多模板分子印迹聚合物电化学生物传感器 | MDPI Chemosensors

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双模板及多模板分子印迹聚合物作为一种新兴的识别材料，通过在单一聚合物基质中构建针对不同靶标的特异性识别位点，为同时检测多种分析物提供了理想平台。本篇是University of Bath 的Pedro Estrela团队撰写并在Chemosensors 期刊发表的文章，系统综述了基于双/多模板分子印迹聚合物的电化学传感器研究进展，重点涵盖其在重金属离子、病毒等多种靶标检测中的应用，并结合高效液相色谱、质谱及光学等方法进行比较分析。文章特别聚焦电化学检测策略的优势，深入探讨该类传感器在护理点应用中的潜力、商业化现状以及与微流控系统集成的可行路径。

分子印迹聚合物 (MIP) 作为人工抗体模拟剂，通过三步法制备特异性识别空腔，克服了天然受体稳定性差等缺陷。多模板分子印迹聚合物 (MT-MIP) 可在单一基质中同时印迹多个靶标，显著降低成本与时间。制备优先选用非共价相互作用的单体和交联剂，并根据模板性质选择聚合方法。MT-MIP在单独与混合检测中表现一致，其中电化学检测因操作简便、灵敏度高、响应快而优于传统技术，已广泛应用于护理点检测、商业化开发及微流控系统集成。

1. 通过MT-MIP检测目标

1.1 离子检测

该综述聚焦于离子印迹聚合物电化学传感器在重金属及稀土离子检测中的应用。研究者开发了多种双离子印迹传感器：Prasad等人检测Cd(II) 和Cu(II)，检测限低至0.053和0.035 ng/mL，优于WHO标准；另一研究检测Ce(IV) 和Gd(III)，检测限为0.063和0.182 ng/mL，远优于分光光度法；Kumar等人检测Cu(II) 和Zn(II)，检测限为0.0159和0.0275 µg/L，且抗干扰能力强。这些传感器制备简便、性能优异，有望成为ICP-MS等昂贵技术的低成本替代方案 (图1)。

图1. 制备基于离子印迹聚合物的丝网印刷金电极，用于检测Ce(IV) 和Gd(III)。

1.2 生物标志物的检测

针对生物大分子印迹难题，研究者采用表面印迹、电聚合及纳米材料修饰等策略，开发了多种双模板分子印迹电化学传感器用于疾病标志物检测：纸基传感器检测8-OHdG和3-NT (2.7 nM和13.8 nM)；糖基印迹两步法检测CA72-4和CA19-9 (0.0041和0.0032 U/mL)；磁性印迹和电聚合检测AFP和CEA (0.3-3.3 pg/mL)；抗体-分子印迹联用检测PSA和Myo (5.4 pg/mL和0.83 ng/mL)；抗体偶联纳米脂质体检测EGFR和VEGF (0.01和0.005 pg/mL)；柔性纳米立方传感器检测Hb和HbA1c (0.084和0.095 ng/mL)；以及检测IgG和IgM (28.80和0.58 pg/mL) (图2；图3)。

图2. (a) 在SiO₂上分别用硝酸银、四氢化钠和L-半胱氨酸进行改性后，制备(i) 3-NT和 (ii) 8-OHdG分子印迹聚合物(MIPs)，随后进行自由基聚合，其中3-NT和鸟苷作为单体。(b) 制备双印迹纸基电化学传感器：在滤纸上使用Penguard搪瓷形成疏水储液池 (供伏安池使用)，通过自主丝网印刷构建四个电极，最后将多余的储液池折叠在电极上以检测3-NT和8-OHdG。

图3. MIP和NCP合成过程的示意图，以及传感器分别与PSA、Myo及NCP-PSA抗体孵育后，采用电化学阻抗谱 (EIS) 检测PSA和Myo的过程。

1.3 氨基酸的检测

该综述介绍了双模板分子印迹电化学传感器在手性氨基酸检测中的应用。针对D型和L型氨基酸氧化电位相同、难以直接区分的问题，研究者采用“逐一检测”策略。Prasad等人构建了检测D-和L-天冬氨酸的传感器，检测限分别为1.11和1.14 ng/mL。Hou等人制备了检测D-和L-半胱氨酸的传感器，通过先使传感器被一种对映体饱和再检测另一种的方法实现区分，检测限低至0.6136和0.7402 pg/mL，灵敏度显著优于以往报道 (图4)。

图4. (a) MIP/MoS2-IL/CS/MGCE的制备示意图以及D-Cys和L-Cys电化学对映体分析的实验装置，以及 (b) 电流响应与L-Cys浓度 (i) 和D-Cys浓度 (ii) 之间的线性关系 (插图：L-Cys (i) 和D-Cys (ii) 的差分脉冲伏安法响应曲线)。

1.4 药物化合物的检测

该综述介绍了双模板分子印迹电化学传感器在药物检测中的应用。Fatma等人构建了检测抗肿瘤药物氯ambucil和达卡巴嗪的传感器，检测限低且一个月内电流无偏差。Singh等人检测安替比林和乙硫异烟胺，检测限分别为0.117 µM和0.15 µM。Sun等人检测磺胺嘧啶和对乙酰氨基酚，两者在0.36 V和0.86 V处出现独立氧化峰，电流与浓度呈良好线性。

