节搅拌速度、交联剂用量等参数来控制。Song等[15]通过悬浮聚合方法制备了一种特异性吸附黄曲霉毒素B1的分子印迹吸附材料，该靶向分子印迹吸附材料合成步骤简单，选择吸附性优良。

1.2.5原位聚合 通常分子印迹吸附材料色谱柱或毛细管的制备会用到原位聚合方法。该方法是将空柱或毛细管作为反应容器，将预聚合的混合物溶液注入其中并引发聚合，后续将色谱柱或毛细管连接到色谱仪或电泳仪上洗脱模板分子。原位聚合法操作简便、实用性强，但其分离效果会受到柱压、流速的影响。赵玲钰等[16]利用原位聚合法制备了三氟氯氰菊酯分子印迹固相萃取膜，该萃取膜不仅能检测三氟氯氰菊酯，还对拟除虫菊酯类农药有强吸附作用。

靶向分子印迹吸附材料不同聚合方法的优点和缺点如表1所示。

2 靶向分子印迹吸附材料的载体

通过上述方法合成的靶向分子印迹吸附材料因结合位点多位于材料内部，导致识别不准确，模板分子不易被洗脱，也不能有效分离目标化合物[22]。针对这一问题，科研人员选择了不同的载体材料，将结合位点分布在载体表面，使得分子印迹吸附材料的传质速率加快，洗脱过程效率提高，目标化合物与吸附材料之间结合速度加快，进而提高了靶向分子印迹吸附材料的分离效率[23]。目前，常用于制备靶向分子印迹吸附材料的载体材料有石墨烯、二氧化硅、碳量子点等[24]。近年来，随着生物基材料研究的不断深入，还出现了将木质素、纤维素、半纤维素等生物基材料作为载体制备的靶向分子印迹吸附材料。

2.1 石墨烯载体

石墨烯作为一种应用广泛的碳纳米材料，具有表面均匀、延展性好、热稳定性高、导电性好、机械强度高等特点，这也使它成为了理想的靶向分子印迹吸附材料的载体[25]。以石墨烯为载体合成的靶向分子印迹吸附材料的大小和形状可控，在极端条件下也能保持稳定状态，且因为结合位点皆分布在薄薄的石墨烯表面，使分子印迹吸附材料与目标化合物的结合过程及模板分子的洗脱过程快速且高效。Chen等[26]以疏水性苯乙烯为单体，氧化石墨烯为载体，制备了高吸附性能的氧化石墨烯靶向分子印迹吸附材料，该材料具有π-π作用力和疏水相互作用的分子印迹腔，对目标化合物有很高的特异选择性，可以从水溶液中分离苹果中萘衍生的植物生长调节剂。

尽管石墨烯具有如此多的优良特性，但其在大多数溶剂中仍缺乏聚集性和分散性。为了进一步提高石墨烯的接触面积和灵敏度，采用纳米粒子特别是贵金属对分子印迹吸附材料的石墨烯载体进行修饰，以提高石墨烯载体分子印迹吸附材料在溶剂中的溶解度并降低它的聚集性，使之成为一种具有广阔应用前景的材料。Deepa 等[27]开发了一种由氧化石墨烯与金纳米粒子等物质聚合成的分子印迹吸附材料，其能够灵敏有效地测定和分离血液样品中的甲基丙二酸。氧化石墨烯接枝金纳米粒子制备分子印迹吸附材料的简要流程如图2所示。

2.2 二氧化硅载体

二氧化硅是一种性质稳定，且可以设定粒径大小的纳米级颗粒，是靶向分子印迹聚合物中常用的载体。与石墨烯载体相似，二氧化硅载体靶向分子印迹吸附材料也有很强的极端环境适应能力，不易受外力的影响，且其吸附和解吸附过程都极为快速高效。Rui等[28]使用黄曲霉毒素的结构类似物作为模板分子，利用介孔二氧化硅FDU-12作为载体，制备了对黄曲霉毒素有高度选择性的靶向分子印迹聚合物(FDU-12@MIP)，研究发现：FDU-12@MIPs对黄曲霉毒素的吸附能力高于非印迹介孔二氧化硅聚合物(FDU-12@NIPs)。Bonyadi等[29]以日落黄为模板在水中与多巴胺自聚合成聚多巴胺，而后将聚多巴胺接枝到二氧化硅纳米颗粒表面，制备了对日落黄有靶向分离作用的二氧化硅基靶向分子印迹吸附材料，该印迹材料对日落黄具有较高的灵敏性和选择性以及良好的稳定性和可接受的循环利用性，以二氧化硅为载体靶向吸附日落黄的分子印迹材料制备流程如图3所示。

