浅谈重金属离子印迹技术

徐雅琦

摘 要：离子印迹技术作为分子印迹技术的一个重要分支，在水体重金属离子污染分析及处理等环节中可以起到良好的作用，其具有传统重金属离子的检测技术不具备的制备简单、识别性能强、检测速率快、结构稳定等特性。本文中，笔者在概述离子印迹技术的基础上，探讨离子印迹聚合物的多种制备方法以及其在实际检测中的应用，最后对离子印迹技术未来的发展做出展望。

关键词：离子印迹；聚合物制备；重金属离子

中图分类号：X703 文献标识码：A

重金属离子污染日益严重，且重金属产生毒性的浓度一般都较小，不易直接检测，以往的重金属分析检测方法包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法等。传统的检测方法需要对被检测样品进行烦琐的预先处理，而离子印迹技术则在很大程度上改进了传统检测方法的缺陷。文中，笔者首先对离子印迹技术进行简单概述，同时列举了离子印迹聚合物的多种制备方法及其原理，再简单介绍其在实际检测中的应用，并对金属离子印迹技术未来的发展做出展望。

1.离子印迹技术概述

众所周知，重金属在自然界不能被降解，在自然界的重金属离子不仅污染了大气和土壤，而且经由地下水等途径进入人体，严重侵害人体的健康。重金属污染源中最主要的有铅（Pb）、汞（Hg）、铜（Cu）、镉（Cd）和铬（Cr）等元素，除这常见的五类重金属污染外，砷（As）的化学性质也与重金属元素有一定的相似性，故常常也被归入重金属污染源类别中。铅在石油冶炼、含铅涂料、采矿等工业生产中有着广泛应用，其为一种常见的有毒重金属，铅以阳离子化学形态存在于自然界中，经由食物链最后进入人体。铅在人体中积累到一定的程度时，会对人体的消化系统和中枢神经系统造成不可逆的伤害；汞是一种在常压常温下呈液态的金属元素，也是一种剧毒的重金属元素，其在自然界中会经由水体中的微生物到鱼类到人体和呼入含汞气体两种途径进入人体中，进而严重损害了人体的呼吸道、消化道和肾脏；镉在人体中富集后，会导致人体骨质疏松同时会诱发癌症；铜是人体必备的金属元素，但是过量的铜离子却严重侵害人体的健康。

如图1所示，当离子与聚合物接触时，离子会和聚合物以共价键或非共价键的形式结合，形成多个作用位置，再将交联剂加入，交联剂的作用是将离子和聚合物的相互作用过程记忆下来，待离子和聚合物反应完成之后，再将反应完成之后的聚合物上的离子除去，原来的聚合物就会形成与目标离子的三位空间模型配对的三位空间空穴，再通过对三位空穴的分析，便能很好地检测原来的目标离子。

按照分子与功能体之间的结合方式，分子印迹技术可分为共价型、非共价型及半共价型等类型。在离子印迹技术中，大多数的金属离子与功能体之间是通过螯合作用来结合的。螯合作用是一种由离子和某些合乎一定条件的同一多齿配位体的两个或两个以上配位原子键合成具有环状结构的配合物的过程，相对于氢键，螯合作用更像是共价型的作用结合。相对于非共价作用，螯合作用的配对更加稳定，而且能通过改变外界的环境来控制配位键的断裂与结合的作用速度。因此，这种离子印迹技术具有很强的可控性和稳定性。

通常离子印迹的过程分为3步，如图1所示，第一步为金属离子与功能单体通过螯合作用形成复合物；第二步为加入交联剂和引发剂，形成的复合物会发生聚合反应；第三步为采用一定的方法洗去聚合物上的金属离子。

