分子印跡在化學(xué)傳感器及陣列領(lǐng)域的研究進(jìn)展

徐興輝，高云玲，姚克儉

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院綠色合成技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310014）

分子印跡技術(shù)（molecular imprinting technique，MIT）[1]，又稱為分子模板技術(shù)，是制備對(duì)目標(biāo)分析物（模板分子）具有高選擇性親和力的聚合物材料的新興技術(shù)。分子印跡的起源可以追溯到20世紀(jì)30年代的免疫學(xué)，40年代，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Pauling[2]提出了“抗體形成”學(xué)說，這一學(xué)說雖被后來的“克隆選擇”理論推翻，但卻為后來分子印跡理論的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。Dickey[3]在 1949年首次提出“專一性吸附”概念，雖在很長的一段時(shí)間內(nèi)沒有引起重視，但可以看做是“分子印跡”的萌芽。Wulff小組[4-6]在1972年成功制備出用于色譜手性拆分的分子印跡聚合物（molecular imprinting polymers，MIPs），分子印跡技術(shù)才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。直到1993年，Mosbach小組[7-9]在 Nature上報(bào)道了茶堿分子印跡聚合物之后，分子印跡技術(shù)才得到了真正的發(fā)展。

該技術(shù)所制備的印跡聚合物具有選擇親和性高、耐壓、耐高溫、耐酸堿腐蝕、使用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，因此分子印跡聚合物特別適用于傳感器技術(shù)，通常被用作傳感器的識(shí)別元件，檢測(cè)對(duì)象包括蛋白質(zhì)[10-11]、染料[12]、氨基酸及其衍生物[13-14]等，所用傳感器類型主要包括電化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器及質(zhì)量敏感型傳感器。目前，分子印跡技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用多集中于對(duì)單一分析物的選擇性傳感，即一種傳感器只能對(duì)某一目標(biāo)分析物進(jìn)行選擇性分析，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜體系多物種的同時(shí)定性定量檢測(cè)。分子印跡化學(xué)傳感器陣列則解決了這一難題。分子印跡聚合物根據(jù)其所具有的交叉選擇性，即用某一種分子作為模板合成的印跡聚合物也會(huì)對(duì)其在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)上極其類似的其它分子產(chǎn)生非特異性響應(yīng)，可以將其應(yīng)用于傳感器陣列[15-16]領(lǐng)域，只要每種印跡聚合物對(duì)不同的分子有著不同程度的響應(yīng)，對(duì)每種分子就能得到特定的可以用于分析識(shí)別的信號(hào)排列模式，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)。

1 分子印跡技術(shù)

分子印跡聚合物制備原理[17-19]如圖1所示，首先模板分子（印跡分子、目標(biāo)分子）與可以發(fā)生聚合的功能單體通過共價(jià)鍵[20]或非共價(jià)鍵[21]作用結(jié)合在一起，形成具有多重作用點(diǎn)的預(yù)聚物，然后加入適量交聯(lián)劑和引發(fā)劑引發(fā)聚合。模板與功能單體間的相互作用方式會(huì)被記憶并固定在聚合物中，通過物理或化學(xué)方法除去模板分子后，在聚合物中就會(huì)形成具有多重作用點(diǎn)的三維空穴，并且其空間形狀和大小都與模板分子相匹配，因而對(duì)模板分子具有選擇識(shí)別性。

圖1 分子印跡聚合物的制備過程

根據(jù)印跡過程中模板分子與功能單體作用力的不同，MIPs的制備方法可以分為以下4種。

（1）分子預(yù)組裝法[22]（pre-organized approach）又稱為共價(jià)鍵法，主要由Wulff等創(chuàng)立發(fā)展起來。該方法中模板分子（印跡分子）與功能單體通過可逆的共價(jià)鍵[23]作用結(jié)合，進(jìn)行聚合反應(yīng)之后，在化學(xué)條件下打開共價(jià)鍵除去模板分子。該方法形成的復(fù)合物較穩(wěn)定，三維空穴里的結(jié)合基團(tuán)排列較為準(zhǔn)確，但是印跡過程復(fù)雜，并且共價(jià)鍵的結(jié)合與解離速度慢，模板分子的抽提較困難，不適用于快速識(shí)別與分析等領(lǐng)域。

（2）分子自組裝法[21]（self-assembly approach）

又稱為非共價(jià)鍵法[24]，主要是由Mosbach及其同事創(chuàng)立發(fā)展的。在此方法中，模板分子（印跡分子）與功能單體通過氫鍵、靜電、疏水作用等非共價(jià)鍵結(jié)合在一起，形成具有多重作用點(diǎn)的復(fù)合物，經(jīng)交聯(lián)聚合后這種作用被固定下來。與預(yù)組裝法相比，該方法所制備印跡聚合物的識(shí)別過程與天然的分子識(shí)別系統(tǒng)更為接近。

（3）共價(jià)作用與非共價(jià)作用雜化 即在聚合時(shí)模板分子與功能單體之間依靠的是共價(jià)鍵，而在識(shí)別的過程中，模板分子與印跡位點(diǎn)結(jié)合時(shí)依靠的是非共價(jià)鍵作用。近年來，Vulfson等[25-26]在Kirsch等[27]的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種稱為“犧牲空間法（sacrificial spacer method）”的分子印跡技術(shù)，該方法實(shí)際上是結(jié)合了分子自組裝法和分子預(yù)組裝法兩種方法。

