分子印迹技术在新烟碱类农药残留分析中的应用研究进展

,*,*

(1.河北工程大学,河北邯郸 056000;2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所,农业农村部蔬菜质量安全控制重点实验室,北京 100081;3.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所,北京 100081)

新烟碱类杀虫剂是一类昆虫乙酰胆碱受体激动剂,主要由杂环基团、桥链、含硝基的功能基团和取代基团构成[1],继有机磷类、拟除虫菊酯类、氨基甲酸酯类之后开发出来的。具有谱广、用量低、内吸传导性好、作用机制新颖、环境相容性高和与其他传统类杀虫剂无交互抗性等优点[2-3],近年来得到了广泛应用。目前市场化的有吡虫啉(Imidacloprid)、噻虫啉(Thiacloprid)、呋虫胺(Dinotefuran)、噻虫胺(Thioprolamine)、噻虫嗪(Thiamethoxam)等。2013年欧盟修改了吡虫啉、噻虫胺、噻虫嗪在蔬菜水果中最大残留限量标准(MRLs)[4]。其中吡虫啉在水果和根茎蔬菜MRLs为1 mg/kg、噻虫嗪在甘蓝、生菜中MRLs为5 mg/kg、叶状蔬菜中噻虫胺的MRLs为2 mg/kg。

新烟碱类农药虽是高效杀虫剂,但对高等动物具有选择性低毒。过度使用,新烟碱类农药残留对人类和环境造成的危害引起了人们的重视。目前,新烟碱类农药残留常规检测方法有气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC),气相色谱串联质谱或液相色谱串联质谱[5-7],但这些常规检测费时耗力,过度依赖仪器,难以小型化,不适合现场检测;快速检测法有免疫法[8]、电化学传感器方法等。但免疫法易受外界条件影响,检测结果不准确,易出假阳现象,电化学传感器检测特异性较差。

分子印迹技术是模拟“抗原-抗体”的原理,是指为获得在空间结构和结合位点上与目标分子(分子印迹)完全匹配的聚合物并将其应用与目标分子(印迹分子)特征识别的实验技术。分子印迹聚合物是一种高度交联的三维网状结构材料。分子印迹技术与新烟碱类农药残留检测结合具有无可比拟的优势。分子印迹聚合物材料具有耐酸碱、耐高温、能重复使用,不受外界影响、不存在生物降解问题、对目标物有特异性高容量吸附[9]等优点。分子印迹聚合物对目标物的特异性识别和富集能够有效解决新烟碱类农药残留检测的特异性差、受基质干扰大的问题,能有效提高检测效率和结果准确性。本文检测新烟碱类农药残留,以分子印迹聚合物为基础,叙述了分子印迹聚合物在前处理萃取和传感器检测上的应用,并对分子印迹技术进行了讨论和展望,为以后新烟碱类农药的检测提供了参考。

1 分子印迹聚合物的原理及合成方法

1.1 分子印迹聚合物的合成原理

分子印迹技术是模拟抗原抗体、受体配体等识别体系,制备出空间结构和识别位点与目标物特异性结合的聚合物技术[10-11]。分子印迹聚合物制备过程的三个步骤(图1):首先模板分子和功能单体在一定比例下混合通过共价键或非共价键在进行预聚合形成复合物,其次进一步聚合加入交联剂和引发剂在光或者热外在条件下反应进行聚合,然后选择合适的洗脱液进行模板去除,就得到了与目标物形状大小一致的空穴,空穴里的功能基团与目标物相互作用,赋予了分子印迹聚合物的特异性识别[12]。

