分子印跡電化學(xué)傳感器在食品檢測中的研究進展

韓 爽 丁雨欣 冷秋雪 姚艾鑫 騰 福 秦世麗 杜績偉 劉秀芝

(1. 齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 齊齊哈爾市環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

分子印跡聚合物(Molecularly imprinted polymer, MIP)是一種可以特異性與目標(biāo)分子結(jié)合的仿生材料。分子印跡技術(shù)(Molecular imprinting technology, MIT)是20世紀(jì)80年代迅速興起的一種化學(xué)分析技術(shù)[1]，分子印跡電化學(xué)傳感器(Molecularly imprinted electrochemical sensor, MIECS)是以MIP為基礎(chǔ)制備的電化學(xué)傳感器，結(jié)合了分子印跡與傳感器二者的優(yōu)點，能夠特異性的識別目標(biāo)分子，在環(huán)境監(jiān)控、生物大分子標(biāo)記、質(zhì)量監(jiān)控以及食物檢測等領(lǐng)域備受關(guān)注，近幾年在食品安全領(lǐng)域的發(fā)展尤其迅速，目前已形成了成熟的體系[2]。MIT模擬了“鑰匙”和“鎖”的原理，可以使其制備的分子印跡聚合物能夠特異性識別目標(biāo)分子，MIP是利用自由基聚合技術(shù)，制備出一種能夠?qū)Υ郎y物質(zhì)具有特異性吸附能力的聚合物[3]。其制備過程為[4]：先將模板分子溶于合適的溶劑中，通過與功能單體的共價或非共價作用形成預(yù)聚合體系，然后在聚合體系中加入交聯(lián)劑，在光/熱引發(fā)下進行聚合反應(yīng)，再通過一定的理化手段將產(chǎn)物中嵌入的模板分子去除，得到印跡聚合物。通過上述手段得到的聚合物中具有“空腔”，該“空腔”模板分子相匹配，從而使印跡聚合物對模板分子的識別能力遠高出其他物質(zhì)。

MIECS是利用MIP的特異性識別，以MIP為基底制備的電化學(xué)傳感器，不僅可以特異性識別目標(biāo)分子[5]，還具有靈敏度高、分析速度快、操作簡單、易于小型化等優(yōu)點[6-7]。隨著人們生活水平的提高，食品安全問題已成為全世界關(guān)注的焦點問題[8]。農(nóng)藥、獸藥、防腐劑等物質(zhì)殘留是人們關(guān)心的主要問題，傳統(tǒng)的食品檢測方法選擇性差、操作復(fù)雜，而MIECS具有操作簡便、選擇性高、易于攜帶等優(yōu)點，對目標(biāo)分子有特異性識別能力，可以有效克服食品樣品成分復(fù)雜，難以識別的困難。劉欣等[9-11]對MIT在食品分析檢測中的應(yīng)用進行了總結(jié)。而將電化學(xué)傳感器與MIT獨特的優(yōu)勢相結(jié)合用于食品分析領(lǐng)域，將是一個熱點研究方向。文章擬對近年來MIECS的制備方法、類型以及在食品安全檢測中的應(yīng)用進行綜述，并對其發(fā)展前景進行展望，旨在為MIECS的應(yīng)用與發(fā)展提供依據(jù)。

1 MIECS的制備方法

分子印跡敏感膜是MIECS的關(guān)鍵性部分，分子印跡膜的制備方法主要有以下幾種[12]。

1.1 原位引發(fā)聚合

原位引發(fā)聚合法是將含有目標(biāo)分子、功能單體與引發(fā)劑的混合溶液直接滴涂至電極表面，在熱或光的作用下發(fā)生聚合，該方法的膜厚度可控且操作簡便，但制備聚合物通常其交聯(lián)度過高，難以將模板分子從中徹底清除。華彥濤等[13]利用原位聚合分子印跡技術(shù)，以3-氨基苯硼酸(3-ABBA)為功能單體，利巴韋林為目標(biāo)分子，以硼酸和順式二醇在不同酸堿度條件下可逆形成環(huán)內(nèi)酯鍵為原理，在玻碳電極表面原位聚合形成利巴韋林分子印跡膜，與利巴韋林的其他檢測方法(如LC，LC-MS等) 相比，該傳感器的制備方法簡單、檢測時間短、檢出限較低且穩(wěn)定性好，但識別性能受到樣品酸堿度影響。