（4）金屬配位[28-30]作用 通過研究生物識(shí)別體系中的相互作用，發(fā)現(xiàn)金屬離子與生物分子發(fā)生配位作用螯合之后具有很好的空間立體性，對(duì)模板離子有較高的選擇性和親和吸附性，并且配位鍵的斷裂與形成比較溫和，其強(qiáng)度是由金屬離子的種類決定的，無需加入過量的結(jié)合基團(tuán)，具有較快的動(dòng)力學(xué)結(jié)合性。

2 分子印跡在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

MIPs以其高選擇性、高識(shí)別性以及耐高溫高壓、耐酸堿腐蝕等惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域，經(jīng)常被用作傳感器的分子識(shí)別元件。這種分子識(shí)別作用隨后通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器（如電極、光極、壓電晶體、熱敏電阻等）將物理或化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可輸出的識(shí)別信號(hào)。由于分子印跡聚合物可以選擇不同的分析物作為模板分子，分子印跡傳感器可廣泛用于醫(yī)藥、生物、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。按照其轉(zhuǎn)換器工作原理的不同，目前分子印跡傳感器主要集中應(yīng)用于電化學(xué)傳感器、光化學(xué)傳感器和質(zhì)量敏感型傳感器。

2.1 分子印跡電化學(xué)傳感器

MIPs電化學(xué)傳感器的制作方法可以分為兩類：①先制備 MIPs顆?；蚰?，然后再將所制備的顆?；蚰づc轉(zhuǎn)換器用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟB接起來；②直接在轉(zhuǎn)換器表面合成 MIPs膜。當(dāng)分子印跡聚合物材料與目標(biāo)分析物相互作用時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置可以實(shí)時(shí)地將其轉(zhuǎn)化為可處理的電信號(hào)，然后利用方波伏安法或差示脈沖伏安法對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)其檢測(cè)方式的不同，分子印跡電化學(xué)傳感器又可以分為直流電阻型、電流型、電位型、電導(dǎo)型及場(chǎng)效應(yīng)晶體管型傳感器。

Prasad等[31]選擇 Dy(Ⅲ)離子為模板制備了Dy(Ⅲ)離子印跡聚合物，并將該聚合物材料與PVC共混制膜，得到了Dy(Ⅲ)離子選擇電極。實(shí)驗(yàn)表明，Dy(Ⅲ)在(8×10?6)～(1×10?1) mol/L 濃度范圍內(nèi)，電極的電位響應(yīng)與其濃度呈線性關(guān)系，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)，最低檢測(cè)限為 2×10?6mol/L，重復(fù)使用20次其傳感能力無變化。

Piletsky等[32]以除草劑莠去津（Atrazine）為模板分子、甲基丙烯酸（或二乙基氨基甲基丙烯酸鹽）為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）為交聯(lián)劑，采用自由基聚合的方法在玻璃過濾器（直徑30 mm，厚度4 mm）表面制備了具有選擇性識(shí)別的新型聚合物膜，用該膜作為電導(dǎo)傳感器的識(shí)別元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)莠去津體系的檢測(cè)，其檢測(cè)范圍為0.01～0.50 mg/L。雖然檢測(cè)范圍不寬，但是膜穩(wěn)定性較好，在使用4個(gè)月后其靈敏性沒有明顯降低，該電導(dǎo)傳感器的響應(yīng)時(shí)間為30 min，并且可能會(huì)隨膜厚度的減小而減小。

Zhou等[33]以外消旋 N-芐氧羰基-天冬氨酸（N-CBZAsp）為模板，采用表面印跡技術(shù)在銦錫氧化物（ITO）玻璃板表面制備了手性電位型傳感器，該傳感器對(duì)N-CBZAsp對(duì)映體具有特異識(shí)別性能，并且不需要其它預(yù)分離步驟。傳感器對(duì)濃度范圍在(5.0×10?6)～(1.2×10?2) mol/L 的光活性物質(zhì)N-CBZAsP進(jìn)行了檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為電位的變化，實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器的對(duì)映體選擇系數(shù)在(4.0×10?3)～(9.0×10?3)之間，并且該技術(shù)有望用于其它相關(guān)生物材料的檢測(cè)。

劉亞強(qiáng)等[34]以銅離子為模板，3-(2-氨基乙基氨基)-丙基三甲氧基硅烷作為功能單體，結(jié)合分子印跡技術(shù)與溶膠-凝膠技術(shù)制備了銅離子選擇電極，實(shí)驗(yàn)表明該電極對(duì)銅離子具有較好的能斯特響應(yīng)特性，其線性范圍為(5.0×10?2)～(3.98×10?6) mol/L，檢出限為1.00×10?6mol/L。該電極實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際樣品中銅離子的濃度檢測(cè)，所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定的結(jié)果相一致，并對(duì)待測(cè)物質(zhì)表現(xiàn)出較好的選擇性。

張進(jìn)等[35]以雙酚A為模板分子，用鄰氨基苯硫酚作為功能單體，采用自組裝和電聚合的方法在金電極表面合成了一層分子印跡聚合膜，從而制備了雙酚A的分子印跡電化學(xué)傳感器，利用循環(huán)伏安法研究了該傳感器對(duì)雙酚A的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)表明，其線性范圍為(6.0×10?7)～(5.5×10?5) mol/L，其檢出限為2.0×10?7mol/L，并可以用于實(shí)際樣品中雙酚A的檢測(cè)。

