2018, Vol. 20
目前，农业生产中常用的有机磷农药 (OPs) 主要包括膦酸、膦酸酯、磷酸酯、硫代磷酸酯、二硫代磷酸酯、磷酰胺酯、硫代磷酰胺酯及二硫代焦磷酸酯等几类[1-7] (表1)。据报道，2015年中国有机磷农药的使用量已占到全部农药品种的70%以上[8]，因此由其所造成的残留污染问题也颇受研究及管理者的重视。近年来已成功开发出多种可检测有机磷农药残留的分析方法，主要包括：光谱法、电化学分析法、气相色谱法 (GC)、紫外-可见分光光度法、伏安法、气相色谱-质谱联用法 (GC-MS) 以及高效液相色谱-质谱联用法 (HPLC-MS) 等等，检测限可低至nmol水平，但这些分析技术均存在前处理操作繁琐，需依赖贵重的精密仪器，以及耗时、耗有机溶剂等缺点，不便用于实时现场快速检测。而且在分析测定之前，通常还需采用液相微萃取及固相微萃取等手段对样品进行前处理[9]，且这些前处理方法对复杂基质中目标物的选择性依然不够高。因此，开展高效、快速、高选择性的有机磷农药残留现场即时检测方法研究具有重要意义。
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表 1 有机磷农药的骨架结构 Table 1 Core structures of organophosphorus pesticides |
要实现有机磷农药残留检测的高选择性，需不断提高样品的前处理水平。目前运用较多的前处理技术主要有：分散液-液微萃取[10-11]、固相萃取、超临界流体萃取[12]、固相微萃取[13]、基质固相分散萃取[14-15]、微波辅助萃取[16]、超临界流体萃取[17]和搅拌棒吸附萃取[18]等。其中，固相萃取技术由于操作简单、性能稳定且可自动化操作，使用最广泛，商业化程度最高。固相萃取中常采用C18和C8键合硅胶作为吸附剂，由于上述吸附剂和目标分析物之间的相互作用是非特异性的，从而易导致净化效果不佳，难以完全消除基质干扰，不利于对目标物的测定。与之相比，有机磷农药分子印迹聚合物 (molecularly imprinted polymers，MIPs) 具有可选择性识别、实用性强、可重复使用、寿命长等优点，因此，将MIPs作为吸附剂，利用其强亲和力与高特异性进行分子印迹固相萃取，可以高选择性地分离富集目标物，现已成为分析检测中较为热门的样品前处理方法之一。
虽然严守雷等[19]对分子印迹技术的原理及MIPs的应用做了总结，但并未对分子印迹技术进行分类阐述及详细解读。殷祥刚等[20]对有机磷农药的结构进行了归纳，但也不够详尽。本文拟就分子印迹技术的基本原理、分类，计算化学在筛选优化虚拟模板及功能单体中的应用，以及有机磷农药残留检测MIPs的制备方法及其应用等内容进行综述，并对其未来发展方向进行分析和展望，希望能对分子印迹技术相关研究领域研究人员有所帮助。
1 分子印迹技术 1.1 分子印迹基本原理分子印迹技术即制备分子印迹聚合物的方法，是指由功能单体和模板分子交联聚合形成特定分子模板的过程。根据功能单体与模板分子间形成加合物性质的差异，可分为共价印迹法和非共价印迹法2种。其中，共价印迹法 (原理见图1)[21]是指在聚合反应前，功能单体和模板分子通过共价键形成加合物1；之后，加合物1在一定条件下发生聚合反应生成聚合物2；聚合物2再通过分解反应断裂共价键移除模板分子，从而获得印迹聚合物3。一旦印迹聚合物与模板分子再次相遇，即可通过共价键结合而完成特异性识别。非共价印迹法 (原理见图2)[22]则是指模板分子与功能单体通过非共价作用 (如氢键、静电作用力等) 结合而生成加合物4；之后在加合物4周围进行复杂的交联聚合反应，得到与模板分子结构匹配的三维网状空穴结构5，该空穴结构中功能单体与模板分子的几何构型与作用位点均呈互补契合状态；最后通过溶剂洗脱将模板移除后即可得到分子印迹聚合物6。该印迹聚合物通过非共价作用捕获模板分子而完成特异性识别。
1.2 采用计算化学筛选优化虚拟模板与功能单体 1.2.1 分子模拟软件Discovery Studio(DS)
