以三元深共晶溶剂作为复合功能网络的酚酞分子印迹聚合物：基于计算方法的合成与吸附性能研究

《Journal of Molecular Liquids》：Phenolphthalein molecularly imprinted polymers utilizing a ternary deep eutectic solvent as a composite functional network: Computationally-guided synthesis and adsorption performance

　　•一种三元深度共晶溶剂被用作酚酞印迹的复合功能网络。•密度泛函理论计算为溶剂选择提供了指导，并明确了PhIn–TDES预组装复合物的稳定性。•分子静电势、前沿分子轨道以及相互作用区域分析揭示了分子识别机制。•实验验证表明乙醇是合适的聚合溶剂，而1:6为最佳印迹比例。•由此得到的MIP对酚酞具有较高的吸附能力、选择性识别能力以及良好的重复使用性。

引言
酚酞是一种典型的三苯甲烷类有机染料，在pH值8.2–10.0范围内会从无色的内酯结构转变为红色的醌结构，这一特性使其在临床诊断、工业监测和分析化学中发挥着重要的指示作用[1]。然而，其滥用和非法添加问题日益威胁食品安全与公众健康。国际癌症研究机构指出，酚酞具有遗传毒性及潜在致癌性（2B类），长期或过量接触可能引发氧化应激，进而导致电解质失衡、蛋白质丢失性胃肠病以及器官损伤[2]。尽管许多国家已禁止将酚酞作为非处方泻药使用，但其显著的生理活性仍使其被非法添加到减肥补品中，给消费者安全带来严重风险[3]。此外，实验室废水和工业排放物中的酚酞在自然水系统中积累，不仅会降低水体透明度和溶解氧含量，还会通过生物累积威胁水生生态系统[4]。因此，开发能够选择性识别并高效富集复杂基质中酚酞的绿色分离材料，对于遏制其非法使用及提升环境监测精度具有重要意义[5]、[6]。

分子印迹技术是一种高效且极具前景的分子识别策略，它通过模拟酶-底物或抗原-抗体系统中的相互作用，实现目标分子（模板）的特异性识别[7]。在制备分子印迹聚合物时，首先需将模板分子与功能单体在适当溶剂中预组装，随后在交联剂存在下进行聚合反应，形成刚性三维网络，最后去除模板后，便留下了与目标分子在尺寸、形状及官能团分布上高度匹配的识别腔。因此，所得到的MIP对模板及其结构相似的类似物具有显著的选择性，非常适合用于目标分析物的选择性提取与富集[8]。此外，MIP还具有优异的化学稳定性、热稳定性、耐腐蚀性以及可重复使用性等优势。基于这些优点，MIP已被广泛应用于药物、农药、生物分子以及环境污染物等的分离、检测与传感领域[9]、[10]。先前的研究也证明了分子印迹技术可用于酚酞的选择性识别。Yu等人[11]开发了一种结合化学发光检测系统的酚酞印迹聚合物，用于酚酞的选择性测定；Jalilian等人[12]则报道了一种磁性MIP，可用于复杂基质中酚酞的选择性提取与分析。另外，Yang等人[13]以甲基丙烯酸为功能单体制备了传统型MIP，以酚酞作为虚拟模板时，其对双酚A的最大结合容量可达4.661?μmol·g?1。这些研究均证实了MIP在酚酞识别方面的有效性。不过，现有系统大多基于传统功能单体和常规聚合策略，因此在开发更具多功能性及环境友好型的识别网络方面仍有很大空间。

随着绿色化学对环境可持续性的日益重视，深度共晶溶剂因其出色的溶解能力、低毒性、可生物降解性以及可回收性，在分子印迹领域受到了广泛关注。除了分子印迹之外，深度共晶溶剂还被广泛应用于电化学传感平台，尤其是作为绿色电极修饰剂，用于检测天然抗氧化剂，进一步凸显了其作为可持续功能介质的多功能性[14]。传统的二元深度共晶溶剂通常是通过在特定温度下将氢键受体（如氯化胆碱或其他有机盐）与氢键供体（包括多元醇、糖类或有机酸）机械混合而形成的，最终得到稳定、均匀且透明的液体[15]。在制备MIP时，深度共晶溶剂不仅可以作为环境友好的成孔溶剂，还能通过其庞大的氢键网络和多样的极性官能团，增强模板与功能组分之间的非共价相互作用，从而优化识别位点的分布[16]。越来越多的证据表明，与传统功能单体相比，基于深度共晶溶剂的印迹材料在复杂基质中具有更强的选择性识别能力和更高的印迹稳定性。例如，Shah等人[16]报道了一种基于ChCl–MAA的二元深度共晶溶剂MIP，其对双酚A的识别性能有所提升，吸附容量可达17.72?mg?g?1。同样，Saliza Asman等人[17]也开发了一种基于ChCl–MAA的二元深度共晶溶剂MIP，用于对对乙酰氨基酚的吸附，在实际样品中表现出更好的选择性和分析性能。这些研究都体现了深度共晶溶剂作为分子印迹系统多功能构建块的巨大潜力。此外，通过调节深度共晶溶剂的组成及摩尔比，还可以精确控制所得聚合物的微观结构与孔隙率，进而提高对目标分子的捕获效率。尽管取得了这些进展，但二元深度共晶溶剂体系往往因本身粘度较高而受限，这会影响模板与功能组分之间的质量传递，从而导致印迹聚合物的比表面积较低，吸附动力学较慢[18]。Zhang等人[19]对基于深度共晶溶剂的MIP的研究进展进行了系统性综述，指出引入额外组分可以进一步调控分子间相互作用及系统的微观环境，从而为分子印迹提供更多可调控的结合位点。鉴于深度共晶溶剂本质上是受协同氢键相互作用支配的多组分体系，本研究进一步引入了三元深度共晶溶剂作为复合功能网络。与传统功能单体及二元深度共晶溶剂体系相比，三元深度共晶溶剂可通过成分调控为模板与功能组分之间的相互作用提供更多调整空间。先前的研究表明，以甲酸为第三组分的深度共晶溶剂体系通常比以氯化胆碱-尿素或氯化胆碱-甘油为组分的体系粘度更低，这有利于在预聚合阶段促进分子扩散以及模板分子与功能组分之间的分子间相互作用[20]。通过在二元体系中引入第三组分，可以有效调节其物理化学性质，如降低粘度并提升流动性[21]，同时通过各组分间的协同作用，构建出更为紧凑且多样的氢键识别网络[22]。这一策略有望在保留深度共晶溶剂固有绿色优势的同时，显著提升印迹聚合物的识别位点密度与吸附容量，从而为酚酞等复杂目标分子的选择性分离提供一种新颖高效的途径。

