基于分子印迹技术的传感器研究与应用进展综述

在临床治疗、生物医学、环境监测、食品安全等各个研究领域，对可靠的分析和检测技术的需求日益增长。传统的分析方法，如液相色谱法和质谱法等，虽然检测灵敏、准确，但往往需要昂贵的专用设备、实验室条件、耗时的分析以及苛刻的样品制备。

因此，开发成本更低、更简单、更方便的分析方法，以及可以在现场测试的分析方法的需求已经出现。结合分子印迹技术的传感器可以提高检测化合物的灵敏度，降低检测限，扩大可检测化合物的范围，并在与靶标的结合上表现出高选择性和更高的稳定性，提供更好的重现性，并且可重复使用。智能手机具有内置传感器和强大的数字成像功能，为便携性和即时检测需求提供了独特的平台。基于智能手机的分子印迹传感器有望成为未来新的研究方向。

近日，天津中医药大学李肖夏课题组在Talanta期刊上发表了题为“Emerging trends in sensors based on molecular imprinting technology: Harnessing smartphones for portable detection and recognition”的综述性文章。论文详细介绍了当前的分子印迹技术发展状况，基于分子印迹传感器的应用和分类，和近年来分子印迹传感器在检测与识别领域的最新应用，总结了近两年基于智能手机辅助检测的分子印迹传感器研究的前沿进展，指出了面临的挑战、局限性和未来发展前景。

此外，作者根据不同的应用领域，依次介绍了纸基传感器在医疗诊断、食品、环境分析、人体行为和生理监测等方面的相关研究进展，并对纸基传感器件的未来发展趋势和面临的重大挑战给出了充分的展望和大胆的预测。李肖夏课题组硕士何锡成为该论文的第一作者，李肖夏、杜昆泽为论文的通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金经费的支持。

图1 基于分子印迹的传感器种类及应用

分子印迹技术以其特异性、高效性、稳定性和生态友好性等特点，已成为一种具有广泛应用前景的识别技术。分子印迹聚合物（MIPs）被称为“人工受体”，作为一种仿生材料，显示出与天然受体相似的特性。在传感器中引入后，可大大提高对目标识别的选择性，因此，适用于复杂基质样品中痕量物质的预处理和分析。

目前，通过与分子印迹聚合物的结合，已经开发出各种用于检测和识别痕量化合物、生物大分子或其他物质的传感器，如光学、电化学和压电传感器。除此以外，微波传感器、热传感器和基于智能手机拍照分析的比色传感器也有相关工作展开了研究。

图2 分子印迹光电化学传感器的制造工艺及光电流产生机理示意图及信号输出处理  

基于MIPs的电化学传感器器件中的信号强度取决于电化学活性分析物到分子印迹聚合物涂层电极的传质速率。根据不同的电分析技术和测量性质，电化学传感器分为伏安法（当电位变化时测量性质为电流）、安培法（测量性质为固定电压下的电流）和电位法（测量性质为零电流下的电压）。

此外，电导率和电容或阻抗的变化也是常见的测量属性。光电传感技术与电化学技术相结合，具有低成本、低信号背景、易于小型化、响应时间快、灵敏度高等独特优势，是一个快速发展的研究领域。光电化学传感器需要特定的光电活性材料，可以促进暴露于光下的电子转移。它们有效地将光信号转换为电信号，然后可以通过电路或电极系统将其可视化。

图3 检测病毒的分子印迹光学传感器  

分析物结合后，评估其性质的光学变化，此外，各种技术和材料也被应用到光学传感器中，如表面等离子体共振和局部表面等离子体共振、发光碳点、量子点、SERS、光栅耦合干涉测量、光子晶体等。与电化学传感器相比，分子印迹光学传感器的主要优点是灵敏度高、精度高、成本低、抗电磁干扰能力强。

图4 基于智能手机的检测技术  

推动传感器技术的发展，满足实时监测和现场检测的迫切要求，已成为当代研究工作的一个突出焦点。在这种情况下，智能手机以其紧凑的尺寸、可负担性和强大的便携性为传感技术的进步提供了一条途径。

图5 基于分子印迹的智能手机检测技术  

基于分子印迹技术的比色传感器在发展早期已经成功地进行了视觉半定量分析，避免了对专用仪器的需要。利用了智能手机固有的数字成像属性，手机采集的数据可以实时灵活地传输到计算机，并利用计算机更高的性能和更多的软件对数据进行处理。

传感器因其高灵敏度、高选择性、高重复性、低检测限、绿色环保、低成本等优势，将继续在环境保护、痕量化合物检测、临床诊断、生物分析等领域受到青睐。智能手机的出现带来了更高的便携性、多功能性和强大的计算力。然而，基于分子印迹技术的传感器大多停留在实验室和学术水平，商业化之路任重道远，受到许多挑战。

（1）材料本身制备的挑战：分子印迹材料的开发还存在抗干扰能力不足、聚合机理不明确、模板分子去除困难、选择性吸附能力不足等问题。对此已经开发了几种方法来解决聚合物的现有局限性。分子模拟计算和计算机辅助方法已被用于预测和优化模板分子与功能单体之间的相互作用，从而增强了具有改进识别性能的聚合物的设计。此外，还引入了硼酸亲和、非共价氢键协同等策略来优化模板分子与单体之间的相互作用，显著提高了聚合物的特异性识别能力。虚拟模板分子印迹技术的实施已经成为传统模板分子的有效替代方案，减轻了与模板泄漏相关的担忧，并可能降低洗脱难度。此外，印迹后修饰技术的发展使分子印迹聚合物的结合亲和力和选择性得以增强。这些进展说明在克服分子印迹技术局限性方面取得的重大进展，为提高其性能和扩大其在各种研究和技术领域的应用提供了新的途径。

（2）商业化的挑战：许多论文都取得了良好的检测性能和重现性，但在改变实验条件和场地后难以重现，因此有必要对印迹材料的合成工艺进行优化。传感器需要尽可能的小型化和便携化，降低专业使用门槛，远离对大型配套检测仪器的依赖，此外，印迹和传感的机理也应该得到更充分的解读和验证。在大规模合成研究的早期，需要重新设计不同于实验制备方案的合成条件，这需要足够的投资资金和人力投入。

（3）基于智能手机的技术挑战：移动设备的变化，包括不同的手机品牌、软件选择和集成的传感器硬件，产生了性能差异。因此，对相同图像的分析结果可能会在不同的手机上出现分歧。在捕获图像时，除其他因素外，旨在消除干扰和背景光的操作平台设计的差异也可能导致量化不准确。这一限制限制了智能手机增强传感能力的程度。但随着技术的逐步进步和软硬件的不断发展，智能手机的更新和升级非常迅速，未来的设备成像技术和计算能力将变得更加强大和智能化。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.125283   


 

审核编辑：刘清