Fang 等[36]在不加交聯(lián)劑及引發(fā)劑的條件下，將光敏聚合物均勻涂到金電極表面，在紫外光照射的條件下交聯(lián)聚合，制備了用于檢測(cè)葡萄糖的分子印跡電化學(xué)傳感器，該研究為構(gòu)建 MIPs電化學(xué)傳感器檢測(cè)其它物質(zhì)提供了新方法、新思路。

Liang等[37]以鹽酸克倫特羅（瘦肉精）為模板分子，采用沉淀聚合法制備了電位式膜傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子化的克倫特羅在 1.0×10?7～1.0×10?4mol/L濃度范圍內(nèi)，該膜電極顯示近Nernstian效應(yīng)，檢出限為7.0×10?4mol/L，并且該膜傳感器可以用于實(shí)際樣品豬尿液中瘦肉精的檢測(cè)，回收率達(dá)到98%～107%。

Afkhami等[38]以曲馬多（Tramadol）為模板分子，不飽和氨基酰亞胺作為功能單體，EGDMA為交聯(lián)劑，采用自組裝法在 SiO2@Fe3O4顆粒表面引發(fā)聚合，制得了一種納米級(jí)的分子印跡聚合物，并涂在多壁碳納米管上用作電極檢測(cè)溶液中的曲馬多，其檢測(cè)限為0.004 μmol/L，在0.01～20 μmol/L的范圍內(nèi)呈線性，并且能夠檢測(cè)出被感染和健康的人體尿液中曲馬多的含量，實(shí)驗(yàn)表明該方法所制備的電極具有檢測(cè)限低、靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 分子印跡光化學(xué)傳感器

MIP光化學(xué)傳感器可以分為MIP化學(xué)發(fā)光傳感器和MIP熒光化學(xué)傳感器。其中，應(yīng)用最為廣泛的是MIP熒光化學(xué)傳感器，它是利用熒光光譜為手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的檢測(cè)，按照目標(biāo)分析物的性質(zhì)（熒光物質(zhì)或非熒光物質(zhì)）不同，又可以將其分為3類：①直接檢測(cè)熒光分析物；②通過加入熒光單體或熒光試劑間接檢測(cè)非熒光分析物；③通過加入熒光物質(zhì)標(biāo)記待測(cè)物，運(yùn)用競(jìng)爭性反應(yīng)對(duì)分析物進(jìn)行檢測(cè)。

1995年，Kriz 等[39]以熒光物質(zhì)N-丹磺酰基-L-苯基丙胺酸分子作為模板，甲基丙烯酸（MAA）、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDMA） 分別為功能單體和交聯(lián)劑，采用偶氮二異庚腈（ABDV）作為引發(fā)劑在45 ℃ 下引發(fā)聚合15 h 后得塊狀聚合物，然后經(jīng)粉碎、研磨、篩分、洗脫和干燥后得到MIPs 分子印跡聚合物，并首次將MIPs 顆粒用于熒光光纖傳感，對(duì)N-丹磺?；?L-苯基丙胺酸進(jìn)行分析檢測(cè)。通過分子印跡聚合物對(duì) N-丹磺?；?L-苯基丙胺酸和 N-丹磺酰基-D-苯基丙胺酸兩種相似物的競(jìng)爭吸附研究表明，聚合物對(duì) N-丹磺?；?L-苯基丙胺酸的吸附性能明顯高于 N-丹磺?；?D-苯基丙胺酸，檢測(cè)范圍為0～100 μg/mL。體現(xiàn)了MIPs用于傳感器中特異性吸附和高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，為分子印跡技術(shù)在化學(xué)傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Valero-Navarro 等[40]以雙酚A及二甲苯烷二異腈酸酯（MDI）為功能單體，用間苯三酚作為交聯(lián)劑，常溫下引發(fā)聚合，制備了以萘為模板的分子印跡聚合物材料，并用于檢測(cè)萘胺化合物。實(shí)驗(yàn)表明，該熒光MIPs可以同時(shí)檢測(cè)1-萘胺和2-萘胺，檢出限為45 ng/mL。

González等[41]以地高辛為模板分子，MAA和EGDMA分別為功能單體與交聯(lián)劑，乙腈為致孔劑，在紫外光照射的條件下引發(fā)聚合，結(jié)合多相競(jìng)爭熒光分析法，用該MIP膜對(duì)血清中的地高辛濃度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該MIP膜對(duì)地高辛具有較強(qiáng)的識(shí)別能力和結(jié)合能力。

付坤等[42]以甲基汞離子為模板離子，8-巰基喹啉（8-Mercaptoquinoline）（1，圖3）和4-乙烯基吡啶（4-vinylpyridine）分別為熒光配體和功能單體，偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，二甲基亞砜作為溶劑，以聚偏氟乙烯（PVDF）膜為支撐膜，在 65℃引發(fā)聚合，制得甲基汞離子印跡熒光膜，該膜對(duì)甲基汞離子表現(xiàn)出較高的選擇性，其檢測(cè)限達(dá)到 3.5×10?7mol/L，并且可以用于河水中甲基汞離子的分離與富集，其回收率達(dá)93%～104%。

Chow 等[43]首先用N-(1-芘)-馬來酰亞胺衍生化高半胱氨酸得到熒光物質(zhì)（2），然后以這種物質(zhì)作為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TRIM）作為交聯(lián)劑，引發(fā)聚合制備了高半胱氨酸的熒光印跡膜，并通過熒光的變化來檢測(cè)高半胱氨酸分子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)模板分子的最高識(shí)別位點(diǎn)數(shù)可達(dá) 11.9±0.8 nmol/g。

