虚拟模板分子印迹聚合物传感器在分析与生物分析中的应用

本周看点

📝 文章信息

IF:5.1 ，DOI: 10.1016/j.talo.2025.100431

🛠️研究背景

      分子印迹技术（MIT）通过在聚合物中构建与目标分子的形状、尺寸及官能团相匹配的识别空穴，实现对特定物质的选择性结合，已被广泛用于分离富集、环境监测、食品安全及生物传感。然而，传统分子印迹聚合物（MIPs）通常直接以待测物作为模板，部分目标物具有毒性高、价格昂贵、来源受限或聚合过程中不稳定等问题，增加了材料制备的难度。尤其在痕量分析中，残留模板的持续泄漏可能被误认为样品中的目标物，影响定量结果的可靠性。虚拟模板分子印迹技术（DMIT）以具有相似骨架、空间构型或关键官能团的替代分子参与印迹，在保留目标识别能力的同时，降低直接使用目标物带来的成本、安全和模板污染问题。另一方面，量子点、碳点及电极材料虽然能够提供灵敏的信号响应，但本身往往缺乏足够的选择性，将其与虚拟模板分子印迹聚合物（DMIPs）结合，有助于同时实现选择性识别和有效信号转换。基于这一背景，本文综述了DMIT的基本原理、模板选择策略及其在分析与生物分析传感中的应用，并讨论其优势、局限和后续发展方向。

🔍 摘要概述

该文由Alaa Bedair等发表于Talanta Open，是一篇围绕虚拟模板分子印迹传感器展开的综述。作者首先介绍虚拟模板与功能单体预组装、交联聚合、模板洗脱及目标物再结合的基本过程，强调骨架相似性、官能团匹配和避免样品干扰是选择虚拟模板的重要依据；随后按化学发光、荧光、电化学、室温磷光及石英晶体微天平等信号模式归纳已有研究。综述所引案例表明，以金刚烷为虚拟模板构建的微孔板化学发光传感器，可检测金刚烷胺和金刚乙胺，检测限均为1.0 pg/mL，单次检测约20 min，可重复使用6次；以L-精氨酸为虚拟模板的印迹材料与CdTe量子点耦合，可在纸芯片上实现微囊藻毒素的间接荧光检测，正文报告的线性范围为0.5～50 μg/L，表1列出的检测限为0.43 μg/L。此外，以均苯三甲酸为虚拟模板、以聚乙撑二氧噻吩和激光诱导石墨烯为电极体系，可用于多种硝基芳香族爆炸物的检测。这些案例说明，DMIPs可适配多种分析对象与读出方式，但各项性能来自不同研究体系，不能直接作为同一传感器的统一指标。

🔬 研究方法

该文采用文献归纳与分类讨论的方式梳理研究进展，其方法重点在于总结已有DMIPs的设计和应用路线。首先，根据目标物的空间骨架及关键结合基团选择结构类似物或分子片段，结合非印迹聚合物（NIPs）筛选、理论计算与分子动力学模拟，评估候选模板和功能单体的相互作用，并通过实验验证选择性、吸附等温线和吸附动力学。其次，在合适溶剂中使虚拟模板与单体通过共价或非共价作用形成预组装体系，再通过热聚合、光聚合或电聚合等方式固定识别结构，洗脱模板后获得可结合目标物的空穴；具体单体、交联剂及反应条件随体系而变化。随后，将DMIPs与不同信号材料耦合：化学发光体系利用目标物富集和发光反应实现定量；荧光体系结合量子点或碳点，通过猝灭或恢复发光输出信号；电化学体系在电极表面形成印迹识别层，利用电信号变化检测目标物；室温磷光及石英晶体微天平则分别读取磷光变化和吸附引起的频率变化。其中，微囊藻毒素纸芯片利用印迹层包覆的ZnFe₂O₄与CdTe量子点构成间接荧光平台，目标物占据空穴后阻碍电子转移，使量子点荧光恢复。最后，以线性范围、检测限、选择性、加标回收率、重复性及再生性能等指标评价传感器，并结合真实样品检测考察实际适用性。

     该综述认为，虚拟模板策略为不适合直接用作模板的目标物提供了可行的分子印迹方案，并可降低目标物模板残留对痕量定量的影响。其关键在于选用既能模拟目标物识别特征、又适合聚合过程的替代分子，使形成的结合位点与后续信号转换材料协同工作。已有化学发光、荧光、电化学、磷光及石英晶体微天平传感研究显示，DMIPs在食品残留检测、环境污染物监测和生物标志物分析中具有应用潜力，部分体系兼具较低检测限、较短分析时间及可重复使用的特点。但虚拟模板与目标物并非完全一致，可能造成识别位点匹配不足和选择性下降；模板筛选尚缺乏统一标准，功能单体种类、聚合方法及批次重现性也仍有改进空间。因此，不能将使用虚拟模板等同于自动消除所有干扰，实际体系仍需验证残留替代物及共存物的影响。作者提出，未来可结合计算模拟与人工智能优化模板设计，扩展功能单体库，并与金属有机框架、共价有机框架及纳米材料整合，同时推进绿色合成、标准化制备、规模化生产和真实样品验证，以提升DMIPs传感器的实际应用能力。

图2. 用于微囊藻毒素检测的间接荧光纸芯片。（a、b）印迹与非印迹体系的荧光光谱及校准曲线；（c、d）纸芯片结构与紫外光下的外观；（e）荧光测量装置；（f）样品在纸通道中的流动和过滤过程。

审  核：Li YT

编  辑：HUANG HR

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