,*,*

(1.河北工程大學(xué),河北邯鄲 056000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所,北京 100081)

新煙堿類殺蟲劑是一類昆蟲乙酰膽堿受體激動(dòng)劑,主要由雜環(huán)基團(tuán)、橋鏈、含硝基的功能基團(tuán)和取代基團(tuán)構(gòu)成[1],繼有機(jī)磷類、擬除蟲菊酯類、氨基甲酸酯類之后開發(fā)出來的。具有譜廣、用量低、內(nèi)吸傳導(dǎo)性好、作用機(jī)制新穎、環(huán)境相容性高和與其他傳統(tǒng)類殺蟲劑無交互抗性等優(yōu)點(diǎn)[2-3],近年來得到了廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)化的有吡蟲啉(Imidacloprid)、噻蟲啉(Thiacloprid)、呋蟲胺(Dinotefuran)、噻蟲胺(Thioprolamine)、噻蟲嗪(Thiamethoxam)等。2013年歐盟修改了吡蟲啉、噻蟲胺、噻蟲嗪在蔬菜水果中最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)(MRLs)[4]。其中吡蟲啉在水果和根莖蔬菜MRLs為1 mg/kg、噻蟲嗪在甘藍(lán)、生菜中MRLs為5 mg/kg、葉狀蔬菜中噻蟲胺的MRLs為2 mg/kg。

新煙堿類農(nóng)藥雖是高效殺蟲劑,但對(duì)高等動(dòng)物具有選擇性低毒。過度使用,新煙堿類農(nóng)藥殘留對(duì)人類和環(huán)境造成的危害引起了人們的重視。目前,新煙堿類農(nóng)藥殘留常規(guī)檢測(cè)方法有氣相色譜(GC)、高效液相色譜(HPLC),氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜或液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜[5-7],但這些常規(guī)檢測(cè)費(fèi)時(shí)耗力,過度依賴儀器,難以小型化,不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);快速檢測(cè)法有免疫法[8]、電化學(xué)傳感器方法等。但免疫法易受外界條件影響,檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確,易出假陽現(xiàn)象,電化學(xué)傳感器檢測(cè)特異性較差。

分子印跡技術(shù)是模擬“抗原-抗體”的原理,是指為獲得在空間結(jié)構(gòu)和結(jié)合位點(diǎn)上與目標(biāo)分子(分子印跡)完全匹配的聚合物并將其應(yīng)用與目標(biāo)分子(印跡分子)特征識(shí)別的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。分子印跡聚合物是一種高度交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料。分子印跡技術(shù)與新煙堿類農(nóng)藥殘留檢測(cè)結(jié)合具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。分子印跡聚合物材料具有耐酸堿、耐高溫、能重復(fù)使用,不受外界影響、不存在生物降解問題、對(duì)目標(biāo)物有特異性高容量吸附[9]等優(yōu)點(diǎn)。分子印跡聚合物對(duì)目標(biāo)物的特異性識(shí)別和富集能夠有效解決新煙堿類農(nóng)藥殘留檢測(cè)的特異性差、受基質(zhì)干擾大的問題,能有效提高檢測(cè)效率和結(jié)果準(zhǔn)確性。本文檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥殘留,以分子印跡聚合物為基礎(chǔ),敘述了分子印跡聚合物在前處理萃取和傳感器檢測(cè)上的應(yīng)用,并對(duì)分子印跡技術(shù)進(jìn)行了討論和展望,為以后新煙堿類農(nóng)藥的檢測(cè)提供了參考。

1 分子印跡聚合物的原理及合成方法

1.1 分子印跡聚合物的合成原理

分子印跡技術(shù)是模擬抗原抗體、受體配體等識(shí)別體系,制備出空間結(jié)構(gòu)和識(shí)別位點(diǎn)與目標(biāo)物特異性結(jié)合的聚合物技術(shù)[10-11]。分子印跡聚合物制備過程的三個(gè)步驟(圖1):首先模板分子和功能單體在一定比例下混合通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵在進(jìn)行預(yù)聚合形成復(fù)合物,其次進(jìn)一步聚合加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑在光或者熱外在條件下反應(yīng)進(jìn)行聚合,然后選擇合適的洗脫液進(jìn)行模板去除,就得到了與目標(biāo)物形狀大小一致的空穴,空穴里的功能基團(tuán)與目標(biāo)物相互作用,賦予了分子印跡聚合物的特異性識(shí)別[12]。