利用分子模拟软件DS，通过最小化模型对虚拟模板和功能单体进行筛选与优化，采用最陡下降法和共轭梯度法得出备选加合物的初始构象，并求出其势能，所形成的加合物势能越低则越稳定[23]。Li等[23]以玉米赤霉烯酮 (ZON)、槲皮素 (QUE) 和5,7-二羟基黄酮 (CDHB) 为配体，以1种或2种功能单体作为受体，运用DS软件探讨二者之间的相互作用，根据方程式 (1) 计算结合能 (△E)，研究加合物的氢键和π-π相互作用；根据方程式 (2) 算得溶剂化能量 (Esolvation)，以此筛选出适宜的溶剂为二甲基亚砜-甲醇 (DMSO-MeOH) 混合物；并根据Maxwell Garnett理论方程式 (3) 计算所筛选溶剂的有效相对介电常数 (εeff)。
| $\Delta E = \left| {{E_{{\rm{complex}}}} - {E_{{\rm{template}}}} - \sum {E_{{\rm{momomer}}}}} \right|$ | (1) |
| ${E_{{\rm{solvation}}}} = {E_{{\rm{gas}}}} - {E_{{\rm{solvent}}}}$ | (2) |
| $\left( {{\varepsilon _{{\rm{eff}}}}-{\varepsilon _{\rm{e}}}} \right)/\left( {{\varepsilon _{\rm{i}}} + {\varepsilon _{\rm{e}}}} \right) = \alpha \left( {{\varepsilon _{\rm{i}}}-{\varepsilon _{\rm{e}}}} \right)/\left( {{\varepsilon _{\rm{i}}} + {\varepsilon _{{\rm{eff}}}}} \right)$ | (3) |
式中：△E、Ecomplex、Etemplate及 ∑Emonomer分别为结合能、结合后形成加合物的最低能量、模板的最低能量及所有单体的最低能量之和 (kJ/mol)；Esolvation为溶剂化能 (kJ/mol)；Egas和Esolvent分别为气体和特定溶剂的最低能量 (kJ/mol)；εe和εi分别为甲醇与二甲基亚砜的介电常数；α为混合溶剂中二甲基亚砜的摩尔分数。
通过该方法确定了虚拟模板槲皮素与双功能单体甲基丙烯酸和4-乙烯基吡啶的最稳 (最低能量) 构象，此时加合物的结合能 (△E) 最高，可在预组装系统中形成氢键和π-π相互作用，从而有助于形成高选择性分子识别位点并减少溶剂对系统的影响[23]。所制备的双功能单体MIPs及单功能单体MIPs通过扫描电镜、红外光谱和振动样品磁强测定，以及吸附动力学、吸附等温线和选择性吸附试验进行系统的评价后发现，所有结果均很好地证明了槲皮素适合用作为虚拟模板，可避免出现模板泄露；同时，双功能单体MIPs对目标分子玉米赤霉烯酮具有良好的选择性和亲和性，可用于实际样品中目标物的提取与纯化[23]。该方法为合理筛选虚拟模板以及双功能单体设计、分子印迹聚合物制备及其吸附性能的改善提供了有效信息。
1.2.2 分子模拟软件HyperChemHyperChem量子化学计算软件是一款高质量、灵活、易操作的分子模拟软件，其利用 3D体系对量子化学、分子力学及动力学进行动态模拟，从而实现虚拟模板和功能单体的筛选与优化。一般通过其主程序——OpenEye模拟程序进行运算：其VIDA 3.0.0用于检测原子间连接错误的键，计算分析并表示出化合物的大致构象；OMEGA2用于生成分子构象；通过SZYBKI 1.2.2进行能量最低化计算，以获得最稳定的分子构象，从而得到所需的虚拟模板与单体。Marestoni等[24]运用HyperChem量子化学分子模拟获得的最佳单体，能够与环丙沙星(ciprofloxacin)发生强相互作用；在模拟过程中，借助分子力学、模型构建和能量优化，采用最陡下降法进行优化筛选；随后，分别采用丙烯酰胺、丙烯酸与1-乙烯基咪唑为单体合成了3种MIPs，通过模拟计算预测得出其最大吸附量分别为223.8、282.0与202.5 μmol/g；最后通过竞争性吸附试验证明采用丙烯酸合成的MIPs特异选择性最高。模拟结果与计算结果完全一致，说明采用该方法进行研究是可行的。