2.3 碳量子点载体

碳量子点，简称碳点(CDs)，是由纳米级碳颗粒组成的团簇结构，具有荧光性、良好的光稳定性、低毒性、高环境友好度，以及易溶于水等特点[30]。将碳点作为载体合成靶向分子印迹吸附材料一般需要掺杂其他原子或通过表面改性对碳点进行修饰，以增加吸附材料和目标化合物之间的作用力[31]。Hu等[32]将镁和氮掺杂碳点制备了用于分离检测水中四环素的靶向分子印迹吸附材料，该吸附材料对四环素的特异选择性高，且具有优异的光学稳定性和良好的可重复使用性。碳点载体分子印迹吸附材料的制备过程如图4所示。

2.4 生物基载体

纤维素和木质素是从废弃植物资源中得到的一种常见的多功能、低成本和可再生的天然生物基材料[33-34]。它们可以被生物降解，具有良好的生物相容性、耐酸/碱腐蚀性，而且可以溶解于聚合反应涉及的各种有机溶剂[35]。因此，纤维素、木质素是靶向分子印迹吸附材料的理想载体。Cao等[36]成功制备了一种改性硅烷化多孔纤维素微球，并将其作为载体制备了靶向分离白藜芦醇的分子印迹吸附材料，制备流程如图5所示。分子印迹材料表面有许多孔，这些孔为其对白藜芦醇的特异性吸附提供了帮助，该材料对虎杖提取物中的白藜芦醇表现出较强的吸附能力，重复使用率高，能够作为有效分离和富集虎杖中白藜芦醇的吸附剂，具有良好的应用前景。

Xu等[37]采用生物质细菌纤维素作为构建分子印迹材料的载体，该纤维素是膜状的三维中空纳米纤维结构且表面亲水性高，利用这种载体合成的分子印迹吸附材料能够暴露出丰富的活性吸附位点，并促进材料内部的传质，对目标化合物甲酚异构体表现出高选择性和快速吸附性。Zhang等[38]受到贻贝的启发，将无机二氧化硅纳米粒子引入到再生纤维素膜的表面作为载体，构建特异性吸附紫杉醇的分子印迹吸附材料，该吸附材料对紫杉醇表现出优异的选择性吸附能力和渗透选择性，最大吸附量和分离系数分别为46.36 mg/g和3.77；而且，在连续6个吸附和解吸循环之后，该吸附材料仍保持了优异的稳定性和可重复使用性。综上，纤维素和木质素作为一种物美价廉绿色可回收的材料，以其为载体合成的靶向分子印迹吸附材料具有广阔的应用前景。

3 靶向分子印迹吸附材料分离林源活性成分的应用

3.1 分离黄酮类成分

黄酮类成分广泛存在于植物体中，是林源活性成分的重要组成。黄酮类化合物往往具有抑菌、抗病毒、抗肿瘤等多种生物活性。由于黄酮类化合物结构复杂，合成成本高，因此精准靶向提取分离黄酮类林源成分一直是近年来科研人员努力的方向[39]。Song等[40]以超支化苯基硼酸纳米材料为载体，构建了一种对芦丁具有高亲和力，且结合位点分布均匀的新型磁性靶向分子印迹吸附材料，该材料在槲皮素、查尔酮、根皮苷和咖啡酸等结构相似的竞争性吸附物存在的情况下，对目标化合物芦丁表现出了极高的吸附能力，可以用于高效分离富集槐花提取物中的芦丁。Cheng等[41]以丙烯酰胺为功能单体，偶氮二异丁腈为引发剂，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，制备了分离山奈酚的靶向磁性分子印迹吸附材料，该材料对苹果样品中的山奈酚具有较高的吸附容量(3.84 mg/g)，并且在50 min内达到了吸附平衡，该材料对山奈酚的选择性高于结构类似物并且展现出较高的回收率(>90%)。You等[42]制备了以木犀草素为模板的磁性分子印迹聚合物，然后将其与氧化石墨烯一起在玻碳电极表面改性，该材料能成功地用于分离提取荷叶提取物中的木犀草素，且重复利用率高。Dramou等[43]以甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸甲酯为交联剂，氧化石墨烯为载体，使用表面压印技术制备了靶向分离槲皮素的分子印迹吸附材料，在有木犀草素和芦丁的干扰下，该材料对槲皮素的精准提取和分离具有极佳的靶向性能。

