分子印迹电化学传感器的制备、应用及发展

分子印迹电化学传感器的制备、应用及发展

张维君、张轩笛、赵荣喜、夏宁

大连诚泽检测有限公司 辽宁大连 116630

摘要：分子印迹聚合物(MIP)，对目标分子有良好的选择性，并且具备热力学稳定性好，机械强度高，制备简单，可多次重复使用的优势，是一类重要的人工合成材料。电化学传感器灵敏度高，成本低，易于微型化。将分子印迹聚合物作为识别元件用于新型的电化学传感器的制备具有重要的研究价值。

关键词：分子印迹，分子印迹聚合物，电化学传感器

目 录

第一章 绪 论 1

1.1分子印迹概述 1

1.2电化学传感器概述 1

1.3分子印迹电化学传感器概述 2

第二章电化学传感器的制备及应用 2

2.1分子印迹电化学传感器的原理 2

2.2分子印迹电化学传感器的分类 3

2.3分子印迹电化学传感器的制备 3

2.4分子印迹电化学传感器的应用及发展 5

第三章 结 论 6

参考文献 7

第一章 绪 论

1.1分子印迹概述

分子印迹(molecular imprinting)属于超分子化学中主客体化学范畴，是源于高分子化学、材料科学等学科的一门交叉学科。分子印迹技术(molecular imprinting technique, MIT)是模拟自然界存在的分子识别原理，如酶、抗体和抗原等，以目标分子为模板合成具有分子识别功能的分子印迹聚合物 ( molecularly imprinted polymers, MIP )。分子印迹聚合物是一种有固定孔穴大小和形状、以及有一定排列顺序的功能基团的聚合物，它对模板分子表现出高的识别性能。

分子印迹技术是在对抗体-抗原、酶-底物的专一性认识下诞生的，20世纪40年代，诺贝尔奖获得者Paining根据抗体与抗原作用的空穴匹配“锁匙”现象，提出了以抗原为模板制备抗体的理论。尽管该理论后来被“克隆选择理论”所取代，但是Paining的“锁匙”观点为分子印迹技术的发展打下了基础。1949年，Dicke首先提出了“专一性结合”的概念，实际上可视为“分子印迹”的萌芽，但在很长的一段时间内没有受到重视。直到1972年，德国的Wulff研究小组首次报道了合成分子印迹聚合物之后，这项技术才逐步被人们认识。1993瑞典的Mosbach等在《Nature》上发表茶碱分子印迹聚合物的研究后，分子印迹技术便成为国内外的研究热点，并得到了迅速的发展。由于分子印迹聚合物具有高选择性，识别有效的富集目标物，除去干扰物，从而减小基体干扰作用，提高分析方法的性能，近年来，分子印迹聚合物已经在许多领域得到广泛应用，包括化学传感器、固相萃取、色谱分离分析等领域。

1.2电化学传感器概述

电化学传感器是一种将分析物与电极表面上受体的相互作用转化为有用分析信号的装置，因其具有良好的稳定性、较高的灵敏性、操作简便、成本较低等优点，引起了各个行业的关注，在环境监测、医学以及食品工业等行业得到了大范围的应用。

电化学传感器的主要组成部分可以分为：识别元件、传感器和信号处理器。识别元件是传感器最为关键的组成部分，将具有特异性识别性能的材料固定在基体上，用于识别某种或一组分析物，识别过程即为目标物质与特异性识别材料发生反应的过程，对传感器的选择性起着关键性的作用。传感器是将反应的参数变化转换为可测量信号，并将获得的电信号传输给信号处理器。信号处理器则主要用于收集和显示信号，将信号收集后，信号放大器会对信号进行放大处理后输出，并通过仪器记录下来。通常来说，以目标物质的浓度与电信号变化

的线性关系可以达到对目标物质的定性、定量分析。

目前，因为电化学传感器性能优异，在各领域得到了普遍的研究和使用，其类型多种多样。依照电化学传感器生成的可测量的电化学信号：电流、电位、电导率、阻抗等，可将其分为伏安/安培型、电位型、电导型以及阻抗型，依照被检测目标物质的性质，可以将其分为气体型、离子型和生物型。

