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第 43 卷第 4 期2023 年 8 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.4Aug.2023 收稿日期:2022-06-14 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2572022BB06)作者简介:马春慧(1982),女,黑龙江哈尔滨人,副教授,博士生导师,研究方向为天然产物绿色分离与功能修饰;E-mail: 通讯作者:刘守新,教授,博士生导师,研究领域为木质纤维解聚与重组和新型碳材料;E-mail:。doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.04.017电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展MA Chunhui马春慧1,秦旭阳2,许慧娟2,李 伟1,罗 沙2,刘守新2(1.生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学),黑龙江 哈尔滨,150040;2.东北林业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨,150040)摘 要:在简要介绍分子印迹聚合物(MIP)制备原理,以及分子印迹电化学传感器(MIECS)工作原理的基础上,综述了碳纳米材料、磁性材料和导电聚合材料 3 种电极修饰材料在 MIECS 中的应用。碳纳米材料主要涉及石墨烯及其系列衍生物、碳纳米管(CNT);磁性材料在归纳对比了涂覆、磁吸附、电聚合这 3 种电极修饰方式之外,主要介绍了基于传统电极和基于磁控电极的磁性分子印记聚合物(MMIP)修饰;导电聚合材料的合成方法有化学合成、电化学聚合和微生物辅助聚合,重点叙述了电化学聚合法的特点。最后,对 MIECS的发展前景和面临挑战进行了展望。关键词:分子印迹技术;电化学传感器;碳纳米材料;磁性材料;导电聚合物中图分类号:TQ35;O641 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)04-0127-13引文格式:马春慧,秦旭阳,许慧娟,等.电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展J.林产化学与工业,2023,43(4):127-139.Electrode Modification Materials for Molecularly ImprintedElectrochemical SensorsMA Chunhui1,QIN Xuyang2,XU Huijuan2,LI Wei1,LUO Sha2,LIU Shouxin2(1.Key Laboratory of Bio-based Material Science&Technology,Ministry of Education,Harbin 150040,China;2.College of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)Abstract:Based on briefly introducing the preparation principle of molecularly imprinted polymer(MIP)and the workingprinciple of molecularly imprinted electrochemical sensor(MIECS),the application of three kinds of electrode modificationmaterials:carbon nanomaterials,magnetic materials,and conductive polymer materials in MIECS is reviewed.Carbonnanomaterials mainly involve graphene and its series derivatives,carbon nanotubes(CNT);magnetic materials In addition to theinduction and comparison of the three electrode modification methods of coating,magnetic adsorption,and electropolymerization,it mainly introduces the methods based on traditional electrodes and Magnetic Molecularly Imprinted Polymer(MMIP)modification based on magnetron electrodes;the synthetic methods of conductive polymer