3.2 分离多酚类成分

多酚是分子中具有多个羟基的酚类植物成分的总称。植物中多酚的含量仅次于纤维素、半纤维素和木质素。植物多酚又称植物单宁，是植物体内的复杂酚类次生代谢产物, 具有多元酚结构，主要存在于植物体的皮、根、叶、壳和果肉中[44]。目前借助分子印迹技术提取植物中的多元酚类物质已成为天然产物和有机化学研究的热点。何慧清等[45]采用沉淀聚合法制备了靶向吸附白藜芦醇的分子印迹吸附材料，并以该材料作为固相萃取柱的填料对花生根茎中的白藜芦醇进行提取，研究结果表明：利用这种提取技术所获得的白藜芦醇纯度高，提取过程试剂的使用量少，吸附材料可回收，绿色环保。Hou等[46]以聚苯乙烯为支撑材料，二氧化锡为无机基质，邻苯二酚为片段模板，4-乙烯基苯基硼酸为硼酸酯亲和性功能单体进行表面压印，成功地制备了硼酸酯亲和性的空心氧化锡基片段模板分子印迹聚合物，并使用该材料成功提取茶和果汁样品中的儿茶素、绿原酸和咖啡酸。张军杰等[47]为了分离检测石榴皮样品中的没食子酸，制备了一种磁性分子印迹吸附材料，该材料对样品中没食子酸的吸附和解吸附效率都很高。鞣花酸是一种多酚二内酯，有抗氧化、抗凝血等功能，常作为添加剂用于药品和护肤品中[48]。邹佳美等[49]采用沉淀聚合法制备了一种以鞣花酸为模板分子的靶向分子印迹吸附材料，对该材料进行表征及吸附实验，发现该材料能够有效提取分离溶液中的鞣花酸。Gao等[50]以Fe3O4-Cu纳米颗粒为磁芯，绿原酸为功能单体，加上由相变溶菌酶形成的耐酸印迹层，制备了耐酸磁性靶向分子印迹吸附材料，将材料与高效液相色谱相结合可成功用于选择性提取和准确测定金银花样品中的绿原酸。

3.3 分离有机酸类成分

有机酸是指含羧基的酸性化合物。大多数具有酸味的中药都含有有机酸类成分，常见的主要是柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、酒石酸和草酸等[51]。有机酸类化合物具有抗炎、抗氧化、抗动脉粥样硬化和治疗高血压等作用[51]。水杨酸是许多医药产品和护肤品的重要原料。余小芳等[52]以4-乙烯吡啶作为功能单体制备了靶向分离检测水杨酸分子印迹吸附材料，将其作为固相萃取柱填料，结合高效液相色谱成功分离检测了水溶液中的水杨酸。Xiong等[53]以二氧化钛纳米棒阵列为载体，在引发剂的存在下，利用二氧化钛的光敏性，用光聚合过程制备了分子印迹吸附材料，并利用该材料修饰的氟掺杂氧化锡作为玻璃电极，最终用于水杨酸的分离检测，这种传感器制作简单，成本低廉，可以在医药分离检测领域进行推广。阿魏酸是化妆品行业常用的抗氧化剂。Buffon等[54]将包含氧化石墨烯和金纳米粒子的丝网印刷电极通电合成制备靶向分离检测阿魏酸的分子印迹吸附材料，该材料用于检测阿魏酸时具有极好的选择性，并成功应用于分离检测榨汁后废弃橙皮中的阿魏酸。王杰[55]采用甲基丙烯酸作为功能单体，制备了靶向分离熊果酸的分子印迹吸附材料，通过静态吸附试验验证了该材料对提取液中熊果酸具有较好的吸附性和亲和性。

