分子印迹光学传感器用于食品安全检测方面的研究进展

王青华　邓健康　齐善厚　耿春辉

摘 要：近年来，越来越多的高质量论文报道了关于MIP传感器用于测定生物大分子、农兽药残留和爆炸物等方面的研究，大大推动了这一技术在医学和法医诊断、食品安全等方面的应用。本文旨在重点阐述基于分子印迹聚合物的光学传感器技术的最新研究现状及其实际应用的研究。

关键词：分子印迹;光学传感器;食品安全;研究进展

Abstract：In recent years have seen an increase in high-quality publications describing MIP sensors for the determi-nation of biomolecules，drugs of abuse，and explosives，driving toward applications of this technology in medical and forensic diagnostics and food safety. This review aims to provide a focused overview of the latest achievements made in MIP-based sensor technology，with emphasis on research toward real-life applications.

Key words：Molecularly imprinted polymer （MIP）; Optical sensor; Food safety; Research progress

中图分类号：TS207.3

1 分子印迹聚合物概述

分子印迹是在模板分子存在的情况下，在聚合物内部形成特异识别位点的过程。功能单体和模板分子通过聚合作用在一定空间中排列，并通过交联剂进一步提高聚合物的稳定性。因此，可以形成选择性识别目标分析物的具有模板衍生位点的分子印迹聚合物（MIP）。分子印迹聚合物是目前最常用、应用最广泛、最经济的合成分子识别受体的方法。分子印迹聚合物具有促进人们对MIPS越来越感兴趣的许多优良特性，如高的亲和力和选择性、与天然受体相似性，被认为是不可缺少的可以替代天然受体的聚合物，优于天然生物分子的强的稳定性、制备简单、适用范围广、易适用于实际应用中，如传感器和特殊阵列检测器上[1-6]。

1992年，人们首次尝试在传感器中使用块状印迹聚合物[7]，早期的一个重要发现是将分子印迹聚合物与模板如氨基酸、核酸和胆固醇结合后，会增加通过印迹聚合物膜的电流[8]。自1992年以來，世界各地发表了2 500多篇关于MIP应用于传感器的论文，明显表明这一领域引起了许多研究者们的兴趣。大多数MIP传感器依赖于当MIP与目标物结合时产生的光学响应（如表面等离子体共振（SPR）的折射率）。本文综述基于MIP的光学传感器的新技术及其优势。本综述旨在深入了解传感器的结构，传感机理，信号传导机制，重点阐述它们在生物传感、医学诊断和生物技术中的应用。本研究重点阐述了MIP在光学传感器中的应用和未来发展趋势。

2 基于MIP的光学传感器在食品检测中的最新研究进展

理论上讲，任何分析物的模板分子都可以用来合成分子印迹聚合物，目前试剂生产中用来做模板的种类很多，如无机离子、药物、核酸、蛋白、病毒甚至细胞。

光学传感器是测量材料中光学特性并将其光信号转换成其他信号的探测器（如光信号转换成电信号），在结合过程中，基于MIP的光学传感器可产生光信号的变化，从而根据光信号的变化检测目标分析物的含量。主要有两种基于MIP的光学传感器，第一种是基于MIP的吸附传感器，它是根据其固有的荧光特性检测目标分析物（比如光的折射率，吸光度或荧光强度），将基于MIP的光学传感器与目标物结合后，通过测定结合目标物前后的光学变化来测定分析物中目标物的含量，比如荧光猝灭。其中一类典型的基于MIP的光学传感器是监测蛋白质或其他大分子模板与固定在等离子体传感器表面的MIP结合引起的折射率变化[9]。第二类是光电MIP传感器，它们的工作机制依赖于具有光学特性的单体易受周围环境的变化，并可随着目标分析物的变化而变化[10]。光电MIP的基本要求是分子受体应具有高摩尔吸收系数和高量子产率。此外，分子受体必需是光化学和热稳定的，并可产生与目标分析物的浓度成正比的光学响应，且没有非特异性的副反应。

荧光检测由于检测限低，测定简单快速，已成为最流行的光学检测技术。典型的例子是基于混合MIP微凝胶的葡萄糖传感器[11]。微凝胶是在印迹过程中采用一锅煮的方法通过自由基聚合的方式加入无毒的碳点而合成的，由于具有优异的光学稳定性、化学不活泼性、优越的电子/空穴转移和几乎无毒性等优点，碳点成为了应用于生物传感方面的优异的荧光团。MIP凝胶与非印迹混合微凝胶相比具有对目标物葡萄糖更高的灵敏度和选择性，在生理条件下，检测范围在0～30 mmol·L-1，高于临床检测范围，且无乳酸和人血清白蛋白等干扰物的不良反应。结果表明，含有碳点的MIP杂化微凝胶是持续可靠检测葡萄糖的前景较好的材料。

最近，开始将碳点与MIP结合用于光学传感器。Liu等[12]制备了一种基于分子印迹的核壳型纳米杂化物的比率荧光传感器，用于选择性检测4-硝基酚（4-NP），该传感器是通过Si-O键将有机硅烷功能化碳点与二氧化硅包覆的CdSe量子点（QDs）连接起来的，并通过碳点与4-NP之间的发光导致荧光共振能量转移来实现的检测。因此，当CdSe量子点的荧光强度保持不变时，通过4-NP对碳点的荧光猝灭可以实现对爆炸物4-NP的定量测定。只是该传感器只对微摩尔级含量的物质有灵敏响应。

