基于分子印跡技術的傳感器研究與應用進展綜述

在臨床治療、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等各個研究領域，對可靠的分析和檢測技術的需求日益增長。傳統(tǒng)的分析方法，如液相色譜法和質譜法等，雖然檢測靈敏、準確，但往往需要昂貴的專用設備、實驗室條件、耗時的分析以及苛刻的樣品制備。

因此，開發(fā)成本更低、更簡單、更方便的分析方法，以及可以在現(xiàn)場測試的分析方法的需求已經出現(xiàn)。結合分子印跡技術的傳感器可以提高檢測化合物的靈敏度，降低檢測限，擴大可檢測化合物的范圍，并在與靶標的結合上表現(xiàn)出高選擇性和更高的穩(wěn)定性，提供更好的重現(xiàn)性，并且可重復使用。智能手機具有內置傳感器和強大的數(shù)字成像功能，為便攜性和即時檢測需求提供了獨特的平臺。基于智能手機的分子印跡傳感器有望成為未來新的研究方向。

近日，天津中醫(yī)藥大學李肖夏課題組在Talanta期刊上發(fā)表了題為“Emerging trends in sensors based on molecular imprinting technology: Harnessing smartphones for portable detection and recognition”的綜述性文章。論文詳細介紹了當前的分子印跡技術發(fā)展狀況，基于分子印跡傳感器的應用和分類，和近年來分子印跡傳感器在檢測與識別領域的最新應用，總結了近兩年基于智能手機輔助檢測的分子印跡傳感器研究的前沿進展，指出了面臨的挑戰(zhàn)、局限性和未來發(fā)展前景。

此外，作者根據不同的應用領域，依次介紹了紙基傳感器在醫(yī)療診斷、食品、環(huán)境分析、人體行為和生理監(jiān)測等方面的相關研究進展，并對紙基傳感器件的未來發(fā)展趨勢和面臨的重大挑戰(zhàn)給出了充分的展望和大膽的預測。李肖夏課題組碩士何錫成為該論文的第一作者，李肖夏、杜昆澤為論文的通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金經費的支持。

圖1 基于分子印跡的傳感器種類及應用

分子印跡技術以其特異性、高效性、穩(wěn)定性和生態(tài)友好性等特點，已成為一種具有廣泛應用前景的識別技術。分子印跡聚合物（MIPs）被稱為“人工受體”，作為一種仿生材料，顯示出與天然受體相似的特性。在傳感器中引入后，可大大提高對目標識別的選擇性，因此，適用于復雜基質樣品中痕量物質的預處理和分析。

目前，通過與分子印跡聚合物的結合，已經開發(fā)出各種用于檢測和識別痕量化合物、生物大分子或其他物質的傳感器，如光學、電化學和壓電傳感器。除此以外，微波傳感器、熱傳感器和基于智能手機拍照分析的比色傳感器也有相關工作展開了研究。

圖2 分子印跡光電化學傳感器的制造工藝及光電流產生機理示意圖及信號輸出處理

基于MIPs的電化學傳感器器件中的信號強度取決于電化學活性分析物到分子印跡聚合物涂層電極的傳質速率。根據不同的電分析技術和測量性質，電化學傳感器分為伏安法（當電位變化時測量性質為電流）、安培法（測量性質為固定電壓下的電流）和電位法（測量性質為零電流下的電壓）。

此外，電導率和電容或阻抗的變化也是常見的測量屬性。光電傳感技術與電化學技術相結合，具有低成本、低信號背景、易于小型化、響應時間快、靈敏度高等獨特優(yōu)勢，是一個快速發(fā)展的研究領域。光電化學傳感器需要特定的光電活性材料，可以促進暴露于光下的電子轉移。它們有效地將光信號轉換為電信號，然后可以通過電路或電極系統(tǒng)將其可視化。