2.离子印迹聚合物的制备方法

离子印迹聚合物的制备方法是离子印迹技术的关键技术，离子印迹聚合物的制备通常以阴阳离子为模板，在保留分子印迹聚合物的特点的基础上，再通过静电、配位等式结合。

2.1 本体聚合法

本体聚合法是将模板离子、功能单体、交联剂和引发剂以一定的比例溶解在惰性溶剂中聚合形成，本体聚合法具有工艺简单、制备周期较短等优点。

2.2 表面印迹及其与溶胶凝胶法结合

表面离子印迹技术所用到的载体的表面积很大，因此结合点在载体的表面，这有利于模板离子与载体结合，增大了离子的吸附量，并提高了离子的吸附选择性。

2.3 悬浮聚合法

悬浮聚合的方法具体如下：首先将功能单体等量溶解于有机溶剂，将溶剂充分搅拌形成悬浮液，在悬浮液中加入引发剂（可引发聚合反应），聚合后会产生球形的聚合物。

2.4 乳液聚合法

乳液聚合法与本体聚合法有一些相似点，但是又区别于本体聚合法。其具体做法为将模板离子、功能单体、交联剂溶解在有机溶剂中，而后加入一定量的表面活性剂和引发剂，以达到聚合的目的，最后聚合形成的是均匀的球形聚合物。

2.5 沉淀聚合法

沉淀聚合法，顾名思义，最终产生的聚合物会沉淀在反应器的底部，发生聚合反应后，聚合物是固体产生沉淀现象。

3.重金属离子印迹技术的实际应用

目前我国的经济正处于快速发展的阶段，但是所面临的问题也日益严峻，经济发展所带来环境污染问题也越来越被大家所重视。重金属污染问题在我国依然严重，其严重威胁了人类的生存与发展。如果能从源头治理好重金属污染问题，必能起到事半功倍的功效。自然界中的离子主要来源于工业废水，所以如何处理工业废水中的重金属是解决重金属污染的关键所在。离子吸附法是目前最普遍最有效的废水重金属处理方法，离子印迹技术可以将目标离子进行专一的吸附，对其他种类的金属离子则吸附效果较差，能很好地针对一种重金属离子进行吸附。因具备良好的吸附效果，离子印迹技术在工业废水中重金属离子处理上有着广泛应用。

因离子印迹聚合物只对专一的重金属离子具有良好的吸附效果，不少研究人员会直接将离子以及技术应用于废水中的重金属离子的处理上，并且往往具有较好的效果。离子印迹技术还可用于确定离子印迹聚合物对目标离子的选择性，即检验某种离子印迹聚合物对特定离子是否具有较好的聚合效果，效果较好说明可以运用这种离子印迹聚合物处理废水中的目标离子。

4.结语与展望

虽然离子印迹方法的发展日益完善，但离子印迹方法也存在一些缺陷，如：离子印迹技术的设计往往很困难，由于某些离子的半径过小，在实际研究中往往很难寻找相对应的功能体，还有些离子虽然是不同种类的，但是由于化学性质相近，这些离子所带的电荷和离子半径具有很大的相似性，运用常见的功能单体往往不具备良好的区分性，功能体对这些相似的离子选择性较差。为解决类似以上的两种问题，可以选择进一步发展新的功能单体，来应对半径过小的离子，或者去区分极其相似的离子。另外，离子印迹方法的相关理论也有待进一步研究和完善。

离子印迹材料在化学、生物医学等领域已经被广泛运用，在离子印迹技术的发展过程中，还可以通过发展更加智能的功能单体来促进离子印迹技术的发展，例如可以发展对外界环境敏感性的功能单体，这种单体能很好地改变外界环境，以控制与离子间的作用，达到智能控制的目的，促进离子印迹技术的发展。除了智能印迹材料，近年来制备纳米级的印迹材料也是离子印迹技术的发展方向之一，纳米级的印迹材料有助于将离子印迹技术运用于更复杂的离子处理问题上。重金属离子印迹聚合物可用于吸附处理废水中的重金属离子，其工作效率高，设备相对简单易操作，循环利用率高，这些优点使得离子印迹技术在重金属废水处理领域中有着巨大潜力。离子印迹技术本身虽具有一定的缺陷，但通过不断地发展，再将离子印迹技术与检测技术相结合，可进一步提升重金属离子检测的精确度和灵敏度，相信未来离子印迹技术会更加完善，从而应用于更为广阔的领域。

参考文献

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