食品安全檢測中分子印跡聚合物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

王 碩，趙藝杰，陸 旸

（天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全教育部重點實驗室/食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津 300457）

食品安全檢測中分子印跡聚合物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

王 碩，趙藝杰，陸 旸*

（天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全教育部重點實驗室/食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津 300457）

圍繞傳感器這一新興的檢測技術(shù)，重點闡述了三大類分子印跡聚合物傳感器（電化學(xué)傳感器、壓電傳感器和光學(xué)傳感器）的原理及其在食品安全檢測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對該技術(shù)的后期發(fā)展趨勢進行探討。

分子印跡復(fù)合物；電化學(xué)傳感器；壓電傳感器；光學(xué)傳感器；食品安全

隨著我國人民生活水平的提高，消費者對于食品質(zhì)量與安全的標(biāo)準要求也在不斷攀升。然而，由于工業(yè)化進程加速造成的環(huán)境污染，以及相應(yīng)監(jiān)管手段的落后所造成的食品安全問題近年來卻呈逐漸上升趨勢［1］。相關(guān)研究表明，僅2004年至2012年的9年間，我國累計曝光食品安全事件總計2489件，其中近1/3為違反食品添加劑管理規(guī)定，1/4為致病性微生物、農(nóng)獸藥殘留和重金屬超標(biāo)［2］。面對如此頻發(fā)的食品安全問題，建立與之相對應(yīng)的高靈敏度檢測方法以保障我國食品安全已成為當(dāng)務(wù)之急。目前傳感器檢測技術(shù)由于具有高靈敏度，檢測速度快，節(jié)省樣品用量等優(yōu)勢，已逐漸成為檢測技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域［3］。傳感器通常由識別元件和信號轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成［4］。其中識別元件可以是酶、抗體、核酸、細胞、分子印跡復(fù)合物，主要起到對樣品中目標(biāo)物進行捕獲的功能。信號轉(zhuǎn)換元件則起到將這一捕獲過程的反應(yīng)轉(zhuǎn)換為可識別的信號輸出，例如電信號、光信號等，以實現(xiàn)對目標(biāo)物的定量檢測。

分子印跡技術(shù)最早于1973年由德國的Wulff研究小組首次合成［5］。它可以根據(jù)不同需求來制備分子印跡聚合物，且制備過程相對簡單。由于分子印跡聚合物具有和模板分子互補的特定結(jié)構(gòu)與識別位點，其能夠特異性地吸附模板分子及其結(jié)構(gòu)類似物［6］。與酶、抗體和受體等識別元件相比，分子印跡復(fù)合物具有更好的穩(wěn)定性和較長的使用壽命。

分子印跡技術(shù)的基本原理是模仿抗體形成機理，功能單體與模板分子在介質(zhì)中相互作用并形成復(fù)合物，然后通過加入交聯(lián)劑、引發(fā)劑和催化劑，在復(fù)合物周圍形成一個高度交聯(lián)的剛性高分子，隨后除去模板分子并在高分子結(jié)構(gòu)中留下與模板分子空間結(jié)構(gòu)與結(jié)合位點互補的立體孔穴，從而實現(xiàn)對模板分子的特異性吸附［7］。在許多研究中，分子印跡復(fù)合物被用于替代傳統(tǒng)的抗體，作為傳感器信號識別原件。根據(jù)信號輸出形式的不同，目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的生物傳感器主要分為電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器和光化學(xué)生物傳感器等。

1 電化學(xué)傳感器

1.1 電化學(xué)傳感器的原理

在電化學(xué)傳感器中，固定于電極表面的識別元件能夠特異性捕獲目標(biāo)分子，然后這一識別元件與目標(biāo)分子的結(jié)合過程通過電極導(dǎo)出并轉(zhuǎn)化成可以測量的電信號，從而達到對目標(biāo)物定量分析的目的。根據(jù)輸出電信號不同，電化學(xué)傳感器又可分為電流型傳感器、電容型傳感器、電位型傳感器和電導(dǎo)型傳感器等［8］。其中電流型傳感器應(yīng)用最為普遍。其原理是電極上的電活性物質(zhì)在測量恒電壓下發(fā)生氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生電流，對電流大小進行檢測，進而直接或間接測量目標(biāo)物的含量，該方法具有很高的檢測靈敏度。當(dāng)待測物為電活性物質(zhì)時，待測物被分子印跡膜特異性吸附并在電極表面發(fā)生得失電子反應(yīng)，因此可直接通過電信號的強弱檢測待測物濃度；當(dāng)待測物為非電活性物質(zhì)時，測試底液中的鐵氰化鉀與待測物在分子印跡聚合物膜中存在競爭性識別，因此當(dāng)待測物濃度逐漸增大時，鐵氰化鉀與膜結(jié)合的機會不斷越少，電信號也相應(yīng)減弱。