1.3分子印迹电化学传感器概述

分子印迹电化学传感器是将待测分子的印迹聚合物以适当的方式固定在转换器的表面作为识别元件，当待测分子与印迹膜结合时，产生物理信号的变化，再转化成二次信号，用于物质的检测。

第二章 电化学传感器的制备及应用

2.1分子印迹电化学传感器的原理

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件(识别元件)和转换元件组成。识别元件的主要任务是绑定目标分子并进行特异性识别，信号转换器是将感受到的物理信号或化学信号转换成可输出的信号。

电化学传感器的检测对象是化学物质，在大多数情况下是测定物质的分子变化(尤其要求对特定分子有选择性的响应)，再转换成电信号表达出来。这就要求传感器的材料必须具有识别分子的功能。因此开发灵敏度高、选择性好、具有一定寿命而且再生能力强的电化学传感器成为了当前传感器研究的重点方向之一。

利用分子印迹技术可以合成出稳定的、对某种物质有特殊作用的MIPs，以MIPs作为传感器的识别元件，固定在传感器与待测物的界面，制备得到的传感器称为分子印迹聚合物传感器(MIPs传感器)，简称分子印迹传感器。其工作原理是模板分子经扩散进入敏感层，与分子印迹聚合物上的印迹位点发生特异性结合，经过换能器将敏感识别膜上感知的信号转换成可记录的信号(如电位变化、电流变化、荧光强度变化、频率变化和吸光度变化等)，完成传感器的传感过程，从而将待分析的模板分子、用作识别器件的分子印迹传感膜以及换能器之间由一些化学、生物或物理作用过程联系在一起。可见，分子印迹传感器的实质就是将分子印迹技术所特有的高选择性与各种传感技术相结合，从而实现对目标化合物的快速高效检测。这种传感器不仅拥有高选择性，而且具有耐腐蚀、耐高温、稳定性强以及寿命长等特点，在临床诊断、环境分析、食品分析和药物分析等实际应用中具有极大的发展潜力。目前，分子印迹聚合物主要应用于光学传感器和电化学传感器两类传感器中。

2.2分子印迹电化学传感器的分类

电化学传感器是发展十分成熟和应用极其广泛的一类传感器，主要有电流、电导、电位、电容、场效应等不同类型的传感器。目前，已经被报道的分子印迹电化学传感器的类型包括电位型传感器、电容型传感器、电导型传感器、电流型(安培型和伏安型)传感器。

2.2.1电位型传感器

电位型传感器是通过分子印迹聚合物膜对目标分子选择性结合前后电极电位的变化值来进行测定分析的。它不需要目标分子扩散穿过印迹膜，能够实现快速响应。另外，可以通过将分子印迹膜与半导体相结合，制备化学及离子敏感场效应转换器型的分子印迹传感器，它的测定是通过印迹膜对目标分子的识别而引起膜电位的变化进行的。

2.2.2电容型传感器

电容型传感器是通过分子印迹聚合物膜对目标分子特异性识别前后电容的变化进行检测。该传感器灵敏度高，操作方便。Panasyuk等首次制备了分子印迹电容型传感器，通过在金电极表面电聚合苯酚和模板分子苯丙氨酸制备了一层敏感膜，通过化学阻抗的方式研究了这层绝缘膜。并且通过在聚合前自组装羟基苯硫酚和在聚合后组装烷硫醇来填补这层膜的化学缺陷，最后将模板分子除去完成传感器的制备。制备此类传感器的关键是良好绝缘性、自组装层的构造和超薄膜的制备。

2.2.3电导型传感器

电导型传感器是通过目标分子与分子印迹聚合物膜结合后引起的电极导电性能变化来确定目标物浓度的。这种类型的传感器原理简单，关键是印迹膜的制备和模板分子的洗脱和膜的保存。这种传感器的缺点是选择性不够，体系中的微量杂质对测定也会产生较大干扰。

2.2.4电流型传感器

电流型传感器是通过分子印迹聚合物膜对目标分子选择性识别前后电流的变化进行分析测定。这类传感器目前应用最广泛，优点是灵敏度高和检测限低。电流型传感器既可以检测电活性物质，也可以检测非电活性物质。不同的检测方法可以用于测定不同化学性质的目标分析物，目前可以采用的检测手段有差示脉冲伏安法、方波伏安法、循环伏安法、计时电流法等。

