馬煜萱，李靖，許愿，郭冀峰

(長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 旱區(qū)水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室，陜西 西安 710054)

四環(huán)素是一類廣譜抗生素的統(tǒng)稱，其中包括四環(huán)素、金霉素、土霉素、半環(huán)素、甲環(huán)素、替加環(huán)素等[1]。自1940年四環(huán)素被發(fā)現(xiàn)以來，被廣泛應(yīng)用到獸醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)、畜牧業(yè)等方面[2]。據(jù)研究報道，超過70%的四環(huán)素會通過人類和動物的糞便尿液排入環(huán)境中，最終造成地表水和地下水的污染[3]。此外，過量的四環(huán)素會抑制水生生物的生長，促進(jìn)抗生素耐藥性細(xì)菌的生長，對人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。四環(huán)素的降解和檢測對于凈化水體，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。然而，環(huán)境中殘留的四環(huán)素通常具有低濃度、高污染、基質(zhì)復(fù)雜等特點。如何快速的選擇性的識別并檢測四環(huán)素成為降解四環(huán)素的重要環(huán)節(jié)。

分子印跡是一種具有特異性，選擇性識別目標(biāo)分子的新型技術(shù)，其最大的特點是特異性識別污染物。因此利用分子印跡技術(shù)去除和監(jiān)測復(fù)雜環(huán)境和食品中的痕量污染物受到了廣泛的關(guān)注。2004年Cai等[4]首次將四環(huán)素作為模板分子合成印跡聚合物，用于選擇性吸附四環(huán)素。2018年，Mohsenzadeh等[5]總結(jié)了分子印跡聚合物在測定牛奶中抗生素的應(yīng)用；2020年，王莉燕[6]課題組綜述了分子印跡聚合物在抗生素殘留測定中的應(yīng)用。目前還未有關(guān)于分子印跡技術(shù)處理四環(huán)素類抗生素的綜述，本文系統(tǒng)總結(jié)了近年來分子印跡技術(shù)在處理食品和廢水中的四環(huán)素的應(yīng)用進(jìn)展，包括分子印跡固相萃取技術(shù)和分子印跡傳感器提取和監(jiān)測食品中的四環(huán)素，以及分子印跡與光催化、膜分離技術(shù)結(jié)合處理廢水中四環(huán)素。

1 分子印跡技術(shù)在提取和檢測食品中四環(huán)素的應(yīng)用

1.1 分子印跡固相萃取技術(shù)

四環(huán)素因抗菌性好、實用性強、價格低廉被廣泛運用到畜牧業(yè)和獸醫(yī)學(xué)中，然而，四環(huán)素的過量使用會導(dǎo)致動物源性食品存在殘留的微量四環(huán)素，對人類健康產(chǎn)生極大威脅。目前應(yīng)用最多的檢測方法為高效液相色譜法(HPLC)。但大多數(shù)食物樣品中的四環(huán)素濃度較低且樣品基質(zhì)成分復(fù)雜，檢測其殘留四環(huán)素前必須經(jīng)過提純預(yù)處理，固相萃取是最常見的樣品預(yù)處理技術(shù)。但固相萃取技術(shù)容易受到雜質(zhì)干擾，且有機溶劑消耗量大，選擇性低。將分子印跡技術(shù)與固相萃取技術(shù)結(jié)合，以印跡聚合物作為萃取吸附劑，相比與傳統(tǒng)固相萃取法，具有可選擇性高、識別性強、結(jié)果靈敏準(zhǔn)確等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外已有利用分子印跡聚合物作為固相萃取劑的許多研究性報道。Wang等[7]合成了一種新型混合模板分子印跡聚合物，建立了基質(zhì)固相分散法同時提取豬肉中的4類四環(huán)素類藥物，并進(jìn)行超高效液相色譜測定。該方法對豬肉中四環(huán)素的檢出限在0.5～3.0 ng/g之間，可作為一種快速、簡便、特異、靈敏的肉類中藥物殘留的多組分檢測方法。Xu等[8]以牛血清白蛋白(BSA)和多巴胺為雙功能單體制備了新型磁性分子印跡納米材料，將印跡納米材料作為固相吸附劑，與高效液相色譜相結(jié)合，選擇性地從未處理的牛奶樣品中提取并測定痕量四環(huán)素。四環(huán)素類藥物的回收率在84.1%～95.8%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)差<6.7%。Feng等[9]以四環(huán)素為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體合成了分子印跡聚合物。制備的固相萃取柱能同時捕獲4個四環(huán)素，吸附能力高(3 560～4 700 ng)，回收率高(>87%)，檢出限在20～40 ng/g范圍內(nèi)，強化空白樣品(牛奶、雞蛋和豬肉)的回收率在74%～93%范圍內(nèi)。He[10]以氧化石墨烯(GO)和碳納米管(CNT)的三維碳納米復(fù)合物合成了選擇性高的親水性四環(huán)素印跡聚合物，以該聚合物作為吸附劑固相萃取食品中的TC殘留物，然后通過高效液相色譜(HPLC)檢測。在最佳條件下，該方法的檢出限(MDL)為0.127 μg/kg。該方法的提取效率是在三個真實樣品(牛奶、雞肉和魚類)中進(jìn)行的，這些樣品中摻入了3個水平(5，10，20 μg/kg)的四環(huán)素。結(jié)果顯示回收率分別為(85.58±0.19)%～(116.87±8.92)%(S/N=3)。Ma等[11]將二甲胺四環(huán)素分子印跡納米聚合物聚合在金屬有機骨架材料表面，合成一種新型復(fù)合材料。以該化合物為吸附劑，建立了分散固相微萃取雞肉中7種四環(huán)素的超高效液相色譜測定方法。該復(fù)合材料對7種四環(huán)素具有較高的吸收能力(2 200～3 000 ng/mg)和高回收率(>92%)，可重復(fù)使用8次。7種藥物的檢出限為0.2～0.6 ng/g，該方法可作為肉類中四環(huán)素殘留量多重檢測的實用工具。

