分子印迹传感器在药物检测方面的应用进展
摘要 本文简要介绍了分子印迹传感器的五种制备方法，分析了分子印迹传感器(分子印迹电化学传感器、分子印迹光学传感器、分子印迹质量敏感型传感器)在药物检测方面的应用现状。最后，展望了分子印迹传感器今后的发展方向：将印迹传感器与一些功能材料和先进技术结合，可改善传感器性能并拓展其应用范围，分析提出一些亟需解决的问题和改进建议，以期为分子印迹传感器今后的发展提供一些参考和思路。
唐风娣; 李延斌; 胡译之; 何红芳; 门吉英， 应用化工 发表时间：2021-09-27
关键词 分子印迹聚合物;传感器;制备方法;选择识别性;药物检测
1 引言
近年来，部分不法商家为获取更多的利益，滥用动植物促生长素及超标使用农药、化肥等，其经过一定途径进入人体后将对人造成不可逆转的伤害，为了公共卫生利益，欧盟已明确规定了一些药物的最大残留限量。且根据一些药物使用规范，一些药剂在人体过多的残留会对人体造成一定的副作用，其在临床治疗方面也具有一定的意义。因此，将分子印迹传感器应用于药物检测对食品安全、环境安全及生命安全等方面成为近年来的热点。
分子印迹传感器是以分子印迹聚合物作为传感器识别元件的一种识别检测装置(如图 1)，由信号转换器和识别元件两部分组成。在检测中，有较高的灵敏度和特异选择性，且稳定性好，因此其在传感器领域颇受关注[1,2]。此外，一些传统的检测方法，如高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)等技术都有一定的局限性，如检测时间长、对样品制备技术依赖性高、仪器昂贵等，限制了其应用。而分子印迹传感器具有更优良的性能，如操作简单灵活，选择性良好及反应时间短等优点，成为更佳选择的检测装置。本文将从分子印迹传感器在药物检测方面的应用现状进行综述。
2 分子印迹传感器的制备方法
分子印迹传感器的制备方法主要以下五种方法。
表面涂覆法：是用来制备分子印迹传感器的最简单的方法。Afzali 等[4]采用离子液体基 MIPs 和纳米金颗粒/氧化石墨烯(Au/GO)复合材料对玻碳电极(GCE)进行了修饰。通过表面涂覆法合成了 MIP/Au/GO 纳米复合材料，成功地应用于实际样品的咪喹莫特(IMQ)检测。
原位引发聚合法：是在加热或者光照的条件下直接在传感器上形成目标分子印迹聚合物膜的方法。Kartal 等[5]采用原位聚合法在石英晶体微天平(QCM)芯片上使用紫外光进行引发聚合成功制备了分子印迹传感器。
电化学聚合法：也是一种直接成膜的方法。Azizollah 等[6]在支撑电解质(NaClO4•H2O)存在下，通过铅笔石墨电极(PGE)、循环伏安法在 PGE 表面电沉积得到 MIP。结果表明，该传感器对 MMZ 具有良好的选择性和准确性。
自组装法：陈琛等[7]在构建 L-色氨酸/OTS 混合自组装膜和 L-色氨酸分子印迹 OTS 自组装膜的基础上，完成了 L-色氨酸印迹膜电化学传感器的制备与性能研究。该传感器的检出限为 1.323μmol/L，有较好的重现性和较长的使用寿命。
分子印迹溶胶-凝胶体系是一类具有特异性识别能力的无机聚合物。由于其稳定的物理刚性结构，分子印迹溶胶-凝胶体系在强酸、强碱等极端的环境中不易被破坏。苏立强等[8]采用溶胶-凝胶法在荧光碳点(CDs)表面包覆分子印迹层，制备分子印迹荧光传感器，检测下限为 1.8μg/kg，有较高灵敏度和良好的选择性。
3 分子印迹传感器在药物检测中的应用现状
3.1 分子印迹电化学传感器在药物检测中的应用
分子印迹电化学传感器(如图 2)设备简单、灵敏度高和稳定性良好，且分析速度快，具有同时测定多组分等优点，具有广泛的实用性。一般分为分子印迹电流型传感器、分子印迹电容型传感器、分子印迹电位型传感器和分子印迹电导型传感器四种。
3.1.1 分子印迹电流型传感器在药物检测中的应用
