分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

程壽年, 任書芳, 馮潤妍, 王慶濤*, 鄭志祥

(1.西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅政法大學(xué),甘肅省證據(jù)科學(xué)技術(shù)研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,司法鑒定中心,甘肅蘭州 730070)

1 前言

分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technology,MIT)起源于上世紀(jì)八十年代的免疫學(xué)領(lǐng)域[1]，該技術(shù)是受生物抗體與抗原專一性特異識(shí)別機(jī)制啟發(fā)，制備針對(duì)靶向目標(biāo)分子的人工合成受體，即分子印跡聚合物(Molecule Imprinting Polymers，MIPs)。與天然的生物分子識(shí)別體系如單克隆抗體或受體相比，MIPs除具有特異選擇性外，還具獨(dú)特的物理、化學(xué)、機(jī)械性能，高穩(wěn)定性以及制備簡單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于包括樣品預(yù)處理/色譜分離(固相萃取、整體柱色譜等)、化學(xué)/生物傳感分析檢測(電化學(xué)、熒光、表面等離子體共振、晶體微天平、納米懸臂梁等)，以及靶向給藥、生物和化學(xué)試劑純化、分子催化等領(lǐng)域[2 - 4]。其中，分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了分析化學(xué)和電分析化學(xué)的發(fā)展。

目前，大多數(shù)MIPs是由含乙烯基有機(jī)物或丙烯酸為功能單體，在交聯(lián)劑、引發(fā)劑、光或熱等誘導(dǎo)作用下進(jìn)行自由基聚合而成。與這些功能單體不同，具有電化學(xué)活性的功能單體適用于制備具有導(dǎo)電性的MIPs系統(tǒng)。這些MIPs將電化學(xué)活性特點(diǎn)與分子選擇性識(shí)別功能相結(jié)合，在高靈敏度、特異選擇性電化學(xué)傳感器方面獲得了廣泛的應(yīng)用[5]。分子印跡電化學(xué)傳感器兼具分子印跡技術(shù)的預(yù)定性和特異性識(shí)別性與電化學(xué)技術(shù)的高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單、方便快速、生產(chǎn)成本低、易于小型化等特點(diǎn)，使得分子印跡傳感器在環(huán)境監(jiān)測[6]、生物醫(yī)藥[7,8]、食品安全[12 - 14]等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而，由電活性功能單體制備的MIPs本體為有機(jī)聚合物，具有一定的電化學(xué)惰性，其導(dǎo)電性和電催化活性相對(duì)較差，這嚴(yán)重影響了依靠電子傳輸傳遞信號(hào)的電化學(xué)傳感對(duì)目標(biāo)分析物的響應(yīng)性和檢測靈敏度。因此設(shè)計(jì)和開發(fā)適用于電化學(xué)傳感的MIPs新制備技術(shù)和策略，提高M(jìn)IPs導(dǎo)電性，加快電子傳輸速率，提高傳感器靈敏度和選擇性成為分子印跡電化學(xué)傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)分子印跡聚合物制備技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