materials include chemical synthesis,electrochemical polymerization and microorganism-assisted polymerization.The characteristics of electrochemical polymerizationare described emphatically.Finally,the development prospects and challenges of MIECS are highlighted.Key word:molecular imprinting technique;electrochemical sensor;carbon nanomaterials;magnetic materials;conductive polymer分子印迹技术,又称分子烙印技术,最早可追溯到二十世纪。二十世纪三十年代 Polyakov 制备二氧化硅矩阵时加入二氧化硅,发现其对二氧化硅的吸附性更好,而后四十年代 Pauling 提出的抗体形成原理,七十年代由 Wulff 合成了第一个共价分子印迹聚合物(MIP)1-2。分子印迹技术经过几十年的发128 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷展,因其优异的特性,如高选择性、易于制备、低成本、良好的化学和物理稳定性以及可设计性等,使得分子印迹技术在传感器3-5、催化剂6-7、物质分离8-9、药物输送10等领域应用十分广泛。分子印迹技术是一种仿造自然界中“抗体-抗原”,利用 MIP 特定空腔进行特异性识别的技术。作为一种实时检测装置,常规电化学传感器的识别单元特异性识别较差,而分子印迹技术正好可以弥补这一缺陷,所以近年来关于分子印迹电化学传感器(MIECS)的研究越来越多。MIECS 的主要挑战在于大多传统 MIP 是不导电的,所以将其应用于电化学传感器需要掺杂其他材料来改善其导电性。电极修饰是电化学传感器构建中十分重要的一环,它关系到传感器的许多重要参数,如灵敏度、选择性以及检测限等,所以电极修饰材料以及修饰方式的选择尤为重要。修饰材料最主要目的就是改善 MIP 薄膜的导电性,其次是作为 MIP 薄膜的附着基质;电极修饰方式决定 MIP 识别空腔的空间分布进而影响传感器的识别性能。1 分子印迹电化学传感器1.1 分子印迹聚合物分子印迹聚合物(MIP)是应用分子印迹技术制备的一种可特异性识别目标分子的聚合物,制备原理如图 1 所示。先选用合适的功能单体与模板分子结合,再加入交联剂和引发剂成为聚合物,然后用洗脱剂洗去模板分子,留下的三维空腔可以特异性识别模板分子。MIP 在制备过程中模板分子与功能单体可以通过多种不同的作用力形成聚合物,按照作用力的不同可以分为 3 类:共价键法、非共价键法以及半共价键法,聚合方法主要有自由基聚合法11-12、电化学聚合法13-14以及溶胶-凝胶法15-16。图 1 分子印迹聚合物制备原理Fig.1 Preparation principle of molecularly imprinted polymer1.2 分子印迹电化学传感器电化学传感器具有灵敏度高、检测速度快、仪器简单、成本低、便于携带等特点,可以将目标的浓度信号转换为电化学信号。目前常见的物质检测分析手段主要有高效液相色谱法17、气相色谱-质谱法18、液相色谱-质谱法19-20、毛细电泳法21-22、荧光分析法23等。这些方法虽然在检测和分离方面十分精准,但是存在设备昂贵,无法实地实时监测等问题,所以设备简单、便于携带、可实时检测、灵敏性高的传感器装置进入了人们的视野。传感器主要由识别系统和转换系统两部分组成,识别系统的主要工作是选择性识别目标分子,将化学信号转化为电信号;转换系统则接收电信号进行修饰、放大处理进而显示检测结果。电化学传感器一般可分为电导型24、电流型25-26和电位型 3 类。其中电流型传感器在特定电压条件下与待测物质发生氧化还原反应产生电流,特定电压可以反映物质种类,电流大小可以反映物质浓度,所以 3 种传感器中电流型传感器的使用最为广泛27。为了克服普通电极选择性差的问题,人们常常对电极进行修饰,如将 MIP 修饰到电极表面以提高电极的选择性。这种将 MIP 作为识别单元的电化学传感器,称为分子印迹电化学传感器。分子印迹电化学传感器(MIECS)的工作原理如图 2 所示。但是由于 MIP 大多为不导电的有机聚合物,因此为了增加其导电性,会用导电性良好的纳米材料来修饰电极,如碳纳米材料、金属纳米材料以及导电聚合物等。为了能够更好的吸附分离目标分子,会采用磁性 MIP 与磁性电极磁场定向自组装的策略,达到快速分离、检测的目的。1.3 MIECS 的应用领域MIECS 结合了分子印迹技术的高选择性、低成本以及良好的稳定性和电化学传感器的灵敏度高、检测快的优势,已经被广泛应用于食品安全检测、环境分析、农药残留检测、临床及药物检测等方面。