圖1 分子印跡聚合物制備過程示意圖Fig.1 Preparation schematic of molecularly imprinted polymers

1.2 分子印跡聚合物的制備方法

分子印跡聚合物的制備方法根據(jù)識(shí)別位點(diǎn)不同可分為包埋法和表面印跡法。

1.2.1 包埋法 包埋法制備的MIPs的識(shí)別位點(diǎn)在聚合物內(nèi)部,包埋法指的是以沉淀聚合[13]、懸浮聚合[14]、原位聚合[15]、本體聚合[16]合成聚合物的方法。沉淀聚合法是將模板分子、功能單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑在過量的溶劑中反應(yīng)析出沉淀物,此法獲得的聚合物一步合成,操作簡(jiǎn)單。但是溶劑的量會(huì)影響聚合物微球的大小,且溶劑的大量使用不利于保護(hù)環(huán)境。懸浮聚合法在制備體系中加入分散劑,形成的液滴在水相中或者極性較強(qiáng)的溶劑中懸浮,加入引發(fā)劑引發(fā)聚合,所制備的聚合物粒徑均勻,不用研磨,材料的利用率高。但是此法的功能單體和模板的結(jié)合度不強(qiáng),聚合物的識(shí)別性不好,并且對(duì)功能單體的類型有要求。原位聚合法是將制備體系直接在載體上(色譜柱或毛細(xì)血管)合成聚合物,聚合物在色譜柱上能富集、識(shí)別目標(biāo)物,直接用于樣品的檢測(cè)。但是聚合物的合成過程不容易把握,易導(dǎo)致色譜柱的柱效低,流速慢,色譜柱的使用壽命短。本體聚合是在致孔劑中將模板、功能單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑按一定的比例混合,充氮除氧后在密閉容器內(nèi)攪拌,此聚合法操作簡(jiǎn)單,對(duì)反應(yīng)條件要求不高,應(yīng)用廣泛。但是模板分子不易洗脫,結(jié)合位點(diǎn)在研磨過程容易破壞,導(dǎo)致吸附性能下降,在惰性氣體真空環(huán)境中利用熱引發(fā)或光引發(fā)制成高純度但產(chǎn)量較低的分子印跡聚合物。

包埋法合成分子印跡聚合物容易操作,過程簡(jiǎn)單,使用廣泛。Dong[17]等以本體聚合法合成了以噻蟲胺為模板的分子印跡聚合物,先將功能單體甲基丙烯酸和模板溶于乙腈中,在一定溫度下預(yù)聚合,然后加入交聯(lián)劑甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和偶氮二異丁腈(AIBN),在容器內(nèi)充氮?dú)獬蹙酆?索氏提取法去除模板,研究了聚合物對(duì)目標(biāo)物的吸附性和的特異性并優(yōu)化了分子印跡固相萃取條件,與HPLC聯(lián)用檢測(cè)基質(zhì)中噻蟲胺的含量,通過線性方程、檢出限及回收率都證明了以包埋法制備分子印跡聚合物建立噻蟲胺的檢測(cè)方法是可行的。

1.2.2 表面印跡法 表面印跡法是指在通過接枝或包裹在載體或基質(zhì)(SiO2,Fe3O4)表面引發(fā)聚合,使合成分子印跡聚合物識(shí)別位點(diǎn)在聚合物的表面或者載體表面的一種方法[18]。與包埋法比較模板易洗脫,并且溶脹系數(shù)小、傳質(zhì)速度快,選擇性高,結(jié)合位點(diǎn)不易破壞。表面分子印跡聚合物的合成方法主要有:載體法、載體犧牲法、電聚合法。載體法是指在基質(zhì)表面通過非共價(jià)鍵的方式發(fā)生反應(yīng),引發(fā)聚合,在載體表面形成聚合物膜;載體犧牲法是指通過化學(xué)鍵的作用將載體和模板分子結(jié)合后,分子印跡的制備體系在適合溶劑下進(jìn)行預(yù)聚合,適當(dāng)?shù)姆椒▽⑤d體溶解,去除模板分子,合成了結(jié)合位點(diǎn)在表面的分子印跡聚合物;電聚合法為表面印跡法之一,將電極置于電解質(zhì)溶液中通過單體在電極表面的縮合反應(yīng)生成聚合物,該方法制備過程簡(jiǎn)單,通過改變聚合電位和聚合時(shí)間能控制聚合物膜的厚度。

電聚合法制備的分子印跡膜在電極表面,除去模板后,形成了結(jié)合位點(diǎn)在聚合膜表面。Zhang等[19]合成了識(shí)別位點(diǎn)在表面的分子印跡聚合物,以吡蟲啉為模板,對(duì)乙烯基苯甲酸(VBA)為功能單體,在石墨烯表面形成均勻的聚合物層,應(yīng)用到傳感器上。提高了傳感器的穩(wěn)定性和靈敏度,0.5～15 μmol/L濃度范圍內(nèi)檢測(cè)糙米中吡蟲啉含量,檢出限為0.1 μmol/L由于分子印跡在農(nóng)藥殘留檢測(cè)應(yīng)用較廣,為了提高更多的結(jié)合位點(diǎn)、更大比表面積、更快的傳質(zhì)速率將其合成方法與新型材料結(jié)合。

2 MIT中的新型材料及其在新煙堿類農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用

新型納米材料具有良好的吸附性、表面活性、催化活性和擴(kuò)散性,將納米材料和MIT結(jié)合,可以改善分子印跡聚合物對(duì)目標(biāo)物的吸附量、提高聚合物的傳質(zhì)速率和對(duì)目標(biāo)物的特異性選擇。

