淺談重金屬離子印跡技術

徐雅琦

摘 要：離子印跡技術作為分子印跡技術的一個重要分支，在水體重金屬離子污染分析及處理等環節中可以起到良好的作用，其具有傳統重金屬離子的檢測技術不具備的制備簡單、識別性能強、檢測速率快、結構穩定等特性。本文中，筆者在概述離子印跡技術的基礎上，探討離子印跡聚合物的多種制備方法以及其在實際檢測中的應用，最后對離子印跡技術未來的發展做出展望。

關鍵詞：離子印跡；聚合物制備；重金屬離子

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A

重金屬離子污染日益嚴重，且重金屬產生毒性的濃度一般都較小，不易直接檢測，以往的重金屬分析檢測方法包括原子吸收光譜法、原子發射光譜法等。傳統的檢測方法需要對被檢測樣品進行煩瑣的預先處理，而離子印跡技術則在很大程度上改進了傳統檢測方法的缺陷。文中，筆者首先對離子印跡技術進行簡單概述，同時列舉了離子印跡聚合物的多種制備方法及其原理，再簡單介紹其在實際檢測中的應用，并對金屬離子印跡技術未來的發展做出展望。

1.離子印跡技術概述

眾所周知，重金屬在自然界不能被降解，在自然界的重金屬離子不僅污染了大氣和土壤，而且經由地下水等途徑進入人體，嚴重侵害人體的健康。重金屬污染源中最主要的有鉛（Pb）、汞（Hg）、銅（Cu）、鎘（Cd）和鉻（Cr）等元素，除這常見的五類重金屬污染外，砷（As）的化學性質也與重金屬元素有一定的相似性，故常常也被歸入重金屬污染源類別中。鉛在石油冶煉、含鉛涂料、采礦等工業生產中有著廣泛應用，其為一種常見的有毒重金屬，鉛以陽離子化學形態存在于自然界中，經由食物鏈最后進入人體。鉛在人體中積累到一定的程度時，會對人體的消化系統和中樞神經系統造成不可逆的傷害；汞是一種在常壓常溫下呈液態的金屬元素，也是一種劇毒的重金屬元素，其在自然界中會經由水體中的微生物到魚類到人體和呼入含汞氣體兩種途徑進入人體中，進而嚴重損害了人體的呼吸道、消化道和腎臟；鎘在人體中富集后，會導致人體骨質疏松同時會誘發癌癥；銅是人體必備的金屬元素，但是過量的銅離子卻嚴重侵害人體的健康。

如圖1所示，當離子與聚合物接觸時，離子會和聚合物以共價鍵或非共價鍵的形式結合，形成多個作用位置，再將交聯劑加入，交聯劑的作用是將離子和聚合物的相互作用過程記憶下來，待離子和聚合物反應完成之后，再將反應完成之后的聚合物上的離子除去，原來的聚合物就會形成與目標離子的三位空間模型配對的三位空間空穴，再通過對三位空穴的分析，便能很好地檢測原來的目標離子。

按照分子與功能體之間的結合方式，分子印跡技術可分為共價型、非共價型及半共價型等類型。在離子印跡技術中，大多數的金屬離子與功能體之間是通過螯合作用來結合的。螯合作用是一種由離子和某些合乎一定條件的同一多齒配位體的兩個或兩個以上配位原子鍵合成具有環狀結構的配合物的過程，相對于氫鍵，螯合作用更像是共價型的作用結合。相對于非共價作用，螯合作用的配對更加穩定，而且能通過改變外界的環境來控制配位鍵的斷裂與結合的作用速度。因此，這種離子印跡技術具有很強的可控性和穩定性。

通常離子印跡的過程分為3步，如圖1所示，第一步為金屬離子與功能單體通過螯合作用形成復合物；第二步為加入交聯劑和引發劑，形成的復合物會發生聚合反應；第三步為采用一定的方法洗去聚合物上的金屬離子。

