综述：二氧化硅材料在分子印迹技术中的应用：综述

分子印迹技术中二氧化硅材料作为基质、载体、桥梁及稳定剂的应用，Pickering乳液在构建结构明确的印迹聚合物中的作用，以及未来通过新型二氧化硅基材料提升MIP性能的方向。

　　

黄申豪|吴明皓|胡玉峰|李金华

大连理工大学莱斯特国际研究所，盘锦，124221，中国

摘要：

分子印迹技术因其能够制备人工受体（称为分子印迹聚合物，MIPs）而备受关注。由于硅材料具有可控的合成方法、有序的结构以及易于改性的特点，在推进分子印迹技术方面发挥了关键作用。本文综述了硅材料在分子印迹中的应用，强调了它们在提高MIPs的选择性、结合能力和功能性方面的作用。文章讨论了硅材料作为不同形式的基质、载体以及将MIPs与其他功能材料结合的桥梁的应用。此外，还介绍了利用硅稳定的皮克林乳液制备结构明确的MIPs的方法。最后，我们概述了通过引入新型硅基材料来推进MIPs合成和应用的未来研究方向。

引言

分子印迹技术旨在模拟抗原-抗体结合中的特异性识别过程。通过该技术制备的人工受体被称为分子印迹聚合物（MIPs）。通常，MIPs具有与模板分子的形状、大小和官能团互补的特异性识别位点[1]。与天然结合剂（如抗体）相比，MIPs在识别特异性方面表现出相当的优势。此外，MIPs在热稳定性、化学和物理稳定性、储存便利性以及重复使用性方面也更为优越。如图1所示，现代分子印迹过程涉及模板分子与功能单体在特殊溶液中的非共价或共价相互作用或配体交换，从而形成复合物。通过光或热引发剂引发聚合后，可得到含有明确结合口袋的交联网络。为了激活这些结合腔，需要通过溶剂萃取或其他方法去除嵌入聚合物网络中的模板分子[2]。由于MIPs在特异性和稳定性方面的优异性能，它们已被广泛应用于固相萃取（SPE）、色谱分析、传感、催化和医疗治疗等领域[1],[2],[3],[4],[5]。

已有多种方法用于MIPs的合成。根据制备机制的不同，MIPs的合成方法主要包括自由基聚合和溶胶-凝胶法[1],[6]。在所有自由基聚合方法中，批量聚合是最常用的方法之一，因为该方法操作简单且无需昂贵设备即可快速制备MIPs。然而，批量聚合制备的MIPs在使用前需要经过粉碎、研磨和筛分等步骤，且最终产品的粒径分布较宽。为克服这一限制，引入了悬浮聚合技术，即在表面活性剂存在下利用水溶液作为连续相来悬浮模板-单体液滴[6]。类似的，乳液聚合策略（包括传统表面活性剂稳定的乳液聚合、微乳液聚合和皮克林乳液聚合）也被证明是生成不同结构MIPs的有效方法[6],[7]。最近，高稀释印迹体系中的沉淀聚合方法也受到了越来越多的关注。该方法的主要优点在于无需表面活性剂即可制备MIPs，并且所得MIPs具有单分散的球形形态。除了上述方法外，种子聚合、固相聚合和表面印迹等方法也被广泛用于MIPs的制备[8]。

MIPs形成的另一种机制是溶胶-凝胶法。众所周知，“溶胶-凝胶”一词用于描述陶瓷材料在低温下通过溶胶-凝胶转变过程生成的过程[8],[9]。关于溶胶-凝胶方法的研究主要集中在制备块状凝胶和氧化物方面。该方法提供了一种简单且经济高效的方法来合成具有优异热稳定性和机械稳定性的MIPs。基于硅的框架能够形成坚固、持久的印迹腔体，从而提高材料的均匀性、孔隙率和吸附能力，特别适用于复杂生物样品中的MIPs应用。实际上，溶胶-凝胶法是最早用于分子印迹的技术。1949年，Dickey利用溶胶-凝胶法合成了烷基橙印迹硅胶，并首次证明了目标物质在硅胶上的增强吸附效果源于模板分子的印迹[10]。随后，Curti等人利用印迹硅胶作为吸附剂，在柱色谱中展示了马来酸和樟脑磺酸的手性选择性[11]。基于类似思路，Bartels和Erlenmeyer通过组合印迹硅胶来生成“信息理论解释”，以辅助分析物结合机制的研究[12],[13]。1979年，Sagiv开发了一种人工方法，通过制备具有印迹硅胶腔体的疏水单层来引导分子在界面上的吸附和组织[14]。1985年，Glad等人利用有机硅烷单体通过分子印迹法制备了底物选择性聚合物[15]。2000年，Mosbach等人[16]开发了一种底物牺牲法，用于制备含有介孔SiO₂中限域结合位点（和孔隙）的介孔MIPs。受这些原始工作的启发，人们全面探讨了SiO₂材料在分子印迹中的重要性，并开展了大量研究，利用SiO₂材料的优势来合成功能性MIPs[17]。尽管SiO₂材料在MIPs合成中具有巨大潜力，但目前关于分子印迹硅胶的综述仍然较少[8],[9]。因此，我们详细回顾了SiO₂材料在分子印迹中的性质和应用。为了明确讨论的核心概念，将SiO₂在MIPs中的作用定义如下：作为“基质”，SiO₂网络本身形成了印迹相，其中创建了识别腔体；作为“载体”，SiO₂作为MIP层合成的支撑或关键组分的固定化基底；作为“桥梁”，SiO₂中间层将功能核心材料与外部MIP壳连接起来，提供稳定性和接枝位点；作为“稳定剂”，SiO₂颗粒固化乳液界面以进行MIP合成。这些作用及其具体应用和所需的SiO₂形式在图2中进行了概念性总结。

