分子印跡電化學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. 齊齊哈爾大學化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 齊齊哈爾市環境監測中心站，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分子結合的仿生材料。分子印跡技術(Molecular imprinting technology, MIT)是20世紀80年代迅速興起的一種化學分析技術[1]，分子印跡電化學傳感器(Molecularly imprinted electrochemical sensor, MIECS)是以MIP為基礎制備的電化學傳感器，結合了分子印跡與傳感器二者的優點，能夠特異性的識別目標分子，在環境監控、生物大分子標記、質量監控以及食物檢測等領域備受關注，近幾年在食品安全領域的發展尤其迅速，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分子，MIP是利用自由基聚合技術，制備出一種能夠對待測物質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聚合體系，然后在聚合體系中加入交聯劑，在光/熱引發下進行聚合反應，再通過一定的理化手段將產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。

MIECS是利用MIP的特異性識別，以MIP為基底制備的電化學傳感器，不僅可以特異性識別目標分子[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注的焦點問題[8]。農藥、獸藥、防腐劑等物質殘留是人們關心的主要問題，傳統的食品檢測方法選擇性差、操作復雜，而MIECS具有操作簡便、選擇性高、易于攜帶等優點，對目標分子有特異性識別能力，可以有效克服食品樣品成分復雜，難以識別的困難。劉欣等[9-11]對MIT在食品分析檢測中的應用進行了總結。而將電化學傳感器與MIT獨特的優勢相結合用于食品分析領域，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用進行綜述，并對其發展前景進行展望，旨在為MIECS的應用與發展提供依據。

1 MIECS的制備方法

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

1.1 原位引發聚合

原位引發聚合法是將含有目標分子、功能單體與引發劑的混合溶液直接滴涂至電極表面，在熱或光的作用下發生聚合，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，以3-氨基苯硼酸(3-ABBA)為功能單體，利巴韋林為目標分子，以硼酸和順式二醇在不同酸堿度條件下可逆形成環內酯鍵為原理，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，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，但該方法的穩定性和重現性略差。

1.3 電化學聚合法

電化學聚合法是現階段制備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]以異丙隆為目標分子，吡咯為功能單體，采用循環伏安法(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，該電化學傳感器靈敏度好、操作簡單，被應用于水中異丙隆的檢測。為提高印跡識別位點數量，增強選擇識別性，韋壽蓮等[17]結合表面分子印跡技術，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—凝膠技術的優勢進行結合，制備一種對目標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移，增強電化學信號，同時溶膠凝膠法生成的二氧化硅層有效地改善了Au和Ag納米粒子的穩定性，防止其聚集。該方法線性范圍寬、檢出限低，具有優異的選擇性和重現性。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)。與傳統的非核殼MIP相比，核殼結構的MIP表現出更快的電子轉移速率和結合動力學。

通過對比分析，分子印跡膜的制備方法及優缺點見表1。

2 MIECS的類型

根據輸出信號不同，MIECS可分為電位型、電導型、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，共聚反應中LA和AA之間形成了酰胺鍵，而將LA從聚合物中去除后產生的與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陰離子顯示穩定的電位響應，響應時間<60 s；與干擾物質相比，該傳感器對LA表現出優異的選擇性。電位型傳感器的使用與分子大小無關，響應迅速，被認為是最有應用前景的MIECS，但其穩定性和重現性略差[28]。

表1 分子印跡膜的制備方法及優缺點

2.2 電導型傳感器

電導型傳感器是根據電導轉換原理進行制作，主要是利用靶向分子與印跡敏感膜結合后，導電性發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膜特異結合目標分子后，由于靜電引力作用的變化使電導率改變，制成了檢測水楊酸(SA)的電導型傳感器。該傳感器操作簡單，但重現性略差，其實際應用較少，有待進一步的開發和研究。