傳統(tǒng)MIPs制備技術(shù)，例如溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、沉淀聚合法、乳液聚合法、電化學(xué)聚合法等近年來也廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域。例如，用Sol-Gel法在玻碳電極(GCE)表面制備的識(shí)別天冬氨酸(Asp)對(duì)映體的分子印記膜，成為對(duì)非活性手性化合物對(duì)映體識(shí)別檢測的潛在分析平臺(tái)[15]。沉淀聚合法具有成本低、制備簡單、產(chǎn)率高、反應(yīng)體系不需要加入穩(wěn)定劑等特點(diǎn)。Bakhtiar等人[16]以2-苯基苯酚為模板，苯乙烯為功能單體，二乙烯基苯為交聯(lián)劑，采用非共價(jià)方法通過沉淀聚合制備了用于從環(huán)境樣品中選擇性提取2-苯基苯酚的MIPs。該MIPs已成功用于從血清和河水中提取2-苯基苯酚。乳液聚合法具有聚合速度快、產(chǎn)品分子量高、水為介質(zhì)利于傳熱、高收率、單分散聚合等優(yōu)點(diǎn)[17 - 19]。但是在聚合過程中，MIPs表面會(huì)殘留表面活性劑，造成MIPs印跡空腔減少[20]。目前在非水介質(zhì)的乳液聚合、無皂乳液聚合、核殼乳液聚合、超濃乳液聚合等乳液聚合新技術(shù)發(fā)展十分迅速。Liu等人[21]通過微乳液聚合將MIPs固定在金屬有機(jī)骨架(MOFs)材料和CdSe/ZnS量子點(diǎn)(QDs)表面，用CdSe/ZnS QDs納米晶體作為熒光元件，MOFs作為印跡基質(zhì)滴涂在電極表面，從而構(gòu)造用于奶粉中吡咯啉的高選擇性和靈敏檢測光電傳感器。電聚合法具有操作裝置簡單、方便快速，特別是膜厚可以通過調(diào)整電流、電位、時(shí)間、圈數(shù)等控制，聚合物膜厚均勻且再現(xiàn)性高，能夠合成各種結(jié)構(gòu)和性能不同的功能性導(dǎo)電聚合物膜[22 - 24]。目前采用電聚合法制備分子印跡電化學(xué)傳感器十分廣泛[25 - 30]。例如，以石墨烯(Gr)黑色磷光量子點(diǎn)為導(dǎo)電載體，通過電化學(xué)聚合吡咯用于檢測維生素C(VC)的分子印跡電化學(xué)傳感器，檢測限達(dá)到3.3 μmol/L，可應(yīng)用于飲料中VC的檢測[31]。以苯胺為功能單體，還原氧化石墨烯(RGO)和三苯胺為導(dǎo)電載體，通過電聚合法制備的選擇性檢測雙氯芬酸(DCF)的電化學(xué)傳感器，已成功應(yīng)用于藥物和尿液中DCF的分析[32]。電聚合法的制備過程相比其它聚合技術(shù)方便快速，但是同時(shí)聚合所用的功能單體需為導(dǎo)電聚合物。目前導(dǎo)電聚合物一般有聚吡咯、聚噻吩以及聚苯胺等，種類較少。同時(shí)電化學(xué)聚合技術(shù)要求較高，針對(duì)不同的導(dǎo)電聚合物，電聚合時(shí)所需的電聚合條件也有差別，并且需要摻雜陰離子來平衡聚合過程中產(chǎn)生的正電荷，而陰離子的濃度會(huì)對(duì)聚合物的形貌與導(dǎo)電性產(chǎn)生巨大影響。因此電聚合法存在不少挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)深入探索。

3 特殊分子印跡技術(shù)與策略在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

3.1 表面分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

針對(duì)應(yīng)用于電化學(xué)傳感中的MIPs，由于傳統(tǒng)印跡方法制備的聚合物的比表面積相對(duì)較低，印跡位點(diǎn)有限，而且大量印跡位點(diǎn)嵌埋在聚合物基質(zhì)內(nèi)部，模板分子不易從高度交聯(lián)的非均質(zhì)剛性聚合物結(jié)構(gòu)中洗脫，目標(biāo)分析物可及性差[33]。更重要的是，針對(duì)復(fù)配有納米增敏材料的復(fù)合MIPs，負(fù)責(zé)電子傳輸?shù)脑雒艏{米材料往往被包埋在非均質(zhì)剛性聚合物內(nèi)部，致使電子傳輸受阻，電極動(dòng)力學(xué)差[34,35]，造成傳感器的靈敏度低，響應(yīng)性差。表面分子印跡技術(shù)可以有效解決上述問題。表面分子印跡技術(shù)通過控制模板定位在材料表面，或材料表面附近創(chuàng)建更有效的識(shí)別位點(diǎn)來制備材料，因此，表面分子印跡一方面可以創(chuàng)造大量有效識(shí)別位點(diǎn)，提高識(shí)別效率，另一方面，洗脫過程中可以更充分移除模板分子。通過表面分子印跡技術(shù)制備的MIPs在具有高選擇性、高親合力、快速吸附動(dòng)力學(xué)和良好的重現(xiàn)性的同時(shí)，還具有結(jié)合速度快、結(jié)合容量高、印跡效率高等優(yōu)點(diǎn)。尤其當(dāng)目標(biāo)分析物為大分子，如蛋白質(zhì)、細(xì)胞和病毒時(shí)，因?yàn)榇蠓肿育嫶蟮某叽缤ǔ?huì)阻礙目標(biāo)分析物的洗脫和重新結(jié)合，而表面印跡法制備MIPs克服了上述問題，這為大分子印跡提供了良好的分析檢測技術(shù)平臺(tái)。