Muk等[44]以Al3+為模板離子，丙烯酰胺作為功能單體，8-羥基喹啉-5-磺酸（8-hydroxyquinolin e-5-sulfonic acid）（3）為熒光單體，EGDMA為交聯(lián)劑，加入AIBN引發(fā)劑在70 ℃下引發(fā)聚合制備得到Al3+的離子印跡熒光傳感器（圖2），經(jīng)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，其熒光強(qiáng)度隨著 Al3+結(jié)合數(shù)量的增多而變大，檢測(cè)限為3.62×10-6mol/L，檢測(cè)精度（RSD）為2.82%。

Ng 等[45]以 1-萘氨基苯（4）為模板分子，β-環(huán)式糊精、甲苯二異氰酸酯分別作為功能單體和交聯(lián)劑，冷引發(fā)聚合制備了1-萘氨基苯的熒光分子印跡膜，實(shí)驗(yàn)表明該印跡膜的響應(yīng)時(shí)間只有90 s，并在(0.5×10?4)～(1.6×10?4) mol/L 濃度范圍內(nèi)呈線性，檢測(cè)限為 1.38 μmol/L。

Guumlney等[46]以 Hg2+作為模板金屬離子，9-乙烯基咔唑（VCz）（5）為熒光探針，4-乙烯基吡啶（4-vp）為功能單體，加入交聯(lián)劑EGDMA及引發(fā)劑 AIBN，在容器內(nèi)直接引發(fā)聚合，得到汞離子印跡聚合物，采用鹽酸洗脫Hg2+，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Hg2+會(huì)使VCz熒光淬滅，并可以通過其熒光強(qiáng)度的變化來檢測(cè) Hg2+，其線性檢測(cè)范圍為(5.0×10?7)～(1×10?4) mol/L。

2.3 分子印跡質(zhì)量敏感型傳感器

圖2 Al3+印跡聚合物的吸附與洗脫過程[44]

圖3 熒光物質(zhì)結(jié)構(gòu)

結(jié)合分子印跡技術(shù)和石英晶體微天平（quartz crystal microbalance，QCM）[47-48]的質(zhì)量敏感型傳感器也得到了廣泛研究。石英晶體電極表面的質(zhì)量變化可以轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，因此可以通過監(jiān)測(cè)頻率的變化測(cè)定QCM表面所吸附的質(zhì)量。將MIPs與QCM結(jié)合，可構(gòu)成能夠檢測(cè)特定分子的MIPs質(zhì)量敏感型傳感器。

Kobayashi 等[49]以咖啡因?yàn)槟０宸肿?，以聚丙烯腈（PAN）作為聚合劑，采用相轉(zhuǎn)化沉淀聚合法制備了厚度約為0.1 mm的分子印跡聚合物（MIPs）膜，然后將膜貼于石英晶體微天平的金電極上，組成了可以檢測(cè)咖啡因的MIPs-QCM傳感器，將該傳感器浸入含有咖啡因的溶液中，QCM 的諧振頻率逐漸下降，大約30 min后穩(wěn)定，并且經(jīng)測(cè)定頻率每降低1 Hz，MIPs會(huì)吸附0.061 ng的咖啡因。

Haupt 等[50]以S-心得安為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，首先將預(yù)聚合溶液滴至QCM的金電極上，然后用相同大小的石英圓盤覆蓋在上面，紫外光引發(fā)聚合制得S-心得安分子印跡聚合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該聚合物厚度為 2 μm，該傳感器對(duì)S-心得安具有較高的選擇性，檢測(cè)限為50 mmol/L，并且其對(duì)映體選擇系數(shù)為 5.0。Percival 等[51]以 L-薄荷醇為模板分子，甲基丙烯酸為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，采用相同的方法在QCM 金電極表面制備了一層分子印跡聚合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器對(duì)L-薄荷醇的檢測(cè)限為200×10?9，L/D對(duì)映體的選擇系數(shù)為3.6。

Zhou 等[52]以軟骨藻素為模板分子，1,3,4-三羧基戊烷為功能單體，以多巴胺為交聯(lián)劑聚合得到膜狀的分子印跡聚合物，然后將改聚合物膜固定在QCM 的金電極上制成了檢測(cè)軟骨藻素的傳感器，結(jié)果表明該傳感器對(duì)軟骨藻素的檢測(cè)限為5×10?9，并在 0～(100×10?9)范圍內(nèi)呈線性，同時(shí)對(duì)其與其同系物具有較好的區(qū)分能力。

Nagaoka 等[53]以L-谷氨酸鈉為模板分子，吡咯為功能單體，采用恒電流沉積法制備了分子印跡聚合物膜，并用于QCM識(shí)別L-谷氨酸鈉和D-谷氨酸鈉，QCM證實(shí)膜層厚度大約為300 nm，在650 s內(nèi) L-谷氨酸鈉和 D-谷氨酸鈉的質(zhì)量分別增加了 9 μg/cm2（60 nmol/cm2）和 0.8 μg/cm2（6 nmol/cm2），對(duì)映體選擇系數(shù)較高。

張孝剛等[54]以三聚氰胺（MEL）為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，采用鄰苯二胺為成膜劑，pH = 8.0的BR緩沖液作為溶劑級(jí)電解液，采用電聚合的方法，直接在QCM的傳感器電極上合成了一層分子印跡薄膜。實(shí)驗(yàn)表明該傳感器對(duì)MEL具有較好的頻率表征效果。