随着量子化学及计算方法的不断进步，基于密度泛函理论的分子模拟已成为理性设计分子印迹材料的强大辅助工具[23]。尽管计算模拟已成为理性设计MIP的重要手段，但在绿色印迹系统，尤其是基于深度共晶溶剂的MIP中的应用仍在不断发展中。Sobiech等人（2024年）[24]对计算方法在绿色分子印迹材料中的应用进行了全面综述，重点介绍了其在功能单体筛选、模板与功能组分相互作用分析、结合能计算、分子静电势分析以及预聚合复合物预测等方面的应用。这些研究表明，计算模拟能够在合成之前预测关键的分子间相互作用，从而减少经验性的试错实验，为理性设计MIP提供理论依据。因此，将计算模拟与实验验证相结合，已成为开发绿色分子印迹材料的一种日益重要的策略。在本研究中，以氯化胆碱、咖啡酸和甲酸为组分的三元深度共晶溶剂被用作复合功能网络，与酚酞作为模板系统共同使用。通过在B3LYP /6–311G(d,p)和M06-2×/6–311G+(2d,p)理论水平上，结合SMD隐式溶剂化模型，对模板-功能网络复合物的几何构型及电子结构进行了系统计算。通过深入分析不同溶剂环境下的前沿分子轨道、分子静电势分布以及PhIn–TDES复合物的特性，成功确定了最有利于形成强氢键和静电相互作用的预聚合介质[25]、[26]。

因此，本研究在以往主要采用传统功能单体和常规聚合策略制备酚酞MIP的基础上，引入了三元深度共晶溶剂作为复合功能网络。与大多数已报道的二元深度共晶溶剂MIP相比，本研究的三元体系能够提供更加多样化和协同性的氢键环境，有助于构建更为密集且可调控性更强的模板结合识别结构。重要的是，本MIP系统的设计并非仅基于计算，而是将密度泛函理论、分子静电势分析、前沿分子轨道分析以及相互作用区域分析结果与对溶剂及印迹比例的系统性实验优化相结合。这种理论计算与实验验证的协同整合，使得人们能够更深入地理解酚酞与三元深度共晶溶剂之间的相互作用，阐明PhIn–TDES结合的底层机制，从而使本系统区别于以往报道的酚酞印迹聚合物及其他基于深度共晶溶剂的MIP系统。因此，本研究为基于三元深度共晶溶剂的酚酞MIP设计提供了一种新的、更为理性的思路。

试剂与仪器
酚酞（PhIn，98%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司；氯化胆碱（ChCl，98%）、咖啡酸（CA，98%）、甲酸（FA，99%）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA，98%）、2,2′-偶氮二异丁腈（AIBN，98%）、1-丙醇（99.5%）和二甲基亚砜（DMSO，99%）购自上海麦克林生化有限公司；双酚A（BPA，99%）和酚红（98%）亦购自上海麦克林生化有限公司；甲醇（99.5%）、乙醇（99.7%）和乙酸（99.5%）则购自其他供应商。

分子静电势分析
通过定量分子静电势分析，本研究阐明了由氢键受体和氢键供体构成的三元深度共晶溶剂功能系统与模板分子酚酞之间的潜在结合位点。图2展示了经过优化的酚酞和三元深度共晶溶剂结构的静电势分布及表面特征。彩色编码的分子静电势表面数据来自Multiwfn输出文件，通过VMD软件进行可视化处理。正静电势区域以红色显示。

结论
在本研究中，一种组成为氯化胆碱/咖啡酸/甲酸=3:1:1的三元深度共晶溶剂被理性设计为用于制备酚酞MIP的复合功能网络。在密度泛函理论计算的指导下，并经实验验证，本研究系统地阐明了PhIn–TDES体系的识别机制。理论计算表明，预聚合过程中的组装结构是由静电吸引、氢键作用以及范德华力之间的协同效应所稳定的，同时研究也确定乙醇为适宜的聚合溶剂。

作者贡献声明
陆迅：撰写——初稿、可视化、验证、软件应用、方法设计、实验研究。王晓华：方法设计、数据整理。董科杰：实验研究、数据整理。谢伟：实验研究、数据整理。张玉红：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金申请、正式分析、概念构思。周国宏：撰写——审稿与编辑、监督工作。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金项目的资助，该项目名为“基于计算机模拟设计的绿色深度共晶溶剂基吗啡分子印迹聚合物及其分子机制”。

陆迅|王晓华|董科杰|谢伟|张玉红|周国宏