分子印跡傳感器在小分子物質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展

張瑞瑞,徐偉航,舒 婷

(湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

化學(xué)傳感器是指能將化學(xué)物質(zhì)的濃度和生物反應(yīng)過程轉(zhuǎn)換為可檢測信號的裝置,該傳感器主要由識別分析物的元件和轉(zhuǎn)換信號的轉(zhuǎn)換器兩個部分組成。傳統(tǒng)的化學(xué)傳感器具有使用壽命有限、穩(wěn)定性差且價格昂貴等缺點(diǎn)。所以,為了克服化學(xué)傳感器的局限性,研究者們開始將分子印跡聚合物作為傳感器的傳感元件[1]。分子印跡聚合物是一種高度交聯(lián)的聚合物,由Wulff和Sarhan于20世紀(jì)70年代首次合成[2],能夠以高親和力選擇性識別并結(jié)合目標(biāo)分子。分子印跡技術(shù)(MIT)則是用于制備分子印跡聚合物,該技術(shù)首先使模板分子與功能單體進(jìn)行聚合,這過程將模板分子結(jié)合在聚合物基質(zhì)中,隨后用洗脫劑將模板分子洗脫掉,聚合物基質(zhì)留下了在形狀、大小和功能上能與模板分子選擇性結(jié)合的空腔[3],這樣的空腔具有與特定模板分子選擇性結(jié)合的位點(diǎn)。

目前,基于分子印跡聚合物的電化學(xué)和光學(xué)傳感器已廣泛應(yīng)用于藥物遞送、藥物治療監(jiān)測、藥物濫用篩選、人工識別和食品安全等領(lǐng)域[4-6]。傳統(tǒng)的檢測方法,如高效液相色譜、毛細(xì)管電泳、分光光度法和氣相色譜法等技術(shù)都有耗時久、測試費(fèi)用高、不能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測等局限性。但是,分子印跡傳感器能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方法的缺點(diǎn),具有靈敏度高、選擇性好、操作簡便、成本低和適用于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點(diǎn),已然成為研究熱點(diǎn)。本文將綜述近年來分子印跡傳感器在小分子物質(zhì)分析方面的應(yīng)用情況,并展望了分子印跡傳感器的研究前景和發(fā)展趨勢。

1 分子印跡電化學(xué)傳感器的應(yīng)用

分子印跡電化學(xué)傳感器是將分子印跡膜作為識別元件固定在電極上,電極浸入含有模板分子的溶液中,可以產(chǎn)生檢測信號,并通過電化學(xué)工作站對信號進(jìn)行采集,以便對目標(biāo)分子的測定。電化學(xué)傳感器采用不同的電分析技術(shù)進(jìn)行測定,常見的測量特性是電位變化時的電流(伏安法)、固定電壓下的電流(安培法)、零電流下的電壓(電位法)、電容或阻抗變化[7]。與傳統(tǒng)電化學(xué)相比,分子印跡電化學(xué)傳感器的優(yōu)勢在于高穩(wěn)定性、高靈敏度和可重用性等。

1.1 分子印跡電位型傳感器

分子印跡電位型傳感器是通過目標(biāo)分子和聚合物結(jié)合后產(chǎn)生的表面電位變化來實(shí)時檢測目標(biāo)物。該類型的傳感器易于小型化,而且結(jié)構(gòu)簡單,檢測方便。Konishi等[8]以谷胱甘肽(GSH)為模板,甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑,通過電沉積法將材料附著在石磨棒上,以制備谷胱甘肽電位型傳感器。測試結(jié)果表明,當(dāng)GSH∶MAA=2∶32時,GSH傳感器對GSH具有較好的特異性和準(zhǔn)確性,并且在1×10-5～2×10-4mol/L的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性。Wang等[9]以4-乙烯基苯基硼酸為功能單體制備出分子印跡聚合物受體,該受體可以通過順式二醇結(jié)構(gòu)與多巴胺共價結(jié)合形成;基于此原理,開發(fā)出一種用于測定質(zhì)子化多巴胺的新型電位傳感器。當(dāng)傳感器電極與含有質(zhì)子化多巴胺的樣品溶液接觸時,親水性的多巴胺離子可以通過上述共價結(jié)合作用從水相結(jié)合到分子印跡聚合膜上,從而引起電位響應(yīng)并進(jìn)行測定。電化學(xué)測試結(jié)果表明,該傳感器的檢測限為2.1μmol/L,可以滿足分析活體動物腦中多巴胺的需求。