3 分子印跡在化學(xué)傳感器陣列中的應(yīng)用

化學(xué)傳感器陣列是通過模擬味覺或嗅覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜混合體系中目標(biāo)分析物的識(shí)別，因此又被稱為“電子舌”或“電子鼻”。人或動(dòng)物的味覺及嗅覺系統(tǒng)中含有眾多的具有交叉感應(yīng)特性的受體蛋白，這些蛋白質(zhì)會(huì)對(duì)某一種氣味或味道產(chǎn)生不同的響應(yīng)，然后這些響應(yīng)值通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理后，會(huì)對(duì)物質(zhì)的氣味或味道作出判斷與識(shí)別?；瘜W(xué)傳感器陣列根據(jù)其中多個(gè)單元對(duì)樣品響應(yīng)的特征圖譜進(jìn)行分析識(shí)別，為發(fā)展快速分析方法提供了新的途徑。

傳統(tǒng)的化學(xué)傳感器陣列需要選擇較好的指示基團(tuán)或接受體基團(tuán)，并將它們進(jìn)行化學(xué)組合后形成多個(gè)傳感單元組成陣列，而傳感單元的數(shù)目在某種程度上影響著傳感器陣列的性能，數(shù)目太少，則無法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜樣品的檢測(cè)，分析識(shí)別效果較差，因此就需要多種熒光物質(zhì)和接受體基團(tuán)，并且很多傳感器陣列無法做到重復(fù)使用，這些都在很大程度上限制了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用[55-57]。

分子印跡傳感器陣列則利用了分子印跡聚合物本身具有的選擇性和交互靈敏性，以分子印跡聚合物顆粒或者聚合物膜作為識(shí)別元件，陣列中單一的傳感器單元不要求高的選擇性，但是多個(gè)具有交互靈敏性的傳感器組合在一起，由于不同的傳感器對(duì)同一樣品產(chǎn)生不同的響應(yīng)信號(hào)，就可以得到一個(gè)多維測(cè)量數(shù)據(jù)矩陣（圖4），對(duì)復(fù)雜體系的定性定量分析提供足夠和可靠的信息，在未知物和混合物的分析與識(shí)別中越來越多地受到人們的關(guān)注。

圖4 分子印跡化學(xué)傳感器陣列識(shí)別原理示意圖[58]

Greene等[59]以普萘洛爾、麻黃堿及偽麻黃堿等7種不同的芳香胺作為模板分子，甲基丙烯酸（MAA）為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）和偶氮二異丁腈（AIBN）分別作為交聯(lián)劑和引發(fā)劑，在紫外光照射下冷引發(fā)聚合制得了7種印跡聚合物材料和一種非印跡聚合物材料，通過反應(yīng)前后紫外光譜的變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)胺類的特異性識(shí)別，其準(zhǔn)確率達(dá)94%。并利用指示劑取代原理，組成了含有7個(gè)分子印跡聚合物作為識(shí)別元件的傳感器陣列系統(tǒng)，在 MIPs上結(jié)合苯并呋喃（Benzofurazan dye）作為色彩響應(yīng)信號(hào)分子，對(duì)7種結(jié)構(gòu)類似芳香胺測(cè)試所得的多維數(shù)據(jù)，利用LDA方法進(jìn)行鑒別分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)7種芳香胺的檢測(cè)，檢測(cè)限為1 μmol/L，線性判別的準(zhǔn)確率為94%。

Tan等[60]將 8-羥基喹啉（8-hydroxyqulnohne，8-HQ）基團(tuán)引入到一種傳統(tǒng)的功能單體3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTEs）中，作為熒光功能單體，并分別以Zn2+、Cd2+為模板離子，四乙氧基硅烷作為交聯(lián)劑，采用表面印跡的方法制備了Zn2+、Cd2+的印跡聚合物（圖5），非印跡聚合物中不加模板離子，并用這3種材料作為傳感器測(cè)試Zn2+、Cd2+、Mg2+、Ca2+、Al3+5種金屬離子，會(huì)得到一個(gè)熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)矩陣，采用主成分分析法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以較好地實(shí)現(xiàn)5種金屬離子的識(shí)別。同時(shí)并以D-木糖做為模板分子，構(gòu)建了指示劑取代分子印跡傳感器陣列，用鄰苯二酚作為競(jìng)爭性指示劑來驗(yàn)證 MIP的特異性識(shí)別能力，利用2個(gè)印跡聚合物和1個(gè)非印跡聚合物組成MIP傳感器陣列，檢測(cè)8種不同的碳水化合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)單元組成的傳感器陣列可以有效識(shí)別 6種碳水化合物，當(dāng)增加陣列中單元MIP的數(shù)量時(shí)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)更多種類碳水化合物的識(shí)別。

Takeuchi等[61]采用3種蛋白質(zhì)作為模板分子，并分別用丙烯酸（AA）和 2-二甲氨基-乙基丙烯酸酯（DMA） 兩種酸性和堿性的物質(zhì)作為功能單體，亞甲基二丙烯酰胺（MBAA）作為交聯(lián)劑，引發(fā)聚合制備了6種不同的分子印跡聚合物材料（MIPs），并用同樣的方法但是不加入模板分子合成兩種非印跡聚合物材料（NMIPs）。使用所組成的傳感器陣列結(jié)合高效液相色譜（HPLC）對(duì)多種蛋白質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，然后利用主成分分析（PCA）法對(duì)得到的多維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維分析，可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行很好的識(shí)別。

圖5 熒光離子印跡介孔硅材料示意圖[60]