2.1 MIT在石墨烯材料中的應(yīng)用

碳材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)多樣,具有導(dǎo)電性、表面性和界面特性。石墨烯是碳材料的基本單元,一種較硬二維的碳納米平面超薄材料[20],其電阻率小,具有優(yōu)異的電催化性能和優(yōu)異的導(dǎo)電性,被廣泛認(rèn)為是制備化學(xué)傳感器和生物傳感器的理想材料。

Xie等[21]檢測(cè)糙米中噻蟲嗪含量,基于石墨烯的分子印跡聚合物膜傳感器,以對(duì)乙烯基苯甲酸(VBA)為功能單體,噻蟲嗪為模板,通過π-π相互作用將MIPs均勻分布到石墨烯的表面,循環(huán)伏安法去除模板后建立了噻蟲嗪分子印跡傳感器,石墨烯提高了傳感器的導(dǎo)電性。通過在糙米中添加不同濃度的噻蟲嗪,結(jié)果在表明在0.5～20 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)向關(guān)系,最低檢出限為0.04 μmol/L,石墨烯修飾的分子印跡電化學(xué)傳感器和HPLC檢測(cè)糙米中噻蟲嗪的含量,兩者的回收率沒有明顯差別。表明石墨烯材料與表面聚合法制備的聚合物,提高了傳感器對(duì)噻蟲嗪檢測(cè)的特異性識(shí)別和靈敏度。

2.2 MIT在碳納米管中的應(yīng)用

碳納米管[22]是一種新型的一維納米材料,完美的六角型結(jié)構(gòu),以SP2雜化或與SP3混合雜化為主,拓?fù)淇臻g結(jié)構(gòu)的一維量子材料,在電學(xué)、力學(xué)應(yīng)用廣泛分具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。其包括單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管應(yīng)用到分子印跡聚合物的制備上,改善了分子印跡聚合物的形狀,提高了對(duì)目標(biāo)物的吸附量。

利用碳納米管的導(dǎo)電性,張丹等[23]以吡蟲啉(IMI)為模板溶膠-凝膠法制備的分子印跡聚合物膜修飾硅烷化的多壁碳納米管玻碳電極,檢測(cè)蘋果和梨中IMI的含量。多壁碳納米管的導(dǎo)電性和大的比表面積,使得傳感器的電化學(xué)響應(yīng)值明顯增強(qiáng)。結(jié)果表明IMI在2.0×10-8～4.0×10-5mol/L線性范圍內(nèi)最低檢測(cè)限為2.0×10-8mol/L,同時(shí)在這兩種樣品加入不同濃度的IMI標(biāo)準(zhǔn)品,回收率在均在90.5%～95%。說明了多壁碳納米管作為基底材料增強(qiáng)了吡蟲啉分子印跡的電活性,提高了傳感器的導(dǎo)電性和靈敏度高,同時(shí)傳感器有很好的重現(xiàn)性。

由于碳納米管具有強(qiáng)大的C=C雙鍵提高了傳感器的機(jī)械強(qiáng)度和響應(yīng)性能,其中電聚合法制備分子印跡聚合物膜,在電極表面直接成膜,增加傳感器的靈敏度。電聚合法制膜常用的方法有循環(huán)伏安法、恒電位沉積法、恒電流法。謝黎明等[24]基于碳納米管修飾的分子印跡聚合物膜構(gòu)建傳感器,制備IMI、噻蟲嗪(TMX)聚合物膜,戊二醛為交聯(lián)劑,利用恒電位沉積法直接形成分子印跡聚合物膜,其中羧基化的碳納米管修飾電極(F-CNTs/GCE)提高了電極的導(dǎo)電性,增加了傳感器的穩(wěn)定性,提高了傳感器對(duì)目標(biāo)分子特異性識(shí)別并且模擬這兩種傳感器的等效電路模型,為新煙堿類的農(nóng)藥殘留提供了新方法,尤其是對(duì)新煙堿類農(nóng)藥殘留選擇性檢測(cè)具有重大意義。

2.3 MIT在磁性納米材料中應(yīng)用

磁性納米材料引人注目的優(yōu)點(diǎn)是它的分離能力,在磁性元素里面Fe在常溫下表現(xiàn)出最大的磁性飽和度,被成功的應(yīng)用到分子印跡技術(shù)中。磁性分子印跡聚合物(MMIPs)不僅能特異識(shí)別目標(biāo)物還能在外加磁場(chǎng)的作用下與基質(zhì)快速分離(圖2右),MMIPs在農(nóng)藥殘留前處理上已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用[25-28]。MMIPs是磁性納米顆粒與分子印跡聚合物結(jié)合[29-30],操作過程簡(jiǎn)單,起到吸附分離的作用。常見的磁性納米顆粒是Fe3O4其合成由Fe2+和Fe3+在堿性溶劑和一定溫度下磁力攪拌合成的超順磁性物質(zhì)。

