分子印跡光學傳感器用于食品安全檢測方面的研究進展

王青華　鄧健康　齊善厚　耿春輝

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

關(guān)鍵詞：分子印跡;光學傳感器;食品安全;研究進展

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：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)部形成特異識別位點的過程。功能單體和模板分子通過聚合作用在一定空間中排列，并通過交聯(lián)劑進一步提高聚合物的穩(wěn)定性。因此，可以形成選擇性識別目標分析物的具有模板衍生位點的分子印跡聚合物（MIP）。分子印跡聚合物是目前最常用、應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟的合成分子識別受體的方法。分子印跡聚合物具有促進人們對MIPS越來越感興趣的許多優(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的穩(wěn)定性、制備簡單、適用范圍廣、易適用于實際應(yīng)用中，如傳感器和特殊陣列檢測器上[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，會增加通過印跡聚合物膜的電流[8]。自1992年以來，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MIP與目標物結(jié)合時產(chǎn)生的光學響應(yīng)（如表面等離子體共振（SPR）的折射率）。本文綜述基于MIP的光學傳感器的新技術(shù)及其優(yōu)勢。本綜述旨在深入了解傳感器的結(jié)構(gòu)，傳感機理，信號傳導機制，重點闡述它們在生物傳感、醫(yī)學診斷和生物技術(shù)中的應(yīng)用。本研究重點闡述了MIP在光學傳感器中的應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢。

2 基于MIP的光學傳感器在食品檢測中的最新研究進展

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

光學傳感器是測量材料中光學特性并將其光信號轉(zhuǎn)換成其他信號的探測器（如光信號轉(zhuǎn)換成電信號），在結(jié)合過程中，基于MIP的光學傳感器可產(chǎn)生光信號的變化，從而根據(jù)光信號的變化檢測目標分析物的含量。主要有兩種基于MIP的光學傳感器，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目標分析物（比如光的折射率，吸光度或熒光強度），將基于MIP的光學傳感器與目標物結(jié)合后，通過測定結(jié)合目標物前后的光學變化來測定分析物中目標物的含量，比如熒光猝滅。其中一類典型的基于MIP的光學傳感器是監(jiān)測蛋白質(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，它們的工作機制依賴于具有光學特性的單體易受周圍環(huán)境的變化，并可隨著目標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和熱穩(wěn)定的，并可產(chǎn)生與目標分析物的濃度成正比的光學響應(yīng)，且沒有非特異性的副反應(yīng)。

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

最近，開始將碳點與MIP結(jié)合用于光學傳感器。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4-硝基酚（4-NP），該傳感器是通過Si-O鍵將有機硅烷功能化碳點與二氧化硅包覆的CdSe量子點（QDs）連接起來的，并通過碳點與4-NP之間的發(fā)光導致熒光共振能量轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的檢測。因此，當CdSe量子點的熒光強度保持不變時，通過4-NP對碳點的熒光猝滅可以實現(xiàn)對爆炸物4-NP的定量測定。只是該傳感器只對微摩爾級含量的物質(zhì)有靈敏響應(yīng)。

基于量子點的光學傳感器由于其獨特的光學特性，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，這使得它們在對各種分析物進行光學檢測方面的應(yīng)用是非常有發(fā)展?jié)摿Φ腫13-14]。為了克服它們的缺點，人們努力改變量子點的表面，使它們能與親水性分子如MIP或金屬相互作用。此外，基于量子點的MIP傳感器與量子點免疫傳感器相比的主要優(yōu)點是其化學穩(wěn)定性高、低成本和具有檢測小分子的能力。因此，基于量子點的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傳感器的一個例子是肌紅蛋白靈敏型熒光檢測探針[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，對目標分析物肌紅蛋白可發(fā)生快速響應(yīng)。在本研究中，量子點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，可以增強傳感器的傳感性能，該MIP-QD探針能檢測人體樣本中肌紅蛋白低于導致心肌梗死的臨界值的飛摩爾級濃度。

另一個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，該方法可以通過簡單地混合少量水溶性納米材料和樣品來進行檢測。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。

3 MIP傳感器的實際應(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)鍵問題。主要面臨的挑戰(zhàn)包括需要增強實際生物流體和復雜基質(zhì)中分子的親和力和開發(fā)具有重復性的多感官MIP傳感器。該領(lǐng)域的一個關(guān)鍵目標是為工業(yè)應(yīng)用建立一個模塊化傳感器，該模塊傳感器可以很容易地適應(yīng)于檢測復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，只有幾個例子涉及實際生物樣本，大多數(shù)是在復雜環(huán)境中檢測微生物和有機化合物。該領(lǐng)域未來面臨的挑戰(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驗室工作臺轉(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)進行了簡短的討論，適宜的MIP傳感器的設(shè)計和生產(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)。一個重要的目標是改進MIP傳感器的傳感元件，包括新型導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。這些材料可增強傳感元件的電學性能，從而促進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)問題

納米復合材料可提高MIP傳感器的最低檢出限，增強其靈敏度，提高其分析性能，然而，當使用納米材料時，它們的合成方法除了簡單以外，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試技術(shù)兼容。這可以大大提高MIP用于食品安全檢測方面的技術(shù)可行性。

從實際應(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，當更好地控制所有合成和裝配階段，并使用單獨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個階段，主要是換能器和電子元件的制造、識別元件的合成以及各個傳感元件的組合。目前，MIP的合成進展符合工業(yè)應(yīng)用的質(zhì)量標準。這方面的一個典型的例子是固相印跡法，它徹底改變了MIP NPS的生產(chǎn)[16]，該方法可以實現(xiàn)自動化和大規(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，納米材料和印刷技術(shù)的結(jié)合可以促進MIP傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)，并允許實時和在線的食品安全和醫(yī)療

監(jiān)測。

3.2 MIP傳感器的商業(yè)化問題

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別元件與傳感器集成方面存在問題。目前與MIP傳感器技術(shù)有關(guān)的商業(yè)生產(chǎn)和營銷水平仍然很低。

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

4 結(jié)語

本研究綜述了MIP在光學傳感中的發(fā)展現(xiàn)狀和實際應(yīng)用，還強調(diào)了MIP在傳感應(yīng)用中面臨的主要問題，這些問題必須克服，才能推進該項技術(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)用面臨的進一步挑戰(zhàn)是尋找合適的應(yīng)用市場進行工業(yè)化生產(chǎn)，制定相關(guān)標準，進一步增強穩(wěn)定性和擴大生產(chǎn)，把令人感興趣的理論科學變成實際產(chǎn)品是一條漫長而艱難的道路，但很明顯，現(xiàn)在，MIP已經(jīng)發(fā)展相對成熟，并進行了大量嚴格的實驗，從而使其大量的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能，以促進其在診斷和醫(yī)學中的應(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，且在食品安全檢測和生物醫(yī)學診斷中具有廣泛應(yīng)用性和轉(zhuǎn)化性。

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基金項目：河北省教育廳高等學?？茖W技術(shù)研究項目（編號：Z2019022）;衡水學院高層次人才科研啟動基金項目（編號：2018GC15）;河北省市場監(jiān)督管理局科研計劃項目（編號：2020ZD41）資助。

作者簡介：王青華（1978—），女，博士，講師;研究方向為熒光納米材料的合成及其光電傳感器的構(gòu)建。