图1 分子印迹聚合物制备过程示意图Fig.1 Preparation schematic of molecularly imprinted polymers

1.2 分子印迹聚合物的制备方法

分子印迹聚合物的制备方法根据识别位点不同可分为包埋法和表面印迹法。

1.2.1 包埋法 包埋法制备的MIPs的识别位点在聚合物内部,包埋法指的是以沉淀聚合[13]、悬浮聚合[14]、原位聚合[15]、本体聚合[16]合成聚合物的方法。沉淀聚合法是将模板分子、功能单体、交联剂、引发剂在过量的溶剂中反应析出沉淀物,此法获得的聚合物一步合成,操作简单。但是溶剂的量会影响聚合物微球的大小,且溶剂的大量使用不利于保护环境。悬浮聚合法在制备体系中加入分散剂,形成的液滴在水相中或者极性较强的溶剂中悬浮,加入引发剂引发聚合,所制备的聚合物粒径均匀,不用研磨,材料的利用率高。但是此法的功能单体和模板的结合度不强,聚合物的识别性不好,并且对功能单体的类型有要求。原位聚合法是将制备体系直接在载体上(色谱柱或毛细血管)合成聚合物,聚合物在色谱柱上能富集、识别目标物,直接用于样品的检测。但是聚合物的合成过程不容易把握,易导致色谱柱的柱效低,流速慢,色谱柱的使用寿命短。本体聚合是在致孔剂中将模板、功能单体、引发剂、交联剂按一定的比例混合,充氮除氧后在密闭容器内搅拌,此聚合法操作简单,对反应条件要求不高,应用广泛。但是模板分子不易洗脱,结合位点在研磨过程容易破坏,导致吸附性能下降,在惰性气体真空环境中利用热引发或光引发制成高纯度但产量较低的分子印迹聚合物。

包埋法合成分子印迹聚合物容易操作,过程简单,使用广泛。Dong[17]等以本体聚合法合成了以噻虫胺为模板的分子印迹聚合物,先将功能单体甲基丙烯酸和模板溶于乙腈中,在一定温度下预聚合,然后加入交联剂甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和偶氮二异丁腈(AIBN),在容器内充氮气除氧聚合,索氏提取法去除模板,研究了聚合物对目标物的吸附性和的特异性并优化了分子印迹固相萃取条件,与HPLC联用检测基质中噻虫胺的含量,通过线性方程、检出限及回收率都证明了以包埋法制备分子印迹聚合物建立噻虫胺的检测方法是可行的。

1.2.2 表面印迹法 表面印迹法是指在通过接枝或包裹在载体或基质(SiO2,Fe3O4)表面引发聚合,使合成分子印迹聚合物识别位点在聚合物的表面或者载体表面的一种方法[18]。与包埋法比较模板易洗脱,并且溶胀系数小、传质速度快,选择性高,结合位点不易破坏。表面分子印迹聚合物的合成方法主要有:载体法、载体牺牲法、电聚合法。载体法是指在基质表面通过非共价键的方式发生反应,引发聚合,在载体表面形成聚合物膜;载体牺牲法是指通过化学键的作用将载体和模板分子结合后,分子印迹的制备体系在适合溶剂下进行预聚合,适当的方法将载体溶解,去除模板分子,合成了结合位点在表面的分子印迹聚合物;电聚合法为表面印迹法之一,将电极置于电解质溶液中通过单体在电极表面的缩合反应生成聚合物,该方法制备过程简单,通过改变聚合电位和聚合时间能控制聚合物膜的厚度。

电聚合法制备的分子印迹膜在电极表面,除去模板后,形成了结合位点在聚合膜表面。Zhang等[19]合成了识别位点在表面的分子印迹聚合物,以吡虫啉为模板,对乙烯基苯甲酸(VBA)为功能单体,在石墨烯表面形成均匀的聚合物层,应用到传感器上。提高了传感器的稳定性和灵敏度,0.5～15 μmol/L浓度范围内检测糙米中吡虫啉含量,检出限为0.1 μmol/L由于分子印迹在农药残留检测应用较广,为了提高更多的结合位点、更大比表面积、更快的传质速率将其合成方法与新型材料结合。

2 MIT中的新型材料及其在新烟碱类农药残留检测中的应用

新型纳米材料具有良好的吸附性、表面活性、催化活性和扩散性,将纳米材料和MIT结合,可以改善分子印迹聚合物对目标物的吸附量、提高聚合物的传质速率和对目标物的特异性选择。