被修飾的磁性納米顆粒改善了磁顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,提高了磁性材料的穩(wěn)定性,磁顆粒的表面有更多官能團(tuán),分子印跡聚合物更容易與此材料結(jié)合,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。Zhang等[31]使用水熱法制備Fe3O4磁性納米顆粒,并對(duì)其進(jìn)行硅烷修飾得到Fe3O4@SiO2,以Fe3O4@SiO2為磁核,以哌蟲啶(IPP)為模板,甲基丙烯酸為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑以逐層自組裝方式合成了磁性哌蟲啶分子印跡膜,被磁顆粒修飾的MMIPs通過吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線及特異性吸附實(shí)驗(yàn)表明分子印跡膜是單分子層結(jié)構(gòu)均勻,吸附能力大對(duì)目標(biāo)物具有特異性吸附。張琬桐等[32]合成了哌蟲啶磁分子印跡聚合物,以哌蟲啶為模板,篩選甲基丙烯酸為最優(yōu)功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,三者最優(yōu)比例1∶4∶10,合成的磁性聚合物(IPP-MMIPs)對(duì)目標(biāo)分子的吸附量最大,其中圖2A對(duì)Fe3O4、Fe3O4@SiO2、IPP-MMIP的磁性能進(jìn)行了分析,三條磁線圖的趨勢(shì)和形狀及原點(diǎn)對(duì)稱都是一致的。表明IPP-MMIP在合成后雖然IPP-MMIP材料包覆使磁性減弱但對(duì)外部磁場(chǎng)有反應(yīng),不存在磁滯現(xiàn)象,且具有超順磁性能重復(fù)使用不影響磁分離,圖2B是磁鐵吸附前后的照片,含有IPP-MMIP聚合物的水溶液在外加磁鐵壓力下,60S能迅速與介質(zhì)分離。吸附等溫線符合Langmuir模型,吸附量為17.305 mg/g,印跡因子為2.05。表明聚合物對(duì)哌蟲啶的吸附量大,外在磁場(chǎng)條件下能迅速與溶液分離,縮短分離時(shí)間,節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間。

圖2 A:a:Fe3O4,b:Fe3O4@SiO2,c:IPP-MMIP的VSM;B:磁分離前后的照片F(xiàn)ig.2 A:VSM images of a:Fe3O4,b:Fe3O4@SiO2 andc:IPP-MMIP;B:Picture before and after magnetic separation

表1 新煙堿類農(nóng)藥殘留分析前處理方法的比較Table 1 Comparison of pre-treatment methods for the analysis of neonicotinoid pesticide residues

通過對(duì)分子印跡技術(shù)應(yīng)用多種增敏材料的總結(jié),新型材料與分子印跡技術(shù)結(jié)合對(duì)檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥殘留很好的應(yīng)用前景。其中石墨烯、碳納米管有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,并有豐富的官能團(tuán)能,大的比表面積能提高分子印跡聚合物的吸附性;金屬(金、銀、銅、鉑)納米顆粒,能加速分子印跡傳感器的導(dǎo)電率;量子點(diǎn),能增加印跡材料的光電傳感能力,分子印跡技術(shù)中的新型材料為檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥殘留提供了靈感支撐,有很大的應(yīng)用前景。

3 分子印跡技術(shù)在新煙堿類農(nóng)藥殘留分析中應(yīng)用

新煙堿類農(nóng)藥因高效、低毒、作用機(jī)制新穎被大量的使用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,但其殘留量對(duì)環(huán)境和人類造成了威脅,農(nóng)藥的殘留檢測(cè)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。分子印跡聚合物對(duì)目標(biāo)物有顯著的特異性吸附,被成功的應(yīng)用到新煙堿類農(nóng)藥檢測(cè)中,大量文獻(xiàn)報(bào)道分子印跡技術(shù)在新煙堿類農(nóng)藥殘留的檢測(cè)表現(xiàn)出很大的應(yīng)用前景。

3.1 分子印跡技術(shù)在新煙堿類農(nóng)藥殘留分析前處理中應(yīng)用

傳統(tǒng)的樣品前處理技術(shù)[33]面對(duì)復(fù)雜基質(zhì)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)的要求,因分子印跡聚合物具有選擇性高,能很好的特異性識(shí)別和吸附目標(biāo)分子,耐有機(jī)溶劑、耐強(qiáng)酸堿、耐高壓高溫等優(yōu)點(diǎn)[34],能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)樣品前處理方法中的不足。表1是檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥殘留的前處理方法的比較。

由表1可知分子印跡聚合物應(yīng)用到新煙堿農(nóng)藥殘留的前處理上,與傳統(tǒng)的前處理方法比較,有較好的回收率和較小的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,分子印跡聚合物的富集和分離作用,降低了基質(zhì)對(duì)檢測(cè)的干擾。圖3總結(jié)分子印跡材料在萃取技術(shù)中不同應(yīng)用方式[41]。