因此，如图2所示，本文的主要内容如下：首先总结了使用SiO₂作为印迹聚合物基质的传统概念，重点介绍了在功能微球（MPs）或纳米颗粒（NPs）上的印迹SiO₂层，以及在含SiO₂复合材料中的分子印迹；其次，本文还探讨了SiO₂的不同应用形式，如作为载体或桥梁，将MIPs与其他功能材料（如磁性NPs、量子点（QDs）和金属有机框架（MOFs）结合；此外，还讨论了硅稳定的皮克林乳液在分子印迹中的应用，这种技术为制备结构明确的MIPs提供了独特平台。

基本性质与合成

由于其独特的物理化学性质（如多孔结构、高表面积、热稳定性和改性能力），硅材料在分子印迹中成为重要组成部分。硅网络由Si-O-Si框架组成，表面含有硅醇基团（Si-OH），这些基团可作为改性和功能化的活性位点[18]。坚固的无机框架提供了卓越的热稳定性和机械强度。

溶胶-凝胶硅胶作为分子印迹的基质

鉴于硅材料的固有特性和独特优势，溶胶-凝胶硅胶在分子印迹中的应用得到了广泛研究[45]。与传统的有机聚合物MIPs相比，溶胶-凝胶硅胶作为基质的独特性质在表1中进行了总结。值得注意的是，关于块状有机硅单体、印迹硅胶/有机硅球体以及薄层硅胶中的印迹技术的综述已在其他文献中详细讨论

硅材料作为分子印迹的载体

在上述内容中，MIPs中的印迹腔体是在无机硅胶中形成的。在有机MIPs的合成中，硅胶并非作为印迹基质本身使用，而是作为多功能平台或载体，相较于Fe₃O₄、共价有机框架（COFs）和石墨烯氧化物等常见载体具有明显优势。与Fe₃O₄不同，后者需要额外改性才能用于MIPs的接枝，并且缺乏长期的氧化稳定性，而硅胶则提供了丰富的硅醇基团

硅材料作为分子印迹的桥梁

上述内容表明，由于硅材料的优势，硅胶是分子印迹的理想载体。然而，随着材料科学的发展，预计MIPs将具备更多功能（如力学性能、热性能、电性能、磁性能、光性能和声性能）。为实现这一目标，分子印迹过程中常常引入其他功能材料[97]。然而，与硅胶不同，这些功能材料通常缺乏必要的活性官能团

硅稳定的乳液用于分子印迹

皮克林乳液是一类由固体颗粒而非传统表面活性剂或两亲分子稳定的乳液。由于不含有害的表面活性剂分子，该系统更具环境友好性和生物相容性。此外，固体颗粒在液滴界面形成坚固的物理屏障，不仅抑制了液滴的聚集，提高了乳液的稳定性[114]，还促进了可扩展和可重复的合成。

结论与未来展望

总之，本文表明硅材料在分子印迹中发挥着关键作用。如表3所总结的，将硅材料作为基质、载体、桥梁和稳定剂的战略部署为解决MIP设计中的关键问题提供了全面的工具包。这包括确保识别位点的稳定性、实现精确的形态控制、促进多种功能的集成以及提供环保的

作者贡献声明

黄申豪：撰写——原始草稿、实验研究、概念构思。李金华：撰写——审稿与编辑、资金争取。胡玉峰：撰写——审稿与编辑、指导、资金争取。吴明皓：实验研究、数据分析

利益冲突声明

作者声明与可能影响或偏倚本研究的任何个人或组织均无财务和个人关系。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务或个人利益关系。

致谢

本研究得到了中央高校基本研究基金（DUT22JC03）和中国国家自然科学基金（22176210, 22576231）的支持。