2.1 MIT在石墨烯材料中的应用

碳材料结构和性质多样,具有导电性、表面性和界面特性。石墨烯是碳材料的基本单元,一种较硬二维的碳纳米平面超薄材料[20],其电阻率小,具有优异的电催化性能和优异的导电性,被广泛认为是制备化学传感器和生物传感器的理想材料。

Xie等[21]检测糙米中噻虫嗪含量,基于石墨烯的分子印迹聚合物膜传感器,以对乙烯基苯甲酸(VBA)为功能单体,噻虫嗪为模板,通过π-π相互作用将MIPs均匀分布到石墨烯的表面,循环伏安法去除模板后建立了噻虫嗪分子印迹传感器,石墨烯提高了传感器的导电性。通过在糙米中添加不同浓度的噻虫嗪,结果在表明在0.5～20 μmol/L范围内呈现向关系,最低检出限为0.04 μmol/L,石墨烯修饰的分子印迹电化学传感器和HPLC检测糙米中噻虫嗪的含量,两者的回收率没有明显差别。表明石墨烯材料与表面聚合法制备的聚合物,提高了传感器对噻虫嗪检测的特异性识别和灵敏度。

2.2 MIT在碳纳米管中的应用

碳纳米管[22]是一种新型的一维纳米材料,完美的六角型结构,以SP2杂化或与SP3混合杂化为主,拓扑空间结构的一维量子材料,在电学、力学应用广泛分具有良好的导电性和机械强度。其包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管应用到分子印迹聚合物的制备上,改善了分子印迹聚合物的形状,提高了对目标物的吸附量。

利用碳纳米管的导电性,张丹等[23]以吡虫啉(IMI)为模板溶胶-凝胶法制备的分子印迹聚合物膜修饰硅烷化的多壁碳纳米管玻碳电极,检测苹果和梨中IMI的含量。多壁碳纳米管的导电性和大的比表面积,使得传感器的电化学响应值明显增强。结果表明IMI在2.0×10-8～4.0×10-5mol/L线性范围内最低检测限为2.0×10-8mol/L,同时在这两种样品加入不同浓度的IMI标准品,回收率在均在90.5%～95%。说明了多壁碳纳米管作为基底材料增强了吡虫啉分子印迹的电活性,提高了传感器的导电性和灵敏度高,同时传感器有很好的重现性。

由于碳纳米管具有强大的C=C双键提高了传感器的机械强度和响应性能,其中电聚合法制备分子印迹聚合物膜,在电极表面直接成膜,增加传感器的灵敏度。电聚合法制膜常用的方法有循环伏安法、恒电位沉积法、恒电流法。谢黎明等[24]基于碳纳米管修饰的分子印迹聚合物膜构建传感器,制备IMI、噻虫嗪(TMX)聚合物膜,戊二醛为交联剂,利用恒电位沉积法直接形成分子印迹聚合物膜,其中羧基化的碳纳米管修饰电极(F-CNTs/GCE)提高了电极的导电性,增加了传感器的稳定性,提高了传感器对目标分子特异性识别并且模拟这两种传感器的等效电路模型,为新烟碱类的农药残留提供了新方法,尤其是对新烟碱类农药残留选择性检测具有重大意义。

2.3 MIT在磁性纳米材料中应用

磁性纳米材料引人注目的优点是它的分离能力,在磁性元素里面Fe在常温下表现出最大的磁性饱和度,被成功的应用到分子印迹技术中。磁性分子印迹聚合物(MMIPs)不仅能特异识别目标物还能在外加磁场的作用下与基质快速分离(图2右),MMIPs在农药残留前处理上已经有广泛的应用[25-28]。MMIPs是磁性纳米颗粒与分子印迹聚合物结合[29-30],操作过程简单,起到吸附分离的作用。常见的磁性纳米颗粒是Fe3O4其合成由Fe2+和Fe3+在碱性溶剂和一定温度下磁力搅拌合成的超顺磁性物质。