基于量子点的光学传感器由于其独特的光学特性，如宽吸收光谱和窄发射光谱，最近引起了广大研究者的兴趣，这使得它们在对各种分析物进行光学检测方面的应用是非常有发展潜力的[13-14]。为了克服它们的缺点，人们努力改变量子点的表面，使它们能与亲水性分子如MIP或金属相互作用。此外，基于量子点的MIP传感器与量子点免疫传感器相比的主要优点是其化学稳定性高、低成本和具有检测小分子的能力。因此，基于量子点的MIP（QD-MIP）这种选择性高的传感器已被用于食品安全、生物分析、药物和环境分析领域。

QD-MIP傳感器的一个例子是肌红蛋白灵敏型荧光检测探针[15]。该纳米结构的MIP荧光探针具有高灵敏度、高选择性和稳定性，对目标分析物肌红蛋白可发生快速响应。在本研究中，量子点表面用丙烯酰胺和双丙烯酰胺自由基聚合法包覆肌红蛋白印迹聚合物，可以增强传感器的传感性能，该MIP-QD探针能检测人体样本中肌红蛋白低于导致心肌梗死的临界值的飞摩尔级浓度。

另一个典型的例子是一种用固相合成法制备的胰蛋白酶温敏MIP传感器的荧光纳米探针。本研究中，将联苯胺基荧光单体作为荧光纳米材料，该方法可以通过简单地混合少量水溶性纳米材料和样品来进行检测。荧光纳米粒子在磷酸盐缓冲液和尿液样品中可将检出限降低到纳摩尔级。

3 MIP传感器的实际应用和面临的挑战

虽然已经阐述了MIP纳米材料的发展及其在传感器中的应用的许多成功例子，在进行商业应用之前，需要解决与MIP纳米材料和传感系统的开发有关的许多关键问题。主要面临的挑战包括需要增强实际生物流体和复杂基质中分子的亲和力和开发具有重复性的多感官MIP传感器。该领域的一个关键目标是为工业应用建立一个模块化传感器，该模块传感器可以很容易地适应于检测复杂矩阵中的任何化合物。

基于纳米材料的传感器技术在过去几年中引起了人们的极大兴趣，并得到了广泛应用。然而，只有几个例子涉及实际生物样本，大多数是在复杂环境中检测微生物和有机化合物。该领域未来面临的挑战是提高工业应用的灵敏度、选择性和重现性，此外，较低的成本和更好的从实验室工作台转换到批量工业生产是商业化的重要因素。

MIP技术的工业化可为生物传感产品的小型化提供解决方案，因此，就MIP传感技术商业化的要求和挑战进行了简短的讨论，适宜的MIP传感器的设计和生产需要将材料、成本和制造方法相结合以满足业化生产。一个重要的目标是改进MIP传感器的传感元件，包括新型导电材料和杂化纳米材料，如聚合物、金属纳米粒子、碳纳米管和石墨烯。这些材料可增强传感元件的电学性能，从而促进了它们与换能器和电气元件的联合应用。

3.1 MIP传感器合成中相关技术问题

纳米复合材料可提高MIP传感器的最低检出限，增强其灵敏度，提高其分析性能，然而，当使用纳米材料时，它们的合成方法除了简单以外，还适用于大规模工业化生产，同样，材料和制造方法最好与光刻、热压花、电子元件和焊接部件相兼容。这些技术目前用于光伏发电、移动电话和OLED和LCD电视。一些MIP传感器，特别是使用MIP NPS合成的MIP传感器，显然可与SPES、一次性光纤和纸基测试技术兼容。这可以大大提高MIP用于食品安全检测方面的技术可行性。

从实际应用的角度分析，理想情况下，MIP生产应该是具有连贯性的，当更好地控制所有合成和装配阶段，并使用单独的组件以确保传感器设备的高效批量生产。理想情况下，传感器生产需要3个阶段，主要是换能器和电子元件的制造、识别元件的合成以及各个传感元件的组合。目前，MIP的合成进展符合工业应用的质量标准。这方面的一个典型的例子是固相印迹法，它彻底改变了MIP NPS的生产[16]，该方法可以实现自动化和大规模的MIP NPs制造，显著提高了MIP NP合成的重现性和效率[17]。同时，纳米材料和印刷技术的结合可以促进MIP传感器的大规模生产，并允许实时和在线的食品安全和医疗

监测。

3.2 MIP传感器的商业化问题

目前MIP传感装置缺乏商业生产可能表明将这些人工识别元件与传感器集成方面存在问题。目前与MIP传感器技术有关的商业生产和营销水平仍然很低。

虽然固相萃取和毛细管电泳将MIP成功应用于分析分离方面[6]，但MIP传感器仍然远远不能满足工业要求，如稳定性、准确性、重现性和便携性等。

4 结语

本研究综述了MIP在光学传感中的发展现状和实际应用，还强调了MIP在传感应用中面临的主要问题，这些问题必须克服，才能推进该项技术的飞速发展。大量研究为MIP技术的应用奠定了良好的基础，但目前MIP方面的应用面临的进一步挑战是寻找合适的应用市场进行工业化生产，制定相关标准，进一步增强稳定性和扩大生产，把令人感兴趣的理论科学变成实际产品是一条漫长而艰难的道路，但很明显，现在，MIP已经发展相对成熟，并进行了大量严格的实验，从而使其大量的工业化生产成为可能，以促进其在诊断和医学中的应用以及提高人们的生活质量。开展MIP研究有可能提供一套新的食品以及生物分析传感装置，且在食品安全检测和生物医学诊断中具有广泛应用性和转化性。

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基金項目：河北省教育厅高等学校科学技术研究项目（编号：Z2019022）;衡水学院高层次人才科研启动基金项目（编号：2018GC15）;河北省市场监督管理局科研计划项目（编号：2020ZD41）资助。

作者简介：王青华（1978—），女，博士，讲师;研究方向为荧光纳米材料的合成及其光电传感器的构建。