分子印迹传感器在小分子物质分析中的应用进展

张瑞瑞,徐伟航,舒 婷

(湖北科技学院医学部药学院,湖北 咸宁 437100)

化学传感器是指能将化学物质的浓度和生物反应过程转换为可检测信号的装置,该传感器主要由识别分析物的元件和转换信号的转换器两个部分组成。传统的化学传感器具有使用寿命有限、稳定性差且价格昂贵等缺点。所以,为了克服化学传感器的局限性,研究者们开始将分子印迹聚合物作为传感器的传感元件[1]。分子印迹聚合物是一种高度交联的聚合物,由Wulff和Sarhan于20世纪70年代首次合成[2],能够以高亲和力选择性识别并结合目标分子。分子印迹技术(MIT)则是用于制备分子印迹聚合物,该技术首先使模板分子与功能单体进行聚合,这过程将模板分子结合在聚合物基质中,随后用洗脱剂将模板分子洗脱掉,聚合物基质留下了在形状、大小和功能上能与模板分子选择性结合的空腔[3],这样的空腔具有与特定模板分子选择性结合的位点。

目前,基于分子印迹聚合物的电化学和光学传感器已广泛应用于药物递送、药物治疗监测、药物滥用筛选、人工识别和食品安全等领域[4-6]。传统的检测方法,如高效液相色谱、毛细管电泳、分光光度法和气相色谱法等技术都有耗时久、测试费用高、不能进行实时监测等局限性。但是,分子印迹传感器能够弥补传统检测方法的缺点,具有灵敏度高、选择性好、操作简便、成本低和适用于现场检测等优点,已然成为研究热点。本文将综述近年来分子印迹传感器在小分子物质分析方面的应用情况,并展望了分子印迹传感器的研究前景和发展趋势。

1 分子印迹电化学传感器的应用

分子印迹电化学传感器是将分子印迹膜作为识别元件固定在电极上,电极浸入含有模板分子的溶液中,可以产生检测信号,并通过电化学工作站对信号进行采集,以便对目标分子的测定。电化学传感器采用不同的电分析技术进行测定,常见的测量特性是电位变化时的电流(伏安法)、固定电压下的电流(安培法)、零电流下的电压(电位法)、电容或阻抗变化[7]。与传统电化学相比,分子印迹电化学传感器的优势在于高稳定性、高灵敏度和可重用性等。

1.1 分子印迹电位型传感器

分子印迹电位型传感器是通过目标分子和聚合物结合后产生的表面电位变化来实时检测目标物。该类型的传感器易于小型化,而且结构简单,检测方便。Konishi等[8]以谷胱甘肽(GSH)为模板,甲基丙烯酸(MAA)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,通过电沉积法将材料附着在石磨棒上,以制备谷胱甘肽电位型传感器。测试结果表明,当GSH∶MAA=2∶32时,GSH传感器对GSH具有较好的特异性和准确性,并且在1×10-5～2×10-4mol/L的浓度范围内具有良好的线性。Wang等[9]以4-乙烯基苯基硼酸为功能单体制备出分子印迹聚合物受体,该受体可以通过顺式二醇结构与多巴胺共价结合形成;基于此原理,开发出一种用于测定质子化多巴胺的新型电位传感器。当传感器电极与含有质子化多巴胺的样品溶液接触时,亲水性的多巴胺离子可以通过上述共价结合作用从水相结合到分子印迹聚合膜上,从而引起电位响应并进行测定。电化学测试结果表明,该传感器的检测限为2.1μmol/L,可以满足分析活体动物脑中多巴胺的需求。

1.2 分子印迹阻抗型传感器

分子印迹阻抗型传感器是通过交流阻抗法测定目标分子和聚合物结合后产生的阻抗值,该传感器具有低耗能、可检测无电活性分子、高灵敏度和操作简单的优点。Abo-Elmagd等[10]通过在丝网印刷碳电极上电聚合邻苯二胺制备出一种新型的分子印迹聚合物材料,并成功地将其用作测定磷酸环肌酸的电极材料。经过电化学测试,研究者发现该传感器检测磷酸环肌酸的线性范围是1×10-9～1×10-7mol/L,检测限为2.47×10-10mol/L。该传感器提供了一种简单、精确、灵敏和经济有效的方法,在极低浓度下也能识别出血浆中的磷酸环肌酸。Arshad等[11]以登革热病毒感染的特异性生物标记物-非结构蛋白1作为模板分子,并通过多巴胺涂覆在模板分子上以稳定其结构,再以聚砜纳米纤维修饰的丝网印刷碳为电极,制备出用于检测早期登革热感染的分子印迹阻抗传感器。通过循环伏安法和电化学阻抗谱研究该传感器的电化学性能,发现该传感器在非结构蛋白1的浓度为1～200ng/mL时线性良好,检测限为0.3ng/mL。当检测实际人血清样品中的非结构蛋白1时,回收率为95%～97.14%,标准偏差小于5%。

1.3 分子印迹电流型传感器

分子印迹电流型传感器应用最多,该传感器以目标分子与聚合膜结合前后的电流变化为响应信号。董雁等[12]以水杨酸为模板分子,邻苯二胺和吡咯为复合功能单体,在修饰有石墨烯的电极表面制备出分子印迹化学传感器。实验结果显示,传感器在水杨酸浓度为1.0×10-8～1.0×10-2mol/L时具有良好的线性关系,检测限为8.6×10-9mol/L,还具有良好的选择性。苏立强等[13]以己烯雌酚为模板分子,多壁碳纳米管为载体,制备己烯雌酚分子印迹聚合物,再将聚合物涂覆在玻碳电极表面得到分子印迹传感器。电化学实验结果表明,当己烯雌酚浓度为1.0×10-9～1.0×10-6mol/L时,传感器电流响应值呈良好的线性关系,检测限为6.63×10-10mol/L。将传感器用于测定真实加标样品中的己烯雌酚含量,回收率为96.8%～98.8%。