1.2.3 分子模拟软件Gaussian首先运用Gaussian软件[25]画出模板与单体结合所形成加合物的球棍模型，再进行分子模拟计算及结构优化，获得最低能量下的优势构象，即可筛选出所需的虚拟模板与单体。彭丽芳[26]通过Gaussian 09W软件在DFT/B3LYP/6-31G(d，p) 基组下采用结构优化模拟对模板分子四肽 (YGGF)、4-乙烯基吡啶 (4-VP) 和甲基丙烯酸 (MAA) 的结构进行优化计算，在原子水平上模拟了上述3种分子可能形成的空间结构和电子分布，构建出最优分子构型，确认其最低能量构象。依据公式(4)计算结合能 (△E)，结合能越高则说明模板YGGF与单体MAA/4-VP之间亲和力越强，印迹效果越佳，亦即所制备的MIPs对模板的特异性识别能力越强。YGGF与4-VP通过非共价键作用所形成的模板-单体复合物的结合能 ( –67.78 kJ/mol) 比其与MAA的结合能 ( –57.27 kJ/mol) 高了10 kJ/mol，表明YGGF与4-VP之间具有更高的亲和力，二者间印迹效果更佳。同时该作者对由这2种功能单体制备的神经肽MIPs进行了吸附性能试验，测得以4-VP作为功能单体时其印迹因子为7.4，以MAA作为功能单体时印迹因子为6.0，表明其实际测定结果与理论预测结果一致，因而最终选择4-VP作为功能单体制备神经肽MIPs[26]。
| ${\text{△}}E\;=\;{E_{\rm{complex}}}\;-\;{E_{\rm{YGGF}}}\;-\;{E_{\rm{4{\text{-}}VP\;or\;MAA}}}$ | (4) |
式中：EYGGF、E4-VP or MAA 分别表示模板 YGGF 的最低能量、功能单体 4-VP 或 MAA 的最低能量(kJ/mol)。
2 分子印迹技术分类根据模板分子与功能单体之间作用力的不同，可将MIPs制备方法分为2种，即共价印迹法和非共价印迹法。其中，共价印迹法按大于理论配比的策略 (通常n功能单体 : n模板分子 = 4 : 1) 进行反应，以保证多余的功能单体均能固定在模板腔体空穴中[27]。共价印迹法的典型反应有缩醛酮、席夫碱及硼酸酯的缩合反应[28]。然而，由于缩合反应通常是可逆的，因此其共价印迹并不完全；并且，较强的共价相互作用会使模板洗脱变得困难，从而易导致模板泄露[29]。非共价印迹法一般通过金属螯合作用、电荷转移、疏水作用、氢键、范德华力、静电引力 (离子交换) 和π-π相互作用进行反应，其中氢键作用占主导地位，且反应通常在甲基丙烯酸或非极性的伯胺类溶剂中进行。由于非共价印迹法操作简单，键合及洗脱速率快，因此近年来已成为比较流行和普遍使用的印迹方法。
上述方法的不足之处在于，非共价印迹容易受到环境扰动的影响，在有杂质 (如水分子) 存在时，非共价印迹键合可能会不太牢固。为了将共价印迹法的高键合牢固度与非共价印迹法对目标分析物的快速吸附能力相结合，因而出现了一种新的印迹方法——半共价印迹法[30]。半共价印迹法的原理是：首先在预组装时功能单体与模板分子以共价键结合为复合物，然后通过交联聚合将功能基团铆合在该聚合物链上，在洗脱去掉模板分子后，功能基团仍保留在空穴中。当模板分子重新进入空穴时，模板分子与印迹聚合物上的功能基团通过非共价键相互作用再度结合、吸附，从而完成分子的自组装。该方法在特异性识别及吸附能力上优于前2种方法。
3 有机磷农药残留分子印迹聚合物制备方法根据聚合方式不同，可将有机磷农药残留分子印迹聚合物的制备方法分为11种 (表2)，具体阐述如下。
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表 2 有机磷分子印迹聚合物制备方法比较 Table 2 Comparison of preparation methods of organophosphorus molecularly imprinted polymers |
3.1 本体聚合法