1.2 食品安全中電化學(xué)傳感器的應(yīng)用

分子印跡聚合物電化學(xué)傳感器目前主要用于食品中農(nóng)獸藥殘留的檢測。Pan Mingfei等［9］利用分子印跡膜組裝傳感器用于檢測氨基甲酸酯類農(nóng)藥——速滅威。傳感器的組裝結(jié)合單體自組裝和靜電誘導(dǎo)技術(shù)，以鄰氨基苯硫酚為聚合單體，速滅威為模板分子，通過循環(huán)伏安掃描法在金電極表面電沉積聚鄰氨基苯硫酚分子印跡膜，最后進行模板分子敲除，從而在電極表面形成具有速滅威特異性結(jié)合孔穴的分子印跡膜。該方法克服了傳統(tǒng)分子印跡傳感器存在的電子傳遞壁壘、再生困難等缺點，提高了傳感信號靈敏度和穩(wěn)定性。Kong Lingjie等［10］以鄰氨基苯硫酚作為功能單體，結(jié)合表面自組裝和電聚合技術(shù)，構(gòu)建了基于鄰氨基苯硫酚膜的萊克多巴胺分子印跡電化學(xué)傳感器。實驗結(jié)果表明該傳感器對萊克多巴胺分子具有較高的吸附性能和選擇性，其檢測線性范圍為0.2×10-6～1.4×10-6mol/L，檢出限可達到2.38×10-8mol/L。在對飼料樣品中痕量萊克多巴胺的測定中，回收率為87.4%～90.5%。

此外，在電極表面上修飾納米材料，可顯著提高傳感器的靈敏度。修飾方法包括將納米材料直接修飾在電極表面再進行制備印跡聚合物膜；或聚合后再將納米材料修飾在分子印跡復(fù)合物膜表面。Yang Yukun等［11］將碳納米管的高效電子傳遞能力與較大的比表面積效應(yīng)、碳納米管-殼聚糖復(fù)合物的穩(wěn)定性和溶膠-凝膠印跡敏感層的良好選擇性相結(jié)合，采用電化學(xué)沉積技術(shù)，構(gòu)建了分子印跡溶膠-凝膠電化學(xué)傳感器。其最低檢出限可達到0.44 μmol/L。此外，Kong Lingjie等［12］還以聚砒咯/碳納米管/雙核磺化酞菁鈷（II）復(fù)合物作為玻碳電極修飾基底固定分子印跡膜，構(gòu)建了增敏型速滅威電化學(xué)傳感器，其靈敏度可達到7.88 nmol/L。該傳感器成功地運用在蔬菜中速滅威的檢測中，回收率達到88.8%～93.3%。Xie［13］等在玻碳電極表面先修飾一層金納米粒子，然后通過循環(huán)伏安法制備得到印跡聚合膜。結(jié)果表明，納米金修飾后的傳感器檢出限比沒有修飾納米金的傳感器高出2倍。

由于食品基質(zhì)較其他基質(zhì)成分更為復(fù)雜，用于食品基質(zhì)檢測的傳感器需要更好的穩(wěn)定性和更高的靈敏度，因此越來越多不同種類的納米材料如碳納米管、足球烯、石墨烯、納米金屬材料等，由于具有較好的高表面積和導(dǎo)電性，而被應(yīng)用于此類傳感器的加工當(dāng)中。此外目前，單一納米材料在傳感器上的使用已經(jīng)逐步被復(fù)合納米材料所代替。這些復(fù)合納米材料可以集合不同材料的優(yōu)點，并與功能聚合物相結(jié)合，大幅提高傳感器的靈敏度。

2 壓電傳感器

2.1 壓電傳感器的原理

壓電傳感器是采用壓電材料對信號進行輸出的一類傳感器。當(dāng)目標(biāo)物與固定在壓電材料上的識別元件特異性結(jié)合時，壓電材料表面負載增加。當(dāng)傳感器在外部電場作用下時，振蕩頻率會相應(yīng)減少，且減少值與材料負載的增加量相關(guān)。壓電傳感器的優(yōu)點是無須標(biāo)記物、適合實時監(jiān)測、頻帶寬、重量輕、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單和工作可靠。其主要存在的問題是信號易受樣品中的離子強度的影響，需要較長的基線穩(wěn)定時間、較多次的沖洗和防潮措施［14］。