圖3 不同分子印跡材料在萃取技術(shù)中不同應(yīng)用方式 Fig.3 Different formats of the molecularly-imprintedpolymer(MIP)-based sample-preparation technique.注:A：固相萃取柱;B:纖維固相微萃取;C:管內(nèi)固相微萃取;D:固相萃取膜;E:攪拌棒吸附萃取;F:磁顆粒;G:針管萃取中的應(yīng)用。

3.1.1 分子印跡固相萃取(MISPE) 固相萃取吸附劑根據(jù)吸附差異將目標(biāo)物與干擾物分離,用MIPs作為固相萃取填料的方法叫MISPE。MIPs比傳統(tǒng)固相萃取材料C18有較高選擇性萃取富集目標(biāo)物能力,比免疫親和色譜柱的抗體穩(wěn)定、成本低。

MISPE具備了SPE簡(jiǎn)單實(shí)用、應(yīng)用范圍廣和MIPs選擇性識(shí)別大分子物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。Tang等[38]以IMI為模板,甲基丙烯酸為功能單體(MAA),乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)為交聯(lián)劑采用非共價(jià)鍵聚合法制備了IMI分子印跡聚合物,將其作為固相萃取吸附劑并裝于固相萃取柱內(nèi),同時(shí)優(yōu)化分子印跡固相萃取柱,洗脫液是乙腈∶水其體積比例為4∶1,洗掉干擾物,上樣,甲醇洗脫目標(biāo)物。MISPE與HPLC結(jié)合檢測(cè)水樣和土壤中吡蟲啉的含量,水樣加標(biāo)回收率在87.7%～89.2%,RSD小于7%。

MIPs作為SPE吸附劑能很好的吸附實(shí)際樣品中目標(biāo)物,劉娜等[42]以嘧菌酯、吡蟲啉和噻蟲啉這三種農(nóng)藥混合作為混合模板,MAA為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,偶氮二異丁腈(NIBA)為引發(fā)劑,制備了混合模板的分子印跡聚合物。以索氏萃取法洗脫模板分子,洗脫液是甲醇∶水∶冰乙酸其體積比例為93∶5∶2,將印跡材料制備固相萃取柱并優(yōu)優(yōu)化萃取條件,建立了MISPE-LC-MS/MS方法,通過黃瓜樣品驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性,加標(biāo)回收率在88.5%～94.6%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.6%～2.9%。此方法比侯如燕等[43]用ENVI-18固相萃取柱結(jié)合液相色譜檢測(cè)黃瓜中吡蟲啉、噻蟲啉農(nóng)藥的檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確、相對(duì)偏差更小。證實(shí)了MIPs作為SPE吸附劑比其他傳統(tǒng)吸附劑用于實(shí)際樣品凈化、吸附性能要好。

楊東冬等[44]以噻蟲啉為模板,MAA為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,NIBA為引發(fā)劑制備了噻蟲啉分子印跡聚合物。優(yōu)化功能單體與模板的比例,當(dāng)噻蟲啉:MAA:苯乙烯比例為1∶4∶4時(shí)聚合物的吸附量最大,在30 min內(nèi)MIPs對(duì)吡蟲啉、氯噻啉、噻蟲啉的吸附量進(jìn)行比較,噻蟲啉吸附量最大,表明噻蟲啉MIPs對(duì)目標(biāo)物具有特異性吸附。比較MIP柱與C18柱對(duì)噻蟲啉的富集能力,用HPLC檢測(cè)收集的洗脫液,回收率分別為56%～77%和83.4%～98.8%,表明MIP柱對(duì)目標(biāo)物的吸附性能、保留能力更強(qiáng),提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[45-46]。MIPs作為SPE吸附劑與HPLC結(jié)合檢測(cè)稻田水和大米噻蟲啉的含量,大米中噻蟲嗪的含量為13.8 ng/g,稻田水未檢出。同時(shí)他還以噻蟲胺為模[17]板,甲基丙烯酸和苯乙烯為功能單體,乙腈為致孔劑,二甲基丙烯酸乙二醇酯為交聯(lián)劑合成分子印跡聚合物作為固相萃取吸附劑與HPLC結(jié)合檢測(cè)河水,土壤,大白菜,番茄和葡萄中噻蟲胺的含量,在0.005～0.05 mg/L范圍內(nèi)河水的平均回收率在84.32%～89.59%,其余的樣品在0.05～0.5 mg/L范圍內(nèi)平均回收率在85.49%～96.36%,RSD為2.40%～6.02%(n=3),該方法檢測(cè)樣品中噻蟲胺的含量是可行的。

3.1.2 分子印跡-基質(zhì)固相分散萃取技術(shù)(MIP-MSPD) MIP-MSPD操作簡(jiǎn)單,樣品的富集、凈化于一體,成本低,檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,重現(xiàn)性好。MIPs和樣品一起研磨后通過洗脫與樣品基質(zhì)分離,MIP-MSPD起到分離和富集的作用。