1.2 表面涂覆法

表面涂覆法是將已制備好的MIP顆粒均勻地分散在溶劑中，將溶液滴涂、旋涂或蘸涂至電極表面進行修飾，直至溶劑揮發(fā)，電極表面形成MIP[14]。Zhang等[15]用石墨烯修飾電極，將制備的MIP均勻滴涂在被修飾的GCE表面，待溶劑揮發(fā)后得到可以檢測食品中吡蟲啉(IDP)的MIECS，其檢出限可達1×10-7mol/L。表面涂覆法制備的分子印跡傳感器具有良好的靈敏度，但該方法的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性略差。

1.3 電化學(xué)聚合法

電化學(xué)聚合法是現(xiàn)階段制備MIECS最有潛力的一種方法。一般情況下，將模板分子和功能單體以一定比例溶于溶劑中，在施加一定大小的電壓下，使功能單體與目標(biāo)分子在清潔電極表面進行聚合，形成分子印跡敏感膜，此方法操作簡便，制備的分子印跡聚合膜具有很好的剛性，在洗脫模板分子后印跡孔穴完整，具有很好的重現(xiàn)性，是目前使用最多的一種聚合方法。Imer等[16]以異丙隆為目標(biāo)分子，吡咯為功能單體，采用循環(huán)伏安法(CV)在玻碳電極(GCE)表面進行電聚合，制備可以特異性識別異丙隆的分子印跡敏感膜，該電化學(xué)傳感器靈敏度好、操作簡單，被應(yīng)用于水中異丙隆的檢測。為提高印跡識別位點數(shù)量，增強選擇識別性，韋壽蓮等[17]結(jié)合表面分子印跡技術(shù)，在多孔碳納米纖維(PCNF)修飾的GCE表面，采用電聚合的方法，制備可特異性識別孔雀石綠(MG)的MIECS，其檢出限可達0.042 nmol/L，此方法可應(yīng)用于草魚樣品中MG含量的測定。多孔碳納米纖維(PCNF)具有機械強度大、孔隙率高、廉價易得的優(yōu)點，PCNF的使用提高了該類傳感器的選擇識別性，為該類傳感器的制備技術(shù)提供了借鑒。

1.4 溶膠凝膠法

該方法是將MIT與溶膠—凝膠技術(shù)的優(yōu)勢進行結(jié)合，制備一種對目標(biāo)分子具有特異性識別的聚合物，該方法操作簡便，制備的MIP穩(wěn)定性好，不受強酸、強堿、高壓的影響。Gan等[18]以Au@Ag@SiO2納米粒子為核，采用溶膠凝膠法制備Au@Ag@SiO2@MIP，將其修飾在GCE表面，制備了可特異性識別可可堿的MIECS，在MIP基體中摻雜多殼Au@Ag@SiO2增敏材料可以顯著加速電子轉(zhuǎn)移，增強電化學(xué)信號，同時溶膠凝膠法生成的二氧化硅層有效地改善了Au和Ag納米粒子的穩(wěn)定性，防止其聚集。該方法線性范圍寬、檢出限低，具有優(yōu)異的選擇性和重現(xiàn)性。此外，Wei等[19]以金屬有機骨架(MOF)為核，MIP為殼，采用溶膠凝膠技術(shù)修飾在電極表面，研制了對氨氯地平具有較高親和力和選擇性的核殼有機—無機雜化MIP(MOF-177@MIP)。與傳統(tǒng)的非核殼MIP相比，核殼結(jié)構(gòu)的MIP表現(xiàn)出更快的電子轉(zhuǎn)移速率和結(jié)合動力學(xué)。