本体聚合法[31]是指将模板分子、交联剂及功能单体按一定比例混合均匀后再加入引发剂，通过加热或者光引发聚合而制备MIPs的一种方法，具有操作简单、对操作者无严格要求等特点，实用性较强。由于该方法可直接生产柱型及板型产品，故又被称为块状聚合法。刘娇等[32]采用本体聚合法制备了甲基对硫磷 (parathion-methyl) MIPs，并发现其对不同有机磷农药的吸附能力表现出一定差异；通过进一步优化，可提高MIPs的选择性，得出其饱和吸附量为 625.5 μmol/g，明显高于非印迹聚合物的饱和吸附量 (285.7 μmol/g)，吸附效果较好，可将其用于水样中甲基对硫磷的分离富集和分析。但该方法也存在一定缺陷，比如随着聚合反应的进行，物料黏度会不断增大，从而导致反应中混合和传热困难，反应器温度不易控制；另外，由于该方法制备的MIPs分子间作用力太强，使得模板分子很难完全被洗脱去除，因此模板泄露问题难以避免；因该方法制备的聚合物呈块状，需将其进行研磨、筛分，会破坏原有的模板结构，从而导致MIPs对模板分子的吸附效果不好。
3.2 电化学聚合法电化学聚合法[33]是采用传统的三电极系统压电晶体Au电极、Pt线和Ag/AgCl/KCl饱和电极分别作为工作电极、辅助电极和参比电极，浸没在含有一定浓度模板分子的电解质溶液中一段时间后，再在缓冲溶液中超声振荡，待电聚合后形成的纳米膜沉积在电极表面即可制成分子印迹敏感膜，并可通过循环伏安扫描圈数来控制MIPs的厚度。Uygun等[34]在聚乙烯醇存在下，通过在石墨电极上电聚合吡咯，制备了毒死蜱 (chlorpyrifos) 分子印迹膜，其作为一种新型的有机磷农药电化学传感器，为毒死蜱的测定提供了一种一次性、低成本、高选择性且灵敏的检测方法，其质量浓度线性响应范围为0.02~0.3 mg/L，检测限为4.5 × 10–3 mg/L。该方法的主要优点是制备过程简单，可通过观察氧化还原变化过程、改变聚合电位和聚合时间来控制聚合膜的厚度。
3.3 自组装法自组装法[35]又称非共价法，是指模板分子与功能单体自行组织排列，以非共价键 (氢键、静电作用、疏水作用、电荷转移、金属螯合及范德华力等) 自发形成具有多重作用位点的模板分子-单体加合物，并经交联聚合后使上述作用力得以保存，利于反复的吸附-解吸-吸附操作。采用此方法制备的MIPs具有均一、稳定、分子排列有序、操作条件温和以及较高的选择性和分离能力等特点。曹丙庆等[36]采用表面印迹技术，通过自组装法制备了对有机磷化合物具有选择性吸附能力的沙林印迹聚合物，并发现其具有很好的选择特异性和稳定性，对多种有机磷农药残留检测均具有很好的借鉴意义。朱晓兰等[37]采用自组装法制备的MIPs可通过协同氢键作用专一性地识别久效磷 (monocrotophos)，为环境样品中有机磷农药残留检测奠定了良好的理论基础。
3.4 沉淀聚合法沉淀聚合法[38]是在溶液中将功能单体通过沉淀包裹在模板分子周围，待交联聚合物干燥后将其研磨、破碎、筛分，得到一定粒径的分子印迹颗粒，再通过洗脱除去模板分子即制得MIPs的方法。该方法处理过程繁杂，交联度较高，模板去除很困难；同时在合成过程中印迹位点被包埋在聚合物内部，使得其利用率低，吸附量小，还存在模板泄露问题。Möller 等[39]将表面印迹技术与中空多孔聚合物合成技术相结合后引入到沉淀聚合法中，制备得到的MIPs不仅吸附能力强、印迹效率高、形态大小均一，而且还具有理想的表面特性，特别适用于样品前处理或作为色谱固定相。周梦春等[40]依照此方法制备的毒死蜱分子印迹聚合微球能对3种选定的有机磷农药进行选择性识别，然后经气相色谱-质谱联用法测定了菊薯中3种农药的残留量，检测限可达0.174 μg/kg，其中毒死蜱的检测灵敏度得到了显著提高。
3.5 悬浮聚合法悬浮聚合法[41]是指在液态全氟烃中，将功能单体、模板分子、交联剂及致孔剂混合在一起形成非共价印迹悬混液，再在稳定剂氟代或其他含氟表面活性剂的作用下形成稳定乳液液滴的方法。这种方法可直接制得聚合物微球，解决了聚合物需要研磨的问题，提高了原料利用率。Motaharian课题组[42]采用悬浮聚合法合成了二嗪磷 (diazinon) 印迹聚合物纳米颗粒，用于改性碳糊电极，获得一种能选择性、高灵敏度检测二嗪磷的电化学传感器，其浓度线性范围为2.5 × 10–9～1.0 × 10–7 mol/L，检测限为7.9 × 10–10 mol/L。