例如，Wang等人[36]利用表面分子印跡在鍍金的硅片上，以羥基為端基的烷基硫醇自組裝單分子膜為基質(zhì)材料，以目標(biāo)蛋白質(zhì)分子為模板，制備了用于蛋白質(zhì)檢測的電化學(xué)傳感器。表面印跡方法有效避免了蛋白質(zhì)的聚集和形成超分子結(jié)構(gòu)。硫醇分子可以通過硫-金屬鍵與電極表面緊密結(jié)合，形成均勻有效的定位；蛋白質(zhì)通過疏水相互作用和靜電力吸附在金表面，不存在強(qiáng)烈的化學(xué)綁定，既可以有效洗脫，又可以避免聚集和團(tuán)聚。電位測量表明，在存在干擾分子的情況下，該傳感器可以快速、選擇性檢測肌紅蛋白或血紅蛋白分子[36]。通過在電極表面修飾MoS2和Au納米顆粒(Au NPs)作為傳感基底，利用前列腺特異性抗原(PSA)為模板，與4-巰基硼酸形成表面印跡位點(diǎn)。所構(gòu)建的用于精確檢測PSA的表面分子印跡傳感器具有寬的線性檢測范圍(1.0×10-4～1.0×104ng/mL)和低的檢出限(0.03 pg/mL)[37]。該傳感器具有良好的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，在腫瘤標(biāo)志物的檢測中具有良好的應(yīng)用前景。使用牛血清白蛋白(BSA)作為固定在SiO2納米顆粒表面的模板蛋白合成的表面印跡MIPs，由于特異識(shí)別位點(diǎn)位于MIPs表面，因此顯示出對(duì)目標(biāo)蛋白質(zhì)優(yōu)異選擇性和識(shí)別能力[38]。采用一種新型的表面印跡技術(shù)即分級(jí)印跡制備蛋白質(zhì)印跡材料，可以從人血清蛋白質(zhì)組中選擇性消耗人血清白蛋白[39]。與通過本體聚合制備的MIPs相比，分級(jí)印跡技術(shù)制備的MIPs顯示出優(yōu)異的選擇性、高親合能力、快速的吸附動(dòng)力學(xué)和良好的合成再現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。表面分子印跡還可以通過兩步法制備，首先在材料的內(nèi)部通道中進(jìn)行聚合，然后在表面上形成由FeO6八面體的三聚體組成的材料，具有超四面體結(jié)構(gòu)(MIL 100)印跡膜。該表面印記膜的選擇性吸附使材料的催化性能提高了約1.5倍，成為廢水中去除鄰苯二甲酸酯的潛在的功能性材料[40]。

軟平板印刷技術(shù)是一種較典型的表面印跡材料技術(shù)，通常用于傳感通過表面下印跡空腔受阻的生物大分子。該方法在概念上較簡單，但實(shí)際制備過程中需嚴(yán)格控制制備工藝。其具體過程包括：首先利用自組裝工藝制備一個(gè)自組裝陣列聚合物模板；然后將該模板壓印在一個(gè)部分聚合的聚合物膜上，并保持靜止直到聚合完全；最后移除模板洗出模板分子，表面留下印跡空腔[41,42]。用聚二甲基硅氧烷制作模板，將其放置在細(xì)菌浴中進(jìn)行自組裝；環(huán)氧樹脂與環(huán)戊酮混合制成MIPs宿主基質(zhì)，將基質(zhì)液旋涂在玻璃基板上，然后將自組裝模板壓入宿主基質(zhì)薄膜中，用紫外線固化；用葡萄糖作為模板和客體分子的去除介質(zhì)，模板和大腸桿菌被清洗去除，留下表面印跡空腔用于石英晶體微天平傳感器檢測大腸桿菌[43]。

另一方面，表面分子印跡也存在一些問題，如基材的表面積非常有限，以至于最終產(chǎn)生的壓印空腔總量受限[44,45]。因此，開發(fā)并制備大表面積的基板是提高表面印跡性能的重要研究方向[46]。