2.2 食品安全中壓電傳感器的應(yīng)用

Kong Lingjie等［15］利用金納米顆粒的高比表面積，分子印跡聚合物的高選擇性以及石英晶體微天平的高靈敏度有效結(jié)合起來，建立了基于分子印跡電聚合物膜和納米金修飾的萊克多巴胺壓電傳感器。高志賢等［16］采用沉淀聚合法構(gòu)建用于檢測西維因的分子印跡壓電生物傳感器，并采用加標(biāo)回收法對傳感器進行樣品檢測分析，其回收率在83%～105%。也有用自組裝技術(shù)制備分子印跡復(fù)合物并組裝壓電生物傳感器檢測丙溴磷，其最低檢出限為2.0×10-7mg/mL。

由于壓電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單等特點，為適用食品安全檢測中對樣品的實時實地檢測，此類傳感器微型化和智能化的研究已被越來越多的科研人員所關(guān)注。微型化的傳感器可減少待測樣品用量、便于攜帶和實地檢測。分子印跡技術(shù)由于具有穩(wěn)定性好，使用壽命長等優(yōu)點，因此基于此項技術(shù)的微型化傳感器與電子終端的連用，可使傳感器更加便捷，并適用于日常生活中對食品污染物的及時檢測。

3 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器是將接收元件和目標(biāo)物特異性結(jié)合轉(zhuǎn)換成可用光學(xué)輸出信號的一類傳感器。其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高和抗噪能力強等特點，是繼電化學(xué)方法之后又一廣泛應(yīng)用的傳感檢測方法［17-18］。光學(xué)傳感器可分為有探針標(biāo)記檢測系統(tǒng)（如基于熒光、化學(xué)發(fā)光和可見光的檢測技術(shù)）和無探針標(biāo)記檢測系統(tǒng)（如表面等離子共振（surface plasmon resonance，SPR））。在有探針標(biāo)記檢測系統(tǒng)中，識別原件與發(fā)光基團或量子點等相結(jié)合，并在樣品中與待測物存在競爭結(jié)合分子印跡聚合物膜的關(guān)系，因此所檢測到的發(fā)光強度與待測物濃度成反比關(guān)系。在無探針標(biāo)記檢測系統(tǒng)中，關(guān)于SPR傳感器的研究最多。SPR傳感器檢測通過檢測待測物和識別原件結(jié)合過程中導(dǎo)致的折射指數(shù)改變，從而達到檢測的目的。

3.1 基于量子點的光學(xué)傳感器

3.1.1 基于量子點的光學(xué)傳感器的原理

半導(dǎo)體量子點是一種尺寸在1～10 nm的零維納米材料［19］。由于受到量子限域效應(yīng)的影響，量子點會顯示出與相應(yīng)的體相材料不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，如寬的激發(fā)光譜、發(fā)光效率高、發(fā)射波長可控、窄且對稱的發(fā)射光譜以及不易發(fā)生光漂白等，是一種非常理想的熒光材料［20］。近年來，基于其獨特的性質(zhì)，量子點在越來越多的領(lǐng)域中得到了深入的研究和應(yīng)用，如生物領(lǐng)域［21］、分析領(lǐng)域［22］、能源領(lǐng)域［23］和光電器件［24］等。

3.1.2 在食品安全中的應(yīng)用

在食品安全檢測方面，Liu Huilin等［25］將量子點與離子液體復(fù)合，利用離子液體的分離吸附特性和量子點的熒光特性，構(gòu)建生育酚熒光傳感器。其檢測的變化線性范圍是0.46～2 300 μmol/L，檢出限為0.023 μmol/L。此外，該課題組還將量子點與石墨烯復(fù)合，利用石墨烯的高吸附容量對目標(biāo)物進行富集和信號增強，構(gòu)建生育酚熒光傳感器，使其檢出限降低到3.5 nmol/L［26］。Kim等［27］使用多孔二氧化硅印跡雙酚A，建立了硒化鎘（CdSe）量子點分子印跡熒光傳感器。隨著雙酚A濃度的提高，量子點熒光強度不斷減弱。該傳感器對雙酚A具有良好的選擇性。