分子印迹电流型传感器是指传感器识别元件与目标分子接触时，是将浓度变化产生的分析信号转换成电流信号变化来进行测定。Afazli 等[10]采用金颗粒/氧化石墨烯(Au/GO)复合材料合成印迹聚合物，后将印迹聚合物悬浮液滴于 GCE 表面获得 MIP/Au/GO/GCE 传感器，结果表明，该传感器有良好的重复性和再现性，成功地运用到实际样品中咪喹莫特(IMQ)的检测。另外，Wang 等[11]提出了一种基于 CuCo2O4/N-CNTs 负载分子印迹聚合物(MIP)修饰玻碳电极(GCE)的新型电化学传感器，将 GCE 电极浸入以甲硝唑为模板分子，以苯胺为功能单体的混合电解质溶液中，采用循环伏安法(CV)进行电化学聚合形成分子印迹传感器。实际样品的回收率(95.9%-100.9%)和合理的相对标准偏差(RSD)(3.2%-4.8%)表明了该传感系统的实用性。在实际应用中，该类型传感器制作简易，性能稳定，是电化学传感器中应用最广泛的传感器。
3.1.2 分子印迹电容型传感器在药物检测中的应用
分子印迹电容型传感器的原理是监测传感器识别元件与目标分析物结合前后的电容的变化，实现对被测物质的检测。Canfarotta 等[12]采用固相法合成了模板小分子四氢大麻酚(THC)。在传感器表面沉积了纳米 MIPs，靶分子与生物传感层上的受体结合，使金表面周围的反离子(扩散层)发生位移，总电容减小。电容测试表明，纳米 MIPs 可成功地用作选择性捕获剂，用于检测具有不同性质(电荷、分子量、极性)的分析物。还有，Dhanjai 等[13]制造了一种非酶仿生肾上腺素电容传感器， LbL 组件由聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底、碳纳米管-纤维素纳米晶(CNC/CNT)纳米薄膜(第一层)和肾上腺素印迹聚(苯胺/苯基硼酸)(pANI/PBA)部分(第二层)组成。该传感器的线性响应范围为 0.001μmol/L~100μmol/L，检测限为 0.001μmol/L，有较高的选择性。该方法对传感器今后的制备中提供一些参考。
3.1.3 分子印迹电位型传感器在药物检测中的应用
分子印迹电位型传感器是通过测定分子印迹膜在选择性吸附目标分析物前后电极电位的信号变化来对待测物进行检测。Zarezadeh 等[14]采用自制的纳米结构分子印迹聚合物修饰的玻碳电极(GCE)和碳糊电极(CPE)对卡托普利(CAP)药物进行了电化学研究和电位测定。将制备的 CAP-MIP 作为 CPE 的修饰剂，设计了选择性 CAP 传感器。为 CAP 的检测提供了一种方法指导。近年，Hassan 等[15]制备并设计了用于氨基吖啶(ACR)检测的仿生电位离子选择电极，该传感器检测限低、选择性好等优点，成功用于实样中氨基吖啶(ACR+)的测定。该类型传感器具有设计简单、测量时间短、分析量大等优点，在实际运用中节省时间提高检测效率，应用前景良好。
3.1.4 分子印迹电导型传感器在药物检测中的应用
分子印迹电导型传感器是通过传感器导电性能变化来对待测物浓度进行检测。刘晓芳等[16]采用原位引发聚合法在丝网印刷电极上制备了地西泮分子印迹聚合物，建立以此为传感元件的电导型传感器。该方法检测地西泮在 0.039～0.62 mg/L 范围具有良好的线性关系。但此类型传感器引起稳定性较差，且制备条件要求严格，因此其应用范围较窄，近几年相关报道极少。
3.2 分子印迹光学传感器在药物检测中的应用
常用的分子印迹光学传感器有三种，分别是分子印迹荧光传感器、分子印迹化学发光传感器和分子印迹等离子体共振传感器。
3.2.1 分子印迹荧光传感器在药物检测中的应用
分子印迹荧光传感器(MI-FL)通过传感器选择识别目标分析物后，在特定激发波长下输出不同的荧光信号的来对目标分子进行监测。Le 等[17]开发了一种可靠的磺胺甲恶唑(SMZ)荧光传感器，该方法取决于包裹在硅胶分子印迹聚合物(GQDs@SMIP)中的石墨烯量子点(GQDs)(如图 3)，以 GQDs、SMZ 为荧光材料、模板剂，通过聚合反应制备了该化合物。该传感器增加了石墨烯量子点，提高了传感器的选择性，是一种有效且前景广阔的制备思路。Wei 等[18]采用丙烯酸(AA)修饰 CQDs 表面的乙烯基，以四环素(TC)为模板分子，采用沉淀聚合法制备了基于 CQDs 的分子印迹荧光传感器。结果表明，该传感器的检出限为 0.17μmol/L，成功地用于 TC 样品的检测。这种荧光传感器制备相对简单，检测方便，但要求被分析物具有荧光发射能力。