3.2 納米分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

近年來，納米分子印跡技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)技術(shù)制備的MIPs相比，納米結(jié)構(gòu)分子印跡聚合物(N-MIPs)，表現(xiàn)出顯著的改進(jìn)特性，大大提高了印跡材料的結(jié)合位點(diǎn)、位點(diǎn)可及性、結(jié)合能力及結(jié)合動(dòng)力學(xué)。在分離吸附、傳感檢測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[47,48]。目前，制備N-MIPs的常用技術(shù)是固相合成法。在傳統(tǒng)制備MIPs的方法中模板分子分散在液體介質(zhì)中，而固相合成法將模板分子固定在一定的固體載體上，隨后對(duì)印跡顆粒進(jìn)行親和性純化。該方法可以在短時(shí)間內(nèi)高效可靠地得到N-MIPs[49 - 51]。固相合成法制備的N-MIPs具有高親和力、單分散分布的結(jié)合位點(diǎn)、特異性和高親和力，具有不存在殘余模板分子，寬pH值、溫度和壓力范圍內(nèi)優(yōu)異的穩(wěn)定性，固定化模板可以重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)[52]。Li等人[53]提出一種利用蛋白質(zhì)分子印跡和表面結(jié)合位點(diǎn)制備聚合物納米線的技術(shù)。首先，將模板蛋白分子固定在納米孔氧化鋁的孔壁上，用丙烯酰胺和N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺的混合物填充納米孔。然后，用過硫酸銨氧化引發(fā)聚合反應(yīng)。通過化學(xué)溶解去除氧化鋁膜后，將蛋白分子印跡在聚合物納米線表面，形成結(jié)合位點(diǎn)。使用功能化的玻璃珠為固體載體，丙烯酰胺為功能單體制得的直徑約100 nm的MIPs納米顆粒錨定在聚氯乙烯(PVC)基質(zhì)中制備印跡膜，可以檢測濃度低至1 nmol/L的可卡因[54]。Xie等人[55]開發(fā)了識(shí)別2，4，6-三硝基甲苯(TNT)分子的分子印跡SiO2納米管。由于管壁的超薄厚度只有15 nm，大多數(shù)識(shí)別位點(diǎn)位于管壁的內(nèi)、外表面，并且靠近兩個(gè)表面，提供了更好的位點(diǎn)可及性和較低的馬斯特拉斯法阻力。此外，納米管的最大吸收能力幾乎是體塊顆粒的3.6倍。類似的，將組胺模板固定在衍生化的玻璃珠上，以甲基丙烯酸為功能單體，在紫外光作用下誘發(fā)聚合制備了高親和力和特異性的MIPs，所構(gòu)筑的離子選擇電極電位傳感器，具有可以在短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)真實(shí)樣品中的組胺進(jìn)行無標(biāo)簽定量檢測。該傳感器可以在葡萄酒和魚基質(zhì)中選擇性地量化組胺，檢測限為1.12×10-6mol/L，線性范圍在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L之間，響應(yīng)時(shí)間低于20 s，成為食品工業(yè)中組胺直接定量的一種有前途的工具[56]。

使用傳統(tǒng)的制備技術(shù)也可以得到納米級(jí)別的MIPs，但需要精心篩選優(yōu)化工藝條件[57]。例如，將功能單體(MAA)與模板分子乙醇混合，以二乙烯苯為交聯(lián)劑，2,2′偶氮二異丁腈為自由基引發(fā)劑，80 ℃水浴中加熱10 h后，80 ℃減壓干燥過夜，以去除模板分子，得到直徑為10～70 nm的MIPs顆粒。與多壁碳納米管(MWCNTs)混合后用粘結(jié)劑滴涂在鉑片電極上構(gòu)筑了乙醇?xì)怏w傳感器。在分子印跡聚合物的制備中，交聯(lián)劑/單體的比例和乙醇的體積對(duì)傳感器的選擇性和響應(yīng)時(shí)間有重要影響。另外，聚合物膠粘劑的類型對(duì)傳感復(fù)合材料的選擇性起著至關(guān)重要的作用。在乙基纖維素、聚環(huán)氧氯丙烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯中，以甲基丙烯酸甲酯作為膠粘劑是最佳選擇。傳感器的響應(yīng)時(shí)間較短(約1 min)。該傳感器在濃度0.65～45.0 ppm范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)，檢出限為0.5 ppm，并且傳感器的響應(yīng)具有可逆性[57]。

通過使用納米技術(shù)和表面化學(xué)，合成了接近于表面的具有固定的形狀和大小的印跡位點(diǎn)的N-MIPs，與傳統(tǒng)的塊體MIPs相比，N-MIPs大大提高了模板去除效率和對(duì)目標(biāo)分析物的分子識(shí)別能力與結(jié)合動(dòng)力學(xué)。分子印跡與納米技術(shù)的結(jié)合大大提高了識(shí)別各種分析物的靈敏度和選擇性，包括小分子和大蛋白等生物大分子，如DNA和病毒等。納米印跡結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠暴露出更多的結(jié)合位點(diǎn)來吸引目標(biāo)分析物，這將推動(dòng)具有廣闊應(yīng)用前景的分子印跡材料的發(fā)展。

3.3 多模板分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

一般來說，MIPs的制備主要涉及單一種類模板分子/離子。然而，基于單一模板的MIPs限制了MIPs同時(shí)識(shí)別和去除多個(gè)目標(biāo)物的應(yīng)用。多模板分子印記是指同時(shí)使用兩種或多種目標(biāo)物作為模板，在一個(gè)單一的聚合物材料上，產(chǎn)生多種類型的識(shí)別位點(diǎn)，以達(dá)到不同種類的物質(zhì)可以同時(shí)識(shí)別、提取、分離與檢測的目的，從而可以大大提高M(jìn)IPs的使用效率。例如，在一個(gè)固定相上同時(shí)分離幾種化合物，大大提高了分離效率，同時(shí)節(jié)約了成本；在分析藥物配方時(shí)，將MIPs合并到多種模板中的檢測器上，將能夠檢測環(huán)境系統(tǒng)中的多種可能的污染物[58]。以布洛芬、萘普生、酮洛芬、雙氯芬酸和氯菲酸為模板，制備的用于從污水中去除酸性藥物的多模板MIPs對(duì)這5種酸性藥物具有良好的選擇性與親和力[59]。

