基于绿色β-环糊精的分子印迹聚合物，用于选择性吸附磺胺甲噁唑

《Environmental Research》：Green β-cyclodextrin-based Molecularly Imprinted Polymer for Selective Adsorption of Sulfamethoxazole

磺胺甲噁唑（SMX）污染对水环境安全构成威胁，本研究通过β-CD绿色分子印迹聚合物（CD-MIP）高效选择性吸附SMX。分子模拟与光谱分析证实β-CD与SMX氢键及疏水作用结合，CD-MIP较传统MAA-MIP吸附容量提升10.5%，再生稳定性达95%以上，并实现工业化可行生产。

　　抗生素残留物的广泛存在对人类健康和生态环境构成了严重威胁。其中，磺胺甲恶唑（Sulfamethoxazole, SMX）作为一种常见的抗生素，因其在废水、饮用水以及沉积物中的频繁检测而受到广泛关注。SMX不仅具有一定的环境持久性，还可能通过诱导抗微生物耐药性对生态系统产生深远影响。因此，开发一种高效、选择性强且环境友好的SMX去除技术显得尤为迫切。在众多去除方法中，分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIPs）因其能够通过精准设计的结合位点特异性识别和捕获目标污染物而备受青睐。然而，传统MIPs的合成过程往往涉及复杂的步骤，并且其长期稳定性和可扩展性仍有待提升。基于此，研究者提出了一种以β-环糊精（β-CD）为功能单体的绿色分子印迹聚合物（CD-MIP），旨在通过简化合成流程和增强环境适应性，实现对SMX的有效去除。

β-环糊精作为一种天然来源的超分子宿主，具有非毒性、可再生等优点，能够与多种有机污染物形成稳定的包合物。其结构中包含多个氢键供体（如-O-和-OH基团）以及疏水性空腔，这些特性使其在与SMX相互作用时表现出更强的结合能力。研究表明，SMX与β-CD之间的结合主要依赖于氢键作用，其键长范围为2.1-2.2 ?，这表明两者之间存在较强的相互作用力。此外，β-CD的疏水性空腔通过互补的疏水作用进一步增强了SMX的稳定性，从而提升了CD-MIP的吸附性能。相比于传统的甲基丙烯酸（MAA）基MIPs，CD-MIP在吸附容量和印迹因子方面均表现出显著优势，分别为8.02 mg/g和2.34，而MAA-MIP的相应数值仅为7.21 mg/g和1.10。这一差异主要归因于β-CD与SMX之间更高效的结合机制，以及其在聚合过程中更简单的操作条件。

在实际应用中，CD-MIP展现出优异的环境适应性。它不仅能够在复杂的水环境中保持较高的选择性，还表现出较低的脱附率，这意味着其在实际应用中能够有效减少二次污染的风险。此外，CD-MIP对矩阵干扰具有较强的抵抗力，这使其在处理实际水样时更具可行性。为了进一步验证其性能，研究者通过实验测试了CD-MIP在湖水、自来水和沉积物等真实环境样本中的应用效果。结果显示，CD-MIP在这些样本中均表现出良好的吸附能力，尤其是在存在其他污染物的情况下，其对SMX的选择性仍然保持较高水平。这一特性对于水处理领域尤为重要，因为实际水体中通常含有多种干扰物质，而传统吸附材料往往难以在这些复杂条件下保持高效的污染物去除能力。

CD-MIP的吸附机制主要依赖于物理吸附，包括氢键作用、π-π相互作用以及疏水作用。这些非共价相互作用在SMX与β-CD之间形成了稳定的结合，从而提高了吸附效率。值得注意的是，CD-MIP的结合位点不仅保留了β-CD的宿主-客体识别能力，还通过引入多种功能基团进一步增强了其对SMX的特异性吸附。这种设计使得CD-MIP能够在不同环境条件下保持良好的性能，同时减少了对模板分子的依赖，降低了合成成本。此外，研究者还通过对比实验验证了CD-MIP在吸附容量、选择性和环境友好性方面的优势，进一步证明了其在水处理领域的应用潜力。

从可持续性的角度来看，CD-MIP的合成过程符合绿色化学的原则。相较于传统MIPs，其合成方法更为简便，所需条件更加温和，从而减少了能源消耗和有害副产物的产生。此外，CD-MIP在实际应用中表现出较低的脱附率，意味着其在吸附污染物后能够长时间保持结合状态，减少了重复使用过程中可能产生的污染风险。这种环境友好性对于构建长期、稳定、安全的水处理系统具有重要意义。研究者还对CD-MIP进行了全面的可持续性评估，包括绿色指标、生命周期分析和经济评价。结果显示，CD-MIP在环境和经济层面均具有较高的可行性，其综合性能优于现有的一些吸附材料，为水处理技术的发展提供了新的思路。

为了进一步拓展CD-MIP的应用范围，研究者还探索了其在不同环境条件下的吸附性能。实验测试了温度（10-45°C）、pH值（2-12）、离子强度（0-500 mM）以及自然有机质（NOM）等参数对吸附效果的影响。结果表明，CD-MIP在广泛的环境条件下均能保持较高的吸附效率，这表明其具有良好的适应性和稳定性。特别是在高离子强度和高NOM浓度的环境中，CD-MIP仍然能够有效去除SMX，这为其在实际水处理中的应用提供了有力支持。相比之下，一些传统吸附材料在这些条件下往往表现出吸附能力下降的问题，而CD-MIP则能够克服这一局限，展现出更强的环境适应性。

在吸附动力学和等温模型的研究中，CD-MIP表现出快速的吸附过程和良好的吸附平衡特性。实验数据表明，CD-MIP在60分钟内即可达到吸附平衡，这一时间远短于传统MIPs所需的更长时间。此外，吸附等温线分析显示，CD-MIP具有较高的吸附容量和良好的选择性，能够有效区分SMX与其他污染物。这些特性不仅提升了CD-MIP的实用性，也为其在实际水处理中的推广奠定了基础。通过详细的表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），研究者进一步确认了CD-MIP的结构特征和吸附性能，为后续的工业化应用提供了科学依据。

综上所述，本研究提出了一种基于β-环糊精的分子印迹聚合物（CD-MIP），该材料在吸附性能、选择性和环境友好性方面均表现出显著优势。CD-MIP的合成方法简单，无需复杂的步骤，且能够有效减少对模板分子的依赖，从而降低合成成本和环境污染风险。其在实际水样中的应用验证了其广泛的适用性，特别是在处理复杂水体和沉积物污染方面，CD-MIP展现出了卓越的性能。通过多尺度计算方法和光谱分析，研究者深入揭示了SMX与β-CD之间的结合机制，为CD-MIP的设计和优化提供了理论指导。未来，CD-MIP有望成为一种高效、可持续的水处理材料，为保障水供应安全和应对抗生素残留污染提供新的解决方案。