蘆薇等[62]以三硝基甲苯（TNT）作為模板分子，丙烯酰胺（acrylamide）為功能單體，采用乳液聚合的方法制備了具有單分散性的 TNT分子印跡膠體微球，然后通過垂直沉降法進(jìn)行自組裝，用膠帶將具有蛋白石結(jié)構(gòu)的分子印跡膠體陣列固化，研究了該陣列在不同比例甲醇/水溶液中的光學(xué)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)甲醇/水的體積比為 7∶3，TNT的濃度為20 mmol/L時(shí)，反射峰紅移近24 nm，是非印跡膠體陣列的1.4倍，為TNT結(jié)構(gòu)類似物的23倍，為TNT的快速裸眼檢測(cè)提供了可能性。

4 結(jié) 語

分子印跡聚合物以其高選擇性、特異性識(shí)別等特點(diǎn)被應(yīng)用于傳感器及化學(xué)傳感器陣列領(lǐng)域，有著深刻的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。尤其是在化學(xué)傳感器領(lǐng)域，利用分子印跡聚合物作為傳感器的識(shí)別元件不失為一種有效的選擇，它可以在惡劣的環(huán)境下對(duì)組分進(jìn)行分析檢測(cè)。但是到目前為止，其在化學(xué)傳感器陣列領(lǐng)域的應(yīng)用還僅僅局限在光化學(xué)傳感器陣列方面，并且對(duì)其機(jī)理的研究還不夠深入，在其所應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)模板分子多是溶于有機(jī)相，對(duì)氣相分子的識(shí)別研究較少；所加入的熒光單體或熒光試劑在聚合過程中只是簡單地附著在三維空穴中，在洗脫過程中容易脫落，影響了其檢測(cè)效果及重復(fù)使用次數(shù)；另外，MIPs的合成過程受多種因素的影響，如致孔劑、功能單體及交聯(lián)劑用量、反應(yīng)溫度及時(shí)間等，這些都對(duì)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用造成了一定影響。

分子印跡技術(shù)在傳感器及陣列領(lǐng)域的發(fā)展方向?yàn)椋孩龠\(yùn)用量子化學(xué)及分子動(dòng)力學(xué)模擬輔助實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化分子印跡聚合物的制備過程，加強(qiáng)傳感機(jī)理方面的研究；②在光化學(xué)傳感器領(lǐng)域，可用的熒光功能單體較少，因此開發(fā)出新型、含有雙鍵及熒光性質(zhì)穩(wěn)定的熒光功能單體是很有意義的；③開發(fā)出以痕量或超痕量重金屬離子、有毒氣體分子為模板的印跡聚合物作為傳感器組成陣列，實(shí)時(shí)快速地對(duì)污染物種類及含量做出檢測(cè)；④迄今為止，分子印跡技術(shù)在傳感器陣列領(lǐng)域的應(yīng)用僅僅局限在光化學(xué)傳感器陣列，希望在不久的將來可以將分子印跡技術(shù)更多地運(yùn)用在電化學(xué)傳感器陣列及質(zhì)量敏感型傳感器陣列領(lǐng)域，不斷開發(fā)其在食品分析、藥物控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。

[1]Karakhanov E A，Maximov A L. Molecular imprinting technique for the design of cyclodextrin based materials and their application in catalysis[J]. Current Organic Chemistry，2010，14（13）：1284-1295.

[2]Pauling L. Drug assay using antibody mimics made by molecular imprinting[J]. Journal of the American Chemical Society，1940，62：2643-2657.

[3]Dickey F H. The preparation of specific adsorbents [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，1949，35：227-229.

[4]Wulff G. Molecular imprinting in cross-linked materials with the aid of molecular templates—A way towards artificial antibodies [J].Angewandte Chemie-International Edition in English，1995，34（17）：1812-1832.

[5]Wulff G. Molecular imprinting in crosslinked polymers—The role of the binding sites[J]. Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology Section a-Molecular Crystals and Liquid Crystals，1996，276：1-6.

[6]Wulff G，Schauhoff S. Enzyme-analog-built polymers.27.racemicresolution of sugars with macroporous polymers prepared by molecular imprinting-selectivity dependence on the arrangement of functional-groups versus spatial requirements [J]. Journal of Organic Chemistry，1991，56（1）：395-400.

[7]Mosbach K. The promise of molecular imprinting[J]. Scientific American，2006，295（4）：86-91.

[8]Ye L，Mosbach K. Molecular imprinting：Synthetic materials as substitutes for biological antibodies and receptors[J]. Chemistry of Materials，2008，20（3）：859-868.

[9]Zhang H Q，Ye L，Mosbach K，et al. Non-covalent molecular imprinting with emphasis on its application in separation and drug development[J]. Journal of Molecular Recognition，2006，19（4）：248-259.

[10]Bossi A M，Sharma P S，Montana L，et al. Fingerprint-imprinted polymer：Rational selection of peptide epitope templates for the determination of proteins by molecularly imprinted polymers[J].Analytical Chemistry，2012，84（9）：4036-4041.

[11]Fu Q，Sanbe H，Kagawa C. Uniformly sized molecularly imprinted polymer for （S）-nilvadipine. Comparison of chiral recognition ability with HPLC chiral stationary phases based on a protein[J].Analytical Chemistry，2003，75（2）：191-198.

[12]Kyzas G Z，Lazaridis N K，Bikiaris D N. Optimization of chitosan and beta-cyclodextrin molecularly imprinted polymer synthesis for dye adsorption[J]. Carbohydrate Polymers，2013，91（1）：198-208.

