王青華　鄧健康　齊善厚　耿春輝

摘 要：近年來(lái)，越來(lái)越多的高質(zhì)量論文報(bào)道了關(guān)于MIP傳感器用于測(cè)定生物大分子、農(nóng)獸藥殘留和爆炸物等方面的研究，大大推動(dòng)了這一技術(shù)在醫(yī)學(xué)和法醫(yī)診斷、食品安全等方面的應(yīng)用。本文旨在重點(diǎn)闡述基于分子印跡聚合物的光學(xué)傳感器技術(shù)的最新研究現(xiàn)狀及其實(shí)際應(yīng)用的研究。

關(guān)鍵詞：分子印跡;光學(xué)傳感器;食品安全;研究進(jìn)展

Abstract：In recent years have seen an increase in high-quality publications describing MIP sensors for the determi-nation of biomolecules，drugs of abuse，and explosives，driving toward applications of this technology in medical and forensic diagnostics and food safety. This review aims to provide a focused overview of the latest achievements made in MIP-based sensor technology，with emphasis on research toward real-life applications.

Key words：Molecularly imprinted polymer （MIP）; Optical sensor; Food safety; Research progress

中圖分類號(hào)：TS207.3

1 分子印跡聚合物概述

分子印跡是在模板分子存在的情況下，在聚合物內(nèi)部形成特異識(shí)別位點(diǎn)的過(guò)程。功能單體和模板分子通過(guò)聚合作用在一定空間中排列，并通過(guò)交聯(lián)劑進(jìn)一步提高聚合物的穩(wěn)定性。因此，可以形成選擇性識(shí)別目標(biāo)分析物的具有模板衍生位點(diǎn)的分子印跡聚合物（MIP）。分子印跡聚合物是目前最常用、應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的合成分子識(shí)別受體的方法。分子印跡聚合物具有促進(jìn)人們對(duì)MIPS越來(lái)越感興趣的許多優(yōu)良特性，如高的親和力和選擇性、與天然受體相似性，被認(rèn)為是不可缺少的可以替代天然受體的聚合物，優(yōu)于天然生物分子的強(qiáng)的穩(wěn)定性、制備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、易適用于實(shí)際應(yīng)用中，如傳感器和特殊陣列檢測(cè)器上[1-6]。

1992年，人們首次嘗試在傳感器中使用塊狀印跡聚合物[7]，早期的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是將分子印跡聚合物與模板如氨基酸、核酸和膽固醇結(jié)合后，會(huì)增加通過(guò)印跡聚合物膜的電流[8]。自1992年以來(lái)，世界各地發(fā)表了2 500多篇關(guān)于MIP應(yīng)用于傳感器的論文，明顯表明這一領(lǐng)域引起了許多研究者們的興趣。大多數(shù)MIP傳感器依賴于當(dāng)MIP與目標(biāo)物結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的光學(xué)響應(yīng)（如表面等離子體共振（SPR）的折射率）。本文綜述基于MIP的光學(xué)傳感器的新技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)。本綜述旨在深入了解傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感機(jī)理，信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，重點(diǎn)闡述它們?cè)谏飩鞲?、醫(yī)學(xué)診斷和生物技術(shù)中的應(yīng)用。本研究重點(diǎn)闡述了MIP在光學(xué)傳感器中的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 基于MIP的光學(xué)傳感器在食品檢測(cè)中的最新研究進(jìn)展

理論上講，任何分析物的模板分子都可以用來(lái)合成分子印跡聚合物，目前試劑生產(chǎn)中用來(lái)做模板的種類很多，如無(wú)機(jī)離子、藥物、核酸、蛋白、病毒甚至細(xì)胞。

光學(xué)傳感器是測(cè)量材料中光學(xué)特性并將其光信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他信號(hào)的探測(cè)器（如光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)），在結(jié)合過(guò)程中，基于MIP的光學(xué)傳感器可產(chǎn)生光信號(hào)的變化，從而根據(jù)光信號(hào)的變化檢測(cè)目標(biāo)分析物的含量。主要有兩種基于MIP的光學(xué)傳感器，第一種是基于MIP的吸附傳感器，它是根據(jù)其固有的熒光特性檢測(cè)目標(biāo)分析物（比如光的折射率，吸光度或熒光強(qiáng)度），將基于MIP的光學(xué)傳感器與目標(biāo)物結(jié)合后，通過(guò)測(cè)定結(jié)合目標(biāo)物前后的光學(xué)變化來(lái)測(cè)定分析物中目標(biāo)物的含量，比如熒光猝滅。其中一類典型的基于MIP的光學(xué)傳感器是監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)或其他大分子模板與固定在等離子體傳感器表面的MIP結(jié)合引起的折射率變化[9]。第二類是光電MIP傳感器，它們的工作機(jī)制依賴于具有光學(xué)特性的單體易受周圍環(huán)境的變化，并可隨著目標(biāo)分析物的變化而變化[10]。光電MIP的基本要求是分子受體應(yīng)具有高摩爾吸收系數(shù)和高量子產(chǎn)率。此外，分子受體必需是光化學(xué)和熱穩(wěn)定的，并可產(chǎn)生與目標(biāo)分析物的濃度成正比的光學(xué)響應(yīng)，且沒(méi)有非特異性的副反應(yīng)。

