分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用（精选7篇）

篇1：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

分子印迹技术及其在环境领域的应用

分子印迹是近十年发展起来的新技术,本文阐述了分子印迹技术的.原理与分子印迹聚合物的制备方法,介绍了该技术在环境领域中的若干应用,提出了分子印迹技术将为环境领域的科学研究开辟一条新路等观点.

作 者：周勤 袁笑一 作者单位：华南理工大学,环境科学与工程学院环境工程系,广州,510640刊 名：科技通报 ISTIC PKU英文刊名：BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：21(1)分类号：X832关键词：分子印迹 分子印迹聚合物 环境领域 应用

篇2：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

分子印迹技术于近十年内得到了飞速的发展,已经成为当前研究的热点之一.本文主要介绍了分子印迹聚合物的原理以及一些常用制备方法.分子印迹聚合物的一个重要应用是在化学传感器中作为识别元件,研制稳定、低成本的分子印迹传感器.分子印迹聚合物在传感器领域的应用是分子印迹技术的一个重要方面,本文综述了分子印迹聚合物在化学传感器方面的`应用研究现状,并对分子印迹传感器的发展前景进行了评述.

作 者：曹丙庆 潘勇 赵建军 黄启斌 CAO Bing-qing PAN Yong ZHAO Jian-jun HUANG Qi-bin  作者单位：防化研究院,北京,102205 刊 名：高分子通报  ISTIC PKU英文刊名：CHINESE POLYMER BULLETIN 年，卷(期)： “”(8) 分类号：O6 关键词：分子印迹聚合物   制备   应用   传感器  

篇3：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

传感器由信号转换器和识别元件构成,识别元件以某种方式固定在转换器表面,当所检测的目标分子与转换器结合时,就会产生物理或化学信号,转换器将此信号转换成可定量输出的信号,通过监测输出信号对目标分子进行实时测定。已有的识别元件在识别过程中选择性很高,但稳定性差、制备成本较高并且对环境要求高。以分子印迹膜代替已有的识别元件,提高了传感器的灵敏度、稳定性和选择性,且价格低廉,已成为传感器领域的研究热点。

分子印迹膜在转换器上的固定方式是影响传感器性能的关键因素之一。目前,常用的固定方式有原位聚合法、表面涂覆法和电聚合法等。与其他方法相比,电聚合法具有制备简单快速、膜与电极附着紧密且厚度可控等优点,更适合用于分子印迹膜的制备。

1功能单体的选择

功能单体先与印迹分子形成具有一定排列和取向的预聚合体,然后通过电聚合形成分子印迹聚合物,再用物理或化学方法洗脱印迹分子,即形成可特异性识别印迹分子的聚合物膜,该膜可作为传感器的识别元件［2］。功能单体与印迹分子的作用方式有共价键和非共价键两种。分子印迹电聚合膜的功能单体,由印迹分子的结构及其与功能单体的结合方式决定,所选择的功能单体必须与印迹分子在分散介质中有较强的作用力［2］。若制备共价型印迹膜,应选择能与印迹分子形成共价键的功能单体,主要有硼酸酯、席夫碱和缩醛酮等。这种膜对印迹分子选择性高,但在分子识别过程中结合和解离速度慢,印迹分子与功能单体之间的作用力较强,难以达到热力学平衡,因此相关研究相对较少。在非共价型印迹膜中, 印迹分子与功能单体之间的作用力多点协调且强度较弱,结合和解离速度较快,可逆性好,因此非共价型印迹膜得到了广泛的应用。目前,已用于制备非共价型印迹膜的功能单体有吡咯( Pyrrole,Py) 、邻苯二胺( O - Phenylenediamine,OPD) 、酚类和噻吩及其衍生物等,它们一般含有- OH、- NH2和- COOH等极性官能团。

制备分子印迹电聚合膜时,常不加交联剂,制得的分子印迹膜刚性较强而柔性不足,聚合物链与印迹分子之间的结合位点较少,分子识别过程不能快速达到平衡,影响了印迹效果。为解决这一问题,可将2种或2种以上单体共聚,使聚合物产生更多的柔性支链,印迹分子与聚合物链之间有更多的结合位点,形成立体化三维空间网络。

2常用功能单体

2. 1 Py

聚吡咯( Polypyrrole,PPy) 易于电化学聚合成膜, 具有环境友好、导电态稳定性好和电导率高等优点,是传感器中最常用的导电聚合物之一［3］,见表1。

电聚合法制得的PPy导电高分子骨架带有正电荷,能使溶液中的阴离子在聚合过程中嵌入到PPy骨架中,利用这一原理,R. S. Hutchins和L. G. Bachas等人制备了检测硝酸盐的PPy印迹膜。D. R. Alba- no等［4］以表面活性剂十二烷基硫酸钠为模板,Py为单体,在晶体电极表面制备了检测十二烷基硫酸钠印迹膜。

在一定循环电位下PPy会发生过氧化反应,使一些含氧基团如羰基和羧基嵌入PPy骨架中,导致PPy骨架不再带正电,使膜内带负电的模板分子被释放, T. C. Tsai等［5］制备了检测多巴胺的OPPy印迹膜。

基于电聚合OPPy或PPy印迹膜用于手性化合物的分离,有人用电化学石英晶体微天平监测电聚合电位及膜的厚度,制备了选择性分离L - 色氨酸和D - 色氨酸的OPPy印迹膜［6］。V. Syritski等［7］以L - 天冬氨酸为模板,OPPy为单体,制备了选择性识别L - 天冬氨酸和D - 天冬氨酸的QCM传感器。D. Tonelli等［8］在玻碳电极( Glassy Carbon Electrode, GCE) 表面电聚合Py,制备了检测L - 抗坏血酸的PPy印迹膜,该传感器的线性范围为5 × 10－ 6~ 2 × 10－ 3mol / L。