[13]Prasad B B，Pandey I. Electrochemically imprinted molecular recognition sites on multiwalled carbon-nanotubes/pencil graphite electrode surface for enantioselective detection of D- and L-aspartic acid[J]. Electrochimica Acta，2013，88：24-34.

[14]Mehdinia A，Aziz-Zanjani M O，Ahmadifar M. Design and synthesis of molecularly imprinted polypyrrole based on nanoreactor SBA-15 for recognition of ascorbic acid[J]. Biosensors &Bioelectronics，2013，39（1）：88-93.

[15]Pathak R K，Dessingou J，Rao C P. Multiple sensor array of Mn2+，F(xiàn)e2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，and Zn2+complexes of a triazole linked imino-phenol based calix 4 arene conjugate for the selective recognition of Asp，Glu，Cys，and His[J]. Analytical Chemistry，2012，84（19）：8294-8300.

[16]Rehman A，Hamilton A，Chung A. Differential solute gas response in ionic-liquid-based QCM arrays：Elucidating design factors responsible for discriminative explosive gas sensing[J]. Analytical Chemistry，2011，83（20）：7823-7833.

[17]雷啟福. 分子印跡聚合物的制備及其識(shí)別特性的應(yīng)用研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2005.

[18]隋洪艷，李紅旗，沈忠耀，等. 分子印跡技術(shù)手性分離氨基酸衍生物（Ⅰ）—分子印跡聚合物的制備、色譜評(píng)價(jià)及物理化學(xué)表征[J]. 精細(xì)化工，2003（6）：345-348，373.

[19]王永健，白姝，孫彥，等. 分子印跡聚合物的設(shè)計(jì)合成[J]. 離子交換與吸附，2001（4）：360-368.

[20]Taranekar P，Huang C Y，Advincula R C，et al. Pinacolyl methyl phosphonate （PMP） detection by molecularly imprinted polymers（MIP）：A labile covalent bonding approach[J]. Polymer，2006，47（19）：6485-6490.

[21]Del Sole R，Lazzoi M R，Arnone M，et al. Experimental and computational studies on non-covalent imprinted microspheres as recognition system for nicotinamide molecules[J]. Molecules，2009，14（7）：2632-2649.

[22]張孝剛，朱秋勁，胡萍，等. 三聚氰胺分子印跡預(yù)組裝體系紫外光譜研究[J]. 食品科學(xué)，2011，21：128-132.

[23]Boonpangrak S，Prachayasittikul V，Bulow L，et al. Molecularly emprinted polymer microspheres prepared by precipitation polymerization using a sacrificial covalent bond[J]. Journal of Applied Polymer Science，2006，99（4）：1390-1398.

[24]Hall A J，Lanza-Sellergren F，Manesiotis P，et al. Non-covalent imprinting of phosphorous esters[J]. Analytica Chimica Acta，2005，538（1-2）：9-14.

[25]Castro B，Whitcombe M J，Vulfson E N，et al. Molecular imprinting for the selective adsorption of organosulphur compounds present in fuels[J]. Analytica Chimica Acta，2001，435（1）：83-90.

[26]Whitcombe M J，Vulfson E N. Imprinted polymers[J]. Advanced Materials，2001，13（7）：467.

[27]Kirsch N，Alexander C，Davies S，et al. Sacrificial spacer and non-covalent routes toward the molecular imprinting of“poorly-functionalized” N-heterocycles[J]. Analytica Chimica Acta，2004，504（1）：63-71.

[28]Papaioannou E H，Liakopoulou-Kyriakides M，Papi R M，et al.Metal-ligand interaction in molecular imprinted polymers for C-terminal cholecystokinin pentapeptide[J]. Febs Journal，2008，275：421-421.

[29]Terry T J，Stack T D P. Covalent heterogenization of a discrete Mn（II） bis-phen complex by a metal-template/metal-exchange method：An epoxidation catalyst with enhanced reactivity[J].Journal of the American Chemical Society，2008，130（14）：4945-4953.

[30]牟懷燕，高云玲，付坤，等. 離子印跡聚合物研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011（11）：2467-2480.

[31]Prasad K，Suman C K，Choudhary R N P，et al. Studies on dielectric responses of Pb2Bi3RTi5O18 （R La，Nd，Sm，Gd，Dy） ceramics[J]. Ferroelectrics，2005，324：89-94.

[32]Piletsky S A，Piletskaya E V，Elgersma A V，et al. Atrazine sensing by molecularly imprinted membranes[J]. Biosensors &Bioelectronics，1995，10（9-10）：959-964.

[33]Zhou Y X，Yu B，Levon K，et al. Potentiometric sensing of chiral amino acids[J]. Chemistry of Materials，2003，15（14）：2774-2779.

[34]劉亞強(qiáng)，劉艷，黃西潮，等. 硅基分子印跡技術(shù)制備銅離子選擇電極[J]. 化學(xué)研究，2008（3）：70-73.

[35]張進(jìn)，徐嵐，王亞瓊，等. 基于分子印跡電聚合膜的雙酚A電化學(xué)傳感器[J]. 分析化學(xué)，2009，37（7）：1041-1044.

[36]Fang Cheng，Yi Chenglin，Wang Yang，et al. Electrochemical sensor based on molecular imprinting by photo-sensitive polymers[J].Biosens. Bioelectron.，2009，24（10）：3164-3169.

[37]Liang R N，Gao Q，Qin W. Potentiometric sensor based on molecularly imprinted polymers for rapid determination of clenbuterol in pig urine[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry，2012，40（3）：354-358.