這種多模板印跡系統(tǒng)為同時(shí)識(shí)別、富集、測定和去除多目標(biāo)分析物提供了巨大的應(yīng)用潛力，為目標(biāo)物質(zhì)監(jiān)測和清除提供了高效的技術(shù)方法。但同時(shí)需要注意的是，由于每個(gè)模板的結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量被稀釋，多模板MIPs的印跡效果是多個(gè)目標(biāo)模板的印跡性能的平衡，因此多模板MIPs的選擇性比單模板合成的MIPs的選擇性低。

3.4 多功能單體分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

近年來，非共價(jià)方法在分子印跡中的應(yīng)用最為廣泛。目標(biāo)模板分子和功能單體之間的非共價(jià)結(jié)合可以通過多點(diǎn)相互作用來增強(qiáng)。因此，開發(fā)同時(shí)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上功能單體，與模板分子在不同區(qū)域形成多位點(diǎn)互補(bǔ)的相互作用是提高印跡效率、結(jié)合能力和特異選擇性的有效手段。例如，Li等人[60]采用單鍋Sol-Gel聚合法，以氟諾氟沙星為模板分子，氨基丙基三乙氧基硅烷和甲基丙氧基三甲氧基硅烷為單體，四甲基正硅酸鹽為交聯(lián)劑，設(shè)計(jì)了一種具有高吸附能力和高選擇性的磁性表面印跡聚合物。雙功能單體MIPs的吸附能力為312.08 μg/mg，選擇因子為5.41。與單功能單體MIPs相比，雙功能單體MIPs具有更好的萃取性能，可成功地應(yīng)用于湖水中諾氟沙星的萃取。另外，以鄰苯二胺和l-賴氨酸為雙功能單體，以莫西沙星為模板分子，通過電聚合法在基于氧化石墨烯(GO)修飾的GCE上制備的MIPs，通過雙功能單體印跡產(chǎn)生了多點(diǎn)協(xié)同作用，一方面增強(qiáng)了功能單體與模板分子結(jié)合力，另一方面，不同位點(diǎn)的作用也提高了印跡膜的選擇性。該傳感器已成功應(yīng)用于檢測人體尿液樣品中的莫西沙星，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，為免疫分析和臨床應(yīng)用提供了一種有前景的工具[61]。Li等人[62]利用Sol-Gel法制備的Ag和N共摻雜的ZnO(Ag-N@ZnO)，通過超聲負(fù)載在活性炭上，以多聚胺和間苯二酚作為雙功能單體，以農(nóng)藥氯氰菊酯為模板，采用原位電化學(xué)方法制備的MIPs薄膜，其聚合物骨架中含有雙單體，使MIPs結(jié)構(gòu)的印跡位點(diǎn)類型更加多樣化，并通過不同單體的協(xié)同作用增強(qiáng)結(jié)合和親和力。該傳感器檢測氯氰菊酯的濃度范圍為2.0×10-13～8.0×10-9mol/L，檢測限為6.7×10-14mol/L。

雙/多功能單體印跡是進(jìn)一步提高M(jìn)IPs的選擇性的良好的技術(shù)策略，是印跡各種分析物特別是大分子印跡的有效方法。然而，如何合理選擇和合理組合市面上現(xiàn)有的多種功能單體，精心設(shè)計(jì)和合成新的功能單體，以及如何有效利用它們的協(xié)同效應(yīng)制備理想的MIPs還需要不斷探索。

