分子印跡傳感器在藥物檢測方面的應用進展

　　摘要 本文簡要介紹了分子印跡傳感器的五種制備方法，分析了分子印跡傳感器(分子印跡電化學傳感器、分子印跡光學傳感器、分子印跡質量敏感型傳感器)在藥物檢測方面的應用現狀。最后，展望了分子印跡傳感器今后的發展方向：將印跡傳感器與一些功能材料和先進技術結合，可改善傳感器性能并拓展其應用范圍，分析提出一些亟需解決的問題和改進建議，以期為分子印跡傳感器今后的發展提供一些參考和思路。

　　唐風娣; 李延斌; 胡譯之; 何紅芳; 門吉英， 應用化工 發表時間：2021-09-27

　　關鍵詞 分子印跡聚合物;傳感器;制備方法;選擇識別性;藥物檢測

　　1 引言

　　近年來，部分不法商家為獲取更多的利益，濫用動植物促生長素及超標使用農藥、化肥等，其經過一定途徑進入人體后將對人造成不可逆轉的傷害，為了公共衛生利益，歐盟已明確規定了一些藥物的最大殘留限量。且根據一些藥物使用規范，一些藥劑在人體過多的殘留會對人體造成一定的副作用，其在臨床治療方面也具有一定的意義。因此，將分子印跡傳感器應用于藥物檢測對食品安全、環境安全及生命安全等方面成為近年來的熱點。

　　分子印跡傳感器是以分子印跡聚合物作為傳感器識別元件的一種識別檢測裝置(如圖 1)，由信號轉換器和識別元件兩部分組成。在檢測中，有較高的靈敏度和特異選擇性，且穩定性好，因此其在傳感器領域頗受關注[1,2]。此外，一些傳統的檢測方法，如高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、高效液相色譜-質譜(HPLC-MS)等技術都有一定的局限性，如檢測時間長、對樣品制備技術依賴性高、儀器昂貴等，限制了其應用。而分子印跡傳感器具有更優良的性能，如操作簡單靈活，選擇性良好及反應時間短等優點，成為更佳選擇的檢測裝置。本文將從分子印跡傳感器在藥物檢測方面的應用現狀進行綜述。

　　2 分子印跡傳感器的制備方法

　　分子印跡傳感器的制備方法主要以下五種方法。

　　表面涂覆法：是用來制備分子印跡傳感器的最簡單的方法。Afzali 等[4]采用離子液體基 MIPs 和納米金顆粒/氧化石墨烯(Au/GO)復合材料對玻碳電極(GCE)進行了修飾。通過表面涂覆法合成了 MIP/Au/GO 納米復合材料，成功地應用于實際樣品的咪喹莫特(IMQ)檢測。

　　原位引發聚合法：是在加熱或者光照的條件下直接在傳感器上形成目標分子印跡聚合物膜的方法。Kartal 等[5]采用原位聚合法在石英晶體微天平(QCM)芯片上使用紫外光進行引發聚合成功制備了分子印跡傳感器。

　　電化學聚合法：也是一種直接成膜的方法。Azizollah 等[6]在支撐電解質(NaClO4•H2O)存在下，通過鉛筆石墨電極(PGE)、循環伏安法在 PGE 表面電沉積得到 MIP。結果表明，該傳感器對 MMZ 具有良好的選擇性和準確性。

　　自組裝法：陳琛等[7]在構建 L-色氨酸/OTS 混合自組裝膜和 L-色氨酸分子印跡 OTS 自組裝膜的基礎上，完成了 L-色氨酸印跡膜電化學傳感器的制備與性能研究。該傳感器的檢出限為 1.323μmol/L，有較好的重現性和較長的使用壽命。

　　分子印跡溶膠-凝膠體系是一類具有特異性識別能力的無機聚合物。由于其穩定的物理剛性結構，分子印跡溶膠-凝膠體系在強酸、強堿等極端的環境中不易被破壞。蘇立強等[8]采用溶膠-凝膠法在熒光碳點(CDs)表面包覆分子印跡層，制備分子印跡熒光傳感器，檢測下限為 1.8μg/kg，有較高靈敏度和良好的選擇性。

　　3 分子印跡傳感器在藥物檢測中的應用現狀

　　3.1 分子印跡電化學傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡電化學傳感器(如圖 2)設備簡單、靈敏度高和穩定性良好，且分析速度快，具有同時測定多組分等優點，具有廣泛的實用性。一般分為分子印跡電流型傳感器、分子印跡電容型傳感器、分子印跡電位型傳感器和分子印跡電導型傳感器四種。