Chen等[40]以吡蟲啉為模板,MAA為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,NIBA為引發(fā)劑,將分子印跡聚合物作為分散劑與樣品均勻混合裝入柱子,經(jīng)過活化柱子,上樣,淋洗,收集洗脫溶劑,通過LC-MS/MS分析。結(jié)果證明MIPs對(duì)目標(biāo)物有良好的選擇性,MIPs的吸附量高于非分子印跡聚合物(NIPs)的吸附量。MIP-MSPD檢測(cè)大米中吡蟲啉的含量,在10～1000 μg/L線性范圍內(nèi),檢出限2.4 μg/L,樣品的回收率在83.8%～92.5%。

3.1.3 分子印跡-固相萃取攪拌棒(MIP-SBSE) 固相萃取攪拌棒的選擇性高,基質(zhì)干擾小。為了更好的提高富集目標(biāo)物,凈化基質(zhì),將攪拌棒的靈活性與MIPs的特異性結(jié)合,為復(fù)雜樣品基質(zhì)提供了簡(jiǎn)單、有效的前處理方法。MIP-SBSE固定相面積大,選擇性好,操作簡(jiǎn)單。

程亞群等[47]以烯啶蟲胺為模板,MAA為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,乙腈為致孔劑,沉淀聚合法制備烯啶蟲胺分子印跡聚合物涂在固相萃取攪拌棒上,應(yīng)用到對(duì)實(shí)際水樣中烯啶蟲胺的吸附,添加不同濃度的烯啶蟲胺,吸附的回收率均在85.3%～112.4%,攪拌棒操作簡(jiǎn)單,靈敏度高,重現(xiàn)性好,對(duì)目標(biāo)物有高的選擇性吸附。

3.2 分子印跡技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

分子印跡技術(shù)檢測(cè)蛋白質(zhì)、藥物、環(huán)境中的有害物主要獲取途徑有傳感器法、色譜法。分子印跡傳感器是以MIPs為識(shí)別元件,相當(dāng)于生物識(shí)別中的抗原抗體但比抗原抗體的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在藥物、環(huán)境、食品等安全分析領(lǐng)域都有應(yīng)用。根據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理可將傳感器分為電化學(xué)型傳感器、光學(xué)傳感器、質(zhì)量型傳感器,文獻(xiàn)報(bào)道分子印跡技術(shù)與電化學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器結(jié)合已經(jīng)成熟的應(yīng)用到新煙堿類農(nóng)藥的檢測(cè)中,該技術(shù)與傳感器結(jié)合在相關(guān)領(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供了參考。

3.2.1 MIP電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器原理是將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成可以輸出的信號(hào),根據(jù)帶電信號(hào)的高低程度,來檢測(cè)目標(biāo)物,是由識(shí)別系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成[48]。識(shí)別系統(tǒng)由于識(shí)別元件不同可將傳感器分為免疫酶?jìng)鞲衅鱗49]、抗體傳感器[50]、分子印跡傳感器[51-52]。MIPs比免疫酶穩(wěn)定,比抗體制作周期短、操作過程簡(jiǎn)單,所以新煙堿類農(nóng)藥檢測(cè)在MIP傳感器領(lǐng)域更受歡迎。MIPs作為傳感器敏感元件不僅提高了傳感器的靈敏度還提高對(duì)目標(biāo)分子的特異性識(shí)別。MIP電化學(xué)傳感器的制備方法主要有電化學(xué)聚合、涂膜法[53-54]、原位引發(fā)聚合[55-57]。

電化學(xué)聚合法優(yōu)點(diǎn)在于膜的厚度易于控制,制備簡(jiǎn)單,均勻的覆蓋在電極表面,性能穩(wěn)定,檢測(cè)靈敏度高,在新煙堿類農(nóng)藥檢測(cè)中應(yīng)用廣泛;涂膜法制備的分子印跡傳感器具有很好特異性;原位引法制備傳感器的分子印跡膜厚度不易控制,易影響檢測(cè)結(jié)果,因此在農(nóng)藥檢測(cè)中受限。分子印跡電化學(xué)傳感器檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥是集分離、富集、檢測(cè)于一體,提高傳感器的靈敏度、對(duì)目標(biāo)物有特異性識(shí)別,簡(jiǎn)化檢測(cè)步驟。

3.2.1.1 電化學(xué)聚合法制備MIP電化學(xué)傳感器 電化學(xué)聚合是在電極表面外加電壓驅(qū)動(dòng)使模板與功能單體聚合直接形成印跡聚合膜。影響電化學(xué)聚合傳感器的穩(wěn)定性是功能單體的選擇和模板的去除,因此選擇易于聚合的功能單體并與目標(biāo)物有強(qiáng)大的作用力。此方法制備的分子印跡聚合膜的吸附位點(diǎn)在表面并且吸附量大,提高了傳感器的靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