2.離子印跡聚合物的制備方法

離子印跡聚合物的制備方法是離子印跡技術的關鍵技術，離子印跡聚合物的制備通常以陰陽離子為模板，在保留分子印跡聚合物的特點的基礎上，再通過靜電、配位等式結合。

2.1 本體聚合法

本體聚合法是將模板離子、功能單體、交聯劑和引發劑以一定的比例溶解在惰性溶劑中聚合形成，本體聚合法具有工藝簡單、制備周期較短等優點。

2.2 表面印跡及其與溶膠凝膠法結合

表面離子印跡技術所用到的載體的表面積很大，因此結合點在載體的表面，這有利于模板離子與載體結合，增大了離子的吸附量，并提高了離子的吸附選擇性。

2.3 懸浮聚合法

懸浮聚合的方法具體如下：首先將功能單體等量溶解于有機溶劑，將溶劑充分攪拌形成懸浮液，在懸浮液中加入引發劑（可引發聚合反應），聚合后會產生球形的聚合物。

2.4 乳液聚合法

乳液聚合法與本體聚合法有一些相似點，但是又區別于本體聚合法。其具體做法為將模板離子、功能單體、交聯劑溶解在有機溶劑中，而后加入一定量的表面活性劑和引發劑，以達到聚合的目的，最后聚合形成的是均勻的球形聚合物。

2.5 沉淀聚合法

沉淀聚合法，顧名思義，最終產生的聚合物會沉淀在反應器的底部，發生聚合反應后，聚合物是固體產生沉淀現象。

3.重金屬離子印跡技術的實際應用

目前我國的經濟正處于快速發展的階段，但是所面臨的問題也日益嚴峻，經濟發展所帶來環境污染問題也越來越被大家所重視。重金屬污染問題在我國依然嚴重，其嚴重威脅了人類的生存與發展。如果能從源頭治理好重金屬污染問題，必能起到事半功倍的功效。自然界中的離子主要來源于工業廢水，所以如何處理工業廢水中的重金屬是解決重金屬污染的關鍵所在。離子吸附法是目前最普遍最有效的廢水重金屬處理方法，離子印跡技術可以將目標離子進行專一的吸附，對其他種類的金屬離子則吸附效果較差，能很好地針對一種重金屬離子進行吸附。因具備良好的吸附效果，離子印跡技術在工業廢水中重金屬離子處理上有著廣泛應用。

因離子印跡聚合物只對專一的重金屬離子具有良好的吸附效果，不少研究人員會直接將離子以及技術應用于廢水中的重金屬離子的處理上，并且往往具有較好的效果。離子印跡技術還可用于確定離子印跡聚合物對目標離子的選擇性，即檢驗某種離子印跡聚合物對特定離子是否具有較好的聚合效果，效果較好說明可以運用這種離子印跡聚合物處理廢水中的目標離子。

4.結語與展望

雖然離子印跡方法的發展日益完善，但離子印跡方法也存在一些缺陷，如：離子印跡技術的設計往往很困難，由于某些離子的半徑過小，在實際研究中往往很難尋找相對應的功能體，還有些離子雖然是不同種類的，但是由于化學性質相近，這些離子所帶的電荷和離子半徑具有很大的相似性，運用常見的功能單體往往不具備良好的區分性，功能體對這些相似的離子選擇性較差。為解決類似以上的兩種問題，可以選擇進一步發展新的功能單體，來應對半徑過小的離子，或者去區分極其相似的離子。另外，離子印跡方法的相關理論也有待進一步研究和完善。

離子印跡材料在化學、生物醫學等領域已經被廣泛運用，在離子印跡技術的發展過程中，還可以通過發展更加智能的功能單體來促進離子印跡技術的發展，例如可以發展對外界環境敏感性的功能單體，這種單體能很好地改變外界環境，以控制與離子間的作用，達到智能控制的目的，促進離子印跡技術的發展。除了智能印跡材料，近年來制備納米級的印跡材料也是離子印跡技術的發展方向之一，納米級的印跡材料有助于將離子印跡技術運用于更復雜的離子處理問題上。重金屬離子印跡聚合物可用于吸附處理廢水中的重金屬離子，其工作效率高，設備相對簡單易操作，循環利用率高，這些優點使得離子印跡技術在重金屬廢水處理領域中有著巨大潛力。離子印跡技術本身雖具有一定的缺陷，但通過不斷地發展，再將離子印跡技術與檢測技術相結合，可進一步提升重金屬離子檢測的精確度和靈敏度，相信未來離子印跡技術會更加完善，從而應用于更為廣闊的領域。

參考文獻

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