　　3.1.1 分子印跡電流型傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡電流型傳感器是指傳感器識別元件與目標分子接觸時，是將濃度變化產生的分析信號轉換成電流信號變化來進行測定。Afazli 等[10]采用金顆粒/氧化石墨烯(Au/GO)復合材料合成印跡聚合物，后將印跡聚合物懸浮液滴于 GCE 表面獲得 MIP/Au/GO/GCE 傳感器，結果表明，該傳感器有良好的重復性和再現性，成功地運用到實際樣品中咪喹莫特(IMQ)的檢測。另外，Wang 等[11]提出了一種基于 CuCo2O4/N-CNTs 負載分子印跡聚合物(MIP)修飾玻碳電極(GCE)的新型電化學傳感器，將 GCE 電極浸入以甲硝唑為模板分子，以苯胺為功能單體的混合電解質溶液中，采用循環伏安法(CV)進行電化學聚合形成分子印跡傳感器。實際樣品的回收率(95.9%-100.9%)和合理的相對標準偏差(RSD)(3.2%-4.8%)表明了該傳感系統的實用性。在實際應用中，該類型傳感器制作簡易，性能穩定，是電化學傳感器中應用最廣泛的傳感器。

　　3.1.2 分子印跡電容型傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡電容型傳感器的原理是監測傳感器識別元件與目標分析物結合前后的電容的變化，實現對被測物質的檢測。Canfarotta 等[12]采用固相法合成了模板小分子四氫大麻酚(THC)。在傳感器表面沉積了納米 MIPs，靶分子與生物傳感層上的受體結合，使金表面周圍的反離子(擴散層)發生位移，總電容減小。電容測試表明，納米 MIPs 可成功地用作選擇性捕獲劑，用于檢測具有不同性質(電荷、分子量、極性)的分析物。還有，Dhanjai 等[13]制造了一種非酶仿生腎上腺素電容傳感器， LbL 組件由聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底、碳納米管-纖維素納米晶(CNC/CNT)納米薄膜(第一層)和腎上腺素印跡聚(苯胺/苯基硼酸)(pANI/PBA)部分(第二層)組成。該傳感器的線性響應范圍為 0.001μmol/L~100μmol/L，檢測限為 0.001μmol/L，有較高的選擇性。該方法對傳感器今后的制備中提供一些參考。

　　3.1.3 分子印跡電位型傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡電位型傳感器是通過測定分子印跡膜在選擇性吸附目標分析物前后電極電位的信號變化來對待測物進行檢測。Zarezadeh 等[14]采用自制的納米結構分子印跡聚合物修飾的玻碳電極(GCE)和碳糊電極(CPE)對卡托普利(CAP)藥物進行了電化學研究和電位測定。將制備的 CAP-MIP 作為 CPE 的修飾劑，設計了選擇性 CAP 傳感器。為 CAP 的檢測提供了一種方法指導。近年，Hassan 等[15]制備并設計了用于氨基吖啶(ACR)檢測的仿生電位離子選擇電極，該傳感器檢測限低、選擇性好等優點，成功用于實樣中氨基吖啶(ACR+)的測定。該類型傳感器具有設計簡單、測量時間短、分析量大等優點，在實際運用中節省時間提高檢測效率，應用前景良好。

　　3.1.4 分子印跡電導型傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡電導型傳感器是通過傳感器導電性能變化來對待測物濃度進行檢測。劉曉芳等[16]采用原位引發聚合法在絲網印刷電極上制備了地西泮分子印跡聚合物，建立以此為傳感元件的電導型傳感器。該方法檢測地西泮在 0.039～0.62 mg/L 范圍具有良好的線性關系。但此類型傳感器引起穩定性較差，且制備條件要求嚴格，因此其應用范圍較窄，近幾年相關報道極少。

　　3.2 分子印跡光學傳感器在藥物檢測中的應用

　　常用的分子印跡光學傳感器有三種，分別是分子印跡熒光傳感器、分子印跡化學發光傳感器和分子印跡等離子體共振傳感器。

　　3.2.1 分子印跡熒光傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡熒光傳感器(MI-FL)通過傳感器選擇識別目標分析物后，在特定激發波長下輸出不同的熒光信號的來對目標分子進行監測。Le 等[17]開發了一種可靠的磺胺甲惡唑(SMZ)熒光傳感器，該方法取決于包裹在硅膠分子印跡聚合物(GQDs@SMIP)中的石墨烯量子點(GQDs)(如圖 3)，以 GQDs、SMZ 為熒光材料、模板劑，通過聚合反應制備了該化合物。該傳感器增加了石墨烯量子點，提高了傳感器的選擇性，是一種有效且前景廣闊的制備思路。Wei 等[18]采用丙烯酸(AA)修飾 CQDs 表面的乙烯基，以四環素(TC)為模板分子，采用沉淀聚合法制備了基于 CQDs 的分子印跡熒光傳感器。結果表明，該傳感器的檢出限為 0.17μmol/L，成功地用于 TC 樣品的檢測。這種熒光傳感器制備相對簡單，檢測方便，但要求被分析物具有熒光發射能力。