第 4 期马春慧,等:电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展129 图 2 分子印迹电化学传感器(MIECS)工作原理Fig.2 Working principle of molecularly imprinted electrochemical sensor(MIECS)食品安全与人类健康、经济发展和社会稳定密切相关,是关系国计民生的重大问题。2008 年的三鹿奶粉的三聚氰胺事件令人心碎,也正是因为这些血的教训使得食品安全检测技术得到大力的发展。MIECS 作为一种新兴的痕量检测手段,在食品安全检测领域亦有大量的研究成果。抗生素作为一种常用的抗菌药物,是人类预防治疗疾病,保障身体健康的重要药物,而在养殖业中除了可以预防疾病,还可以促进成长以降低饲养成本。但抗生素作为一种化学合成药物有难降解的问题,并且服用的抗生素只有小部分被利用,大部分被排出体外在环境中累积,而在环境中的抗生素会经过食物链在人类体内累积,导致人体肠道菌群紊乱,菌种抗药性增强等,所以对食物中抗生素残留的检测十分有必要。恩诺沙星是一种化学合成抗生素,属于广谱抗菌药,常应用于畜禽以及水产品的疾病防治。秦思楠等28以恩诺沙星为模板分子,邻苯二胺和邻氨基苯酚为复合功能单体在玻碳电极(GCE)表面通过电聚合制备MIP 构成 MIECS,该传感器可以检测牛奶、鸡肉、鸡蛋以及猪肉中的恩诺沙星。赵玲钰等29构建了一种检测磺胺类药物的 MIECS,引入羧基化多壁碳纳米管(MWCNT)和金纳米材料修饰电极,然后在其表面电聚合 MIP。Shi 等30报道采用金纳米/还原氧化石墨烯/单壁碳纳米管(Au/rGO/SWCNT)复合材料构建传感器用以检测牛奶样品中的培氟沙星。Turco 等31报道了一种检测牛奶样品中磺胺甲恶唑(SMX)的传感器,该传感器的构建是先将氧化 MWCNT 电化学沉积在极化电极上,增加电极的表面积作为 MIP聚合的基质,然后在 SMX 存在的情况下,将吡咯电聚合在基质表面,最后将 SMX 洗脱即可。MIECS 在环境监测、农药残留检测等方面的应用与食品安全检测方向的总体设计思路大体一致,所以按照食品检测传感器构建的 MIECS 通常也适用于环境监测和农药残留检测,只要其目标分子一致即可使用。Ding 等32报道的一种检测草磷酸的 MIECS,该传感器采用聚吡咯纳米管修饰电极,然后在其表面覆盖一层 MIP 薄膜。通过后续对实际样品的测试实验,证实了该传感器同样适用于检测农产品中的农药残留以及环境检测。随着人们生活水平的日益提高,人们对于社会医疗水平提高的需求也逐渐增强,早发现早治疗是预防、治疗疾病的有力手段。每种疾病都会有一种或几种生物标记物,它们是诊断疾病、病因预测、确定病情严重程度的证据之一。癌症是人类死亡的三大主要疾病之一,不过早期癌症治疗的成功率在 50%80%之间,特别是肺癌和乳腺癌等,早期可以通过外科手术切除肿瘤细胞及病变组织以达到治愈目的,所以对于癌症的早期发现的研究是十分必要的。与其他疾病一样,癌症同样有其生物标记物,因此,可以通过检测生物标记物的浓度达到早发现早治疗的目的。Pacheco 等33报道了一种用于乳腺癌早期检测的 MIECS,以乳腺癌生物标志物 癌抗原 15-3(CA15-3)为目标分子,将 MIP 电聚合在丝网印刷金电极表面,并且将尺寸减小,样品体积降低至 30 40 L,这样可以很容130 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷易地集成到袖珍电化学设备上。Moncer 等34报道了一种检测类癌生物标记物 5-羟基吲哚-3-乙酸的MIECS,该传感器利用聚吡咯导电性以及生物亲和性,通过电极表面电化学聚合吡咯将 5-羟基吲哚-3-乙酸印记在电极表面,再将 5-羟基吲哚-3-乙酸洗脱就得到了 MIECS,实验表明:该传感器可成功应用于血清、尿液以及血浆中 5-羟基吲哚-3-乙酸的检测。MIECS 在阿尔兹海默症的发现中也有相同的应用。磷酸化 Tau 蛋白是阿尔兹海默症的生物标志物之一,如 Ben 等35以磷酸化 Tau 蛋白(p-Tau-3)为目标分子,通过电聚合的方式在丝网印刷电极上构建 MIP,以 3-氨基苯酚代替功能单体及交联剂的功能,该传感器可以作为现场筛查的有力工具,具有易于制造、响应时间短且价格低廉的优势。2 碳纳米材料修饰电极在 MIECS 中的应用碳纳米材料(CNMs)是研究最为广泛的纳米材料,具有导电率高、易制备和改性、成本低、化学性质稳定可减少电极污染和背景电流低等优点36。常见的 CNMs 修饰电极,通常应用石墨烯37及其衍生物38-39、碳纳米管40-41、石墨碳氮化物42-43、碳点42,44-45等。2.1 石墨烯及其衍生物修饰电极石墨烯(GR)是一种以 sp2杂化连接的碳原子呈单层六边形紧密排列的二维材料,因为其高比表面积、高电子迁移率和低电噪声等优良特性,经常被用于提高传感器的灵敏度46。吴佳雯等47采用直接将 GR 涂覆到 GCE 表面得到 GR/GCE,再将可特异性识别三唑磷的 MIP 滴涂到 GR/GCE 表面,通过应用微分脉冲伏安法(DPV)、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)进行电化学检测,结果显示:MIP 和GR 成功修饰到电极表面,在1.0 10-72.0 10-5mol/L 的范围内与传感器峰电流呈线性关系,且检出限为4.3 10-8mol/L。