1.2 分子印跡傳感器

傳統(tǒng)檢測四環(huán)素的方法有：高效液相色譜法、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、毛細(xì)管電泳、酶聯(lián)免疫吸附實驗等[12-15]。傳統(tǒng)方法雖然檢測效果好，但存在耗時長、儀器昂貴、操作復(fù)雜、樣品需預(yù)處理等缺點。因此亟待開發(fā)一種操作簡單、方便、選擇性高的方法檢測四環(huán)素。分子印跡傳感器的出現(xiàn)很好地解決了傳統(tǒng)檢測方法選擇性差的問題，受到了國內(nèi)外許多研究人員的青睞。分子印跡傳感器可分為兩大類：光學(xué)傳感器和電化學(xué)傳感器。其中光學(xué)傳感器包括光子晶體傳感器和熒光傳感器。分子印跡光子晶體傳感器是一種快速、簡單、可視化識別目標(biāo)污染物的傳感器；熒光傳感器由于具有檢測步驟簡單、靈敏度高等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于TC的檢測。電化學(xué)傳感器與光學(xué)傳感器相比，檢測范圍更廣。

1.2.1 分子印跡電化學(xué)傳感器檢測四環(huán)素 電化學(xué)傳感器是通過將分析物與電極表面受體之間相互作用產(chǎn)生的化學(xué)信息轉(zhuǎn)化為可分析測量的信號來對目標(biāo)分子進(jìn)行定量分析的一類傳感器。目前，分子印跡電化學(xué)傳感器的一個發(fā)展趨勢為將MIPs與納米顆粒結(jié)合修飾電極，增強分析物識別能力和傳質(zhì)效率，從而提高傳感器的靈敏度。常見的納米材料有：石墨烯、碳納米管、AuNPs等。Devkota等[16]以分子印跡過氧化聚吡啶(MIOPPy)修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極(SPCE)和金納米顆粒(AuNPs)為基底，研制了一種檢測四環(huán)素(TC)的選擇性、靈敏度高的電化學(xué)傳感器。在優(yōu)化條件下，校準(zhǔn)曲線呈1～20 mol/dm3的線性趨勢，檢出限為0.65 mol/dm3。該傳感器成功地用于測定真實食品樣品中的TC，回收率為63%，高于90%，與LC-MS法相當(dāng)。Bougrini等[17]基于分子印跡聚合物和金屬有機骨架修飾的金電極制備了電化學(xué)傳感器。該傳感器的線性范圍為2.24×10-13～2.24×10-8mol/dm3，檢測限低至2.2×10-16mol/dm3。該方法成功地用于蜂蜜中四環(huán)素的測定。四環(huán)素的回收率為101.8%～106.0%，RSD為8.3%。目前，一種新興材料二維COF材料在開發(fā)快速、方便、高導(dǎo)電性材料方面有著廣闊的前景。高度有序的多孔結(jié)構(gòu)和金屬活性位點的存在使得制備的二維COF具有良好的導(dǎo)電性和電催化活性，從而提高了所構(gòu)建傳感器的靈敏度。Ma等[18]以o-PD為功能單體，TC為分子模板，在COF修飾電極表面電聚合制備分子印跡電化學(xué)傳感器。該傳感器在5×10-13～6×10-12mol/dm3的濃度范圍內(nèi)與四環(huán)素呈良好的線性關(guān)系，檢出限為2.3×10-13mol/dm3。為四環(huán)素在食品中的檢測提供了一個經(jīng)濟(jì)、靈敏、特異性強的可行平臺。

