分子识别的“膜”术

演讲者：王璐莹

推荐单位：北京膜学会

分子识别的“膜”术中的“膜”术并不是魔术师展示的魔术，而是一种绿色分离技术，即膜分离技术。

膜分离技术的核心是分离膜，膜分离过程是指在分离膜两侧施加驱动力，使原料侧组分选择性透过膜，实现组分分离的过程。与萃取、蒸馏、重结晶等分离手段相比，膜分离技术具备常温操作、物理分离、选择性好、适应性强、节能环保等优点。因此广泛应用于不同领域，例如海水淡化、纯净水制造、废水处理等水处理应用，还可用于气体净化、石化产品分离、食品药物成分浓缩和染料电池隔膜等。然而这些不同膜分离过程普遍存在一个不足，即难以对目标分子实现专一性分离，如图1所示膜两侧均为不同浓度的混合物，膜分离并不能得到纯净的某一成分。

我们所希望的专一性分离必须通过分子识别与分离实现，即将特定目标分子从其结构类似物的混合物中进行特异性识别与选择性分离，例如从植物中提取的两种结构近似的天然活性成分——熊果酸和齐墩果酸（图2）。从熊果酸和齐墩果酸的分子结构可以看出，两者属于五环三萜类化合物，但两者作为天然药物在临床上表现出不同的疗效。熊果酸具有镇静、抗糖尿病、抗溃疡、降低血糖等多种生物学效应，还具有明显的抗氧化功能，可被广泛地用作医药和化妆品原料。而齐墩果酸为广谱抗菌药，可用于治疗急性肝炎、支气管炎、肺炎、急性扁桃体炎、牙周炎、急性肠胃炎等。因此熊果酸和齐墩果酸的分离纯化意义重大，分离这种结构类似成分的关键是针对目标分子按需设计分离材料及其结构。

近年来，一种新型聚合物在分离领域备受关注，那就是分子印迹聚合物（图3）。这类聚合物由模板分子、功能单体和交联剂制备，模板分子即目标分子。第1步，模板分子和功能单体通过共价键或者非共价键的相互作用形成主客体配合物;第2步，在交联剂存在的情况下，通过光或者热引发聚合，使主客体配合物与交联剂共聚，从而在模板分子周围形成高交联度的刚性聚合物;第3步，洗脱或解离模板分子，用合适的溶剂洗去模板分子，这样在聚合物中就留下了与模板分子大小和形状相互匹配的立体孔穴。分子印迹聚合物内具有与模板分子在空间结构、官能团上互补的立体空穴，因此可以从众多模板分子结构类似物中选择性识别模板分子，从而具有高选择性且可量身定做的特点。

正是由于分子印迹聚合物具有特异的“记忆”功能，基于分子印迹聚合物制备分子印迹膜已成为膜分离领域的研究热点。其原理是在聚合介质中加入印迹分子，成膜后将印迹分子除去，将在聚合物网状结构中留下印迹分子的功能尺寸，同时生成的聚合物与印迹分子之间存在具有与模板分子在空间结构、官能团上互补的立体空穴。膜内的印迹空穴既可识别分子又可作为渗透通道，将其用于分离由印迹分子与其他物质构成的混合物时可识别出印迹分子，从而有效地将混合物分离实现专一性分离。溶解-扩散机理是分子印迹膜的一种主要分离机理：模板分子与识别位点相互作用而被牢牢地结合住，而与识别位点没有作用的其他分子则可靠膜的筛分作用截留大分子或透过小分子，所吸附的模板分子可洗脱收集。因此分子印迹膜不光可以进行选择性识别，还可实现三组份混合物的分离（图4）。

因此，制备以熊果酸为模板分子的分子印迹膜有望实现熊果酸和齐墩果酸的分离。我们选择以丙烯酰胺（AM）为功能单体，通过丙烯酰胺与熊果酸间的分子间氢键配位形成主客体配合物，利用乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）为交联剂在催化剂的作用下共聚生成熊果酸分子印迹聚合物，进一步以该共聚物为成膜材料在超滤底膜上制备复合膜，洗脱模板分子熊果酸后即得到熊果酸分子印迹膜。以所制备的熊果酸分子印迹膜，测试对熊果酸和齐墩果酸的吸附选择性，相较于未加模板分子的聚合物膜，熊果酸分子印迹膜对熊果酸的吸附量明显提高，而对齐墩果酸的吸附量变化不大。因此分子印迹膜呈现出优先选择模板分子——熊果酸，选择因子可达6.14。研究驗证了分子印迹膜对模板分子的识别具有可预见性，从而对于目标分子的选择分离极具针对性。

可见，分子印迹膜将分子印迹技术与膜分离技术进行了结合、兼具两者的特点，被认为是一种极具潜力的膜技术，可用于手性化合物拆分、活性物质的富集、痕量物质的去除、电化学传感器、药物控释等。但目前这一技术还处于实验室阶段，未来的研究方向主要为优化膜制备工艺、揭示识别与分离机理、开发工业化分子印迹膜、结合其他技术拓展应用。可以预见，在不久的将来，分子印迹膜技术将展现出更多的奥妙，助力人们的幸福生活。