2.3分子印迹电化学传感器的制备

根据分子印迹聚合物膜与转换装置整合方式的不同，分子印迹电化学传感器的制备方法可分为：表面涂覆法、原位引发聚合法、自组装法、电化学聚合法。

2.3.1表面涂覆法

表面涂覆法是最简单的制备分子印迹电化学传感器的方法，几乎所有采用化学合成法制备的分子印迹聚合物都可以采用这种方法制备。首先将分子印迹聚合物用溶剂分散，然后把混合溶液通过蘸涂、滴涂或旋涂等方式修饰到电极表面，通过溶剂挥发形成分子印迹聚合物膜，其中分子印迹聚合物在电极表面的覆盖量可以从原始聚合物的浓度和体积得知。这种膜的制备通常选用的是通过热引发、光引发或其他方式引发聚合形成分子印迹聚合物颗粒。

2.3.2原位引发聚合法

原位引发聚合法是一种直接成膜法，将含有单体、模板分子和引发剂的混合液涂覆到电极表面，然后在光或热的作用下引发聚合，就在电极表面形成了MIP传感膜。原位引发聚合方法常用的功能单体有甲基丙烯酸、丙烯酰胺类衍生物和乙烯基呲啶，常用的引发剂有AIBN，苯甲酮或苯乙酮及其衍生物。

2012年，Pan等人以甲硫基咪唑为模板分子，通过原位引发聚合方法合成了分子印迹电化学传感器。首先，分子印迹的预聚合液中加入了多壁碳纳米管和席夫碱配合物，氮气脱氧混合超声15min后，将混合液滴到玻碳电极表面，然后在紫外光引发下聚合，模板分子用甲醇/乙酸溶液洗脱，就得到了MIP电化学传感器。

2.3.3自组装法

自组装法，又称非共价法，出瑞典的Mosbach及其同事在20世纪80年代后期创立。在此方法中，模板分子(或印迹分子)与功能单体之间自组织排列，以非共价键自发形成具有多重作用位点的单体—模板分子复合物，经交联聚合后这种作用保存下来。该方法实现了在固体基质上自组装二维单层结构的分子印迹聚合物，与传统的三维网状结构的分子印迹聚合物有很大的区别，为在电极/溶液界面间控制(固定)分子提供了可能。Piletsky等认为自组装的烷基氧烷分子印迹单层稳定性都很差。因此基于烷基硫醇与金属表面间强烈的化学键合而自组装的单分子层膜成为研究的焦点。

2.3.4电化学聚合法

电化学聚合法是在电极表面发生电聚合反应直接生成聚合物膜。再通过化学或者物理方法洗脱掉模板分子即得到电聚合分子印迹电极。印迹聚合物膜的制备可以采用恒电位、恒电流聚合或者循环伏安扫描的方法。这种方法制备分子印迹传感器具备独特的优越性，制备方法简单，反应可在室温下进行，分子印迹传感器的重现性良好，印迹膜均匀且薄，传感器的稳定性好，印迹聚合物膜的结构稳定，印迹空穴不宜变形，可制备多成份聚合物膜和多层膜。因此，电聚合制备分子印迹膜被认为是制备分子印迹传感器膜中最有潜力的方法。

2.4分子印迹电化学传感器的应用及发展

2.4.1分子印迹电化学传感器的应用

分子印迹电化学传感器在农药、食品检测、水质监测和医药分析领域得到了很广泛的应用。例如，Li等以对硫磷为模板、对-特丁基-杯芳烃-1，4-冠四为功能单体，利用溶胶—凝胶法在玻碳电极表面合成分子印迹聚合物膜用于传感，它对模板分子在0.0050-100 μmol·L^-1范围有线性响应，检出限达1.0 nmol·L^-1，并有较高选择性。Suedee等人采用整体聚合法或分步溶胀聚合法，以4-乙烯基呲啶和乙二醇二甲基丙烯酸酯为功能单体，合成了三氯乙酸分子印迹聚合物，将该分子印迹聚合物与聚氯乙酸膜共同涂覆在电导型电极表面制备了电导传感器，当三氯乙酸浓度为0.15-6.2 μmol·L^-1时，该传感器产生线性响应，检出限为1.2-30 nmol-L^-1。Li等以土霉素分子为模板分子，邻苯二胺为功能单体，采用电聚合方法在金电极表面合成了印迹膜，洗脱模板后，将该印迹膜先置于葡萄糖氧化酶标记的土霉素溶液中培养，使其印迹位点饱和，然后利用待测液中的土霉素竞争分子印迹聚合物膜上原有的葡萄糖氧化酶标记的土霉素。由于体系里含有双氧水，葡萄糖氧化酶对双氧水的催化电化学信号会随着待测液中未标记的土霉素浓度的增加而线性减少。