1.2.2 分子印跡熒光傳感器檢測四環(huán)素 熒光傳感器是一種可以將被檢測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為熒光信號的傳感器材料，具有靈敏度高、操作簡單、檢測速度快等優(yōu)點，在抗生素檢測尤其是四環(huán)素檢測中越來越受歡迎。分子印跡熒光傳感器不僅具有熒光分析的高靈敏度，同時也具有MIPs的高選擇性。以量子點作為熒光材料制備分子印跡傳感器較為常見。TC不存在時，量子點和印跡聚合物的電子在接受紫外光子時從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，隨后被激發(fā)的電子回到價帶，產(chǎn)生熒光信號。相反，若TC存在，TC的羥基與量子點的氨基之間存在氫鍵作用，強相互作用使得量子點與TC之間的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，量子點的能量會轉(zhuǎn)移到QD/MIP和TC的復(fù)合物上，導(dǎo)致其熒光猝滅，不產(chǎn)生熒光信號。通過量子點的熒光變化(猝滅或增強)對四環(huán)素濃度進(jìn)行定量估計。與傳統(tǒng)量子點相比，碳量子點具有安全無毒、熒光效果好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，因此越來越多地被應(yīng)用于食品中四環(huán)素的檢測。Zhou等[19]通過結(jié)合分子印跡聚合物(MIPs)和石墨烯量子點(GQDs)開發(fā)了一種新型熒光傳感器，在最佳條件下，其線性范圍為 1.0～104μg/L 和檢出限確定為1 μg/L。GQDs-MIP也表現(xiàn)出對TC的高選擇性。熒光傳感器成功應(yīng)用于實際牛奶中TC的檢測。Wang等[20]成功制備了SiO2-AF@MIPs熒光表面印跡傳感器檢測四環(huán)素，SiO2-AF@MIPs傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度(LOD低至4.26 ×10-9mol/dm3)、快速檢測率、可重復(fù)使用性能和較好選擇性。Wei等[21]制備了一種新型碳量子點分子印跡熒光傳感器用來檢測四環(huán)素，其線性范圍為1.0～60 mol/L，檢出限為 0.17 mol/L。這種新型熒光傳感器可以成功地用于實際樣品中四環(huán)素的檢測。為四環(huán)素在復(fù)雜環(huán)境中的選擇性識別和快速檢測提供了一種新思路。Hou等[22]將印跡聚合物接枝到碳量子點表面，采用微波輔助制備熒光印跡復(fù)合材料檢測牛奶中的四環(huán)素，隨著四環(huán)素濃度從2×10-8mol/dm3增加到 1.4×10-5mol/dm3，復(fù)合材料的相對熒光強度呈線性下降。其檢出限為5.48×10-9mol/dm3。Li等[23]制備了嵌入碳點(HMIP@CD)的單孔空心分子印跡聚合物，用于檢測蜂蜜中的TC，該傳感器在10～200 μg/L 表現(xiàn)出一個優(yōu)秀的線性關(guān)系，檢出限低至3.1 μg/L。在TC的3個峰值水平下，回收率93%～105%，準(zhǔn)確度低于1.6%。該方法為利用熒光干擾檢測復(fù)雜基質(zhì)中分析物提供了一種有效的方法。