3.5 替代模板分子印跡技術(shù)在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

近年來，替代印跡策略得到了越來越多的應(yīng)用。例如，利用替代分子印跡技術(shù)和磁分離技術(shù)開發(fā)的快速特異性識(shí)別花色苷的MIP，選擇類似于花青素-3-O-蕓香苷結(jié)構(gòu)的蘆丁作為替代模板，分別以4-乙烯基吡啶和乙腈為功能單體和溶劑，在磁性載體的表面上形成分子印跡層，以制備替代磁性分子MIPs。替代分子印跡聚合物顯示出較短的動(dòng)力學(xué)平衡時(shí)間、高選擇性、對(duì)花青素具有較好的吸附能力和結(jié)合力，為今后進(jìn)一步應(yīng)用于花青素的分離純化提供了基礎(chǔ)[63]。Sun等人[64]利用替代模板印跡技術(shù)，開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)有效制備MIPs的方法。利用線性聚合物聚苯乙烯作為高分子聚醚劑，以石榴皮鞣素為替代模板，合成了可識(shí)別石榴多酚的MIPs。制得的石榴皮鞣素-MIPs對(duì)石榴多酚具有顯著的選擇性。利用替代模板進(jìn)行分子印跡的另一個(gè)原因是模板分子結(jié)構(gòu)中缺少能夠結(jié)合或固定用的官能團(tuán)。例如，在利用固相合成法制備N-MIPs時(shí)，由于可卡因結(jié)構(gòu)沒有適合于固相固定化的官能團(tuán)，因此選擇其結(jié)構(gòu)相近的類似物苯甲酰芽子堿(可卡因代謝物)作為替代模板進(jìn)行印跡，其結(jié)構(gòu)中具有與固定相相結(jié)合的氫鍵作用[65]。該傳感器能夠在檢測時(shí)重新結(jié)合可卡因，具有較寬的檢測范圍和較低的檢測限，并且還具有結(jié)合其他可卡因代謝物的能力。受分子結(jié)構(gòu)限制，TNT在溶液中的溶解度有限，作為分子印跡的模板分子，其濃度過低影響印跡位點(diǎn)的形成，而采用與其結(jié)構(gòu)相近，但溶解度較高的苦味酸作為模板分子可以大大提高溶液中模板分子的濃度[65]。更重要的是，苦味酸中的羥基與功能單體之間的氫鍵提供了更有效的印跡空腔的形成。所制備的丙烯酰胺/聚苯胺/Gr分子印跡傳感器檢測TNT時(shí)，MIPs提供了π-供體-受體作用以及氫鍵相互作用，大大提高了傳感器的特異識(shí)別性和靈敏度[66]。

替代模板印跡技術(shù)為一些印跡困難的目標(biāo)分析物的提取與檢測提供了可能性，但是替代印跡技術(shù)由于使用替代模板所制備的MIPs無法在結(jié)合位點(diǎn)與形狀大小上與目標(biāo)分子完全對(duì)應(yīng)，所以靈敏度與檢測限會(huì)有所降低。