電化學(xué)聚合法制備分子印跡傳感器,構(gòu)建此類傳感器方法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。Kong等[58]以電聚合法制備分子印跡聚合物膜,聚鄰苯二胺(POPD)為功能單體,吡蟲啉為模板,用0.5 mol/L的HCL將模板洗脫,構(gòu)建吡蟲啉分子印跡電化學(xué)傳感器,并用還原氧化石墨烯修飾玻碳電極,提高了傳感器靈敏度。檢測(cè)梨中吡蟲啉的含量,在0.75～70.00 μmol/L線性范圍內(nèi)檢測(cè)限為0.40 μmol/L;此人還以吡蟲啉為模板[59],聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為功能單體,構(gòu)建了檢測(cè)蘋果中吡蟲啉含量的分子印跡電化學(xué)傳感器,PVP為功能單體制備的分子印跡傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于線性范圍大,檢測(cè)線低。比較聚合物對(duì)吡蟲啉與其結(jié)構(gòu)類似物的吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果聚合物吸附吡蟲啉量最大,表明傳感器的對(duì)目標(biāo)物有特異性吸附,在0.5～50.00 μmol/L線性范圍內(nèi)檢測(cè)限為0.30 μmol/L;類似的構(gòu)建了聚咔唑(PCz)為功能單體,因?yàn)镻Cz具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性適合用于傳感材料。吡蟲啉為模板,利用石墨烯增加了電極的比表面積,制備了吡蟲啉分子印跡傳感器,檢測(cè)環(huán)境水樣中吡蟲啉的含量。在0.1～40.00 μmol/L線性范圍內(nèi)檢測(cè)限為0.07 μmol/L,表明傳感器具有良好的選擇性和靈敏性,能快速準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)物,有利于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展。

劉斌等[60]利用恒電位沉積法制備了啶蟲脒印跡膜電極,將啶蟲脒(Actip)為模板,戊二醛為交聯(lián)劑,殼聚糖有豐富的-NH2和-OH活性基團(tuán),張力大,韌性好,使其作為功能基體和載體材料,并構(gòu)建了Actip分子印跡電化學(xué)傳感器。借助陽離子指示探針,驗(yàn)證了傳感器有良好的電化學(xué)響應(yīng)特性,比較MIPs對(duì)啶蟲脒和吡蟲啉的吸附量,得出啶蟲脒的吸附吸附量最大,表明傳感器對(duì)啶蟲脒具有很好的特異性識(shí)別,印跡因子為4.711,在1.0×10-7～2.0×10-5mol/L范圍內(nèi)呈線性,用含有2.0×10-5mol/L的Actip溶液做10次平行實(shí)驗(yàn),RSD為2.9%,表明此類傳感器響應(yīng)性能穩(wěn)定。

3.2.1.2 涂抹法制備MIP電化學(xué)傳感器 涂膜法是一種間接成膜法先將分子印跡聚合物材料制備好,將其溶解混合后涂在電極表面,分子印跡聚合物在電極表面形成均勻的薄膜。Li等[61]以吡蟲啉為模板,MAA為功能單體,EGDMA為交聯(lián)劑,NIBA為引發(fā)劑,制備親水性的表面印跡離子液體聚合物通過可逆加成-碎裂鏈轉(zhuǎn)移沉淀聚合(RAFTP)的方式包覆到MWNTs上。此法制備的印跡材料結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀,比表面積大,吸附性能好,并且傳質(zhì)速度快,使用離子液體因具有高密度、高電導(dǎo)率能與親水性的模板分子相互作用制備水兼容的MIPS,提高了MIPs在水相中的應(yīng)用,將MWNTs@RAFT-MIP固定到石墨烯修飾的玻碳電極上得到MWNTs@RAFT-MIP-GR-IL/GCE膜,涂層在電極表面構(gòu)建了親水性表面印跡電化學(xué)傳感器,實(shí)驗(yàn)表明此法線性范圍廣,檢出限低,檢測(cè)實(shí)際樣品白菜和蘋果皮中吡蟲啉含量,樣品加標(biāo)回收率均在94%～107%。該分子印跡電化學(xué)傳感器有很高靈敏度和對(duì)目標(biāo)物的選擇性,提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2.2 MIP光學(xué)傳感器 MIPs分子印跡光學(xué)傳感器有光化學(xué)傳感器、表面等離子共振技術(shù)、分子印跡光子晶體凝膠等;分子印跡光子晶體凝膠法檢測(cè)新煙堿類農(nóng)藥殘留,分子印跡光子晶體凝膠傳感器其實(shí)質(zhì)就是以光子晶體技術(shù)和分子印跡技術(shù)結(jié)合,光子晶體具有三維有序性、比表面積高等特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)通常與可見紅外光的相互作用發(fā)生布拉格衍射,有色移現(xiàn)象。此類傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于高度普適性、無需標(biāo)記、快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)層次多樣等,與分子印跡技術(shù)結(jié)合可直接把特異性的目標(biāo)分子的化學(xué)信號(hào)以光衍射的形式表達(dá)出來。