3.6 乳液聚合法乳液聚合法[43]是将模板分子、功能单体及交联剂溶于有机溶剂中，再将溶液转入水中，经搅拌、乳化，最后加入引发剂引发交联聚合反应的方法，该方法可直接制备粒径较均一的球形分子印迹颗粒。Luo等[44]采用纳米SiO2颗粒代替有毒的表面活性剂作为稳定剂，在水包油乳液中进行聚合，采用皮克林乳液聚合法制备了MIPs，该MIPs对乙酰甲胺磷 (acephate) 具有较高的结合能力和良好的选择性，饱和吸附量可达65.9 mg/g，有望用于去除水溶液中的乙酰甲胺磷残留。
3.7 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法[45]是指将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶及凝胶而固化，再经热处理得到氧化物或其他化合物固体的方法。通常情况下，首先将四乙氧基硅等金属或类金属 (Si、Al、Ti、Zr等) 的烷氧化物进行水解缩聚生成胶粒与SiO2溶胶，并将二者结合形成凝胶；经老化、干燥，脱除凝胶网孔中残留的液体；通过浸渍于光活性聚合物，破坏凝胶表面的硅醇键，生成化学性质稳定的超多孔固体；最后经高温加热多孔凝胶使其结构致密。该方法的优点是，可在较低温度下进行反应，能形成化学性质稳定、多孔、透明及具有良好机械性能的纳米结构。邱霞琴等[46]采用此方法制备了水胺硫磷 (isocarbophos) 分子印迹固相微萃取探头，建立了分子印迹固相微萃取-气相色谱联用测定果蔬中5种有机磷农药残留的分析方法，其检测限为0.01 μg/kg，该方法可简单、高效地选择性识别及测定果蔬中的有机磷农药。
3.8 种球溶胀法根据溶胀步骤不同，种球溶胀法又可分为一步种球溶胀聚合、两步种球溶胀聚合及多步种球溶胀聚合法等。
3.8.1 一步种球溶胀聚合法一步种球溶胀聚合法[47]通常是在功能单体和引发剂存在及氮气保护下，通过加热聚合制备分散性好的种球颗粒，进一步加入模板分子、分散剂、致孔剂、稳定剂及交联剂使其超声溶解混合，在一定温度和恒速搅拌下进行聚合。该方法工艺简单，溶胀及聚合时间较短，微球单分散性好，识别性能佳，但制得的MIPs分散系数较两步种球溶胀聚合法的高，分离因子及粒径也小于两步溶胀聚合法的[48]。王晓钰等[49]采用此方法制备了毒死蜱 (chlorpyrifos)、莠去津 (atrazine) 和克百威 (carbofuran) 3种农药的MIPs，其对目标分子的吸附时间为2 h，吸附率为71.8%～87.2%，相对标准偏差在2.34%～4.52%之间，可实现果蔬中有机磷农药残留的快速识别检测。
3.8.2 两步种球溶胀聚合法两步种球溶胀聚合法[50]的第一步是先用一种具有一定相对分子质量的低聚物或低相对分子质量的化合物溶胀种子，第二步则是将第一步溶胀后的种子分散体系用功能单体和引发剂溶胀并聚合得到大粒径的单分散微球。采用该方法制备的MIPs吸附量较一步种球溶胀聚合法的大，分离因子也更大，即识别性能更好。王慧等[51]采用此方法制备了乙酰甲胺磷分子印迹微球，并在溶剂逐渐挥发时进行量子点 (QD) 编码，获得的乙酰甲胺磷QD-MIPs吸附性能好且选择性强，为有机磷农药残留的快速、实时检测提供了条件。
3.8.3 多步种球溶胀聚合法多步种球溶胀聚合法[52]的第一步是在含有分散剂和乳化剂的水溶液中溶胀制备聚苯乙烯 (polystyrene) 单分散种球；随后将由引发剂、致孔剂和稳定剂组成的水溶液加入到上述溶胀液中，在恒速搅拌下完成第二步溶胀；最后加入模板分子、功能单体及交联剂进行第三步溶胀，在氮气保护、恒速搅拌下升温聚合，制得球形MIPs。采用该方法制备的单分散MIPs不仅呈球形，且粒径均匀，性能良好，目前已被广泛运用，但其过程操作繁琐、费时。Haginaka等[53]以4-乙烯基吡啶为功能单体，采用多步种球溶胀聚合法制备了二苯基磷酸酯 (diphenyl phosphate) 和1-萘基磷酸酯 (1-naphthyl phosphate) 的单分散MIPs，并通过高效液相色谱法对这些有机磷的保留时间和分子识别性能进行了评价。该方法的检出限比之前文献报道[54]的更低，可成功检测到实际样品中纳摩尔级的有机磷残留。