1.2 分子印跡阻抗型傳感器

分子印跡阻抗型傳感器是通過交流阻抗法測定目標(biāo)分子和聚合物結(jié)合后產(chǎn)生的阻抗值,該傳感器具有低耗能、可檢測無電活性分子、高靈敏度和操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。Abo-Elmagd等[10]通過在絲網(wǎng)印刷碳電極上電聚合鄰苯二胺制備出一種新型的分子印跡聚合物材料,并成功地將其用作測定磷酸環(huán)肌酸的電極材料。經(jīng)過電化學(xué)測試,研究者發(fā)現(xiàn)該傳感器檢測磷酸環(huán)肌酸的線性范圍是1×10-9～1×10-7mol/L,檢測限為2.47×10-10mol/L。該傳感器提供了一種簡單、精確、靈敏和經(jīng)濟(jì)有效的方法,在極低濃度下也能識別出血漿中的磷酸環(huán)肌酸。Arshad等[11]以登革熱病毒感染的特異性生物標(biāo)記物-非結(jié)構(gòu)蛋白1作為模板分子,并通過多巴胺涂覆在模板分子上以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu),再以聚砜納米纖維修飾的絲網(wǎng)印刷碳為電極,制備出用于檢測早期登革熱感染的分子印跡阻抗傳感器。通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜研究該傳感器的電化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)該傳感器在非結(jié)構(gòu)蛋白1的濃度為1～200ng/mL時線性良好,檢測限為0.3ng/mL。當(dāng)檢測實(shí)際人血清樣品中的非結(jié)構(gòu)蛋白1時,回收率為95%～97.14%,標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。

1.3 分子印跡電流型傳感器

分子印跡電流型傳感器應(yīng)用最多,該傳感器以目標(biāo)分子與聚合膜結(jié)合前后的電流變化為響應(yīng)信號。董雁等[12]以水楊酸為模板分子,鄰苯二胺和吡咯為復(fù)合功能單體,在修飾有石墨烯的電極表面制備出分子印跡化學(xué)傳感器。實(shí)驗結(jié)果顯示,傳感器在水楊酸濃度為1.0×10-8～1.0×10-2mol/L時具有良好的線性關(guān)系,檢測限為8.6×10-9mol/L,還具有良好的選擇性。蘇立強(qiáng)等[13]以己烯雌酚為模板分子,多壁碳納米管為載體,制備己烯雌酚分子印跡聚合物,再將聚合物涂覆在玻碳電極表面得到分子印跡傳感器。電化學(xué)實(shí)驗結(jié)果表明,當(dāng)己烯雌酚濃度為1.0×10-9～1.0×10-6mol/L時,傳感器電流響應(yīng)值呈良好的線性關(guān)系,檢測限為6.63×10-10mol/L。將傳感器用于測定真實(shí)加標(biāo)樣品中的己烯雌酚含量,回收率為96.8%～98.8%。

近年來,電流型分子印跡傳感器廣泛應(yīng)用于小分子物質(zhì)檢測領(lǐng)域,其檢測目標(biāo)物及檢測能力總結(jié)如表1所示。

表1 分子印跡電流型傳感器應(yīng)用于小分子物質(zhì)分析的實(shí)例總結(jié)

2 分析印跡光學(xué)傳感器的應(yīng)用

光學(xué)傳感器是測量材料的光學(xué)特性并將光信號變化轉(zhuǎn)換為電子信號(電子)的檢測器。分子印跡光學(xué)傳感器在結(jié)合目標(biāo)分子期間產(chǎn)生可檢測的光學(xué)變化,然后將其轉(zhuǎn)換電信號。

2.1 分子印跡熒光傳感器

熒光分析是一種基于熒光變化而反映待測物質(zhì)性質(zhì)的一種分析方法,具有成本低、操作簡單、靈敏度高、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。但由于很少有物質(zhì)具有熒光性質(zhì),很難對目標(biāo)分析物直接進(jìn)行熒光分析。近年來,研究者們通過衍生化和染料標(biāo)記的方式使分析物具有熒光特性從而進(jìn)行分析。除此之外,還能通過熒光探針的熒光變化,進(jìn)行定性或定量分析目標(biāo)。熒光探針則是基于熒光有機(jī)分子(如熒光染料和熒光分子)或熒光納米顆粒(如量子點(diǎn)和稀土納米材料等)進(jìn)行開發(fā)[22]。