基于电聚合PPy印迹膜检测生物大分子。X. W. Kan等人在金电极上制备了检测牛血红蛋白印迹膜,该传感器对牛血红蛋白显示出良好的选择性。 A. Namvar等人将PPy和聚甲基噻吩( Poly Methyl Thiophene,PMT) 共聚合,制备了Poly ( PPy / PMT) 印迹复合膜用于检测芽胞杆菌内生孢子。

分子模拟技术辅助设计PPy印迹膜体系。分子模拟技术为模板分子筛选出了适宜的功能单体以及模板分子与功能单体的最佳比例,N. Azizollah等［9］等以2 - 氨基苯并咪唑为模板,结合分子模拟技术筛选出Py为适宜单体,当单体和模板比例为2. 5∶1时, 在铅笔石墨电极上制备了检测2 - 氨基苯并咪唑印迹膜,该传感器对生物样品中2 - 氨基苯并咪唑显示出良好的选择性和高灵敏度,氧化峰电流与2 - 氨基苯并咪唑的浓度在1. 0 × 10－ 9~ 3. 0 × 10－ 2mol / L范围内线性关系良好( r = 0. 986 5) ,检测限可以达到1. 0 × 10－ 10mol / L。N. Azizollah等［10］又以1,3 - 二氨基硫脲为模板,Py为单体,Py和1,3 - 二氨基硫脲的比例为1∶10,在铅笔石墨电极上制备了检测生物基质中1,3 - 二氨基硫脲印迹膜,该传感器的线性范围为0. 5 × 10－ 3~ 6 × 10－ 3mol / L( r = 0. 980 5) ,检测限可以达到5. 0 × 10－ 5mol / L。

2. 2 OPD

电聚合OPD制得的分子印迹膜刚性好且机械性能稳定,因此OPD也是制备分子印迹电聚合膜的常用功能单体,见表2。

采用电聚合法制备POPD印迹膜时,常使用循环伏安法在p H值为5. 2的醋酸盐缓冲液中进行,此时OPD在电极表面逐渐形成致密的非导电聚合膜,使氧化峰电流逐渐下降至零,并且OPD的电聚合不受模板分子的影响。为了提高绝缘性,有人将修饰电极插入到长链十二硫醇溶液中放置过夜［11］。有人制备了绝缘性POPD印迹膜修饰在GCE表面,检测水溶液中的乙酰甲胺磷,由示差脉冲伏安法测得的峰值电流与乙酰甲胺磷的浓度在5. 0 × 10－ 7~ 1. 0 × 10－ 4mol / L范围内呈正相关,检测限可以达到1. 3 × 10－ 7mol / L［12］。

基于电聚合法制备双层膜。POPD/PPy双层膜电导率更高、导电态稳定性和刚性更好且机械性能稳定。有人先将掺杂双核酞菁钴( Ⅱ) 磺酸钠的PPy涂覆在GCE表面作为电导媒介,再以OPD为单体,喹喔啉- 2 - 羧酸为模板,制备了POPD印迹膜修饰在PPy - GCE上,POPD / PPy双层膜与GCE表面结合紧密且响应信号强,阳极的电流响应与喹喔啉- 2 - 羧酸的浓度在1 × 10－ 8~ 1 × 10－ 4mol / L范围内呈正相关,检测限可以达到2. 1 × 10－ 9mol / L,这种方法制备的传感器可用于实际样品中喹喔啉- 2 - 羧酸的检测［13］。

OPD与其他功能单体共聚合,使聚合物产生了更多的柔性支链,模板分子与聚合物官能团之间有更多的作用位点。OPD与氨基酚( Aminophenol,AP) 共聚合,由于苯基环上的羟基基团可发生可逆的氧化还原反应,使传感器在p H值范围更宽的缓冲液中具有良好的响应性,有人以OPD/AP为单体,抗坏血酸为模板,制备了Poly( OPD/AP) 印迹复合膜,该传感器在p H值为1 ~ 8的磷酸盐缓冲液中与抗坏血酸的浓度在1 × 10－ 4~ 1 × 10－ 2mol / L范围内线性关系良好, 检测限可以达到3. 6 × 10－ 5mol / L［14］。R. Ouyang等［15］以OPD/多巴胺( Dopamine,DA) 为单体,制备了检测L - 谷氨酸印迹复合膜,OPD维持了聚合物的刚性结构,DA使共聚物膜产生了更多的官能团。相对于OPD单聚膜,OPD和DA共聚膜具有更加立体的网络结构,可高特异性地识别对映异构体L - 谷氨酸和D - 谷氨酸。

2. 3酚类

酚类具有羟基基团,能与模板分子发生特异性相互作用,产生功能化的印迹位点,可作为制备分子印迹电聚合膜的适宜材料。有人在磷酸盐缓冲液中以苯酚( Phenol,PL) 为单体,制备了甲基对硫磷印迹膜, 该传感器的检测限可以达到1 × 10－ 8g / m L［16］。

酚类衍生物具有更多的活性官能团,可以增强印迹效果。有人以铁氰化钾为探针,对氨基苯硫酚( o - Aminothiophenol,o - ATPL) 为单体,莱克多巴胺为模板分子,在金电极上制备了检测莱克多巴胺印迹膜,该传感器对莱克多巴胺具有高亲和性和选择性, 平衡时间为120 s,与莱克多巴胺之间的电流响应线性范围为2. 0 × 10－ 7~ 1. 4 × 10－ 6mol / L,检测限可以达到2. 3 × 10－ 8mol / L,检测加标痕量莱克多巴胺的饲料样品时,回收率可以达到87. 4% ~ 90. 5%［17］。 有人先将金纳米粒子( Gold Nanoparticles,Au NPs) 修饰在GCE表面,邻氨基苯硫酚( p - Aminothiophenol, p - APL) 与Au NPs在GCE表面通过Au - S键自组装,3 - 氯- 1,2 - 丙二醇通过氢键作用与p - APL结合,制备了检测3 - 氯- 1,2 - 丙二醇印迹膜,示差脉冲伏安法测得的电流与3 - 氯- 1,2 - 丙二醇浓度的对数在1. 0 × 10－ 17~ 1. 0 × 10－ 13mol / L范围内线性相关,检测限可以达到3. 8 × 10－ 18mol / L。有人先将金纳米粒子修饰在电极表面［18］,以Poly( Qu - Re) 为单体,甲基对硫磷为模板,再在裸露的Au NPs电极表面区域插入十二烷基硫醇,使膜层致密,制备了检测甲基对硫磷的绝缘性Poly( Qu - Re) 印迹膜,这种方法制备的传感器线性响应范围为7 × 10－ 8~ 1 × 10－ 6mol / L,检测限可以达到3. 4 × 10－ 10mol / L。