由于分子印迹聚合物多为有机物且导电性差，因此在用于制备电化学传感器时常遇到传质速率慢、响应慢等问题。为了改善分子印迹电化学传感器的性能，人们尝试将分子印迹聚合物和纳米材料、离子液体等结合。

纳米材料具有比表面积大、催化性能好等优点，有些还有良好的导电性，因此，将它用于传感器制备能有效地增加电极表面积、加快电子传递、降低过电位、提高传感器灵敏度和稳定性等。目前，纳米材料在分子印迹电化学传感器中得到了广泛的应用。

2.4.2分子印迹电化学传感器的发展趋势

随着分子印迹技术研究的不断深入，其研究应用的广度和深度也在不断拓展。就目前情况来看，以下几个方面有待加强，预计这些也是近期研究的重点：

(1)如何从分子水平上更好地解释分子印迹的制备和识别过程的机理，应该得到发展。尽管目前已有文献报道，但是结合位点的作用机理、聚合物的形态和传质机理仍然是所关注的问题。

(2)目前使用的功能单体和交联剂都有较大的局限性。因此应该开发和设计新型的功能单体和交联剂，以满足分子印迹识别的需要。

(3)目前能用于制备亲水性分子印迹聚合物的大多为小分子，而像生物大分子的印迹技术的还比较少，研究新的亲水性分子印迹聚合物制备方法，使得分子印迹成为具有广泛适用性、实用性的分离检测方法。

(4)由于分子印迹聚合物既具有抗各种恶劣环境的能力，又具有与生物酶类似的高选择性，因此将分子印迹电化学传感器做成分子探针，直接插入生物组织或细胞内进行探测和分析。

2.4.3影响分子印迹电化学传感器性能的因素

与普通传感器一样，灵敏度和响应时间是分子印迹电化学传感器重要的性能参数。灵敏度取决于MIP对印迹分子的吸附能力和测定原理，其中测定原理与换能器的灵敏度有关。滞后性是由于分析物浓度变化和传感器响应信号变化之间有一个时间延迟。通常滞后时间长短取决于 MIP与分析物之间的结合动力学与解离动力学。MIP对分析物吸附能力越强，解离速度就越慢，传感器响应时间就越长。可见，对于分子印迹电化学传感器而言，其性能的优劣很大程度上取决于修饰传感器的印迹材料，因此，凡是影响分子印迹聚合物/膜性能的因素都将影响分子印迹电化学传感器的性能。所以，为了得到性能优异的分子印迹电化学传感器，必须对分子印迹材料的制备条件进行充分优化。

第三章 结 论

分子印迹聚合物具有生物识别元件的高选择性，又具有优于生物识别元件的强大的环境适应能力。该材料制备简单，可重复使用。基于分子印迹聚合物研制的分子印迹电化学传感器具有灵敏度高、价格低廉、容易微型化等优点，具有广阔的应用前景。

参考文献

1. 姜忠义，吴洪. 分子印迹技术

2. 赵丽娟. 基于分子印迹聚合物膜的电化学传感器的制备与应用

3. 白慧萍. 几种分子印迹电化学传感器的研制及应用

4. 刘平. 纳米粒子/分子印迹聚合物电化学传感器的制备及其应用研究

5. 曾延波. 新型表面分子印迹和识别聚合物材料的制备及其在电化学传感器的应用研究

6. 吴莹. 分子印迹电化学传感器的研究

7. 武敏. 分子印迹电化学传感器检测四溴双酚A的研究

8. 高波. 分子印迹光学与电化学传感材料的制备与计算机模拟

9. 韩爽. 基于CS/GO/AgNPs氯酚分子印迹电化学传感器的构建