通過對比分析，分子印跡膜的制備方法及優(yōu)缺點見表1。

2 MIECS的類型

根據(jù)輸出信號不同，MIECS可分為電位型、電導(dǎo)型、電流型及電容/阻抗型傳感器4種。

2.1 電位型傳感器

電位型傳感器是通過分子敏感膜對目標(biāo)分子識別前后電位大小的變化進行檢測[26]。Alizadeh等[27]以烯丙基胺(AA)和乙二醇二甲基丙烯酸酯為功能單體和交聯(lián)劑合成了一種用于乳制品中乳酸(LA)檢測的電位傳感器印跡聚合物，共聚反應(yīng)中LA和AA之間形成了酰胺鍵，而將LA從聚合物中去除后產(chǎn)生的與LA陰離子相匹配的MIP空腔，可影響MIP基電極的電位響應(yīng)行為；該傳感器在pH值為5～8時可以對活性離子即pH值升高時形成的LA陰離子顯示穩(wěn)定的電位響應(yīng)，響應(yīng)時間<60 s；與干擾物質(zhì)相比，該傳感器對LA表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性。電位型傳感器的使用與分子大小無關(guān)，響應(yīng)迅速，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的MIECS，但其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性略差[28]。

表1 分子印跡膜的制備方法及優(yōu)缺點

2.2 電導(dǎo)型傳感器

電導(dǎo)型傳感器是根據(jù)電導(dǎo)轉(zhuǎn)換原理進行制作，主要是利用靶向分子與印跡敏感膜結(jié)合后，導(dǎo)電性發(fā)生改變從而進行測定[29]。王勝碧等[30]將合成的MIP作為敏感材料與增塑劑形成增塑薄膜(MIP-PVC)，隔離在兩個插入鉑絲的測量池中間，MIP膜特異結(jié)合目標(biāo)分子后，由于靜電引力作用的變化使電導(dǎo)率改變，制成了檢測水楊酸(SA)的電導(dǎo)型傳感器。該傳感器操作簡單，但重現(xiàn)性略差，其實際應(yīng)用較少，有待進一步的開發(fā)和研究。

2.3 電流型傳感器

電流型傳感器是通過印跡敏感膜對目標(biāo)分子識別前后電流的變化而進行檢測，是目前應(yīng)用最多的MIECS，其不僅可以直接檢測電化學(xué)活性物質(zhì)，還可以通過氧化還原探針間接檢測非電化學(xué)活性物質(zhì)[31]。Motaharian等[32]以氯丙嗪(CPZ)為目標(biāo)分子，甲基丙烯酸(MAA)為功能單體，采用沉淀聚合法將聚合組分分散至高黏度溶劑中，在多壁碳納米管(MWCNT)表面形成均勻的MIP層。將制備的MIP@MWCNT修飾在絲網(wǎng)印刷電極表面，構(gòu)建了可以特異性識別CPZ的電化學(xué)傳感器，利用電流值的改變測定分析物濃度，結(jié)果表明該類傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度。

2.4 電容/阻抗型傳感器

電容型傳感器的檢測原理是根據(jù)分子印跡膜對目標(biāo)分子識別前后電容的變化進行檢測，該傳感器不需要其他試劑就可以提供電化學(xué)信號[33]。Miao等[34]提出了一種基于磁性Fe3O4和虛擬分子印跡聚合物(PDA@Fe3O4MIPMN)的新型阻抗化學(xué)傳感器。以酚(BPA)為虛擬模板分子代替目標(biāo)分子雙對氯苯基三氯乙烷(DDT)，多巴胺為功能單體合成MIP，在聚多巴胺層形成的虛擬模板識別腔中可以識別并吸附DDT，制備的PDA@Fe3O4-MIPM NPs電化學(xué)傳感器可用于檢測食品中DDT。該傳感器在1×10-11～1×10-3mol/L范圍內(nèi)，電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)與DDT濃度之間呈良好的線性關(guān)系。這類化學(xué)傳感器更適用于非電化學(xué)活性物質(zhì)。該方法解決了印跡體系中模板的泄漏問題，為農(nóng)藥殘留和其他環(huán)境有害化學(xué)品的檢測提供了新的思路和方法。