3新型功能单体

新型功能单体具有可电聚合部分以及能与模板分子相互作用的功能基团。魏小平等人以溴酚蓝为单体,多巴胺为模板分子,制备了检测多巴胺印迹膜, 聚溴酚蓝修饰的电极对多巴胺的氧化起催化作用,增大了印迹膜中多巴胺的氧化电流,提高了检测的灵敏度。A. Aghaei等人以铁氰化钾为探针,2 - 巯基苯并咪唑为单体,在金电极上制备了检测胆固醇印迹膜, 该传感器的线性响应范围为3 × 10－ 7~ 5 × 10－ 6mol / L,检测限可以达到4. 2 × 10－ 8mol / L。

金属离子具有电催化活性,将功能单体与金属离子Cu2 +、Co2 +、Zn2 +或Ni2 +共聚合,增强了电极响应的灵敏度,E. Mazzotta等［19］采用循环伏安法以钴( Ⅲ) - 四钛( 氨基苯) - 卟啉为单体,2,4 - 滴丁酸为模板,制备了检测2,4 - 滴丁酸印迹膜,该传感器对2,4 - 滴丁酸及其结构类似物具有良好的选择性。 C. Pellicer等人以Ni( Ⅱ) - 酞青为单体,制备了检测杀螟硫磷的便携式丝网印刷传感器。

4展望

基于分子印迹电聚合膜的传感器在食品药品分析检测中得到了广泛的应用。新型分子印迹电聚合膜层出不穷,在许多研究及应用领域具有独特的优势,未来分子印迹电聚合膜应注重在以下几个方面的研究和发展:

1) 制备分子印迹电聚合膜时,单体的选择和试验条件的确定,主要由参考文献提供信息,缺乏理论指导。虽然已将分子模拟技术引入分子印迹电聚合膜体系,模拟不同功能单体与模板分子之间的相互作用,但该技术还有待提高。

2) 合成新的功能单体。随着MIT和传感器技术的发展,现有功能单体的种类和作用已不能满足需要,开发新型功能单体已成为一个新的研究方向。

3) 进一步将电聚合技术、MIT与纳米技术结合, 充分发挥它们的协同效应,制备高选择性、高灵敏度且性能稳定的传感器以满足痕量分析的需求。

篇4：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

摘要：分子印迹技术（MIP）[1]，是一种高选择性的分离分析方法。分子印迹是模仿生物界锁钥作用原理使制备的聚合物，表现出较好的亲和性和特异性选择性。功能化的光子晶体在吸收目标化合物后，晶体结构会发生变化，从而会引起衍射波长发生改变。将具有分子识别能力的分子印迹技术和光子晶体相结合制备传感器，在充分利用光子晶体光学特性的同时，提高其对目标物的选择性。

关键词：光子晶体；分子印迹；传感器

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）03-0186-01

一、引言

目前我国在毒物毒品的检测是以经典传统的气相色谱法[2]，液相色谱法，气相色谱法与质谱连用技术及液相色谱法与质谱连用技术等为主。虽然这些方法比较成熟，检测灵敏度和准确性高，但在样品前处理过程繁琐、费时，无法满足对毒物毒品现场快速检测的需求。分子印迹光子晶体传感器实现了在食品、医学、环境等领域中实现了快速、持续的检测。

二、分子印迹与光子晶体的原理及特点

分子印迹技术是将要分离的目标分子作为模板分子，将它与交联剂在聚合物单体溶液中进行聚合制备得到单体—模板分子复合物，然后通过物理或化学手段出去模板分子，便得到“印迹”下目标分子的空间结构的分子印迹聚合物（MIP），在这种聚合物中形成了与模板分子在空间结构和结合位点上相匹配的具有多重结合位点的空穴，这样的空穴对模板分子具有选择性，从而实现对目标化合物的选择性识别。分子印迹具有可预定型、可识别性、实用性的特点[3]。

光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料[4]。光子晶体传感器主要利用了光子晶体能够产生布拉格衍射的性质，由布拉格衍射产生的颜色被称为光子晶体的结构色。晶格间距的任何变化都会引起布拉格衍射峰的移动。某些情况下，这种光谱上的移动，即光子晶体受外界刺激的响应而引起结构色的变化，可以被人的裸眼观察到。为此，人们可以通过采用不同的识别基，使光子晶体表面功能化，功能化的光子晶体在吸收目标化合物后其晶体结构会发生变化，从而会引起结构色的改变，这便是光子晶体传感器的检测原理[5]。

传统的分子印迹聚合物只能提供大量的亲和位点，这些亲和位点可以作为传感装置的识别系统对目标分子进行特异性识别，然而作为传感单元还需要某些信号转换装置将分子识别的化学过程转化为可读的信号[6]。为了达到快速、简便的检测目的，在体系中引入了具有灵敏度高，信号易读的光子晶体结构。

三、分子印迹光子晶体传感器的应用、发展前景

分子印迹光子晶体传感器在食品、医学、环境、毒物毒品等领域都有着应用，实现了快速、持续的检测，有广阔的应用前景。

王深旗[7]等报道了双酚A印迹水凝胶膜检测痕量双酚A。以双酚A（BPA）为模板分子，以甲基丙烯酸为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，在紫外光下进行聚合了有序的三维网状相互贯通的孔洞结构；同时分子印迹光子晶体水凝胶膜（MIH）具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等特点。该双酚A印迹水凝胶膜检测痕量双酚A对双酚A的选择性好、灵敏度高、响应速度快，在食品检测领域中有着广阔的应用前景。