被修饰的磁性纳米颗粒改善了磁颗粒团聚现象,提高了磁性材料的稳定性,磁颗粒的表面有更多官能团,分子印迹聚合物更容易与此材料结合,扩大了应用范围。Zhang等[31]使用水热法制备Fe3O4磁性纳米颗粒,并对其进行硅烷修饰得到Fe3O4@SiO2,以Fe3O4@SiO2为磁核,以哌虫啶(IPP)为模板,甲基丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂以逐层自组装方式合成了磁性哌虫啶分子印迹膜,被磁颗粒修饰的MMIPs通过吸附动力学和吸附等温线及特异性吸附实验表明分子印迹膜是单分子层结构均匀,吸附能力大对目标物具有特异性吸附。张琬桐等[32]合成了哌虫啶磁分子印迹聚合物,以哌虫啶为模板,筛选甲基丙烯酸为最优功能单体,EGDMA为交联剂,三者最优比例1∶4∶10,合成的磁性聚合物(IPP-MMIPs)对目标分子的吸附量最大,其中图2A对Fe3O4、Fe3O4@SiO2、IPP-MMIP的磁性能进行了分析,三条磁线图的趋势和形状及原点对称都是一致的。表明IPP-MMIP在合成后虽然IPP-MMIP材料包覆使磁性减弱但对外部磁场有反应,不存在磁滞现象,且具有超顺磁性能重复使用不影响磁分离,图2B是磁铁吸附前后的照片,含有IPP-MMIP聚合物的水溶液在外加磁铁压力下,60S能迅速与介质分离。吸附等温线符合Langmuir模型,吸附量为17.305 mg/g,印迹因子为2.05。表明聚合物对哌虫啶的吸附量大,外在磁场条件下能迅速与溶液分离,缩短分离时间,节省了检测时间。

图2 A:a:Fe3O4,b:Fe3O4@SiO2,c:IPP-MMIP的VSM;B:磁分离前后的照片Fig.2 A:VSM images of a:Fe3O4,b:Fe3O4@SiO2 andc:IPP-MMIP;B:Picture before and after magnetic separation

表1 新烟碱类农药残留分析前处理方法的比较Table 1 Comparison of pre-treatment methods for the analysis of neonicotinoid pesticide residues

通过对分子印迹技术应用多种增敏材料的总结,新型材料与分子印迹技术结合对检测新烟碱类农药残留很好的应用前景。其中石墨烯、碳纳米管有良好的化学稳定性,并有丰富的官能团能,大的比表面积能提高分子印迹聚合物的吸附性;金属(金、银、铜、铂)纳米颗粒,能加速分子印迹传感器的导电率;量子点,能增加印迹材料的光电传感能力,分子印迹技术中的新型材料为检测新烟碱类农药残留提供了灵感支撑,有很大的应用前景。

3 分子印迹技术在新烟碱类农药残留分析中应用

新烟碱类农药因高效、低毒、作用机制新颖被大量的使用到农业生产中,但其残留量对环境和人类造成了威胁,农药的残留检测成为人们关注的重点。分子印迹聚合物对目标物有显著的特异性吸附,被成功的应用到新烟碱类农药检测中,大量文献报道分子印迹技术在新烟碱类农药残留的检测表现出很大的应用前景。

3.1 分子印迹技术在新烟碱类农药残留分析前处理中应用

传统的样品前处理技术[33]面对复杂基质已经不能满足当前检测技术的要求,因分子印迹聚合物具有选择性高,能很好的特异性识别和吸附目标分子,耐有机溶剂、耐强酸碱、耐高压高温等优点[34],能有效弥补传统样品前处理方法中的不足。表1是检测新烟碱类农药残留的前处理方法的比较。

由表1可知分子印迹聚合物应用到新烟碱农药残留的前处理上,与传统的前处理方法比较,有较好的回收率和较小的相对标准偏差,分子印迹聚合物的富集和分离作用,降低了基质对检测的干扰。图3总结分子印迹材料在萃取技术中不同应用方式[41]。