圖3 檢測病毒的分子印跡光學傳感器

分析物結合后，評估其性質的光學變化，此外，各種技術和材料也被應用到光學傳感器中，如表面等離子體共振和局部表面等離子體共振、發(fā)光碳點、量子點、SERS、光柵耦合干涉測量、光子晶體等。與電化學傳感器相比，分子印跡光學傳感器的主要優(yōu)點是靈敏度高、精度高、成本低、抗電磁干擾能力強。

圖4 基于智能手機的檢測技術

推動傳感器技術的發(fā)展，滿足實時監(jiān)測和現(xiàn)場檢測的迫切要求，已成為當代研究工作的一個突出焦點。在這種情況下，智能手機以其緊湊的尺寸、可負擔性和強大的便攜性為傳感技術的進步提供了一條途徑。

圖5 基于分子印跡的智能手機檢測技術

基于分子印跡技術的比色傳感器在發(fā)展早期已經成功地進行了視覺半定量分析，避免了對專用儀器的需要。利用了智能手機固有的數(shù)字成像屬性，手機采集的數(shù)據可以實時靈活地傳輸?shù)接嬎銠C，并利用計算機更高的性能和更多的軟件對數(shù)據進行處理。

傳感器因其高靈敏度、高選擇性、高重復性、低檢測限、綠色環(huán)保、低成本等優(yōu)勢，將繼續(xù)在環(huán)境保護、痕量化合物檢測、臨床診斷、生物分析等領域受到青睞。智能手機的出現(xiàn)帶來了更高的便攜性、多功能性和強大的計算力。然而，基于分子印跡技術的傳感器大多停留在實驗室和學術水平，商業(yè)化之路任重道遠，受到許多挑戰(zhàn)。

（1）材料本身制備的挑戰(zhàn)：分子印跡材料的開發(fā)還存在抗干擾能力不足、聚合機理不明確、模板分子去除困難、選擇性吸附能力不足等問題。對此已經開發(fā)了幾種方法來解決聚合物的現(xiàn)有局限性。分子模擬計算和計算機輔助方法已被用于預測和優(yōu)化模板分子與功能單體之間的相互作用，從而增強了具有改進識別性能的聚合物的設計。此外，還引入了硼酸親和、非共價氫鍵協(xié)同等策略來優(yōu)化模板分子與單體之間的相互作用，顯著提高了聚合物的特異性識別能力。虛擬模板分子印跡技術的實施已經成為傳統(tǒng)模板分子的有效替代方案，減輕了與模板泄漏相關的擔憂，并可能降低洗脫難度。此外，印跡后修飾技術的發(fā)展使分子印跡聚合物的結合親和力和選擇性得以增強。這些進展說明在克服分子印跡技術局限性方面取得的重大進展，為提高其性能和擴大其在各種研究和技術領域的應用提供了新的途徑。

（2）商業(yè)化的挑戰(zhàn)：許多論文都取得了良好的檢測性能和重現(xiàn)性，但在改變實驗條件和場地后難以重現(xiàn)，因此有必要對印跡材料的合成工藝進行優(yōu)化。傳感器需要盡可能的小型化和便攜化，降低專業(yè)使用門檻，遠離對大型配套檢測儀器的依賴，此外，印跡和傳感的機理也應該得到更充分的解讀和驗證。在大規(guī)模合成研究的早期，需要重新設計不同于實驗制備方案的合成條件，這需要足夠的投資資金和人力投入。

（3）基于智能手機的技術挑戰(zhàn)：移動設備的變化，包括不同的手機品牌、軟件選擇和集成的傳感器硬件，產生了性能差異。因此，對相同圖像的分析結果可能會在不同的手機上出現(xiàn)分歧。在捕獲圖像時，除其他因素外，旨在消除干擾和背景光的操作平臺設計的差異也可能導致量化不準確。這一限制限制了智能手機增強傳感能力的程度。但隨著技術的逐步進步和軟硬件的不斷發(fā)展，智能手機的更新和升級非常迅速，未來的設備成像技術和計算能力將變得更加強大和智能化。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.125283