薛飞等报道了用分子印迹光子晶体检测葡糖糖。以聚甲基丙烯酸甲酯微球阵列为光子晶体制孔模板，葡萄糖为印迹模板，N-异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯为混合单体，4-乙烯基苯硼酸为识别基，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，制得具有规整孔结构的新型光学凝胶材料—分子印迹光子晶体。此材料对葡萄糖响应速度快、选择性高，表现出良好的传感特性，符合传感器的要求，可对葡萄糖进行快速、方便、准确的检测。

刘烽[8]等报道了有机磷毒剂光学传感器—三维分子印迹光子晶体（3D-MIPCs）凝胶膜。采用聚甲基丙烯酸甲酯胶体小球为光子晶体自组装阵列模板，以甲基丙烯酸羟乙酯和N—异丙基丙烯酰胺为混合单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯和N，N一亚甲基双丙烯酰胺为混合交联剂，正辛醇和乙腈混合溶液为溶剂，光聚得到印迹聚合物。该材料对乙基膦酸响应速度快、选择性高，其对目标分子的识别作用会导致衍射光谱图的改变。

Hu等[9]报道了模板分子是茶碱的分子印迹光子晶体传感器，实验中以不同浓度的茶碱为目的物，实验表明茶碱的衍射峰发生红移，在可见光区发生衍射红移肉眼可以看到。因此，以茶碱为模板分子的分子印迹光子晶体传感器对茶碱具有识别能力，并且对10-16mol/L的茶碱都可检测，在半分钟时达到吸附平衡，灵敏度高。在该实验中的传感器成功用于了在尿液中添加茶碱的检测，展现了分子印迹光子晶体传感器的广阔的前景。

Wu等[10]还报道了模板分子是莠去津的除草剂制备了分子印迹光子晶体传感器。实验中的传感器的灵敏度较高，对莠去津的检测限可以达到10-16mol/L，优于其他检测方法。在实验中，把与莠去津相似分子结构的莠灭净、扑草净在相同条件下进行试验，发现衍射峰的位置几乎没有变化，说明分子印迹聚合物具有较高的分子识别性能。

四、分子印迹光子晶体传感器的发展前景

分子印迹光子晶体传感器的发展趋势是肉眼可以的裸眼检测，可以直观的观察到变化。虽然该传感器在毒品毒物方面的应用还没有得到普遍的应用，但由于可以快速、持续的检测及传感器的便携和微型化，因此在未来的一段时间内光子晶体分子印迹传感器技术在毒物毒品领域和爆炸物的检测等方面成为研究的热点。

在实际应用中如何提高分子印迹光子晶体传感器的重复使用性、更高的灵敏度、快速响应能力、裸眼检测等，都是光子晶体在传感器领域里大规模应用所必须解决的技术难题。

参考文献：

[1]吴世康（译）：分子印迹学，科学出版社，2006，6.

[2]王会丽等.甘草中有机氯农药残留量的气相色谱检测[J]. 药物分析杂志. 1998（05）

[3]林凯城 李永莲.分子印迹技术及应用[J]. 清远职业技术学院学报，2012，5（6）

[4]段廷蕊 李海华 孟子晖等.光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展[J]. 化

学通报，2009，4：298-306

[5]宋清海 徐雷.光子晶体的原理与应用[J].物理实验，2004，24（6）

[6]薛飞 段廷蕊等.葡糖糖检测用分子印迹光子晶体的研究[J].分析化学研究报告，2011，39（7）

[7]王深旗 董丽玲等双酚A印迹水凝胶膜的制备与表征[J].南昌大学学报（工科版），2012，34（4）

[8]刘烽等乙基膦酸分子印迹光子晶体传感器的研究[J].分析化学研究报告，2012，40（8）

[9] Hu X，Li G，Li M，et al.Ultrasensitive specific stimulant assay based on molecularly imprinted photonic hydrogels [J].Adv Funct Mater，2008，18（4）

[10] Wu Z，Tao C，et a1.Label-free colorimetric detection of trace atrazine in aqueous solution by using molecularly im一printed photonic polymers[J].Chem Eur J，2008，14（36）

作者简介：

葛婷，女，山东聊城人，1991年11月，中国刑事警察学院研究生。

篇5：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

1 分子印迹技术的基本原理及特点

效仿Pauling抗原抗体形成机理,当模板分子(印迹分子)与聚合物单体接触时会形成多重作用点,通过聚合过程这种作用就会被记忆下来,当模板分子除去后,聚合物中就形成了与模板分子空间构型相匹配的具有多重作用点的空穴,这样的空穴将对模板分子及其类似物具有选择识别特性。