近年来,电流型分子印迹传感器广泛应用于小分子物质检测领域,其检测目标物及检测能力总结如表1所示。

表1 分子印迹电流型传感器应用于小分子物质分析的实例总结

2 分析印迹光学传感器的应用

光学传感器是测量材料的光学特性并将光信号变化转换为电子信号(电子)的检测器。分子印迹光学传感器在结合目标分子期间产生可检测的光学变化,然后将其转换电信号。

2.1 分子印迹荧光传感器

荧光分析是一种基于荧光变化而反映待测物质性质的一种分析方法,具有成本低、操作简单、灵敏度高、检测速度快等优点。但由于很少有物质具有荧光性质,很难对目标分析物直接进行荧光分析。近年来,研究者们通过衍生化和染料标记的方式使分析物具有荧光特性从而进行分析。除此之外,还能通过荧光探针的荧光变化,进行定性或定量分析目标。荧光探针则是基于荧光有机分子(如荧光染料和荧光分子)或荧光纳米颗粒(如量子点和稀土纳米材料等)进行开发[22]。

Mehrzad-Samarin等[23]使用石墨烯量子点嵌入二氧化硅分子印迹聚合物(GQD-SMIP),将其作为分析物的选择性探针,以3-氨基丙基三乙氧基硅烷为功能单体,以四乙氧基硅烷为交联剂,开发了一种用于分析生物样品中奥硝唑含量的分子印迹荧光纳米传感器。实验结果表明,GQD-SMIP在365、450nm处激发时具有强荧光发射。石墨烯量子点具有低毒、强荧光和光稳定等优点,将石墨烯量子点嵌入在荧光分子印迹聚合物中,可以增强传感器的灵敏度和选择性。马慧颖等[24]学者以莱克多巴胺为模板分子,3-氨基丙基三乙氧基硅烷为功能单体制备出量子点表面分子印迹聚合物,再将光纤与量子点表面分子印迹聚合物结合,构建了光纤传感器,用于检测莱克多巴胺分子。该传感器上的光纤探头与模板分子相结合后,量子点表面分子印迹聚合物会产生荧光淬灭现象,进而影响光信号的传播,以达到检测药物的目的。

2.2 表面等离子共振传感器

表面等离子体共振传感器是一种基于探针和金属薄膜表面之间的折射率变化而检测分子结合的方法。Çimen等[25]采用紫外聚合法在表面等离子共振芯片上合成了L-苯丙氨酸印迹聚合物膜,并基于聚合膜开发出的用于测定人血浆中的L-苯丙氨酸传感器。该传感器在没有任何标记的情况下可以直接分析待测定的目标分子。实验结果表明,该传感器检测L-苯丙氨酸的线性范围是5.0～400.0μmol/L,检测限为0.0085μmol/L,定量限为0.0285μmol/L。Matsumoto等[26]通过在3-氟苯基硼酸和顺式二醇之间形成二酯,将前列腺特异性抗原模板定向共轭在表面等离子体共振传感器芯片上,并用封端剂选择性地灭活低亲和力识别腔,成功开发了能够识别前列腺特异性抗原的分子印迹聚合物。

2.3 电化学发光传感器

分子印迹电化学发光传感器可以将电化学反应转化为光信号,具有灵敏度高、线性范围宽和检测限低的优点。王琪等[27]在金电极表面修饰了氮硫掺杂的石墨烯量子点,将其作为探针。随后,通过在该探针表面修饰铜-金属有机框架,制备出电化学发光传感器用于检测抗坏血酸。当铜-金属有机框架存在时,量子点的电化学发光信号猝灭,而加入抗坏血酸后,铜-金属有机框架从量子点表面脱落,探针的电化学发光信号恢复,基于此原理进行检测。实验结果显示,该传感器在抗坏血酸浓度为0.1～40μmol/L时具有良好的线性,检出限为3.2nmol/L。张效伟等[28]通过在金电极表面修饰氮硫掺杂石墨烯量子点和铜-金属有机框架构建了电化学发光传感器,用于检测多巴胺。实验结果表明,传感器在多巴胺浓度为0.05～60μmol/L时呈良好的线性关系,检测限为62nmol/L。

3 结 语

如今,分子印迹传感器在小分子物质分析领域的研究广泛,但仍存在以下几个方面的不足:①分子印迹传感器对于大分子的选择性低,需要进一步的研究和优化;②在模板移除的过程中,洗脱液会破坏识别位点,这会阻碍分子印迹传感器的选择性和可检测性;③模板分子和功能单体在聚合的过程中附着位点分布不均匀,影响传感器的检测性能;④传感器中识别元件对湿度和温度具有敏感性,且过多负载分析物和分子印迹聚合物的毒性都会限制传感器的寿命。

为解决以上问题,应制备对分析物浓度变化稳定和具有响应电化学性能的电活性聚合物材料及复合材料。可以在聚合物基质中引入适合的改性剂,如:金属纳米颗粒、导电聚合物和碳基材料等,以此改善分子印迹聚合物的物理或化学性质,增强可检测性,这不仅增加了电极的活性表面积,还能提高其导电性。