图3 不同分子印迹材料在萃取技术中不同应用方式 Fig.3 Different formats of the molecularly-imprintedpolymer(MIP)-based sample-preparation technique.注:A：固相萃取柱;B:纤维固相微萃取;C:管内固相微萃取;D:固相萃取膜;E:搅拌棒吸附萃取;F:磁颗粒;G:针管萃取中的应用。

3.1.1 分子印迹固相萃取(MISPE) 固相萃取吸附剂根据吸附差异将目标物与干扰物分离,用MIPs作为固相萃取填料的方法叫MISPE。MIPs比传统固相萃取材料C18有较高选择性萃取富集目标物能力,比免疫亲和色谱柱的抗体稳定、成本低。

MISPE具备了SPE简单实用、应用范围广和MIPs选择性识别大分子物质的优势。Tang等[38]以IMI为模板,甲基丙烯酸为功能单体(MAA),乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂采用非共价键聚合法制备了IMI分子印迹聚合物,将其作为固相萃取吸附剂并装于固相萃取柱内,同时优化分子印迹固相萃取柱,洗脱液是乙腈∶水其体积比例为4∶1,洗掉干扰物,上样,甲醇洗脱目标物。MISPE与HPLC结合检测水样和土壤中吡虫啉的含量,水样加标回收率在87.7%～89.2%,RSD小于7%。

MIPs作为SPE吸附剂能很好的吸附实际样品中目标物,刘娜等[42]以嘧菌酯、吡虫啉和噻虫啉这三种农药混合作为混合模板,MAA为功能单体,EGDMA为交联剂,偶氮二异丁腈(NIBA)为引发剂,制备了混合模板的分子印迹聚合物。以索氏萃取法洗脱模板分子,洗脱液是甲醇∶水∶冰乙酸其体积比例为93∶5∶2,将印迹材料制备固相萃取柱并优优化萃取条件,建立了MISPE-LC-MS/MS方法,通过黄瓜样品验证方法的准确性,加标回收率在88.5%～94.6%,相对标准偏差在1.6%～2.9%。此方法比侯如燕等[43]用ENVI-18固相萃取柱结合液相色谱检测黄瓜中吡虫啉、噻虫啉农药的检测结果更准确、相对偏差更小。证实了MIPs作为SPE吸附剂比其他传统吸附剂用于实际样品净化、吸附性能要好。

杨东冬等[44]以噻虫啉为模板,MAA为功能单体,EGDMA为交联剂,NIBA为引发剂制备了噻虫啉分子印迹聚合物。优化功能单体与模板的比例,当噻虫啉:MAA:苯乙烯比例为1∶4∶4时聚合物的吸附量最大,在30 min内MIPs对吡虫啉、氯噻啉、噻虫啉的吸附量进行比较,噻虫啉吸附量最大,表明噻虫啉MIPs对目标物具有特异性吸附。比较MIP柱与C18柱对噻虫啉的富集能力,用HPLC检测收集的洗脱液,回收率分别为56%～77%和83.4%～98.8%,表明MIP柱对目标物的吸附性能、保留能力更强,提高检测结果的准确性[45-46]。MIPs作为SPE吸附剂与HPLC结合检测稻田水和大米噻虫啉的含量,大米中噻虫嗪的含量为13.8 ng/g,稻田水未检出。同时他还以噻虫胺为模[17]板,甲基丙烯酸和苯乙烯为功能单体,乙腈为致孔剂,二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂合成分子印迹聚合物作为固相萃取吸附剂与HPLC结合检测河水,土壤,大白菜,番茄和葡萄中噻虫胺的含量,在0.005～0.05 mg/L范围内河水的平均回收率在84.32%～89.59%,其余的样品在0.05～0.5 mg/L范围内平均回收率在85.49%～96.36%,RSD为2.40%～6.02%(n=3),该方法检测样品中噻虫胺的含量是可行的。