3.9 光引发接枝聚合法光引发接枝聚合法[55]的基本原理是使模板分子与功能单体在氮气保护下形成稳定的配合物，再将交联剂及引发剂加入其中，经超声振荡、冰浴冷却及充氮气一段时间后，在紫外光辐射下聚合即制得MIPs。刘小娟等[56]以甲基膦酸二甲酯 (dimethyl methylphosphonate) 为模板分子，采用该方法在玻片上制备了锌卟啉分子印迹聚合物 (ZnTPP-MIPs) 复合膜。测定结果表明，在波长436 nm附近，ZnTPP-MIPs膜可特异性地选择吸附水中的甲基膦酸二甲酯，其检测限可达2.0 × 10–6 mmol/L。该结果为水溶液中复杂基质样品中的甲基膦酸二甲酯的特异性识别及检测提供了一种新方法。
3.10 可逆加成-断裂链转移聚合法可逆加成-断裂链转移聚合 (RAFT) 法[57]是指通过加入双硫酯衍生物作为转移试剂，聚合过程中其与增长链自由基形成休眠中间体，限制了自由基上不可逆双基的增长，从而终止副反应，使聚合反应得到有效控制。Southard等[58]利用RAFT技术，将硫代苯甲酸酯 (β-二酮) 铕 (III) 作为频哪基甲基磷酸酯 (PMP) 的1个聚合基和发光结合位点，制备了具有发光性能的有机磷MIPs，可用于测定神经性毒剂梭曼 (revue thommen) 的水解产物；且所得聚合物可在低浓度范围内对PMP进行定量分析，受梭曼水解产物相似物的干扰很小，具有良好的灵敏度和较高的选择性。
3.11 表面分子印迹聚合法表面分子印迹聚合法[59]是通过对 SiO2等纳米颗粒进行一定表面修饰而制得MIPs材料，并据此建立的一种分子识别位点位于聚合物表面的分子印迹聚合方法。该方法最大的优点是可通过改变核壳前体物质的浓度来控制印迹聚合物的粒径，并可通过更换涂层的方式改变印迹聚合物的组成及形状，以制得所需的聚合物颗粒[60]，且其印迹位点位于聚合物表面，克服了模板洗脱困难的缺点。沈金灿等[61]采用此方法以商品化硅胶为基质，合成了水胺硫磷表面分子印迹聚合物，其表面呈网状和多孔状结构，印迹因子为2.73，对水胺硫磷具有良好的选择性吸附能力。Xie等[62]也报道了一种表面分子印迹策略，以3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷为功能单体，以甲基丙烯酰基改性的二氧化硅颗粒作为交联剂，通过共聚法制备得毒死蜱MIPs。采用此方法制备的分子印迹微球具有较大的吸附量、较快的结合动力学和较高的识别选择性；将该方法与高灵敏度的化学发光法相结合，检测限可达0.92 nmol/L，比传统的化学发光法检出限降低了2个数量级，重复性则可提高200倍以上。
4 有机磷分子印迹聚合物的应用有机磷农药在环境和食品中的残留浓度非常低，因此其含量测定是目前检测分析领域面临的重要挑战之一。近年来，得益于分子印迹技术的迅猛发展，基于分子印迹聚合物的有机磷农药残留检测在光学传感、化学传感、电化学传感、光电传感、质量敏感传感、仿生催化及样品前处理等诸多领域显示出了广阔的应用前景 (表3)。
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表 3 有机磷农药分子印迹聚合物的应用 Table 3 Application of organophosphorus pesticides molecularly imprinted polymers |
4.1 光学传感
将光子晶体与分子印迹技术相结合，通过制备三维分子印迹光子晶体凝胶膜，利用光学传感可实现对有机磷农药残留的检测[63]。Liu等[64]采用粒径为280 nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体颗粒制备可紧密填充的胶体晶体阵列和甲基膦酸印迹水凝胶，获得了一种高效、性能良好并可检测有机磷农药残留的光学传感器，其在对靶标分子的高通量筛选、“裸眼”检测以及将检测系统小型化方面具有很大发展潜力。
4.2 化学传感以制备的MIPs作为传感器的识别元件，将其固定在传感器与被分析物的界面，将化合物的浓度、离子强度等特性变化转换为电信号后再放大进行检测的方法称为化学传感，通过化学传感方式进行定性或定量检测的仪器即化学传感器[65]。该方法可高灵敏度、快速、高选择性及低损耗地检测分析复杂基质中的目标物，并在智能微型化控制、食品即时检测、用药安全及环境监测等方面均具有重要的应用价值。