分子印跡光子晶體凝膠傳感器檢測(cè)待測(cè)物無需標(biāo)記,結(jié)果準(zhǔn)確。Wang等[62]檢測(cè)甘藍(lán)、黃瓜、蘋果吡蟲啉含量,使用分子印跡光子晶體凝膠傳感器。在膠體晶模板中用光聚合法制備了吡蟲啉印跡光子水凝膠(MIPHs),以吡蟲啉為模板,甲基丙烯酸為單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,除去膠體晶模板和分子印跡模板。由于凝膠膜含有大量的三維有序的納米晶,同時(shí)該薄膜無需將目標(biāo)物標(biāo)記就能產(chǎn)生光信號(hào)。當(dāng)吡蟲啉的濃度在10-13～10-7g/mL,布拉格衍射線紅峰從551 nm移到589 nm,對(duì)噻蟲嗪和啶蟲脒沒明顯的峰移動(dòng),說明此傳感器對(duì)目標(biāo)物有高的選擇性和特異性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器對(duì)吡蟲啉的檢測(cè)有較高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性,回收率在87.6%～97.8%,與LC-MS/MS檢測(cè)吡蟲啉兩種方法結(jié)果相差不大,RSD在小于10%。說明了基于MIPs構(gòu)建的光子晶體凝膠傳感器具有高特異性,無需標(biāo)記,重復(fù)性好,檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,不依賴大型儀器檢測(cè),不僅用于實(shí)驗(yàn)室,而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)目標(biāo)物有很大應(yīng)用潛力。

3.2.3 MIP質(zhì)量型傳感器 質(zhì)量敏感傳感器又叫壓電傳感器,是基于石英晶體(QCM)建立起來的一種傳感器。QCM對(duì)質(zhì)量的變化非常敏感,工作原理是待測(cè)物質(zhì)量的變化與QCM的諧振頻率成反比,因此通過頻率的變化測(cè)定QCM的表面吸附質(zhì)量[63]。在傳感器技術(shù)中通常作為轉(zhuǎn)換器,與MIPs結(jié)合檢測(cè)目標(biāo)物的含量。在QCM的表面采用合適的MIPs聚合法在其表面形成一層分子印跡聚合薄膜,來檢測(cè)特定分子的含量,此類傳感器靈敏度高,分子印跡膜響應(yīng)值大,特異性強(qiáng),外壓穩(wěn)定。MIP-QCM傳感器目前檢測(cè)的物質(zhì)有多環(huán)芳烴類、糖類、中性物質(zhì)等;對(duì)于新煙堿農(nóng)藥殘留檢測(cè)未見報(bào)道,但是對(duì)新煙堿類農(nóng)藥殘留檢測(cè)提供了理論支撐。

3 結(jié)語與展望

隨著對(duì)分子印跡技術(shù)研究的越來越深入,分子印跡聚合物已被廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)、藥物分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域,并成功應(yīng)用于新煙堿類農(nóng)藥的檢測(cè)。分子印跡技術(shù)不斷發(fā)展,不管是在合成方法還是表征手段以及應(yīng)用中都日趨完善。然而分子印跡技術(shù)在新煙堿類農(nóng)藥檢測(cè)中的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段,存在著諸多亟待解決的問題。

新煙堿類農(nóng)藥分子印跡技術(shù)基礎(chǔ)理論和作用機(jī)理研究仍需不斷探索。分子印跡技術(shù)的理論基礎(chǔ)需要進(jìn)一步推動(dòng),制備原理、結(jié)構(gòu)解析、識(shí)別過程和傳質(zhì)機(jī)制研究不夠清晰,需要不斷完善。

新煙堿類農(nóng)藥分子印跡制備方法較為單一,需要不斷豐富和發(fā)展?，F(xiàn)有制備技術(shù)得到的新煙堿類農(nóng)藥聚合物的尺寸比較大,多為微米級(jí),聚合物的顆粒大小不均一、識(shí)別位點(diǎn)深埋、吸附量較低。聚合條件需要更好的優(yōu)化,結(jié)構(gòu)表征需更加細(xì)致,能更詳細(xì)的認(rèn)識(shí)印跡內(nèi)部構(gòu)造,進(jìn)一步提高分子的特異性識(shí)別性能。

分子印跡技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有局限性,需要開展在分離分析領(lǐng)域小分子的研究轉(zhuǎn)移到大分子物質(zhì)的研究。分子印跡聚合物的在水相識(shí)別困難,需要提高分子印跡聚合物的親水性,加強(qiáng)在水相中的應(yīng)用。

當(dāng)前,復(fù)雜基質(zhì)中農(nóng)藥殘留的前處理和痕量檢測(cè)技術(shù)會(huì)更加傾向于方便,準(zhǔn)確、快捷、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高通量的方向發(fā)展。此外,分子印跡技術(shù)應(yīng)用到新煙堿農(nóng)藥的殘留檢測(cè)涉及多種交叉學(xué)科,需要不斷改進(jìn)逐步擴(kuò)展。相信隨著分子印跡聚合物的制備原理和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,使手性藥物分離、膜分離、分子印跡固相萃取達(dá)到商業(yè)化,未來分子印跡技術(shù)在更多領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮更加積極的作用。