Mehrzad-Samarin等[23]使用石墨烯量子點(diǎn)嵌入二氧化硅分子印跡聚合物(GQD-SMIP),將其作為分析物的選擇性探針,以3-氨基丙基三乙氧基硅烷為功能單體,以四乙氧基硅烷為交聯(lián)劑,開發(fā)了一種用于分析生物樣品中奧硝唑含量的分子印跡熒光納米傳感器。實(shí)驗結(jié)果表明,GQD-SMIP在365、450nm處激發(fā)時具有強(qiáng)熒光發(fā)射。石墨烯量子點(diǎn)具有低毒、強(qiáng)熒光和光穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),將石墨烯量子點(diǎn)嵌入在熒光分子印跡聚合物中,可以增強(qiáng)傳感器的靈敏度和選擇性。馬慧穎等[24]學(xué)者以萊克多巴胺為模板分子,3-氨基丙基三乙氧基硅烷為功能單體制備出量子點(diǎn)表面分子印跡聚合物,再將光纖與量子點(diǎn)表面分子印跡聚合物結(jié)合,構(gòu)建了光纖傳感器,用于檢測萊克多巴胺分子。該傳感器上的光纖探頭與模板分子相結(jié)合后,量子點(diǎn)表面分子印跡聚合物會產(chǎn)生熒光淬滅現(xiàn)象,進(jìn)而影響光信號的傳播,以達(dá)到檢測藥物的目的。

2.2 表面等離子共振傳感器

表面等離子體共振傳感器是一種基于探針和金屬薄膜表面之間的折射率變化而檢測分子結(jié)合的方法。?imen等[25]采用紫外聚合法在表面等離子共振芯片上合成了L-苯丙氨酸印跡聚合物膜,并基于聚合膜開發(fā)出的用于測定人血漿中的L-苯丙氨酸傳感器。該傳感器在沒有任何標(biāo)記的情況下可以直接分析待測定的目標(biāo)分子。實(shí)驗結(jié)果表明,該傳感器檢測L-苯丙氨酸的線性范圍是5.0～400.0μmol/L,檢測限為0.0085μmol/L,定量限為0.0285μmol/L。Matsumoto等[26]通過在3-氟苯基硼酸和順式二醇之間形成二酯,將前列腺特異性抗原模板定向共軛在表面等離子體共振傳感器芯片上,并用封端劑選擇性地滅活低親和力識別腔,成功開發(fā)了能夠識別前列腺特異性抗原的分子印跡聚合物。

2.3 電化學(xué)發(fā)光傳感器

分子印跡電化學(xué)發(fā)光傳感器可以將電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為光信號,具有靈敏度高、線性范圍寬和檢測限低的優(yōu)點(diǎn)。王琪等[27]在金電極表面修飾了氮硫摻雜的石墨烯量子點(diǎn),將其作為探針。隨后,通過在該探針表面修飾銅-金屬有機(jī)框架,制備出電化學(xué)發(fā)光傳感器用于檢測抗壞血酸。當(dāng)銅-金屬有機(jī)框架存在時,量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光信號猝滅,而加入抗壞血酸后,銅-金屬有機(jī)框架從量子點(diǎn)表面脫落,探針的電化學(xué)發(fā)光信號恢復(fù),基于此原理進(jìn)行檢測。實(shí)驗結(jié)果顯示,該傳感器在抗壞血酸濃度為0.1～40μmol/L時具有良好的線性,檢出限為3.2nmol/L。張效偉等[28]通過在金電極表面修飾氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)和銅-金屬有機(jī)框架構(gòu)建了電化學(xué)發(fā)光傳感器,用于檢測多巴胺。實(shí)驗結(jié)果表明,傳感器在多巴胺濃度為0.05～60μmol/L時呈良好的線性關(guān)系,檢測限為62nmol/L。

3 結(jié) 語

如今,分子印跡傳感器在小分子物質(zhì)分析領(lǐng)域的研究廣泛,但仍存在以下幾個方面的不足:①分子印跡傳感器對于大分子的選擇性低,需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化;②在模板移除的過程中,洗脫液會破壞識別位點(diǎn),這會阻礙分子印跡傳感器的選擇性和可檢測性;③模板分子和功能單體在聚合的過程中附著位點(diǎn)分布不均勻,影響傳感器的檢測性能;④傳感器中識別元件對濕度和溫度具有敏感性,且過多負(fù)載分析物和分子印跡聚合物的毒性都會限制傳感器的壽命。

為解決以上問題,應(yīng)制備對分析物濃度變化穩(wěn)定和具有響應(yīng)電化學(xué)性能的電活性聚合物材料及復(fù)合材料。可以在聚合物基質(zhì)中引入適合的改性劑,如:金屬納米顆粒、導(dǎo)電聚合物和碳基材料等,以此改善分子印跡聚合物的物理或化學(xué)性質(zhì),增強(qiáng)可檢測性,這不僅增加了電極的活性表面積,還能提高其導(dǎo)電性。