Xie等[66]合成了三唑磷 (triazophos) 分子印迹聚合物制备的化学传感器，可从样品溶液中选择性吸附三唑磷，且其鲁米诺-H2O2的化学发光 (CL) 强度随着三唑磷吸附量的增加而增强，检测限比传统的CL法降低了1个数量级。该MIPs-CL传感器可成功用于蔬菜样品中三唑磷残留的测定，不仅显著提高了三唑磷的检测灵敏度和特异性，其重现性也非常好。因此，化学传感法可用于在线富集和检测环境中的有机磷农药或其他有害化学品残留。
4.3 电化学传感电化学传感器[67]主要由分子印迹敏感膜和信号转换装置组成，把MIPs固定至电极上构成电化学检测系统，一旦其接触到溶液中的待测物，则电极电信号将发生变化，信号转换装置马上将其转换成可检测的电信号，从而实现即时检测。Li等[68]采用基于碳糊电极的表面分子印迹聚合物电化学传感器，可高灵敏度检测甲基对硫磷，其线性范围为1 × 10–12～8 × 10–9 mol/L，检测限为3.4 × 10–13 mol/L，且抗干扰能力强，选择性好。电化学传感系统在食品安全、药物残留检测和环境监测等众多领域中应用潜力巨大。
4.4 光电传感光电传感器[69]以光电元件为检测器件，通过检测器件将被测量物的性质变化转换成光信号变化，再进一步将光信号转换成电信号，即电位、电流、电容变化→光信号变化→电信号变化的过程。该体系主要由光源、光学通路和检测器件3部分组成。Yang等[70]制备了一种可快速且高灵敏度响应可见光的光电传感器系统，采用静电模板分子印迹纳米纤维修饰的BiOI纳米阵列作为光敏电极，可用于检测三苯基磷酸酯 (TPhP) 残留，其线性范围为0.01～500 ng/mL，且具有较高的选择性、稳定性以及良好的灵敏度、重现性和TPhP检测适用性。
4.5 质量敏感传感质量敏感传感器[71]是一种以石英晶体微天平 (QCM) 为基础的传感器。将MIPs固定在QCM的电极上，以印迹聚合物为分子识别元件的质量敏感传感器目前已得到重视和发展。Gao等[72]研制了一种基于分子印迹超薄膜的QCM传感器，可用于实际样品中丙溴磷 (profenofos) 的检测。其采用11-巯基十一烷酸预处理QCM传感器芯片，形成自组装单层膜，然后通过在表面引发自由基聚合直接将聚合物膜固定在自组装单层膜上。他们采用该MIPs-QCM传感器对自来水中的丙溴磷进行检测，发现其具有良好的回收率和重现性。
4.6 仿生催化降解或去除有机磷农药残留对环境污染治理具有重要意义。仿生催化[73]类似于化学催化但优于化学催化，其模拟了生物催化的抗原-抗体相互作用原理，集化学催化剂和生物催化剂特征于一体，具有催化作用更专一、反应条件温和及催化效率高等优势。Shi等[74]设计了一种新型的印迹空心纳米胶囊，能有效去除环境水体中的有机磷农药残留。该研究基于多吡啶配体功能单体N-(4-乙烯基苄基)-二 (2-吡啶甲基) 胺制备了粒径小于0.05 μm的甲基对硫磷印迹纳米胶囊，发现其催化水解甲基对硫磷的效率很高，初始水解率为3.1 × 10–2 (mmol/L)/h，是甲基对硫磷自然水解率的355倍。因此，多吡啶配体可用于制备降解有机磷农药残留的仿生催化剂。
4.7 分子印迹固相萃取目前，MIPs已被广泛应用于样品前处理的固相萃取 (SPE) 技术中，合称为分子印迹固相萃取 (MISPE)[75]。可填装MISPE吸附剂的载体有萃取小柱、萃取盘、萃取离心管、96-孔板和在线前处理柱等。以萃取离心管为例，首先将制备好的MIPs装入SPE萃取离心管中，再将样品溶液载入MIPs上，在离心条件下完成对目标物的特异性吸附；采用合适溶剂淋洗去除未被吸附的物质，再用其他适宜溶剂洗脱得到分析物样品。影响MISPE处理效果的主要因素有MIPs的制备、样品装载和溶剂洗脱。为了实现MISPE的高处理效率，要求所选用的MIPs应具有良好的吸附力、高选择性和稳定性，因此，研究者探索了许多新的技术和策略，比如表面分子印迹法等。Zhu等[76]开发出了久效磷 (monocrotophos) MIPs，以作为MISPE材料进行样品前处理，分析了水和土壤样品中的4种有机磷农药[久效磷、速灭磷 (mevinphos)、磷胺 (phosphamidon)及氧化乐果 (omethoate)]残留，并分别以非共价印迹聚合物和经典ENVI-18萃取小柱为SPE载体进行对照试验，就MISPE的准确性和选择性进行了评估。研究结果表明，聚合物对久效磷具有良好的亲和力且有高选择性，可提高检测的准确性和精密度，降低检测限，同时证明了MISPE技术具有样品前处理快、选择性高、成本低及效率高等特点。