熒光檢測(cè)由于檢測(cè)限低，測(cè)定簡(jiǎn)單快速，已成為最流行的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。典型的例子是基于混合MIP微凝膠的葡萄糖傳感器[11]。微凝膠是在印跡過(guò)程中采用一鍋煮的方法通過(guò)自由基聚合的方式加入無(wú)毒的碳點(diǎn)而合成的，由于具有優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)不活潑性、優(yōu)越的電子/空穴轉(zhuǎn)移和幾乎無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，碳點(diǎn)成為了應(yīng)用于生物傳感方面的優(yōu)異的熒光團(tuán)。MIP凝膠與非印跡混合微凝膠相比具有對(duì)目標(biāo)物葡萄糖更高的靈敏度和選擇性，在生理?xiàng)l件下，檢測(cè)范圍在0～30 mmol·L-1，高于臨床檢測(cè)范圍，且無(wú)乳酸和人血清白蛋白等干擾物的不良反應(yīng)。結(jié)果表明，含有碳點(diǎn)的MIP雜化微凝膠是持續(xù)可靠檢測(cè)葡萄糖的前景較好的材料。

最近，開始將碳點(diǎn)與MIP結(jié)合用于光學(xué)傳感器。Liu等[12]制備了一種基于分子印跡的核殼型納米雜化物的比率熒光傳感器，用于選擇性檢測(cè)4-硝基酚（4-NP），該傳感器是通過(guò)Si-O鍵將有機(jī)硅烷功能化碳點(diǎn)與二氧化硅包覆的CdSe量子點(diǎn)（QDs）連接起來(lái)的，并通過(guò)碳點(diǎn)與4-NP之間的發(fā)光導(dǎo)致熒光共振能量轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)。因此，當(dāng)CdSe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度保持不變時(shí)，通過(guò)4-NP對(duì)碳點(diǎn)的熒光猝滅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物4-NP的定量測(cè)定。只是該傳感器只對(duì)微摩爾級(jí)含量的物質(zhì)有靈敏響應(yīng)。

基于量子點(diǎn)的光學(xué)傳感器由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，如寬吸收光譜和窄發(fā)射光譜，最近引起了廣大研究者的興趣，這使得它們?cè)趯?duì)各種分析物進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)方面的應(yīng)用是非常有發(fā)展?jié)摿Φ腫13-14]。為了克服它們的缺點(diǎn)，人們努力改變量子點(diǎn)的表面，使它們能與親水性分子如MIP或金屬相互作用。此外，基于量子點(diǎn)的MIP傳感器與量子點(diǎn)免疫傳感器相比的主要優(yōu)點(diǎn)是其化學(xué)穩(wěn)定性高、低成本和具有檢測(cè)小分子的能力。因此，基于量子點(diǎn)的MIP（QD-MIP）這種選擇性高的傳感器已被用于食品安全、生物分析、藥物和環(huán)境分析領(lǐng)域。

QD-MIP傳感器的一個(gè)例子是肌紅蛋白靈敏型熒光檢測(cè)探針[15]。該納米結(jié)構(gòu)的MIP熒光探針具有高靈敏度、高選擇性和穩(wěn)定性，對(duì)目標(biāo)分析物肌紅蛋白可發(fā)生快速響應(yīng)。在本研究中，量子點(diǎn)表面用丙烯酰胺和雙丙烯酰胺自由基聚合法包覆肌紅蛋白印跡聚合物，可以增強(qiáng)傳感器的傳感性能，該MIP-QD探針能檢測(cè)人體樣本中肌紅蛋白低于導(dǎo)致心肌梗死的臨界值的飛摩爾級(jí)濃度。

另一個(gè)典型的例子是一種用固相合成法制備的胰蛋白酶溫敏MIP傳感器的熒光納米探針。本研究中，將聯(lián)苯胺基熒光單體作為熒光納米材料，該方法可以通過(guò)簡(jiǎn)單地混合少量水溶性納米材料和樣品來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。熒光納米粒子在磷酸鹽緩沖液和尿液樣品中可將檢出限降低到納摩爾級(jí)。

3 MIP傳感器的實(shí)際應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn)

雖然已經(jīng)闡述了MIP納米材料的發(fā)展及其在傳感器中的應(yīng)用的許多成功例子，在進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用之前，需要解決與MIP納米材料和傳感系統(tǒng)的開發(fā)有關(guān)的許多關(guān)鍵問(wèn)題。主要面臨的挑戰(zhàn)包括需要增強(qiáng)實(shí)際生物流體和復(fù)雜基質(zhì)中分子的親和力和開發(fā)具有重復(fù)性的多感官M(fèi)IP傳感器。該領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是為工業(yè)應(yīng)用建立一個(gè)模塊化傳感器，該模塊傳感器可以很容易地適應(yīng)于檢測(cè)復(fù)雜矩陣中的任何化合物。