3.4 分离生物碱类成分

生物碱是广泛存在于自然界的一类含氮有机化合物，往往具有明显的生理活性或毒性，如吗啡镇痛、麻黄碱平喘、莨菪碱解痉、咖啡因兴奋中枢神经、黄连素抗菌以及毒性较大的番木鳖碱等。然而，生物碱的提取分离较为复杂，尤其是生物碱含量较低时则更为困难。而提取与分离是研究生物碱理化性质和生理活性的首要步骤[56]，目前已有关于分子印迹材料应用于生物碱靶向提取分离的报道。紫杉醇作为一种二萜类生物碱一直被广泛用作抗癌药物，然而紫杉醇的主要来源紫杉树，树木稀少且生长缓慢，传统提取方法提取纯度低，因此利用分子印迹技术对其进行靶向分离成为了研究热点。Ghasemi等[57]使用非溶剂诱导相分离技术的共价印迹方法开发了一种靶向分离紫杉醇的分子印迹膜，通过不同的表征技术对制备的膜进行了表征，并对制备条件和纯化工艺进行了优化，最终采用该方法有效富集和分离了天然来源的紫杉醇。张丽等[58]以甲基丙烯酸作为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸为交联剂，偶氮二异丁腈为引发剂，使用本体聚合的方法制备了一种靶向分离拉巴乌头碱的分子印迹吸附材料，利用该材料制作固相萃取柱，能够快速分离富集溶液中的拉巴乌头碱。由于二吡啶甲酸与甜菜碱的结构相似，Nestora等[59]将二吡啶甲酸作为模板分子合成了一种靶向分离甜菜碱的分子印迹吸附材料，该材料在甜菜根提取物中甚至可以完全去除糖和蛋白质等基质成分，选择性地吸附甜菜碱及异甜菜碱。袁新华等[60]以苦参碱为模板分子制备了靶向分子印迹吸附树脂，与非分子印迹的吸附树脂相比，分子印迹吸附树脂对苦参碱的选择性吸附能力更强。

3.5 分离其他林源活性成分

三七素来源于植物三七，是一种具有止血功能的林源活性成分。Ji等[61]采用苯基丙酮酸和DL-酪氨酸作为多模板，采用本体聚合技术制备了靶向吸附三七素的分子印迹吸附材料，利用该材料从三七提取物中分离得到的三七素的纯度为98.5%，平均回收率为85.6%。Sadegh等[62]以功能化超顺磁性核-壳纳米粒子为载体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，甲基丙烯酸为功能单体，采用溶胶-凝胶法合成了靶向分离香豆素的分子印迹吸附材料，该材料具有出色的功能性和对香豆素的高选择性，适用于从香蒲提取物中分离香豆素。银杏内酯B是银杏叶中的主要活性成分之一，是珍贵的药用林源活性成分[63]。Li等[64]制备了一种靶向分离银杏内酯的分子印迹吸附材料，与非分子印迹聚合物相比，分子印迹吸附材料对银杏内酯B的吸附能力更高，且重复使用6次后仍具有很好的选择性和吸附性。

4 结语与展望

林源活性成分已经被广泛应用于医药、食品添加剂、功能食品、日用化学品、植物农药和植物兽药等领域。与传统分离方法相比较，靶向分子印迹吸附材料因对目标化合物具有高吸附性、高选择性、溶剂使用量小、材料可以回收重复利用等优点而广受青睐。但分子印迹材料作为一个新兴事物，在发展过程中也暴露出一些问题：1)制备靶向分子印迹吸附材料时，模板分子的需求量较大，但有些模板分子如紫杉醇等价格高昂且珍贵，使得靶向分子印迹吸附材料的制备成本高；2)很多分子印迹吸附材料的原理和机制不明，影响制备方法的改进；3)大部分靶向分子印迹吸附材料的目标分离化合物为小分子物质，缺乏分离大分子化合物的分子印迹吸附材料。因此研发制备效率高、成本低、操作简单且具有高选择性、高灵敏度、快速洗脱的靶向分子印迹吸附材料是目前亟待研究的方向。随着靶向分子印迹吸附材料在林源活性成分精准分离应用中的快速发展，分子印迹靶向提取技术日臻成熟。积极开发靶向分子印迹吸附材料载体，降低模板分子使用量，提升吸附/解吸附效率，明确林源活性物的成分和印迹材料的作用机制，是靶向分子印迹吸附材料在我国林源活性成分精准分离过程中的重要科学任务。以靶向分子印迹吸附材料为载体的林源活性成分精准分离亟需进行系列创新及产业推广，以促进我国林源活性成分利用行业的快速发展。随着林源活性成分开发利用产业的蓬勃发展和绿色经济理念的深入人心，靶向分子印迹吸附材料在推进林源活性成分的靶向分离和精准利用方面将会有更广阔的前景。