3.1.2 分子印迹-基质固相分散萃取技术(MIP-MSPD) MIP-MSPD操作简单,样品的富集、净化于一体,成本低,检测结果准确,重现性好。MIPs和样品一起研磨后通过洗脱与样品基质分离,MIP-MSPD起到分离和富集的作用。

Chen等[40]以吡虫啉为模板,MAA为功能单体,EGDMA为交联剂,NIBA为引发剂,将分子印迹聚合物作为分散剂与样品均匀混合装入柱子,经过活化柱子,上样,淋洗,收集洗脱溶剂,通过LC-MS/MS分析。结果证明MIPs对目标物有良好的选择性,MIPs的吸附量高于非分子印迹聚合物(NIPs)的吸附量。MIP-MSPD检测大米中吡虫啉的含量,在10～1000 μg/L线性范围内,检出限2.4 μg/L,样品的回收率在83.8%～92.5%。

3.1.3 分子印迹-固相萃取搅拌棒(MIP-SBSE) 固相萃取搅拌棒的选择性高,基质干扰小。为了更好的提高富集目标物,净化基质,将搅拌棒的灵活性与MIPs的特异性结合,为复杂样品基质提供了简单、有效的前处理方法。MIP-SBSE固定相面积大,选择性好,操作简单。

程亚群等[47]以烯啶虫胺为模板,MAA为功能单体,EGDMA为交联剂,乙腈为致孔剂,沉淀聚合法制备烯啶虫胺分子印迹聚合物涂在固相萃取搅拌棒上,应用到对实际水样中烯啶虫胺的吸附,添加不同浓度的烯啶虫胺,吸附的回收率均在85.3%～112.4%,搅拌棒操作简单,灵敏度高,重现性好,对目标物有高的选择性吸附。

3.2 分子印迹技术在传感器领域的应用

分子印迹技术检测蛋白质、药物、环境中的有害物主要获取途径有传感器法、色谱法。分子印迹传感器是以MIPs为识别元件,相当于生物识别中的抗原抗体但比抗原抗体的化学性质稳定,在药物、环境、食品等安全分析领域都有应用。根据信号的转换原理可将传感器分为电化学型传感器、光学传感器、质量型传感器,文献报道分子印迹技术与电化学传感器和光学传感器结合已经成熟的应用到新烟碱类农药的检测中,该技术与传感器结合在相关领域为实现产业化提供了参考。

3.2.1 MIP电化学传感器 电化学传感器原理是将检测信号转化成可以输出的信号,根据带电信号的高低程度,来检测目标物,是由识别系统和转换系统两大部分构成[48]。识别系统由于识别元件不同可将传感器分为免疫酶传感器[49]、抗体传感器[50]、分子印迹传感器[51-52]。MIPs比免疫酶稳定,比抗体制作周期短、操作过程简单,所以新烟碱类农药检测在MIP传感器领域更受欢迎。MIPs作为传感器敏感元件不仅提高了传感器的灵敏度还提高对目标分子的特异性识别。MIP电化学传感器的制备方法主要有电化学聚合、涂膜法[53-54]、原位引发聚合[55-57]。

电化学聚合法优点在于膜的厚度易于控制,制备简单,均匀的覆盖在电极表面,性能稳定,检测灵敏度高,在新烟碱类农药检测中应用广泛;涂膜法制备的分子印迹传感器具有很好特异性;原位引法制备传感器的分子印迹膜厚度不易控制,易影响检测结果,因此在农药检测中受限。分子印迹电化学传感器检测新烟碱类农药是集分离、富集、检测于一体,提高传感器的灵敏度、对目标物有特异性识别,简化检测步骤。

3.2.1.1 电化学聚合法制备MIP电化学传感器 电化学聚合是在电极表面外加电压驱动使模板与功能单体聚合直接形成印迹聚合膜。影响电化学聚合传感器的稳定性是功能单体的选择和模板的去除,因此选择易于聚合的功能单体并与目标物有强大的作用力。此方法制备的分子印迹聚合膜的吸附位点在表面并且吸附量大,提高了传感器的灵敏度和检测结果的准确性。