3 MIECS在食品安全檢測中的應(yīng)用

食品安全問題是人們廣泛關(guān)注的問題[35-36]，目前已應(yīng)用于食品安全檢測的技術(shù)較多，如高效液相色譜(HPLC)[37-38]、液—質(zhì)聯(lián)用(HPLC-MS)[39-40]、氣相色譜(GC)[41]、氣—質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)[42-44]等。MIECS具有選擇性好、靈敏度較高、分析迅速、易于操作、設(shè)備小型化等優(yōu)點，在食品安全檢測方面有很大潛力。表2列出了MIECS在食品檢測領(lǐng)域的一些應(yīng)用實例。

表2 分子印跡電化學(xué)傳感器在食品檢測中的應(yīng)用實例

3.1 食品中農(nóng)藥殘留的檢測

由于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中離不開農(nóng)藥的使用，農(nóng)藥化肥的大量使用也嚴(yán)重威脅了食品安全[50-51]。若農(nóng)副產(chǎn)品上的殘留超標(biāo)，人或動物長期食用后會引起慢性中毒或病變，進而影響人們身體健康。因此，檢測食品中的農(nóng)藥殘留問題非常重要。

陳昱安等[52]采用原位聚合法，以三嗪類除草劑西草凈(SMT)為模板分子、甲基丙烯酸(MAA)為功能單體，在玻碳電極表面熱聚合成膜，制備了西草凈MIECS；采用循環(huán)伏安法(CV)對印跡電極的電化學(xué)性能進行測試，并使用超高效液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)對測試結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明該電化學(xué)傳感器具有良好的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，其線性范圍分別為0.5～1.0，2～30 μmol/L，檢出限分別為0.13，0.89 μmol/L。該方法能夠初步滿足煙草中西草凈快速檢測的需求。增加檢測靈敏度通?？梢酝ㄟ^電極改性的方式達到目的，如Aghoutane等[53]設(shè)計了一種基于絲網(wǎng)印刷金電極(AuSPE)的靈敏選擇性MIP，用于橄欖油和水果中有機磷殺蟲劑馬拉硫磷(MAL)的檢測。結(jié)果表明，該傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度，檢出限低至0.06 pg/mL，回收率為87.9%，成功地應(yīng)用于橄欖油和水果樣品中MAL的測定，并為檢測各種食品以及環(huán)境樣品中的農(nóng)藥殘留提供了新方法。

3.2 食品中添加物的檢測

食品中允許添加一定劑量的食品添加劑，但是對于添加劑的種類、使用范圍、最大添加量和殘留量都有嚴(yán)格規(guī)定。當(dāng)食品中添加的食品添加劑不在國家規(guī)定范圍內(nèi)時，其屬于非法添加物[54-55]。濫用添加劑和非法食品添加劑一般會對人體產(chǎn)生危害，因此對添加劑進行檢測十分必要。