2 分子印迹技术在有机磷农药检测方面的应用

以农药为模板分子的分子印迹技术在农药残留检测中的应用也受到广泛关注,并已经成为当前有机磷农药检测领域研究的热点之一。目前已应用到色谱固定相、固相萃取、固相微萃取、膜分离等方面,并显示出较佳的效果。①固相萃取主要用于样品的分离、纯化和浓缩。美国国家环保局(EPA)将固相萃取作为测定水中农药含量的方法。2007年北京化工大学的YongqinLv[2]以杀虫剂乐果为模板分子制备了乐果印迹聚合物,加标乐果在MISPE柱中的回收率达100%。李小红[3]等以甲胺磷为印迹分子,通过悬浮聚合法制备甲胺磷分子印迹聚合物(MIP)微球,在优化条件下,印迹分子的固相萃取回收率达96.4%。②分子印迹固相微萃取是将分子印迹材料作为固相微萃取涂层,更有利于复杂基体中痕量目标物的分析。Zhu等[4]制备了以久效磷为模板分子的尼龙-6分子印迹搅拌棒吸附萃取涂层,研究表明,该印迹搅拌棒可用于土壤中久效磷、速灭磷、磷胺、氧化乐果4种有机磷农药残留含量的测定,当土壤中添加物的质量比为100μg/kg时,回收率为71.5%～92.3%。③以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器简称为分子印迹聚合物传感器。2003年,美国约翰霍普金斯大学的Murray在其专利申请文件中报告了以印迹聚合物作为传感器的发明[5],该发明可以选择性地结合底物到带荧光官能团的共聚物中,被分析的对象有多价阴离子、有机磷类农药和神经毒剂等。2004年,以色列的Marx等人[6]报道了他们以对硫磷、对氧磷、杀螟硫磷(fenitrothion)等类似物为模板合成印迹材料,分别结合石英晶体微天平和电导传感器检测液体和气体中有机磷农药的含量。Huang等[7]采用壳聚糖作为功能基质,以对硫磷作为模板分子,通过恒电势电化学沉积的方式制备敏感、快速和低成本的分子印迹聚合物传感器,它对对硫磷有很好的识别能力,检测限达到1.0×10-7 mol/L。

3 结语

目前对农药分子印迹技术的研究主要还集中在农药分子印迹聚合物的制备和应用上,对于农药分子印迹的热力学、动力学及结合位点作用机制方面的理论研究很少,相信随着生物学、化学、材料科学和现代分析技术的发展,农药分子模拟和农药分子印迹的表征技术将不断深入,农药印迹分子的识别和分离过程将朝着定量模型描述方向发展,将进一步从本质上阐述分子印迹的识别过程和识别机制,有助于实现农药残留的原位、实时、在线、快速检测。

参考文献

[1]Lv Yongqin,Lin Zhixing,Feng Wei.et al.Selective recognition and large enrichment of dimethoate from tea leaves by molecularly imprinted polymers[J].Biochemical Engineering Journal, 2007.4 470:9-16.

[2]李小红等.分子印迹固相萃取牛奶中甲胺磷[J].分析试验室,2009,28(6):5-8.

[3]Zhu X L,Cai J B,Yang J,et a1.Films coated with molecular imprinted polymers for the selective stir bar sorption extraction of monocrotophos[J].Journal of Chromatography A, 2006.1131:37-44

[4]Murray G M.Molecularly imprinted polymer solution anion sensor[P].PCT WO 03/034043 A3,2003-04-24.

[5]Marx S,Zaltsman A,Turyan I,et al.Parathion sensor based on molecularly imprinted sol-gel films[J].Anal Chem,2004,76:120- 126.

篇6：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

1 MIT

1. 1分子印迹的原理

在一定条件下,当模板分子与功能单体接触时形成某种可逆的复合物; 加入交联剂将其固定或“冻结”,得到高聚物; 将模板分子抽提出来,聚合物中就形成了与模板分子在空间和结合位点上相匹配的具有多重作用点的空穴,这样的空穴对模板分子具有专一性识别作用。

1. 2 MIPs的制备条件

1. 2. 1模板分子大多数MIPs的模板分子具有强极性基团和氢键基团。合成MIPs时,模板分子的用量对MIPs的性能有直接影响,最佳量常为总量的5% ; 此外,模板分子的溶解性和获取难易程度对模板分子的用量有一定影响。

1. 2. 2功能单体功能单体的选择是由模板分子决定的,需要能与印记分子成键,并且在聚合反应中与交联分子处于恰好的位置才能镶嵌其中。根据作用的形式,功能单体可分为两类: 1) 共价键型,含有乙烯基。常用的功能单体有含乙烯基的硼酸、醛、胺、酚及含有硼酸酯的硅烷混合物等。2) 非共价型,含有乙烯基和羧基。常用的功能单体有羧酸类( 如甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸等) 、磺胺类( 如二丙烯酰胺- 2甲苯- 1 - 丙磺胺) 、杂环弱碱类( 如乙烯基吡啶、乙烯基咪唑) 。

1. 2. 3交联剂交联剂的作用是“固化”模板分子和功能单体形成的聚合物,在聚合时加入交联剂有利于形成稳定完整的“印记”位点。在有机相中常用的交联剂是乙二醇二甲基丙烯酸酯( EDMA) 、二甲基丙烯酸乙二醇酯( EGDMA) 、二乙烯基苯; 在水相中最常用的是N,N - 亚甲基双丙烯酰胺。

1. 2. 4溶剂作用首先,能溶解聚合反应中所有的试剂; 其次,能促进聚合反应,减小反应过程中的干扰; 再次,可以起到致孔剂的作用。目前,MIPs的制备多局限于低极性溶剂中,常用的溶剂有乙腈、氯仿和甲苯等; 这是因为极性强的溶剂会干扰氢键的形成,降低模板分子与单体间的结合。

2 MIT在食品中药物残留检测的应用

近年来,MIT应用于药物残留检测的研究越来越多,而分子印迹的聚合方法有多种,如本体聚合、分散聚合、悬浮聚合、沉淀聚合、原位聚合及表面印迹法等。本文按照药物类型分为以下几类。

2. 1四环素类

四环素类抗生素是广谱类抗生素,是我国使用最多的药物添加剂,容易造成残留量超标的主要有四环素、土霉素、金霉素等。

四环素类抗生素多使用非共价法( 自组装法) , 可以用强力霉素为模板分子,沉淀聚合成MIPs; 吸附试验发现,吸附效果好,具有特异吸附性且稳定性良好。以其作为填料填充固相萃取小柱( SPE) ,可得到最大载样量为0. 4 mg的固相萃取小柱[11 - 12]。