3.2.2 分子印迹化学发光传感器在药物检测中的应用
分子印迹化学发光传感器是将分子印迹传感器连入流动注射化学发光流路中，目标分析物作为发光源，发生氧化还原(或发光)反应后，由发射出固定波长的光信号的强弱变化来实现对分析物的检测。Jin 等[19]以还原氧化石墨烯(rGO)和上转换纳米粒(UCNPs)为基础，建立了一种分子印迹电化学发光传感器(MIECLS)(如图 4)。在最佳实验条件下，ECL 信号在 10～100μmol/L 范围内与克伦特罗(CLB)浓度的对数成正比，检测下限为 6.3nmol/L。具有良好的灵敏度。Hu 等[20]以阿奇霉素(AZM)为模板分子，以分子印迹聚合物修饰碳糊电极作为识别元件，制备了一种快速、选择性的电化学发光(ECL)传感器。在最佳条件下，线性范围从 1.0×10−10~4.0×10−7 mol/L，检出限低至 2.3×10−11 mol/L(S/N=3)，成功运用到实际样品的检测中。但此种传感器由于发光系统的稳定性较差，因此在实际应用中有一定限制。
3.2.3 分子印迹等离子体共振传感器在药物检测中的应用
表面等离子共振(SPR)是一种物理光学现象，通过金属薄膜折射率的变化来探测分子结合的方法。Zhang 等[21]以 4-乙烯基苯硼酸为功能单体，聚乙二醇丙烯酸酯为交联剂，2,2’-偶氮脒盐酸盐为引发剂，采用原位聚合法在 SPR 芯片表面制备了卡那霉素分子印迹膜(如图 5)。后有学者将核壳式结构与 SPR 纳米传感器相结合。如 Özkan 等[22]将六角氮化硼(HBN)纳米片与分子印迹聚合物(MIP)相结合制备出一种基于核壳纳米粒子的有效 SPR 纳米传感器(Ag@AuNPs )，用于依托泊苷(ETO)的检测。该传感器的线性范围为 1.0×10−7 ~1.0×10−5 mol/L (R2 =0.9941)，成功地应用于实际样品中卡那霉素的测定。此类传感器在实际样品的检测中，样品无需纯化，应用范围较广。
3.3 分子印迹质量敏感型在药物检测中的应用
分子印迹质量敏感型传感器主要有三种，分别是声波表面传感器、石英晶体微天平传感器和悬臂梁化学传感器。目前分子印迹技术常与石英晶体微天平传感器(QCM)连用。QCM 是一种高分辨率的质量敏感传感器，利用了石英中发现的压电效应。Shaheen 等[23]制备了一种石英晶体微天平(QCM)的传感器，传感器响应是由于氯霉素在模板空腔中重新结合而导致的微天平频率降低，检测限低至 0.74µmol/L，具有选择性结合和良好的灵敏度。Zhao 等[24]提出了一种基于空心分子印迹石英晶体微天平(QCM)传感器(如图 6)的检测甲咪唑方法，该方法首先利用表面印迹技术制备了空心印迹聚合物(H-MIPs)，以空心二氧化硅微球为基质支撑材料，该传感器灵敏度高，LOD 为 3μg/ L，取得了较好的应用效果。该类型传感器通过检测质量微变化或者由其变化所导致的振幅、频率、波速等声波参数的变化，从而对被测物进行分析，在实际应用中具有很好的灵敏度和准确性，广泛应用于定量分析中。
4 结语
随着分子印迹传感器广泛地应用在药物检测领域中，高灵敏度和大检测容量是传感器行业的其它共同要求。经分析，还存在以下几方面的不足：(1)由于在传感器表面上制造 MIP 受体的复杂性和有限的可重复使用性，阻碍了传感器的商业化。(2)一些分子印迹聚合物的导电性能比较差，使制得的分子印迹传感器的灵敏度较弱。(3)传感器仅在合理范围内完成分析物的准确定量时才有用。
针对以上问题，个人认为可从以下几个方面解决：(1)发现新型的功能单体消除结合动力学中的一些限制及提高印迹聚合物的耐受性，改善传感器的使用性能。(2)与各种修饰剂(如量子点等)结合以提高被修饰电极的比表面积和电导率，从而提高传感器的稳定性和灵敏度。(3)结合一些辅助技术(如 SPR 等)，实时监测传感信号，以提高分子印迹传感器的准确性。总之，分子印迹传感器已广泛使用在药物监测领域中，随着其不断发展，未来定会在更广泛的领域中发挥作用。