　　3.2.2 分子印跡化學發光傳感器在藥物檢測中的應用

　　分子印跡化學發光傳感器是將分子印跡傳感器連入流動注射化學發光流路中，目標分析物作為發光源，發生氧化還原(或發光)反應后，由發射出固定波長的光信號的強弱變化來實現對分析物的檢測。Jin 等[19]以還原氧化石墨烯(rGO)和上轉換納米粒(UCNPs)為基礎，建立了一種分子印跡電化學發光傳感器(MIECLS)(如圖 4)。在最佳實驗條件下，ECL 信號在 10～100μmol/L 范圍內與克倫特羅(CLB)濃度的對數成正比，檢測下限為 6.3nmol/L。具有良好的靈敏度。Hu 等[20]以阿奇霉素(AZM)為模板分子，以分子印跡聚合物修飾碳糊電極作為識別元件，制備了一種快速、選擇性的電化學發光(ECL)傳感器。在最佳條件下，線性范圍從 1.0×10−10~4.0×10−7 mol/L，檢出限低至 2.3×10−11 mol/L(S/N=3)，成功運用到實際樣品的檢測中。但此種傳感器由于發光系統的穩定性較差，因此在實際應用中有一定限制。

　　3.2.3 分子印跡等離子體共振傳感器在藥物檢測中的應用

　　表面等離子共振(SPR)是一種物理光學現象，通過金屬薄膜折射率的變化來探測分子結合的方法。Zhang 等[21]以 4-乙烯基苯硼酸為功能單體，聚乙二醇丙烯酸酯為交聯劑，2,2’-偶氮脒鹽酸鹽為引發劑，采用原位聚合法在 SPR 芯片表面制備了卡那霉素分子印跡膜(如圖 5)。后有學者將核殼式結構與 SPR 納米傳感器相結合。如 Özkan 等[22]將六角氮化硼(HBN)納米片與分子印跡聚合物(MIP)相結合制備出一種基于核殼納米粒子的有效 SPR 納米傳感器(Ag@AuNPs )，用于依托泊苷(ETO)的檢測。該傳感器的線性范圍為 1.0×10−7 ~1.0×10−5 mol/L (R2 =0.9941)，成功地應用于實際樣品中卡那霉素的測定。此類傳感器在實際樣品的檢測中，樣品無需純化，應用范圍較廣。

　　3.3 分子印跡質量敏感型在藥物檢測中的應用

　　分子印跡質量敏感型傳感器主要有三種，分別是聲波表面傳感器、石英晶體微天平傳感器和懸臂梁化學傳感器。目前分子印跡技術常與石英晶體微天平傳感器(QCM)連用。QCM 是一種高分辨率的質量敏感傳感器，利用了石英中發現的壓電效應。Shaheen 等[23]制備了一種石英晶體微天平(QCM)的傳感器，傳感器響應是由于氯霉素在模板空腔中重新結合而導致的微天平頻率降低，檢測限低至 0.74µmol/L，具有選擇性結合和良好的靈敏度。Zhao 等[24]提出了一種基于空心分子印跡石英晶體微天平(QCM)傳感器(如圖 6)的檢測甲咪唑方法，該方法首先利用表面印跡技術制備了空心印跡聚合物(H-MIPs)，以空心二氧化硅微球為基質支撐材料，該傳感器靈敏度高，LOD 為 3μg/ L，取得了較好的應用效果。該類型傳感器通過檢測質量微變化或者由其變化所導致的振幅、頻率、波速等聲波參數的變化，從而對被測物進行分析，在實際應用中具有很好的靈敏度和準確性，廣泛應用于定量分析中。

　　4 結語

　　隨著分子印跡傳感器廣泛地應用在藥物檢測領域中，高靈敏度和大檢測容量是傳感器行業的其它共同要求。經分析，還存在以下幾方面的不足：(1)由于在傳感器表面上制造 MIP 受體的復雜性和有限的可重復使用性，阻礙了傳感器的商業化。(2)一些分子印跡聚合物的導電性能比較差，使制得的分子印跡傳感器的靈敏度較弱。(3)傳感器僅在合理范圍內完成分析物的準確定量時才有用。

　　針對以上問題，個人認為可從以下幾個方面解決：(1)發現新型的功能單體消除結合動力學中的一些限制及提高印跡聚合物的耐受性，改善傳感器的使用性能。(2)與各種修飾劑(如量子點等)結合以提高被修飾電極的比表面積和電導率，從而提高傳感器的穩定性和靈敏度。(3)結合一些輔助技術(如 SPR 等)，實時監測傳感信號，以提高分子印跡傳感器的準確性。總之，分子印跡傳感器已廣泛使用在藥物監測領域中，隨著其不斷發展，未來定會在更廣泛的領域中發揮作用。