X. L. Sun等[5]开发了一种新型分子印迹整体柱,可以在牛奶和蜂蜜中检测到四环素。他们以甲基丙烯酸( MAA) 为功能单体,EGDMA为交联剂,甲醇为溶剂,环己醇、十二醇为混合致孔溶剂,采用原位聚合法制备; 然后,用C18柱测定牛奶和蜂蜜中的6种四环素类抗生素( 四环素、土霉素、米诺环素、金霉素、 美他环素和强力霉素) ,结果蜂蜜样品的回收率为73. 3% ~ 90. 6% ,奶粉样品的回收率为62. 6% ~ 82. 3% 。

王红涛[4]联合使用MIT与电化学技术,用于检测水体中的四环素,试验以电沉积铂颗粒的钛片( Pt/ Ti) 为基体,具有较高的选择性和灵敏度; 并用修饰材料是多壁碳纳米管的分子印迹电极作为工作电极,研制出了一种四环素检测仪。该检测仪采用电流法检测,线性范围为0. 02 ~ 50 mg /L,对四环素的检出限为0. 01 mg /L,具有快速、灵敏、选择性高等优点,为四环素类抗生素的检测提供了一种新方法。

当模板分子结合率降低,可以选择与模板分子化学结构相似的类似物作为虚拟模板。从金霉素和四环素的化学结构式上可以看出,两者只在苯环上差1个Cl,而包含相同数目和位置能与功能单体甲基丙烯酸产生非共价键的羟基。因此,选择四环素作为虚拟模板分子合成对盐酸金霉素有特异吸附的MIPs, 将填充有MIPs的聚四氟乙烯管作为固相萃取柱,连接在八通阀上对盐酸金霉素进行萃取和预富集,最后测定鸡肝脏中盐酸金霉素含量,回收率均在95% 以上[13]。

2. 2大环内酯类

大环内酯类抗生素在动物体内的代谢时间较长, 会对食品的安全带来隐患,常用的有红霉素、泰乐菌素、替米考星等。

采用分子印迹与溶胶- 凝胶法,以红霉素为模板分子,3 - 氨基丙基三甲氧基硅烷为功能单体,正硅酸四乙酯为致孔剂,可以合成印迹效果较好的印迹聚合材料,其回收率达到104. 5% 。而选择含有丙烯腈成膜基和甲基丙烯酸的共聚物为膜材料,用非共价分子印迹法制备红霉素MIPs,采用溶胶- 凝胶法转化成膜后,再用超声振荡溶剂萃取法洗脱模板分子得到了分子印迹膜,通过比较证明,制备的红霉素MIPs膜对红霉素分子具有优异的选择性[3 - 4]。

分子印迹固相萃取( MISPE) 法可用于从动物肌肉样品中富集和纯化红霉素。Z. H. Zhang等[14]以红霉素为模板,丙烯酰基- β - 环糊精和甲基丙烯酸为双功能单体合成多壁碳纳米管- MIPs,通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱等方法表征,表明这种MIPs对红霉素具有高选择性; 然后又将多壁碳纳米管- MIPs作为固相萃取的吸附剂, 测得的加标回收率为85. 3% ~ 95. 8% 。

Y. Q. Zheng等[6]以泰乐菌素为虚拟模板分子, 甲基丙烯酸为功能单体,EGDMA为交联剂,氯仿为溶剂,通过本体聚合合成MIPs; 然后又对MIPs的制备及固相萃取条件进行优化,应用高效液相色谱法测定饲料中替米考星残留量,发现其对替米考星具有高选择性。

2. 3磺胺类及其增效药

磺胺类药物属于广谱抗菌药,是禽畜抗感染治疗的重要药物之一; 种类较多,但其化学结构比较近似, 因此合成MIPs时,大多数选择甲基丙烯酸为功能单体,EGDMA或EDMA为交联剂,乙腈作为溶剂和( 或) 致孔剂使用,偶氮二异丁腈为引发剂。

司丽丽[15]制备出磺胺二甲嘧啶分子印迹整体固相微萃取棒,建立了磺胺二甲嘧啶的检测方法,该方法具有较高的灵敏度和良好的重现性,适用于检测痕量的磺胺二甲嘧啶及其类似物。

甲氧苄氨嘧啶MIPs的合成有块状和球状( 通过悬浮聚合) 两种类型,S. G. Hu等[18]将2种类型的甲氧苄氨嘧啶MIPs作为固相萃取的吸附剂,通过比较在不同溶剂中对甲氧苄氨嘧啶的吸附发现,块状MIPs比球体选择性和吸附能力更好。

由于三聚氰胺和甲氧苄啶的化学结构中嘧啶环的局部结构类似,张红武等[7]以三聚氰胺为类模板分子,使用原位聚合法制备了对甲氧苄啶有识别作用的MIPs整体柱。该印迹整体柱对甲氧苄啶具有选择性识别作用,而对如叶酸、甲氨蝶呤等具有类似局部结构的药物分子则无保留作用。此外,三聚氰胺对甲氧苄啶的测定无干扰。

2. 4青霉素类

A. Beltran等[16]通过非共价分子印迹方法合成对阿莫西林具有选择性的MIPs,回收率为75 % ,调整加标浓度后,回收率下降为65 % 。将制备的MI- SPE与市售的固相萃取小柱进行比较,其选择性高, 萃取效果较市售的固相萃取小柱好。

X. Z. Shi等[8]采用水溶液悬浮聚合法合成氨苄西林MIPs微球。色谱分析发现,模板和功能单体二乙基氨乙基甲基丙烯酸酯的最佳比例是8∶1。MISPE检测得到的氨苄西林色谱图表明,基质干扰几乎可以忽视,它的加标蜂蜜样品的回收率均在89 % 以上。

J. Cederfur等[19]采用本体聚合法合成青霉素的MIPs。在试验中发现,选择甲基丙烯酸和三羟甲基丙烷三丙烯酸甲酯合成的MIPs选择性较好。在与其他青霉素类抗生素的交叉反应性的研究中发现,交叉反应性低( 青霉素Ⅴ为15% ,氨苄西林为16% ,阿莫西林为19% ) ; 萘夫西林、苯唑西林表现出了较低的交叉反应性( < 1% ) ; 而头孢菌素类抗生素( cephapirin) 和结构非相关的抗生素( 氯霉素、四环素、氨苯砜、红霉素) 交叉反应小于0. 01% 。