电化学聚合法制备分子印迹传感器,构建此类传感器方法简单,易于实现。Kong等[58]以电聚合法制备分子印迹聚合物膜,聚邻苯二胺(POPD)为功能单体,吡虫啉为模板,用0.5 mol/L的HCL将模板洗脱,构建吡虫啉分子印迹电化学传感器,并用还原氧化石墨烯修饰玻碳电极,提高了传感器灵敏度。检测梨中吡虫啉的含量,在0.75～70.00 μmol/L线性范围内检测限为0.40 μmol/L;此人还以吡虫啉为模板[59],聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为功能单体,构建了检测苹果中吡虫啉含量的分子印迹电化学传感器,PVP为功能单体制备的分子印迹传感器的优点在于线性范围大,检测线低。比较聚合物对吡虫啉与其结构类似物的吸附量,实验结果聚合物吸附吡虫啉量最大,表明传感器的对目标物有特异性吸附,在0.5～50.00 μmol/L线性范围内检测限为0.30 μmol/L;类似的构建了聚咔唑(PCz)为功能单体,因为PCz具有良好的导电性和机械稳定性适合用于传感材料。吡虫啉为模板,利用石墨烯增加了电极的比表面积,制备了吡虫啉分子印迹传感器,检测环境水样中吡虫啉的含量。在0.1～40.00 μmol/L线性范围内检测限为0.07 μmol/L,表明传感器具有良好的选择性和灵敏性,能快速准确检测目标物,有利于现场监测的发展。

刘斌等[60]利用恒电位沉积法制备了啶虫脒印迹膜电极,将啶虫脒(Actip)为模板,戊二醛为交联剂,壳聚糖有丰富的-NH2和-OH活性基团,张力大,韧性好,使其作为功能基体和载体材料,并构建了Actip分子印迹电化学传感器。借助阳离子指示探针,验证了传感器有良好的电化学响应特性,比较MIPs对啶虫脒和吡虫啉的吸附量,得出啶虫脒的吸附吸附量最大,表明传感器对啶虫脒具有很好的特异性识别,印迹因子为4.711,在1.0×10-7～2.0×10-5mol/L范围内呈线性,用含有2.0×10-5mol/L的Actip溶液做10次平行实验,RSD为2.9%,表明此类传感器响应性能稳定。

3.2.1.2 涂抹法制备MIP电化学传感器 涂膜法是一种间接成膜法先将分子印迹聚合物材料制备好,将其溶解混合后涂在电极表面,分子印迹聚合物在电极表面形成均匀的薄膜。Li等[61]以吡虫啉为模板,MAA为功能单体,EGDMA为交联剂,NIBA为引发剂,制备亲水性的表面印迹离子液体聚合物通过可逆加成-碎裂链转移沉淀聚合(RAFTP)的方式包覆到MWNTs上。此法制备的印迹材料结构呈网状,比表面积大,吸附性能好,并且传质速度快,使用离子液体因具有高密度、高电导率能与亲水性的模板分子相互作用制备水兼容的MIPS,提高了MIPs在水相中的应用,将MWNTs@RAFT-MIP固定到石墨烯修饰的玻碳电极上得到MWNTs@RAFT-MIP-GR-IL/GCE膜,涂层在电极表面构建了亲水性表面印迹电化学传感器,实验表明此法线性范围广,检出限低,检测实际样品白菜和苹果皮中吡虫啉含量,样品加标回收率均在94%～107%。该分子印迹电化学传感器有很高灵敏度和对目标物的选择性,提高了检测结果的准确性。

3.2.2 MIP光学传感器 MIPs分子印迹光学传感器有光化学传感器、表面等离子共振技术、分子印迹光子晶体凝胶等;分子印迹光子晶体凝胶法检测新烟碱类农药残留,分子印迹光子晶体凝胶传感器其实质就是以光子晶体技术和分子印迹技术结合,光子晶体具有三维有序性、比表面积高等特点,其结构通常与可见红外光的相互作用发生布拉格衍射,有色移现象。此类传感器的优点在于高度普适性、无需标记、快速响应、结构层次多样等,与分子印迹技术结合可直接把特异性的目标分子的化学信号以光衍射的形式表达出来。