4 分子印跡電化學(xué)傳感器

4.1 電流型分子印跡電化學(xué)傳感器

電流型分子印跡傳感器是基于傳感器識(shí)別目標(biāo)分析物前后所引起的電流變化進(jìn)行檢測，常用的有伏安法和安培法。

常用的伏安測試方法包括線性掃描伏安法(LSV)、循環(huán)伏安法(CV)、方波伏安法(SWV)和陽極溶出伏安法(ASV)等。對(duì)于LSV和CV，電位隨時(shí)間呈線性變化。而微分脈沖伏安法(DPV)和SWV的電位掃描在矩形脈沖或方波振蕩中都是恒定的增量，由于采用了程控電流采樣，可以提供比LSV和CV更好的靈敏度和信噪比。事實(shí)上，電流型電化學(xué)傳感器的信號(hào)取決于電化學(xué)活性物質(zhì)的傳質(zhì)速率。近年來，隨著納米技術(shù)和納米材料的快速發(fā)展，將納米材料應(yīng)用于MIP電化學(xué)傳感器的導(dǎo)電載體，不僅可以增大MIPs的活性表面積和有效活性位點(diǎn)，而且可以大幅度地提高分子印跡薄膜的導(dǎo)電性與電子傳質(zhì)速率，從而提高M(jìn)IPs傳感器的靈敏度和響應(yīng)性。因此，納米材料，例如碳基納米材料：Gr、碳納米管(CNTs)、碳基量子點(diǎn)(C-QDs)，金屬納米材料、金屬氧化物納米材料、半導(dǎo)體納米材料以及金屬有機(jī)物框架材料等被廣泛應(yīng)用于分子印跡電化學(xué)傳感器導(dǎo)電載體材料。例如，Gr在電化學(xué)傳感器中應(yīng)用的檢測機(jī)制是基于分子吸附引起納米通道上傳導(dǎo)性得到改善，從而提高載流子濃度[17]。在石墨化的GCE表面采用單體混合物原位聚合法制備的一種高靈敏度青蒿素分子印跡傳感器。在最佳條件下，該傳感器表現(xiàn)出高選擇性，靈敏度和與其類似物的交叉反應(yīng)性，對(duì)青蒿素的檢出限為2.0 nmol/L，具有較高的重復(fù)性和穩(wěn)定性。將Sol-Gel-MIPs與MWCNTs結(jié)合也可以增強(qiáng)傳感器信號(hào)，因?yàn)镸WCNTs的納米結(jié)構(gòu)具有大的表面積、強(qiáng)的吸附能力和獨(dú)特的電子轉(zhuǎn)移性能，L-半胱氨酸伏安傳感器的檢測限為2.3 nmol/L，在水、血清或藥物樣品中未觀察到交叉反應(yīng)[67]。用Au NPs做導(dǎo)電載體，聚PANI印跡膜修飾GCE用于快速檢測三聚氰胺的分子印跡電化學(xué)傳感器，利用示差脈沖伏安法(DPV)檢測限達(dá)到了1.39×10-6μmol/L[68]。Li等人[69]基于可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合技術(shù)，制備了一種固定在Gr上的Fe3O4納米珠的新型分子印跡電化學(xué)傳感器(Fe3O4-MIP@RGO)。該傳感器通過結(jié)合17β-E2前后的響應(yīng)電流變化，對(duì)17β-E2表現(xiàn)出高選擇性和敏感度。這些納米材料在分子印跡電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用很大程度上改進(jìn)和提高了傳感器的檢測性能。然而，這種MIPs與納米材料集成傳感器的設(shè)計(jì)和制造需要考慮材料和制造的成本，以便能夠適應(yīng)大規(guī)模制造和實(shí)際樣品應(yīng)用。此外，這些傳感器需要在復(fù)雜環(huán)境和真實(shí)樣本等實(shí)際應(yīng)用中接受檢驗(yàn)，否則它們將在商業(yè)應(yīng)用中面臨巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)于非電活性分子，需要借助氧化還原標(biāo)記物作為探針進(jìn)行間接檢測目標(biāo)物，如鐵氰酸鉀和乙烯基二茂鐵等作為電解質(zhì)系統(tǒng)的信號(hào)探針來間接檢測目標(biāo)材料。例如，用模板置換吸附在MIPs結(jié)合位點(diǎn)上的鐵氰化物就被用來測定Asp的濃度[70]。在特定的相互作用后，聚合物會(huì)發(fā)生形態(tài)改變，導(dǎo)致氧化還原探針擴(kuò)散速率的變化，從而表現(xiàn)出法拉第電流的變化[71]。東莨菪素在金電極上電聚合制備的轉(zhuǎn)鐵蛋白的分子印跡納米膜傳感器利用的也是類似的原理。通過CV法和SWV法以及表面等離子共振檢測轉(zhuǎn)鐵蛋白，傳感器的響應(yīng)取決于分子印跡膜和氧化還原鐵氰化物的滲透性變化[72]。還有一種情況，電化學(xué)探針被固定在聚合物基體中。Udomsap等人[73]使用乙烯基功能化的二茂鐵作為單體，其能夠與苯并芘(BaP)模板形成芳香疊加作用，因?yàn)镕e3+對(duì)可逆氧化的環(huán)境非常敏感，因此當(dāng)BaP被識(shí)別后，芳香疊加相互作用致使二茂鐵氧化還原性能發(fā)生改變，并造成能被檢測到的電流的變化。利用這種方法，MIPs能夠檢測濃度為90 nmol/L的BaP[73]。

4.2 電導(dǎo)型分子印跡電化學(xué)傳感器

電導(dǎo)型分子印跡傳感器具有原理簡單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其穩(wěn)定性受制備和洗脫過程影響較大，容易造成所制備傳感器選擇性不足的缺點(diǎn)[74]。用光聚合法在絲網(wǎng)印刷電極表面原位聚合制備的含有琥珀酸氯霉素(ns-CAP)分子印跡位點(diǎn)的分子印跡膜，將修飾有分子印跡膜的絲網(wǎng)印刷電板與電導(dǎo)分析儀相連接，組裝成檢測HS-CAP殘留的電導(dǎo)型傳感器，傳感器對(duì)HS-CAP分子具有良好的特異性識(shí)別能力，可對(duì)實(shí)際牛奶樣品進(jìn)行檢測[75]。用于檢測尿素的電導(dǎo)型生物傳感器以新型的含氟功能化金納米粒子(PF-HEG -Au NPs)作為基質(zhì)。脲酶與這種含氟功能化的Au NPs混合，在戊二醛蒸氣的作用下交聯(lián)在交叉型電極表面，測定尿素底物的電導(dǎo)響應(yīng)。這種(PF-HEG -Au NPs)納米粒子修飾的傳感器的靈敏度為198 μS/(mmol/L)，檢測限為0.5 μmol/L[68]。