2. 5喹诺酮类

常用的喹诺酮类抗生素有恩诺沙星、二氟沙星、 环丙沙星、沙拉沙星、达氟沙星等。MIPs的制备常选择甲基丙烯酸/4 - 乙烯基吡啶作功能单体,EDMA/ EGDMA作交联剂。

氟喹诺酮类药物MIPs是选择甲醇∶水( 10∶3) 为致孔溶剂合成的。研究MIPs对氟喹诺酮类( 环丙沙星、达氟沙星、二氟沙星和恩诺沙星) 和喹诺酮类药物( 氟甲喹、恶喹酸) 的选择性识别能力时发现,其有较高的选择性,并能区分氟喹诺酮类药物和喹诺酮类药物。然后,使用MIP整体柱微萃取结合高效液相色谱荧光检测牛奶样品中的氟喹诺酮类药物时发现, 回收率为92. 4% ~ 98. 2% ,相对标准偏差小于5. 9%[9]。

使用原位聚合法合成恩诺沙星MIPs,可以将其作为固相萃取的材料,用以HPCE分离方式建立的MISPE - HPCE方法检测鸡肉中恩诺沙星,结果恩诺沙星的检出限为92. 02 μg/kg,定量限为336. 04 μg / kg,回收率为77. 84% ~ 86. 52%[17]。还可以用甲基丙烯酸和甲基丙烯酸甲酯与模板恩诺沙星结合制备不锈钢色谱柱,检测发现,MIPs对环丙沙星和恩诺沙星有高度的特异识别能力,可以快速分离和测定鸡蛋中恩诺沙星和环丙沙星[10]。

3总结与展望

本文介绍了国内外MIT应用于兽药残留检测的一部分研究,其中关于抗微生物药的研究较多,但还是存在很多药物在聚合上的技术问题,这就需要科研工作者努力钻研,攻克难关。今后的研究方向会侧重于以下几个方面: 1) 分子印迹过程机理及定量描述。分子印迹和识别过程的机理将从目前的定性和半定量描述向完全定量描述发展,从分子水平上真正弄清印迹和识别过程。2) 合成更多、更有用的功能单体和交联剂。合成种类更多、性能更好的功能单体和交联剂,改善MIPs的“印迹”容量和吸附行为。3) 分子印迹和识别过程将从有机相转向水相。4) 商业化阶段。手性分离、固相萃取、手性药物有望产业化。 5) 大分子化。印迹技术将从小分子、超分子逐渐过渡到核苷酸、多肽、蛋白质等生物大分子,甚至生物活体细胞。6) 催化合成和仿生传感器。MIPs用于催化剂和仿生传感器的制造将得到较快发展。

摘要：分子印迹是一种新型、高效的分子识别技术,其制备的聚合物对模板分子具有专一吸附能力。近年来,分子印迹在食品中药物残留检测领域得到了广泛关注。文章依据我国农业部文件《动物性食品中兽药最高残留限量》(农牧发[2002]235号)内规定的药物,对分子印迹技术在动物源食品药物残留检测中的研究进行了综述,并对其发展趋势进行了分析展望。

篇7：分子印迹技术在水质检测传感器领域的应用

1 MIPs的制备方法

1.1 沉淀聚合

沉淀聚合[1]是将反应所需的单体、交联剂、引发剂按照一定比例溶于极稀的溶剂中,产生的聚合物由于与溶剂不相溶故以微球形态沉淀。苏立强等[2]采用该方法制备了莱克多巴胺(RAC)MIPs,并进行了紫外光谱分析和MIPs吸附性能的考察。结果表明,该产物对吸附RAC印迹分子具有特异性,吸附量Q分别在(0~6.2)和(6.2~9.9)mg/g范围内与Q/C0(C0为模板分子的初始质量浓度,单位g/L)呈良好的线性关系。方卢秋等[3]采用此法合成了焦性没食子酸MIPs并分析其吸附特征,结果表明,该产物在7.5516和11.9225μg/mg有最明显的吸附。

1.2 本体聚合

目前,大多数MIPs的制备均采用本体聚合法[4]。孙亚敏[5]采用此法首先对齐多夫定和那格列奈模板分子与单体的比例以及与交联剂的比例等因素进行考察,然后以最适比例制备了具有良好性能的MIPs。虽然此法制备条件容易控制、操作过程相对简单,但是所制备的块状MIPs在使用前需经过研磨、过筛等费时费力的处理过程,才能得到粒径大小均一的聚合物。

1.3 原位聚合

原位聚合[6]是一种操作简便,能实现连续和均一的聚合方法。此法由Matsui等[7]于1993年首先发明,并应用于分子印迹技术。Sellergren[8]采用该法在玻璃管中合成了戊咪和苯甲咪的MIPs。Yin等[9]通过此法制备了具有手性拆分能力的那格列奈MIPs,并将其作为高效液相色谱的固定相实现了那格列奈与其L-对映体的手性拆分。

1.4 表面印迹聚合

为获得更好的色谱性能,常采用表面印迹聚合的方法合成MIPs[10]。常用的印迹材料以氧化铝、氧化钛或硅胶为基质。表面印迹聚合具有改善MIPs填料的形状与粒径分布的优点,因而用于色谱分离效果好,发展前景广阔[11]。Zhang等[12]在硅胶表面制备了7-氯-茶碱表面MIPs。Prasad等[13]结合表面印迹聚合与悬浮聚合技术合成了唑酮-硅胶表面MIPs,其主要过程是先对硅胶载体表面进行氨基化修饰,再以唑酮为模板,采用加热悬浮聚合的方式合成MIPs并发现其具有良好的选择吸附性和较高的吸附量。