分子印迹光子晶体凝胶传感器检测待测物无需标记,结果准确。Wang等[62]检测甘蓝、黄瓜、苹果吡虫啉含量,使用分子印迹光子晶体凝胶传感器。在胶体晶模板中用光聚合法制备了吡虫啉印迹光子水凝胶(MIPHs),以吡虫啉为模板,甲基丙烯酸为单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,除去胶体晶模板和分子印迹模板。由于凝胶膜含有大量的三维有序的纳米晶,同时该薄膜无需将目标物标记就能产生光信号。当吡虫啉的浓度在10-13～10-7g/mL,布拉格衍射线红峰从551 nm移到589 nm,对噻虫嗪和啶虫脒没明显的峰移动,说明此传感器对目标物有高的选择性和特异性。实验结果表明传感器对吡虫啉的检测有较高的稳定性、准确性,回收率在87.6%～97.8%,与LC-MS/MS检测吡虫啉两种方法结果相差不大,RSD在小于10%。说明了基于MIPs构建的光子晶体凝胶传感器具有高特异性,无需标记,重复性好,检测结果准确,不依赖大型仪器检测,不仅用于实验室,而且对现场检测目标物有很大应用潜力。

3.2.3 MIP质量型传感器 质量敏感传感器又叫压电传感器,是基于石英晶体(QCM)建立起来的一种传感器。QCM对质量的变化非常敏感,工作原理是待测物质量的变化与QCM的谐振频率成反比,因此通过频率的变化测定QCM的表面吸附质量[63]。在传感器技术中通常作为转换器,与MIPs结合检测目标物的含量。在QCM的表面采用合适的MIPs聚合法在其表面形成一层分子印迹聚合薄膜,来检测特定分子的含量,此类传感器灵敏度高,分子印迹膜响应值大,特异性强,外压稳定。MIP-QCM传感器目前检测的物质有多环芳烃类、糖类、中性物质等;对于新烟碱农药残留检测未见报道,但是对新烟碱类农药残留检测提供了理论支撑。

3 结语与展望

随着对分子印迹技术研究的越来越深入,分子印迹聚合物已被广泛应用于食品检测、药物分析、环境分析等领域,并成功应用于新烟碱类农药的检测。分子印迹技术不断发展,不管是在合成方法还是表征手段以及应用中都日趋完善。然而分子印迹技术在新烟碱类农药检测中的应用仍处于发展阶段,存在着诸多亟待解决的问题。

新烟碱类农药分子印迹技术基础理论和作用机理研究仍需不断探索。分子印迹技术的理论基础需要进一步推动,制备原理、结构解析、识别过程和传质机制研究不够清晰,需要不断完善。

新烟碱类农药分子印迹制备方法较为单一,需要不断丰富和发展。现有制备技术得到的新烟碱类农药聚合物的尺寸比较大,多为微米级,聚合物的颗粒大小不均一、识别位点深埋、吸附量较低。聚合条件需要更好的优化,结构表征需更加细致,能更详细的认识印迹内部构造,进一步提高分子的特异性识别性能。

分子印迹技术应用领域具有局限性,需要开展在分离分析领域小分子的研究转移到大分子物质的研究。分子印迹聚合物的在水相识别困难,需要提高分子印迹聚合物的亲水性,加强在水相中的应用。

当前,复杂基质中农药残留的前处理和痕量检测技术会更加倾向于方便,准确、快捷、环保、经济、高通量的方向发展。此外,分子印迹技术应用到新烟碱农药的残留检测涉及多种交叉学科,需要不断改进逐步扩展。相信随着分子印迹聚合物的制备原理和应用领域的不断拓展,使手性药物分离、膜分离、分子印迹固相萃取达到商业化,未来分子印迹技术在更多领域将会发挥更加积极的作用。