3.2 表面等離子共振傳感器

3.2.1 SPR傳感器的原理

SPR傳感器檢測原理是通過芯片表面上配體與目標(biāo)物分子間相互作用，改變芯片表面質(zhì)量，導(dǎo)致折射指數(shù)增強，使得儀器的響應(yīng)值發(fā)生改變，從而達到檢測的目的。此類傳感器不需要任何標(biāo)記物，具有易于微型化、便于攜帶和自動化等優(yōu)點［28］。SPR傳感器檢測由3部分組成:光學(xué)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。其中光學(xué)系統(tǒng)用于提供入射光；傳感系統(tǒng)將待測物與識別元件的結(jié)合信息轉(zhuǎn)換成共振角或振波長的變化；檢測系統(tǒng)檢測共振吸收峰的位置，用于對待測物濃度的分析。將分子印跡技術(shù)與SPR檢測技術(shù)結(jié)合，可更好地實現(xiàn)對待測物的快速、高效檢測。

3.2.2 在食品安全中的應(yīng)用

Zhao Nan等［29］將分子印跡復(fù)合物運用到SPR傳感器上，對農(nóng)藥煙嘧磺隆進行檢測，并在實驗過程中對pH值在分子印跡膜吸附目標(biāo)化合物特性上的影響進行了評價。結(jié)果表明該方法具有簡單、快速、靈敏度高、重復(fù)性好等特點，適用于自來水和土壤中磺酰脲類除草劑煙嘧磺隆的測定，其檢出限分別達到5.62×10-14mol/L和1.01×10-13mol/L，平均回收率為85.6%和76.6%。此外，納米金也被用于SPR傳感器增強信號。Matsui等［30］在制備多巴胺分子印跡復(fù)合物時加入膠體金顆粒，當(dāng)待測物與印跡膜結(jié)合時，印跡聚合物會發(fā)生溶脹，從而導(dǎo)致膠體金顆粒間距離增多，SPR有相應(yīng)信號的改變。

為了提高傳感器靈敏度以適應(yīng)食品中污染物較低的最低檢出限，新型或復(fù)合型納米材料正更多地用于光學(xué)傳感器。此外，改進儀器結(jié)構(gòu)、增加參考通道、降低噪聲影響等措施也是提高傳感器靈敏度的有效方法。同時，多通道檢測也逐漸成為傳感器的發(fā)展趨勢。多通道檢測包括多樣品一次檢測和一次完成對同一樣品中不同特征的檢測，能夠大幅減少檢測用時，節(jié)約檢測成本；添加參比通道則可以消除非特異性響應(yīng)的影響。

4 結(jié)束語

近年來，分子印跡聚合物傳感器發(fā)展迅速，其檢測目標(biāo)物涉及領(lǐng)域包括生物、醫(yī)藥、農(nóng)藥、獸藥、環(huán)境污染物等；傳感器類型從最初的電化學(xué)傳感器拓展到壓電傳感器和光學(xué)傳感器。納米材料具有較好的高表面積和導(dǎo)電性，其與印跡技術(shù)的結(jié)合，有利于制備高選擇性、高靈敏度且性能穩(wěn)定的傳感器，大幅提高檢測方法的靈敏度。與此同時，多通道檢測、傳感器的微型化和智能化也逐漸成為用于食品安全檢測傳感器的發(fā)展趨勢。

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Application of Molecular Imprinted Polymer-based Sensor in Food Safety

WANG Shuo，ZHAO Yijie，LU Yang*
（Key Laboratory of Food Nutrition and Safety，Ministry of Education of China/School of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

In this paper，the principles and the application of the molecular imprinted polymer-based sensors，such as lectrochemical sensors，piezoelectric sensors，and optical sensors，were discussed.Meanwhile，the developing trend of the molecular imprinted polymer-based sensor was addressed.

molecular imprinted polymers；electrochemical sensors；piezoelectric sensors；optical sensors；food safety

檀彩蓮）

TS207.3；O631；TP212

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.04.001

2095-6002（2015）04-0001-05

王碩，趙藝杰，陸旸.食品安全檢測中分子印跡聚合物傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2015，33 （4 ）:1-5.

WANG Shuo，ZHAO Yijie，LU Yang.Application of molecular imprinted polymer-based sensor in food safety［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（4）:1-5.

2015-06-02

天津市科技計劃項目（14ZCDGNC00098）；天津科技大學(xué)大學(xué)生實驗室創(chuàng)新基金項目（1414A209）。

王 碩，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，天津科技大學(xué)校長，主要從事食品安全檢測、食品安全風(fēng)險評估分析等方面的研究；

*陸 旸，女，講師，博士，主要從事食品安全檢測方面的研究。

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專家論壇專欄