基于納米材料的傳感器技術(shù)在過(guò)去幾年中引起了人們的極大興趣，并得到了廣泛應(yīng)用。然而，只有幾個(gè)例子涉及實(shí)際生物樣本，大多數(shù)是在復(fù)雜環(huán)境中檢測(cè)微生物和有機(jī)化合物。該領(lǐng)域未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)是提高工業(yè)應(yīng)用的靈敏度、選擇性和重現(xiàn)性，此外，較低的成本和更好的從實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)轉(zhuǎn)換到批量工業(yè)生產(chǎn)是商業(yè)化的重要因素。

MIP技術(shù)的工業(yè)化可為生物傳感產(chǎn)品的小型化提供解決方案，因此，就MIP傳感技術(shù)商業(yè)化的要求和挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)短的討論，適宜的MIP傳感器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要將材料、成本和制造方法相結(jié)合以滿足業(yè)化生產(chǎn)。一個(gè)重要的目標(biāo)是改進(jìn)MIP傳感器的傳感元件，包括新型導(dǎo)電材料和雜化納米材料，如聚合物、金屬納米粒子、碳納米管和石墨烯。這些材料可增強(qiáng)傳感元件的電學(xué)性能，從而促進(jìn)了它們與換能器和電氣元件的聯(lián)合應(yīng)用。

3.1 MIP傳感器合成中相關(guān)技術(shù)問(wèn)題

納米復(fù)合材料可提高M(jìn)IP傳感器的最低檢出限，增強(qiáng)其靈敏度，提高其分析性能，然而，當(dāng)使用納米材料時(shí)，它們的合成方法除了簡(jiǎn)單以外，還適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，同樣，材料和制造方法最好與光刻、熱壓花、電子元件和焊接部件相兼容。這些技術(shù)目前用于光伏發(fā)電、移動(dòng)電話和OLED和LCD電視。一些MIP傳感器，特別是使用MIP NPS合成的MIP傳感器，顯然可與SPES、一次性光纖和紙基測(cè)試技術(shù)兼容。這可以大大提高M(jìn)IP用于食品安全檢測(cè)方面的技術(shù)可行性。

從實(shí)際應(yīng)用的角度分析，理想情況下，MIP生產(chǎn)應(yīng)該是具有連貫性的，當(dāng)更好地控制所有合成和裝配階段，并使用單獨(dú)的組件以確保傳感器設(shè)備的高效批量生產(chǎn)。理想情況下，傳感器生產(chǎn)需要3個(gè)階段，主要是換能器和電子元件的制造、識(shí)別元件的合成以及各個(gè)傳感元件的組合。目前，MIP的合成進(jìn)展符合工業(yè)應(yīng)用的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這方面的一個(gè)典型的例子是固相印跡法，它徹底改變了MIP NPS的生產(chǎn)[16]，該方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大規(guī)模的MIP NPs制造，顯著提高了MIP NP合成的重現(xiàn)性和效率[17]。同時(shí)，納米材料和印刷技術(shù)的結(jié)合可以促進(jìn)MIP傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)，并允許實(shí)時(shí)和在線的食品安全和醫(yī)療

監(jiān)測(cè)。

3.2 MIP傳感器的商業(yè)化問(wèn)題

目前MIP傳感裝置缺乏商業(yè)生產(chǎn)可能表明將這些人工識(shí)別元件與傳感器集成方面存在問(wèn)題。目前與MIP傳感器技術(shù)有關(guān)的商業(yè)生產(chǎn)和營(yíng)銷水平仍然很低。

雖然固相萃取和毛細(xì)管電泳將MIP成功應(yīng)用于分析分離方面[6]，但MIP傳感器仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)要求，如穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性和便攜性等。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究綜述了MIP在光學(xué)傳感中的發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用，還強(qiáng)調(diào)了MIP在傳感應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題，這些問(wèn)題必須克服，才能推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展。大量研究為MIP技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但目前MIP方面的應(yīng)用面臨的進(jìn)一步挑戰(zhàn)是尋找合適的應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步增強(qiáng)穩(wěn)定性和擴(kuò)大生產(chǎn)，把令人感興趣的理論科學(xué)變成實(shí)際產(chǎn)品是一條漫長(zhǎng)而艱難的道路，但很明顯，現(xiàn)在，MIP已經(jīng)發(fā)展相對(duì)成熟，并進(jìn)行了大量嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，從而使其大量的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，以促進(jìn)其在診斷和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用以及提高人們的生活質(zhì)量。開展MIP研究有可能提供一套新的食品以及生物分析傳感裝置，且在食品安全檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)診斷中具有廣泛應(yīng)用性和轉(zhuǎn)化性。

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基金項(xiàng)目：河北省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：Z2019022）;衡水學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（編號(hào)：2018GC15）;河北省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科研計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2020ZD41）資助。

作者簡(jiǎn)介：王青華（1978—），女，博士，講師;研究方向?yàn)闊晒饧{米材料的合成及其光電傳感器的構(gòu)建。