1.2.3 分子印跡光子晶體傳感器檢測四環(huán)素 光子晶體是一類遵循布拉格衍射定律的具有周期性結(jié)構(gòu)的光子納米材料。分子印跡光子晶體(MIPC)傳感器是一種結(jié)合光子晶體和分子印跡的傳感器，在利用MIPC檢測四環(huán)素時，分子印跡光子晶體因膨脹或收縮改變了其顆粒間距，最終導(dǎo)致衍射峰波長和顏色發(fā)生周期性的變化[24]。通過觀察Debye衍射環(huán)在單色激光照射下直徑的變化來檢測MIPC在TC水溶液中的響應(yīng)性能。 Wang等[25]采用TC作為印跡模板，成功制備了具有特定結(jié)合位點的MIPCH傳感器。隨著TC濃度從0增加到60 mol/L，MIPC傳感器的結(jié)構(gòu)顏色由藍(lán)變紅。此外，該傳感器也可實現(xiàn)對牛奶中TC的檢測，隨著牛奶樣品中TC藥濃度的增加，MIPC傳感器的顆粒間距增大約92 nm，MIPC的結(jié)構(gòu)顏色由藍(lán)色變?yōu)榫G色變?yōu)槌壬?。然而，MIPC因濕潤性差可能會導(dǎo)致四環(huán)素富集，從而影響檢測效果。Hou等[26]通過將MIP-PC比色傳感器與富集工藝相結(jié)合，制備了具有親水-疏水模式的高靈敏度比色傳感器，以提高四環(huán)素檢測的靈敏度。該MIP-PC比色傳感器可以實現(xiàn)大于200 nm的由青色到紅色的比色轉(zhuǎn)換，此外，通過將探測區(qū)域(MIP-PC dot)的直徑從1.35 mm改變?yōu)?.79 mm，該傳感器的探測范圍可以從1×10-8～6×10-8m改變?yōu)?×10-8～1.5×10-7m。將10個小滴濃縮成直徑為 1.35 mm 的MIP-PC點，其檢測極限可降至2×10-9m。Han等[27]制備了一種用于食品中四環(huán)素檢測的二維分子印跡光子晶體(MIPC)傳感器。以聚苯乙烯二維光子晶體(2D-pcs)為模板，四環(huán)素為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，采用熱聚合法制備了MIPCs。利用所制備的MIPC傳感器通過德拜衍射環(huán)的視覺變化來檢測四環(huán)素(TC)。該傳感器響應(yīng)時間 <10 min。在5次循環(huán)使用后仍保持較高的靈敏度，在豬肉和牛奶樣品中TC的回收率分別為 88.4% 和91.0%，也可用于豬肉和牛奶樣品中TC殘留的分析。

2 分子印跡技術(shù)在廢水中四環(huán)素的應(yīng)用

2.1 分子印跡光催化技術(shù)

光催化技術(shù)由于其具有高效性、化學(xué)穩(wěn)定性、綠色性等優(yōu)點已經(jīng)被廣泛運用于降解環(huán)境中殘量的抗生素[28-30]。在光催化過程中，污染物首先吸附在催化劑表面的活性位點上，催化劑在可見光的照射下產(chǎn)生強氧化性的自由基，將抗生素氧化降解[31]。然而在實際處理過程中，廢水中污染物成分復(fù)雜，四環(huán)素通常是以痕量形式存在，催化劑中的主要活性物質(zhì)在降解污染物時并不具有選擇性，因此很難在處理痕量和混合污染物時具有良好的效果。印跡催化復(fù)合材料相較于單一催化材料，不但可以提高催化劑的特異識別能力，同時印跡聚合物可為催化劑提供活性位點，增強其降解效率。