4.3 電位型分子印跡電化學(xué)傳感器

電位型傳感器以能斯特方程為基礎(chǔ)理論依據(jù)，通過測量指示電極和參比電極之間的電位差值對(duì)待測物進(jìn)行檢測。該傳感器的優(yōu)勢在于目標(biāo)分子不需要通過擴(kuò)散來穿過印跡膜，印跡分子無論大小都可以有響應(yīng)，與尺寸無關(guān)[70,75 - 79]。例如，用于唾液酸(SA)的電位型傳感器通過CNTs修飾GCE和SA印跡聚苯胺硼酸(PABA)膜制備。該檢測策略利用了由硼酸-SA相互作用引起的電化學(xué)勢的變化。印跡的PABA結(jié)合了SA的硼酸基團(tuán)的功能和印跡效應(yīng)，賦予了化學(xué)和空間識(shí)別能力。印跡因子為1.74。該傳感器用于測定血清樣品中的SA[80]。Anirudhan等人[81]開發(fā)了一種以MWCNTs為載體，基于離子印跡聚合物包合膜的新型電位傳感器，用于痕量測定天然水樣本中農(nóng)藥2,4-二氯苯氧基乙酸。傳感器的響應(yīng)范圍為1.0×10-9～1.0×10-5mol/L，檢測限為1.2×10-9mol/L。

4.4 電容型分子印跡電化學(xué)傳感器

基于MIPs的電容型傳感器，也被稱為阻抗傳感器[82,83]，電容型傳感器是通過傳感器識(shí)別前后電容的變化進(jìn)行檢測的傳感器，具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)?；陔娙輽z測的新型膽固醇生物傳感器，是以膽固醇為模板，在金電極上通過2巰基苯并咪唑(2-MBI)的電聚合反應(yīng)制備獲得。經(jīng)過實(shí)際樣品檢測發(fā)現(xiàn)，MIPs電容(MIPC)傳感器對(duì)膽固醇表現(xiàn)出良好的選擇性[84]。Najafi等人[85]開發(fā)了基于電聚合的MIPs用于硫噴妥鈉檢測的新型電容傳感器。在硫噴妥鈉(模板)的作用下，將苯酚電聚合在金電極上制備分子印跡膜。通過用乙醇水溶液洗滌從修飾電極表面除去模板分子。該傳感器線性響應(yīng)范圍為3～20 mmol/L，檢測限為0.6 mmol/L，在直接檢測真實(shí)樣品中獲得了令人滿意的結(jié)果。Vergara等人[86]制備的電容型傳感器可以對(duì)嗎啡進(jìn)行高靈敏度和選擇性的檢測。使用含有1.0×10-4mol/L的p-氨基苯乙烯(p-AS)、5.0×10-5mol/L MBA交聯(lián)劑和5.0×10-5mol/L嗎啡與六氟四丁基銨(0.1 mol/L)的乙腈溶液，通過電聚合法制備MIPs傳感膜，超聲30 min后，混合物儲(chǔ)存過夜，使p-AS和嗎啡在冷藏條件下通過氫鍵預(yù)結(jié)合。通過分子印跡，整個(gè)聚合膜上都形成了嗎啡特異性識(shí)別位點(diǎn)。該薄膜傳感器對(duì)20～40×10-6mol/L濃度范圍的嗎啡溶液有線性反應(yīng)，檢測限為5.95×10-6mol/L。分子印跡電容傳感器制作成本低廉，檢測時(shí)不需要外加試劑，并可提供界面實(shí)時(shí)信號(hào)，具有高均勻性和低厚度的MIPs接收層，但對(duì)敏感膜的厚度及絕緣性要求較高。

5 展望

目前分子印跡技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥、食品安全等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)與電化學(xué)傳感器相結(jié)合，用于特異選擇性識(shí)別、高靈敏度分析檢測領(lǐng)域，進(jìn)一步拓寬了兩者的應(yīng)用范圍，獲得了很好應(yīng)用效果。但是分子印跡電化學(xué)傳感器仍然面臨一些挑戰(zhàn)。例如，制備過程中所使用的交聯(lián)劑與功能單體種類較為單一，導(dǎo)電性較差導(dǎo)致所制備的電化學(xué)傳感器靈敏度偏低。因此，未來需要進(jìn)一步拓寬功能單體的選擇范圍，開發(fā)與目標(biāo)分析物更加匹配、導(dǎo)電性更高的功能單體；由于分子印跡膜在識(shí)別過程中氫鍵起關(guān)鍵作用，而在水環(huán)境中水合能力會(huì)減弱氫鍵的作用力，使得識(shí)別過程局限在有機(jī)相中。因此使分子印跡傳感器實(shí)現(xiàn)在水相和氣相中識(shí)別將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前分子印跡傳感器技術(shù)在小分子領(lǐng)域研究已較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)痕量測定，但是在如核苷酸、蛋白質(zhì)等分子大分子領(lǐng)域中只能進(jìn)行定性分析或半定量分析。因此在大分子領(lǐng)域需要進(jìn)行更深入的探索。另外，由于聚合物本身是一種吸附劑，與非目標(biāo)分子的相互作用是不可避免的。因此開發(fā)基于MIPs傳感器的最大阻礙是MIPs與目標(biāo)分析物的非特異性結(jié)合。因此對(duì)于分子印跡傳感器的機(jī)理研究仍需投入更多努力。