海水抗生素富集技术：从固相萃取到分子印迹聚合物与共价有机框架

《Marine Environmental Research》：Antibiotic enrichment in seawater from solid-phase extraction to molecularly imprinted polymers and covalent organic frameworks

　　

海水中抗生素残留及其相关的抗生素抗性基因对抗生素抗性基因（ARGs）对海洋生态系统和人类健康构成严重威胁。抗生素的准确监测依赖于高效富集，但海水的高盐度和复杂溶解有机物使传统固相萃取（SPE）易受严重基质效应和低选择性的影响。本综述系统评估了SPE在海水基质中的局限性，并考察了两种新兴高选择性材料——分子印迹聚合物（MIPs）和共价有机框架（COFs），重点关注其设计原理、合成策略和富集性能。MIPs通过模板导向识别实现高选择性（印迹因子通常为2–10），但吸附容量有限（常规MIPs为20–150 mg/g）。COFs因其高比表面积（>2000 m2/g）而表现出优异的吸附容量和传质性能，但缺乏足够的选择性。它们的复合材料COF@MIPs协同结合了两者的优势，在非海水基质中报道的吸附容量提高2–5倍，平衡时间缩短40–60%；然而，海水验证仍然缺乏。本综述还总结了与色谱-质谱联用的离线与在线富集耦合策略，强调了将高选择性材料集成到在线SPE系统中。未来方向应聚焦于优化COF@MIP界面合成、开发耐盐和防污的刺激响应材料、将其集成到在线SPE系统中并标准化方法，从而为全球海洋环境健康监测和抗生素污染控制提供关键技术支撑。

研究背景与问题

海洋环境作为陆地污染物的主要汇，正面临抗生素污染及相关抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）日益加剧的压力。抗生素通过废水排放、水产养殖尾水和地表径流进入海洋，已在近岸水域、河口甚至开阔大洋中被广泛检出，浓度范围为ng/L至μg/L。在中国近海，渤海湾四环素（tetracycline，TC）浓度达0.6–2.0 μg/L，诺氟沙星（norfloxacin，NFX）高达6.8 μg/L，超出欧盟水质预警阈值6–20倍。然而，更令人担忧的是抗生素诱导和传播的ARGs，如sul1、sul2和tetM在中国近海沉积物和水中广泛分布，且在极地地区也有检出，表明其具有全球扩散能力。证据还显示ARGs可向人类病原体转移，耐药弧菌和气单胞菌在零售海产品中频繁发现。

准确检测海水中抗生素面临两大相互交织的挑战：超痕量目标浓度（ng/L至μg/L）和极其复杂的海水基质。海水的高盐度（约35‰）、高离子强度和丰富的溶解有机物（dissolved organic matter，DOM）会造成严重的分析干扰。固相萃取（solid-phase extraction，SPE）是目前最成熟的预处理技术，但在海水中面临三个根本瓶颈：（i）盐类和DOM引起的严重基质效应；（ii）广谱保留导致共洗脱和离子抑制，选择性不足；（iii）繁琐的离线操作限制通量。这些局限促使研究人员从广谱富集转向利用先进功能材料进行特异性识别。

研究内容与结论

研究人员系统评价了SPE在海水基质中的局限性，并重点考察了分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers，MIPs）和共价有机框架（covalent organic frameworks，COFs）两种新兴高选择性材料的设计原理、合成策略和富集性能。研究发现，MIPs通过模板导向锁钥识别实现高选择性，印迹因子（imprinting factor，IF）通常为2–10，但常规MIPs吸附容量有限（20–150 mg/g）。COFs因高比表面积（>2000 m²/g）和有序孔结构展现出优异吸附容量和传质动力学，但缺乏足够选择性。两者的复合材料COF@MIPs可协同结合两者优势，在非海水基质中吸附容量提高2–5倍，平衡时间缩短40–60%，但海水验证仍缺乏。研究还总结了离线与在线富集-色谱质谱耦合策略，指出未来方向应聚焦于优化COF@MIP界面合成、开发耐盐防污刺激响应材料、集成在线SPE系统并推动方法标准化，为全球海洋环境健康监测和抗生素污染控制提供关键技术支撑。