Sun等[32]制備了一種分子印跡Ag/Ag3VO4/g-C3N4光催化劑(MIP)，具有良好的特異性識別能力和光催化活性，MIP的k值最高(0.017 94 min-1)，比原始CN、Ag3VO4、Ag/Ag3VO4/CN和NIP分別高 6.62，1.80，1.12和1.30倍。Du等[33]以四環(huán)素(TC)為分子模板，合成了一種簡單、可循環(huán)利用的印跡催化復(fù)合材料ZnO@NH2-UiO-66(ZUM)，在可見光照射下，ZUM在30 min內(nèi)可降解61.9%的四環(huán)素。Lu[34]采用光聚合方法和表面印跡技術(shù)合成了環(huán)保型MFA型異質(zhì)結(jié)印跡光催化劑(PPy@CdS@MFA印跡)，PPy@CdS@MFA印跡光催化劑對四環(huán)素的降解率(77.59%)是環(huán)丙沙星印跡光催化劑(34.57%)的2倍多，PPy@CdS@MFA印跡光催化劑相對于CdS、CdS@MFA和非印跡光催化劑的選擇性系數(shù)(k)分別為0.71，1.79和1.69。Peng[35]采用微波聚合和表面印跡技術(shù)合成了磁性粉煤灰表面印跡無金屬異質(zhì)結(jié)光催化劑PGM-SIP，PGM-SIP的SBET高達(dá) 43.050 2 m2/g。PGM-SIP相對于g-C3N4@MFA、PPy@g-C3N4@MFA和非印跡光催化劑的選擇性系數(shù)分別為1.587，1.756和2.580。Lu等[36]采用微波聚合和表面印跡技術(shù)合成了Z型 ZnFe2O4/Ag/PEDOT，Z型ZnFe2O4/Ag/PEDOT的光降解率為71.77%，分別是ZnFe2O4、Ag/PEDOT、非印跡ZnFe2O4/Ag/PEDOT的4.74，1.42和1.31倍。

2.2 分子印跡膜

在眾多分離污染物的技術(shù)中，膜分離是一種成本低、污染小、分離效果好的去除污染物的技術(shù)。分子印跡膜是由分子印跡聚合物合成的膜，通過在膜上形成特殊的記憶位點來提高膜的選擇滲透性。目前，通過對有機基底膜改性例如添加無機納米顆粒：TiO2，SiO2，Ag+，活性炭納米顆粒等合成印跡膜分離廢水中的四環(huán)素獲得了很好的分離效果。Xing等[37]將多層納米復(fù)合材料(Ag/pDA)整合到多孔膜結(jié)構(gòu)中。以四環(huán)素(TC)為模板分子，制備分子印跡納米復(fù)合膜。吸附量達(dá)到15.99 mg/g，選擇通透性性能(ρ)=2∶4。微生物降解實驗結(jié)果也表明 S-MINMs 具有良好的生物降解性。Wu等[38]制備雙膜基分子印跡納米復(fù)合膜(DLMIMs)。以二氧化硅和活性炭納米顆粒作為載體合成第一個印跡層，通過相變過程后，采用溶膠凝膠聚合法制備第二層TC印跡層。獲得了良好的再結(jié)合能力(115.5 mg/g)和選擇性分離系數(shù)(>6.5)。Wu等[39]將多層納米復(fù)合材料(Ag/pDA)整合到多孔膜結(jié)構(gòu)中。以四環(huán)素(TC)為模板分子，通過原位光啟動TRP法制備分子印跡納米復(fù)合膜。大大提高了TC的再結(jié)合能力(35.41 mg/g)，吸附選擇性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在10次循環(huán)操作后仍保持最大吸附能力(92.1%)。

3 結(jié)論與展望

四環(huán)素的濫用會導(dǎo)致其在環(huán)境和食品中富集，對人類的健康帶來潛在威脅。在處理四環(huán)素的過程中，分子印跡技術(shù)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。將分子印跡與膜分離、光催化技術(shù)結(jié)合可大大提高廢水中四環(huán)素的分離和降解效率。此外，與傳統(tǒng)檢測方法相比，分子印跡傳感器可實現(xiàn)食品中四環(huán)素的快速、高效檢測。分子印跡技術(shù)的出現(xiàn)雖然對提取和檢測四環(huán)素提供了很大的便利，但同時也存在一些問題，例如：分子印跡膜中印跡位點的引入可能會對膜通量造成影響；分子印跡熒光傳感器的熒光團(tuán)的壽命較短，無法實現(xiàn)長期檢測。但分子印跡作為一種新興技術(shù)，具有獨特優(yōu)異的性能，在未來仍有巨大的發(fā)展?jié)撡|(zhì)。將分子印跡技術(shù)與更多新材料(納米材料)、新技術(shù)(固相微萃取、基質(zhì)固相分散萃取)結(jié)合，有助于未來實現(xiàn)更加高效、綠色、環(huán)保的四環(huán)素分析檢測。