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分子識別前后電流的變化而進行檢測，是目前應用最多的MIECS，其不僅可以直接檢測電化學活性物質，還可以通過氧化還原探針間接檢測非電化學活性物質[31]。Motaharian等[32]以氯丙嗪(CPZ)為目標分子，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修飾在絲網印刷電極表面，構建了可以特異性識別CPZ的電化學傳感器，利用電流值的改變測定分析物濃度，結果表明該類傳感器表現出較高的靈敏度。

2.4 電容/阻抗型傳感器

電容型傳感器的檢測原理是根據分子印跡膜對目標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)的新型阻抗化學傳感器。以酚(BPA)為虛擬模板分子代替目標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，電荷轉移電阻(Rct)與DDT濃度之間呈良好的線性關系。這類化學傳感器更適用于非電化學活性物質。該方法解決了印跡體系中模板的泄漏問題，為農藥殘留和其他環境有害化學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用

食品安全問題是人們廣泛關注的問題[35-36]，目前已應用于食品安全檢測的技術較多，如高效液相色譜(HPLC)[37-38]、液—質聯用(HPLC-MS)[39-40]、氣相色譜(GC)[41]、氣—質聯用(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、設備小型化等優點，在食品安全檢測方面有很大潛力。表2列出了MIECS在食品檢測領域的一些應用實例。

表2 分子印跡電化學傳感器在食品檢測中的應用實例

3.1 食品中農藥殘留的檢測

由于農產品生產過程中離不開農藥的使用，農藥化肥的大量使用也嚴重威脅了食品安全[50-51]。若農副產品上的殘留超標，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；采用循環伏安法(CV)對印跡電極的電化學性能進行測試，并使用超高效液相色譜—串聯質譜法(UPLC-MS/MS)對測試結果進行驗證。結果表明該電化學傳感器具有良好的選擇性、重復性和穩定性，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。增加檢測靈敏度通常可以通過電極改性的方式達到目的，如Aghoutane等[53]設計了一種基于絲網印刷金電極(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。結果表明，該傳感器表現出較高的靈敏度，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境樣品中的農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格規定。當食品中添加的食品添加劑不在國家規定范圍內時，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內呈線性關系，檢出限為1.4×10-9mol/L，對目標分子具有良好的選擇性、穩定性和重現性。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，更加縮短了響應時間。在此技術基礎上，Zheng等[58]將石墨烯、金納米粒子與分子印跡傳感器相結合制備了一種基于石墨烯-Au納米粒子的MIECS，用于測定農業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在食品安全領域的應用。

圖1 4-壬基苯酚分子印跡電化學傳感器制備示意圖[58]

3.3 食品中獸藥殘留的檢測

由于現代畜牧業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]以養殖業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系，檢出限為3.06×10-9mmol/L。該傳感器具有檢測方便、快速等優點，為動物源性食品中AM的檢測提供了一種準確、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和良好的電子遷移速率作為電極修飾材料備受關注。于壯壯等[62]采用CV法在金納米粒子(AuNPs)和石墨烯量子點(GQDs)復合材料修飾的GCE表面電聚合分子敏感膜，構建了檢測畜牧業和水產養殖業常用抗生素四環素的分子印跡傳感器(MIPs/GQDs-AuNPs/GCE)，AuNPs和GQDs為界面的電子轉移提供了良好的基底，并在催化過程中產生協同作用，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，可實際應用于牛奶中四環素的檢測。

4 結論與展望

分子印跡電化學傳感器具有分析速度快、操作簡單、易于攜帶等優點，但仍存在一些不足之處：① 分子印跡電化學傳感器靈敏度低于生物傳感器，可以通過提高印跡孔穴數量進而提高其靈敏度，如結合核殼結構復合材料增加分子印跡電化學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用于分子印跡電化學領域，有望擴大分子印跡電化學傳感器的應用范圍；③ 聚合物敏感膜的穩定性和分子印跡電化學傳感器的重現性有待提高，如何使分子印跡聚合物大量生產也是進一步商業開發所需解決的問題。因此，隨著現代檢測技術水平的不斷進步，分子印跡技術日漸完善，分子印跡電化學傳感器在食品安全檢測領域將具有更為廣闊的前景。