关键技术与方法

研究人员采用的关键技术方法包括：传统SPE方法（使用Oasis HLB、MCX/MAX、C₁₈等吸附剂）用于海水抗生素富集的基础对比；MIPs的多种制备策略，包括本体聚合、悬浮聚合、沉淀聚合、溶胶-凝胶法以及表面分子印迹、纳米印迹、多模板印迹、虚拟模板印迹和多功能单体印迹等先进策略；COFs的合成与应用；COF@MIP复合材料的制备。研究中引用的海水样本主要来自中国南海珊瑚礁区、海南养殖区和近海、东海、地中海开放海域、东北印度洋、北部湾、威海湾、胶州湾等区域。

研究结果

2. 海水抗生素固相萃取（SPE）：原理、应用与瓶颈

研究人员通过分析抗生素理化性质（pKa、logP等）对SPE效率的影响，指出pH控制和吸附剂选择是关键参数。研究发现，HLB吸附剂适用于多类抗生素广谱筛查但基质效应高，离子交换吸附剂（MCX/MAX）对带电抗生素选择性更好但受高盐干扰，C₁₈仅适用于非极性抗生素。SPE在海水应用中面临基质效应（信号抑制最高达65±12%）、选择性不足、手动操作繁琐（单样品>4小时）和方法标准化缺失四大瓶颈。磁性固相萃取（magnetic solid-phase extraction，MSPE）通过快速磁分离简化操作，但仍需优化耐盐防污磁性吸附剂。

3. 高选择性富集材料：MIPs与COFs的设计与应用

3.1 分子印迹聚合物（MIPs）

研究人员阐述了MIPs的合成原理（预聚合-交联-模板去除三步法），比较了传统制备方法（本体聚合、原位聚合、悬浮聚合、沉淀聚合、溶胶-凝胶法）的优缺点，指出传统方法存在模板嵌入深、洗脱难、传质受限等问题。先进策略方面，表面分子印迹将识别位点暴露于表面，加速结合速率；纳米印迹提供超高比表面积（300–500 m²/g）和短扩散路径；多模板印迹实现同时识别多种抗生素；虚拟模板印迹避免模板泄漏造成的定量偏差；多功能单体印迹增加识别位点密度。在海水中应用表明，MIPs在近岸海水中回收率可达75–110%，但在开阔大洋超痕量分析（<0.5 ng/L）和高盐度（>35‰）条件下的性能尚未系统验证。

3.2 共价有机框架（COFs）

COFs具有高度有序晶体结构、高比表面积（>2000 m²/g）、可调孔径（0.5–5 nm）、高热化学稳定性和可功能化特性。其合成策略分为拓扑导向设计和连接化学两大类。COFs通过π-π堆积、疏水相互作用、氢键和静电作用吸附抗生素，吸附容量可达100–500 mg/g，远高于MIPs，但选择性不足。COF@MIP复合材料通过将MIP层生长在COF表面，兼顾高选择性和高容量，在非海水基质中吸附容量提高2–5倍，平衡时间缩短40–60%。

讨论与结论

研究人员总结指出，SPE仍是海水抗生素分析中最成熟的预处理技术，但其基质效应、选择性不足和操作繁琐等固有局限推动了高选择性材料的发展。MIPs提供高选择性（IF 2–10）但吸附容量有限（20–150 mg/g）；COFs提供高容量（>2000 m²/g比表面积）但缺乏选择性；COF@MIP复合材料是兼顾两者的最有前景方案。未来研究方向应聚焦于：优化COF@MIP界面合成条件以实现可控生长；开发耐盐和防污的刺激响应材料以适应海水环境；将这些材料集成到在线SPE系统中以提高自动化程度和通量；建立标准化的方法和质量保证体系。这些进展将为全球海洋环境健康监测和抗生素污染控制提供关键技术支撑。