1.5 神经递质的检测

针对多巴胺和肾上腺素因结构相似、氧化电位接近而难以同时检测的问题，研究者采用分子印迹策略实现了有效区分。一项研究首次合成聚 (9-咔唑乙酸) 作为功能单体，结合多壁碳纳米管修饰玻碳电极，以肾上腺素为伪模板制备印迹传感器，利用多巴胺空腔尺寸排斥效应实现选择性识别，检测限分别为0.015 µM和0.023 µM。另一项研究制备了丙烯酰化氧化石墨烯/炭黑复合物作为交联单体，在丝网印刷电极上通过自由基聚合构建单单体双印迹聚合物传感器，成功区分多巴胺和肾上腺素，检测限低至0.028 ng/mL和0.017 ng/mL (图5)。

图5. (a) aGO/CB-OMNiDIP的合成示意图，以及 (b) 不同电极上多肽胺 (DA) 和乙酰乙酸 (EP) 的DPASV响应；由下至上依次为：裸SPCE、CB/SPCE、GO/SPCE、GO/CB复合材料/SPCE、aCB-DIP/SPCE、aGO-DIP/SPCE、aGO/CB-DIP/SPCE和aGO/CB-OMNiDIP/SPCE。

1.6 环境污染物检测

针对酚类污染物、除草剂等环境威胁物，研究者开发了多种双模板分子印迹电化学传感器。Singh等人以4-氨基苯硫酚和对苯二胺为功能单体，在玻碳电极上电聚合制备表面印迹膜，同时检测对硝基苯酚和氢醌，两者在0.1 V和0.9 V处出现独立氧化峰，检测限分别为0.37 µM和0.14 µM。另一项研究以铂纳米颗粒修饰的氨基介孔二氧化硅为载体，涂覆双模板印迹聚合物，在丝网印刷电极上检测百草枯和草甘膦，检测限低至3.1 nM和4.0 nM，满足饮用水安全标准。Rao等人利用铁掺杂氮化碳纳米片框架修饰玻碳电极，通过电聚合印迹甲苯咪唑，同时利用纳米框架吸附和电氧化检测邻苯二酚，两者检测限分别为0.06 µM和0.004 µM (图6)。这些传感器充分利用了纳米材料的高比表面积和导电性，实现了对环境污染物高灵敏、高选择性的同时检测。

图6. (a) MSN-PtNPs、(b) 双印迹MSN-PtNPs的合成示意图，以及 (c) PQ和GLY双MIP传感器的制备示意图。

1.7 细胞与病毒的检测

双模板分子印迹电化学传感器在病原体检测中展现出巨大潜力。Moakhar等人开发了可同时检测甲型H1N1、SARS-CoV-2病毒蛋白及其抗体的传感器，集成于微流控设备，11分钟内完成检测，与PCR和ELISA结果高度一致。Xu等人以邻苯二胺为单体，制备了同时检测大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌的传感器，检测限分别为9.4和9.5 CFU/mL，制备仅需20分钟。针对微生物尺寸大、印迹困难等问题，可采用表面印迹、表位印迹、电聚合控厚等策略，并选用多巴胺、吡咯等功能单体，配合酸、表面活性剂或酶处理实现模板洗脱。这些研究为病原体早期快速检测和疫情防控提供了有力工具 (图7)。

图7. NfluidEX的示意图。(a) 当前诊断的金标准检测方法。(b) NfluidEX的检测步骤。(c) 用于唾液样本中完整病毒检测及血液样本中抗体检测的芯片检测。(d) NfluidEX设备的实物照片。

2. 微流体技术的整合与商业化

微流控系统凭借微量液体操控、便携、自动化等优势，成为即时诊断的理想平台。将多模板分子印迹聚合物 (MT-MIP) 与微流控集成，可显著提升传感器的灵敏度、选择性和多重检测能力，用于生物标志物、氨基酸、激素、药物等的电化学检测。集成过程中面临基质干扰、通道堵塞等挑战，可通过样品预处理、液滴微流控、亲水材料及流速优化等策略应对。商业化方面，多家公司已推出用于固相萃取、蛋白检测、COVID-19检测等领域的MIP产品。然而，MT-MIP的大规模生产仍面临均质性差、成本高、稳定性不足等瓶颈。通过优化单体和交联剂选择、开发复合材料、改进聚合工艺及集成微流控系统，有望克服这些挑战。目前商业化产品仍以单重MIP为主，MT-MIP的商业化多重检测平台尚需进一步发展 (图8)。

图8. 采用依赖集中化实验室的传统方法与床边检测方法进行疾病检测的示意图。

分子印迹聚合物 (MIP) 作为人工受体，具有稳定性高、成本低、保质期长等优势，但也存在结合效率低、模板洗脱困难、大分子印迹难等局限。可采用表位印迹、表面印迹、纳米修饰、MIP-适配体联用及虚拟模板等策略克服。多模板MIP检测中，若模板氧化电位相同，可用表面接枝或电活性标记区分；非电活性靶标可通过适配体或场效应晶体管实现信号转换。复杂基质中的干扰可通过表面位点设计、样品预处理及磁性纳米材料减轻。微流控与MT-MIP集成提升了多重检测能力。尽管商业化仍以单重检测为主，但随着工艺优化，MT-MIP有望成为即时诊断的重要工具。

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