[38]Afkhami A，Ghaedi H，Madrakian T，et al. Fabrication of a new electrochemical sensor based on a new nano-molecularly imprinted polymer for highly selective and sensitive determination of tramadol in human urine samples[J]. Biosensors & Bioelectronics，2013，44：34-40.

[39]Kriz D，Ramstrom O，Svensson A，et al. Introducing biomimetic sensors based on molecularly imprinted polymers as recognition elements[J]. Analytical Chemistry，1995，67（13）：2142-2144.

[40]Valero-Navarro A，Salinas-Castillo A，F(xiàn)ernandez-Sanchez J F，et al. The development of a MIP-optosensor for the detection of monoamine naphthalenes in drinking water[J]. Biosensors &Bioelectronics，2009，24（7）：2305-2311.

[41]González G P，Hernando P F，Alegría J S D. An optical sensor for the determination of digoxin in serum samples based on a molecularly imprinted polymer membrane[J]. Analytica Chimica Acta，2009，638（2）：209-212．

[42]付坤，高云玲，姚克儉，等. 離子印跡傳感器選擇性檢測(cè)甲基汞離子[J]. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2012（8）：1001-1004.

[43]Chow C F，Lam M H W，Leung M K P，et al. Fluorescent sensing of homocysteine by molecular imprinting[J]. Analytica Chimica Acta，2002，466（1）：17-30.

[44]Muk N S，Narayanaswamy R. Molecularly imprinted polymers as optical sensing receptors：Correlation between analytical signals and binding isotherms[J]. Analytica Chimica Acta，2011，703（2）：226-233.

[45]Ng S M，Narayanaswamy R. Molecularly imprinted beta-cyclodextrin polymer as potential optical receptor for the detection of organic compound[J]. Sens Actuator B-Chem.，2009，139（1）：156-165.

[46]Guumlney O，Cebeci F C. Molecularly imprinted fluorescent polymers as chemosensors for the detection of mercury ions in aqueous media[J]. Journal of Applied Polymer Science，2010，117（4）：2373-2379.

[47]Buttry D A，Ward M D. Measurement of interfacial processes at electrode surfaces with the electrochemical quartz crystal microbalance [J]. Chemical Reviews，1992，92（6）：1355-1379.

[48]Marx K A. Quartz crystal microbalance：A useful tool for studying thin polymer films and complex biomolecular systems at the solution-surface interface[J]. Biomacromolecules，2003，4（5）：1099-1120.

[49]Kobayashi T，Murawaki Y，Reddy P S，et al. Molecular imprinting of caffeine and its recognition assay by quartz-crystal microbalance[J].Analytica Chimica Acta，2001，435（1）：141-149.

[50]Haupt K，Noworyta K，Kutner W，et al. Imprinted polymer-based enantioselective acoustic sensor using a quartz crystal microbalance[J]. Analytical Communications，1999，36（11-12）：391-393.

[51]Percival C J，Stanley S，Galle M，et al. Molecular-imprinted，polymer-coated quartz crystal microbalances for the detection of terpenes[J]. Analytical Chemistry，2001，73（17）：4225-4228.

[52]Zhou W H，Tang S F，Yao Q H，et al. A quartz crystal microbalance sensor based on mussel-inspired molecularly imprinted polymer[J]. Biosensors & Bioelectronics，2010，26（2）：585-589.

[53]Deore B，Chen Z D，Nagaoka T，et al. Potential-induced enantioselective uptake of amino acid into molecularly imprinted overoxidized polypyrrole[J]. Analytical Chemistry，2000，72（17）：3989-3994.

[54]張孝剛，臺(tái)紅杏，田艷麗，等. 電聚合制備三聚氰胺分子印跡QCM 傳感器薄膜及其表征研究[J]. 肉類研究，2013，27（1）：11-16.

[55]Palacios M A，Wang Z，Montes V A，et al. Hydroxyquinolines with extended fluorophores：Arrays for turn-on and ratiometric sensing of cations[J]. Chemical Communications，2007，36：3708-3710.

[56]Anzenbacher P J，Li F，Palacios M A，et al. Toward wearable sensors：Fluorescent attoreactor mats as optically encoded cross-reactive sensor arrays[J]. Angewandte Chemie-International Edition，2012，51（10）：2345-2348.

[57]Basabe-Desmonts L，van der Baan F，Zimmerman R S，et al.Cross-reactive sensor array for metal ion sensing based on fluorescent SAMs[J]. Sensors，2007，7（9）：1731-1746.

[58]Greene N T，Morgan S L，Shimizu K D. Molecularly imprinted polymer sensor arrays[J]. Chemical Communications，2004（10）：1172-1173.

[59]Greene N T，Shimizu K S. Molecular imprinted sensor arrays coupled with PCA and LDA in the identification of unknowns[J].Abstracts of Papers of the American Chemical Society，2004，227：U440-U440.

[60]Tan J，Wang H F，Yan X P，et al. Discrimination of saccharides with a fluorescent molecular imprinting sensor array based on phenylboronic acid functionalized mesoporous silica[J]. Analytical Chemistry，2009，81（13）：5273-5280.

[61]Takeuchi T，Goto D，Shinmori H，et al. Protein profiling by protein imprinted polymer array[J]. Analyst，2007，132（2）：101-103.

[62]蘆薇，薛飛，黃舒悅，等. 分子印跡納米膠體陣列檢測(cè)爆炸物的研究[J]. 分析化學(xué)，2012（10）：1561-1566.