在进行有机磷农药残留仪器分析之前，常需采用分子印迹固相萃取方法对样品进行前处理，尤其对复杂基质中农药多残留的检测尤为重要。Chen等[77]以二甲基硫代磷酰氯 (dimethylthiophosphoryl) 为模板、以甲基丙烯酸为功能单体制备的MIPs对5种有机磷农药 [敌百虫 (dipterex)、敌敌畏 (dichlorvos)、乐果 (dimethoate)、吡虫啉 (imidacloprid) 和甲胺磷 (methamidophos)] 均具有较强的吸附能力，配合气相色谱法可同时检测蔬菜中多种有机磷农药残留；与有机溶剂萃取法相比，可大大降低仪器的检测限，提高检测灵敏度。李萍萍等[78]采用固相萃取净化-气相色谱-三重四极杆串联质谱 (SPE-GC-MS/MS)，于多反应监测模式下检测大蒜样品中19种有机磷农药残留，样品前处理较为简单，且均未发现干扰现象，有效解决了基质干扰问题。He等[79]开发了以MIPs材料作为固相吸附剂的两步固相萃取纯化室内粉尘中溴化有机磷阻燃剂的多残留检测方法，通过对来自澳大利亚10个家庭的室内粉尘样品的分析，证实了该方法的准确性、重现性及适用性良好。Amendola等[80]建立了一种快速简便的液相色谱-双衍生化-荧光光谱检测器联用多残留分析方法，用于测定蜂蜜中15种有机磷、17种有机氯、8种拟除虫菊酯、12种N-甲基氨基甲酸酯以及溴螨酯 (bromopropylate) 的残留量。该方法能在低质量分数 (0.000 5～0.074 mg/kg) 范围内测定53种农药的残留量，其定量限 (LOQ) 为0.000 5～0.025 mg/kg，检测限 (LOD) 为0.000 2～0.008 mg/kg，可用于评估其残留水平是否符合欧盟规定的最大允许残留限量标准 (MRLs)。
虽然目前对复杂基质中农药多残留分析研究的文献不少，但基本仍需借助大型检测分析仪器进行测定，尚未实现直接、快速、全面、系统地检测农药多残留的目标，因此，仍亟待开发出一种可简便、系统地检测多种农药残留的方法。
5 展望综上所述，随着分子印迹技术在信号传感、分析检测、样品前处理等众多领域的广泛应用，关于有机磷MIPs制备方法的研究也越来越多，且每种方法都有其各自的优点、特色及适用范围。迄今为止，MIPs已被广泛应用于环境、食品、生物和医学领域，显示出了明显的优势和潜力。
尽管MIPs优势明显、应用较广，但目前也面临许多挑战。比如其在样品前处理和色谱分析应用中仍有一些问题亟待解决和完善：1) 经MIPs萃取后，有时仍需采用传统的浓缩分离技术对目标物进行纯化，能耗较高，对此，研究者开发出了微型化前处理技术，可以减少有机溶剂和原料的消耗，降低对环境的污染，但所能获得的分析样品量却明显减少。2) 虽然已经可通过在线前处理技术来简化操作程序，缩短前处理时间，如在线MISPE，但大多数情况下，实现在线前处理难度仍较大，重现性也不理想。因此，寻求合适的方法实现MIPs对有机磷农药的在线浓缩或分离，已成为一个颇具挑战的任务。3) 分子印迹技术虽然为目标物的特异性检测提供了一种较好的手段，但目前相关研究仍不够深入，技术也并非很成熟，尚未能实现批量生产，因此商业化程度不高。要实现其商业化，必须进一步提高MIPs的吸附能力、特异性、稳定性及可重复使用性，这就要求对印迹机理等进行更深入的研究。
随着相关技术的不断发展，相信在众多科研人员的共同努力下，分子印迹聚合物很快可以实现广泛的商业化生产。此外，将量子点、偶氮化合物等有色物质应用于分子印迹聚合物，可实现有机磷化合物的原位显色传感，从而实现现场、即时裸眼显色检测；将分子印迹技术与计算机自动化检测分析技术相结合，有望实现微量、快速、灵敏、准确的有机磷农药残留高通量筛查。因此，笔者认为，有机磷农药残留分子印迹聚合物在商业化检测方面的未来发展潜力巨大。
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