Yin等[56]用碳納米管(MWCNT)修飾電極，在電極表面自組裝形成GCE/MWCNT@MIP-DPA，制備了特異性識別代表性著色劑日落黃(SY)的MIECS。該傳感器在SY濃度為2.20～4.64 μmol/L內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限為1.4×10-9mol/L，對目標(biāo)分子具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。此外，金剛石、石墨烯和貴金屬納米材料也常與該類傳感器相結(jié)合，以提高對添加劑的檢測靈敏度。如Salvocomino等[57]以殼聚糖(CS)為功能單體，采用電聚合法在硼摻雜金剛石電極上電沉積MIP，制備了能夠特異性識別食品中鄰苯二酚的MIECS，該傳感器重現(xiàn)性好、靈敏度高，與不同酚類化合物相比，其對鄰苯二酚識別具有較高的選擇性，可在復(fù)雜的樣品中檢測鄰苯二酚，該方法減少了提取步驟，更加縮短了響應(yīng)時間。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，Zheng等[58]將石墨烯、金納米粒子與分子印跡傳感器相結(jié)合制備了一種基于石墨烯-Au納米粒子的MIECS，用于測定農(nóng)業(yè)中常用非離子表面活性劑4-壬基苯酚(4-NP)，其制備原理圖見圖1，檢出限達0.01 ng/mL。該傳感器抗干擾能力好，能選擇性識別分析物，可應(yīng)用于牛奶及其包裝材料中4-NP的檢測，與其他4-NP檢測方法相比，該方法的檢出限更低，拓寬了MIT在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 4-壬基苯酚分子印跡電化學(xué)傳感器制備示意圖[58]

3.3 食品中獸藥殘留的檢測

由于現(xiàn)代畜牧業(yè)對獸藥的濫用和誤用，動物源性食品中獸藥殘留問題已成為影響食品安全的重要因素之一[59]，因此動物源食品中獸藥殘留的檢測尤為重要[60]。Yun等[61]以養(yǎng)殖業(yè)中動物治療常用抗病毒藥物金剛烷胺(AM)為模板分子，鄰氨基硫酚(O-TA)為功能單體，在金電極表面制備分子印跡聚合物敏感膜，AM濃度為4.0×10-7～8.0×10-6mmol/L時與電流信號呈良好的線性關(guān)系，檢出限為3.06×10-9mmol/L。該傳感器具有檢測方便、快速等優(yōu)點，為動物源性食品中AM的檢測提供了一種準(zhǔn)確、方便、低成本的檢測方法。此外，為增強傳感器的靈敏度，量子點因其具有獨特的量子效應(yīng)和良好的電子遷移速率作為電極修飾材料備受關(guān)注。于壯壯等[62]采用CV法在金納米粒子(AuNPs)和石墨烯量子點(GQDs)復(fù)合材料修飾的GCE表面電聚合分子敏感膜，構(gòu)建了檢測畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)常用抗生素四環(huán)素的分子印跡傳感器(MIPs/GQDs-AuNPs/GCE)，AuNPs和GQDs為界面的電子轉(zhuǎn)移提供了良好的基底，并在催化過程中產(chǎn)生協(xié)同作用，增大了電流，檢出限可達1.5×10-9mol/L，該方法線性范圍寬，具有良好的特性，成本低，可實際應(yīng)用于牛奶中四環(huán)素的檢測。

4 結(jié)論與展望

分子印跡電化學(xué)傳感器具有分析速度快、操作簡單、易于攜帶等優(yōu)點，但仍存在一些不足之處：① 分子印跡電化學(xué)傳感器靈敏度低于生物傳感器，可以通過提高印跡孔穴數(shù)量進而提高其靈敏度，如結(jié)合核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料增加分子印跡電化學(xué)傳感器的比表面積以負載更多的印跡位點；② 分子印跡電化學(xué)傳感器可以選擇并使用的功能單體較少，研究新型功能單體并應(yīng)用于分子印跡電化學(xué)領(lǐng)域，有望擴大分子印跡電化學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍；③ 聚合物敏感膜的穩(wěn)定性和分子印跡電化學(xué)傳感器的重現(xiàn)性有待提高，如何使分子印跡聚合物大量生產(chǎn)也是進一步商業(yè)開發(fā)所需解決的問題。因此，隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)水平的不斷進步，分子印跡技術(shù)日漸完善，分子印跡電化學(xué)傳感器在食品安全檢測領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼮閺V闊的前景。