1.5 原子转移自由基聚合

原子转移自由基聚合[14]是一种氧化还原动态平衡反应。自由基反应在引发条件下可迅速发生,整个过程产生的副产物较少,并且可使多种基团参与反应,与其他类型的反应相比具有广泛适用性以及产率高、重现性好的优点[15]。安利娟等[16]采用表面引发原子转移自由基聚合方法合成了核壳结构的磁性高分子纳米微粒。肖思思等[17]采用原子转移自由基聚合法,在SiO2表面合成了适合分离油品中二苯并噻吩(DBT)的新型表面MIPs,在一定条件下其静态吸附平衡时间为300min,平衡吸附量达到20.61mg/g。

此外还有悬浮聚合[18,19,20]、辐射聚合[21,22]、种子溶胀聚合[23]等聚合方法,由于MIPs应用的领域不同,对聚合物的结构和形貌要求也不同,因此,在实际应用中应根据具体领域和研究目的,选择最佳合成方案。

2 MIPs在食品残留检测中的应用

MIPs以其优良的性能被广泛应用于食品领域。目前主要包括对食品中药物残留、非法添加物、环境污染物等的分离和纯化检验。

2.1 固相萃取(SPE)

固相萃取技术由于具有使用较少有机溶剂,可批量处理样品,既能富集,又能除杂质的优点,已被广泛应用于农残检测、食品分析中。将分子印迹技术和固相萃取技术结合起来,充分利用二者优势,把合成的MIPs作为固相吸附剂用于食品中残留物的分离与检测。杜碧柏等[24]采用固相萃取-高效液相色谱来对饲料中的5种磺胺类药物(SAs)进行检测,其吸附剂采用MIPs,在最佳条件下,此方法的5种SAs定量限为(0.38~0.47)mg/kg,而检出限达到(0.14~0.23)mg/kg。毕建玲[25]采用固相萃取法对合成的氯霉素(CAP)MIPs进行了吸附容量的研究。郑红等[26]将合成的氧乐果MIPs结合固相萃取-高效液相色谱技术对其吸附性能进行了考察。韦克波等[27]利用雌二醇MIPs固相萃取(MISPE)结合液相色谱紫外检测(HLPC-UV)检测奶类和肉类食品中痕量雌二醇,最佳固相萃取条件下,可准确测定500g奶类和肉类食品中痕量雌二醇[(0.116~0.461)nmol/kg]。Jin等[28]将制备的橄榄醇MIPs在优化的固相萃取条件下,MIPs固相萃取柱对加标麦麸中橄榄醇的回收率达到97.8%~98.8%,相对标准偏差为2.8%~4.2%(n=5),线性范围为(0.1~100)mg/L,检出限(S/N=3)为0.062mg/L,表明其具有良好的选择性。

2.2 色谱分离

MIPs作为一种新型的固定相,具有物理和化学稳定性好、可预测选择性等优点。常见的高效液相色谱易存在理论踏板数低的问题,若将MIPs应用于毛细管电色谱,进一步与其高选择性相结合则能够有效克服此问题[29]。同时,MIPs由于具有立体选择性和对映体选择性,已广泛应用于多种化学物质如多肽、核苷酸碱基、氨基醇和类固醇糖类等的分离[30,31,32]。吴迎春等[33]为检测鱿鱼样品中的甲醛含量,以甲醛为模板分子,通过考察各种聚合条件,在最优条件下采用本体聚合法合成了对甲醛分子具有选择性吸附能力的MIPs。并将其作为固定相的填料制成MIPSE柱特异性吸附样品中的甲醛,结合HPLC-UV,同时以乙醛、丙醛、苯甲醛作为参比物质。结果表明,该聚合物能特异性吸附鱿鱼样品中的痕量甲醛。由于此方法操作简便,灵敏度高,可将其作为常规方法应用于水产品的前处理。

2.3 传感器

传感器[34,35]在国家标准中的定义是:由敏感元件和转换元件组成,能感受规定的被测量并且按照特定的规律转换成可用信号的器件或装置。由于MIPs具有预定性好、稳定性强、对印迹分子选择性高的优点,因此能够作为仿生传感器的分子识别元件,再由物理或化学的信号转化器将此识别作用输出,然后在光、电、热等作用下转换成可测的信号,应用于各种小分子有机化合物的分析[16]。

谭学才等[36]采用自由基热聚合法在石墨烯修饰的玻碳电极表面合成有机磷杀虫剂毒死蜱(CPF)分子印迹聚合膜,制得了CPF分子印迹电化学传感器,在最佳检测条件下,传感器的峰电流与CPF浓度在(2.0×10-7~1.0×10-5)mol/L范围内呈线性关系,线性方程为Ip(μA)=-7.1834-0.2424C(μmol/L),相关系数r2=0.9959,检出限为6.7×10-8mol/L(S/N=3)。高杨等[37]构建了一种选择性检测盐酸金霉素(CTC)的分子印迹电化学传感器,该传感器对于干扰物氯霉素及青霉素没有响应,结构相似的四环素、土霉素有微弱的响应,显示了良好的选择性。在牛奶和鸡肉实际样品中所测得的CTC加标回收率为86.4%~96.9%。

3 结语

食品工业是人类的生命产业,随着人们生活水平的不断提高,人们的安全意识也不断增强。因此,为保证食品安全,防止有毒有害物质在食品中残留产生危害,一些快速、高效的纯化和检测手段需要不断开发和完善。虽然目前将MIPs应用于食品残留分析已取得了良好的成效,然而在简化MIPs的制备过程、克服模板分子价格昂贵、进一步提高印迹分子的选择性、吸附容量等方面还需要进行更深入的研究。

摘要：近年来,食品安全已经逐渐成为人们关注的焦点,发展快速、高效针对有害物质残留的检测技术成为当前解决食品安全问题的关键。分子印迹聚合物作为一种能够特异性识别其对应分子的高分子材料吸附剂,具有预定性、较强识别性和较高稳定性的优点,在食品分析中应用广泛。综述了分子印迹聚合物的制备方法及其在食品残留检测中的应用。