通过简单的石墨烯修饰电极就能显著的提高传感器的电流信号和较低的检出限。尽管石墨烯有诸多优点,但人们在研究过程中发现,石墨烯具有电化学活性位点少、易团聚等缺点,很大程度限制了石墨烯在传感器领域的应用48。为了解决这一问题,人们制造了一种修饰改性的功能化石墨烯 氧化石墨烯(GO)。GO 的基面上修饰了大量的氧化官能团如羧基、羟基和环氧基等,因此其表面拥有更多的电化学活性位点以及良好的亲水性,适合应用于检测亲水物质的传感器中。王琦等49利用核酸适配体和 GO 组装了一种荧光适体传感器,用于检测水相样品中的真菌毒素。由于 GO大量不稳定的氧化官能团的存在,所以导致其本质上是高度亲水且不稳定,为了克服这一问题,通常采用还原特定的含氧官能团以达到目的,这种被还原过的 GO 称为还原氧化石墨烯(rGO),当然也有其他方法修饰,如 Anirudhan 等50通过利用有机硅烷处理 GO 的羟基形成 SiO 来克服,以甲硅烷基化 GO为该电极基质,再通过滴铸法将 MIP 修饰在基质上,该传感器可以特异性识别 2-氨基己二酸。还原氧化石墨烯(rGO)通过对 GO 含氧官能团的调控,使其具有高导电率和大比表面积,同时保留GO 丰富的电化学活性位点,rGO 无论是电化学活性、电容性还是电化学稳定性都要优于石墨烯。Oghli等51利用 rGO 和磷钨酸(PWA)组合开发电化学活性复合材料,先将 rGO/PWA 复合材料利用电化学方法沉积到电极表面,再通过溶胶-凝胶法将 MIP 修饰到电极上,实验结果验证该复合材料增加了电子转移的速率,从而增加了传感器的灵敏程度,该传感器比先前报道的电化学传感器具有更好的分析性能。2.2 碳纳米管修饰电极碳纳米管(CNT)于 1991 年由日本物理学家 Sumio52发现以来一直备受关注。CNT 由圆柱形石墨单层组成,可以根据同轴圆柱体的层数进行分类,可分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)。由于碳纳米管具有高效的催化活性、促进氧化还原反应中的电子转移、电催化性能、提高伏安响应的灵敏度以及与其他材料(如酶和纳米颗粒)的相容性,因此 CNT 常被用于传感器电极的修饰材料53。而且 CNT 可以通过多种方式轻松引入官能团,从而提供强大的吸附性能、调节表面电荷以及增加 CNT 表面电化学活性位点,如与亚硫酰氯反应54、通过丙烯酰胺进行功能化改性55、与有机硅耦合剂耦合,以及通过多巴胺对 CNT 表面进行改性56等。Deiminiat 等57通过在溶胶-凝胶网络中加入导电聚合物,并在印迹膜形成之前使用 MWCNT 作为修饰层,来改善溶胶-凝胶/MIP 层到电极表面的电子转移,将 MWCNT、导电聚合物和溶胶-凝胶技术相第 4 期马春慧,等:电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展131 结合,提高了电化学传感器的选择性和灵敏度,通过 EIS、CV 和方波伏安法(SWV)研究了所构建的传感器的电化学行为,这是 MWCNT 最简单、最朴素的应用方式。因为 MWCNT 是一种一维管状纳米材料,因其长度较大,所以非常容易发生缠绕现象,影响其性能,为了改善这一现象,人们常常通过在 MWCNT表面引入官能团进行改性,或者制备以 MWCNT 为核、以功能化材料为壳的复合材料。Santos 等58报道了一种 MWCNT 引入乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS),以达到具备大的比表面积和好的吸附性能的同时,拥有更多的电化学活性位点,并与多孔硅氧烷分子印迹聚合物薄膜结合涂敷到电极表面。SnS2是一种重要的 IV-VI 族半导体材料,拥有良好的催化性能和高导电性。Gan 等59采用核壳结构的 MWCNTSnS2与分子印迹壳聚糖复合修饰 GCE,结果表明:采用 MWCNT SnS2作为电极材料,显著提高了传感器的电子转移效率和比表面积,从而提高了传感器的灵敏度。MWCNT 在分子印迹电化学传感器方面的应用,除了引入官能团改性和构建核/壳结构的复合材料以外,还可以掺杂其他材料达到设计目的,如掺杂金纳米粒子60-63、镍纳米粒子64、石墨烯及其衍生物65等,掺杂这些材料目的大多都是在保持 MWCNT 大比表面积和吸附能力的同时提高其电子转移能力和增加电化学活性位点。3 磁性材料修饰电极在 MIECS 中的应用3.1 磁性材料自从磁性纳米材料发现以来,磁分离技术在物质分离方面的应用得到了巨大地发展,如磁性固相萃取66。近年来,磁性分子印迹聚合物(MMIP)因其不用通过过滤、离心等方式分离,仅通过外加磁场即可分离的特点,受到人们青睐并广泛应用于 MIECS 中。近几年磁性 MIECS 的研究成果见表 1。表 1 基于磁性 MIP 的分子印迹电化学传感器1)Table 1 Molecularly imprinted electrochemical sensor based on magnetic MIP电极及修饰材料electrode and modification material修饰方式modification method分析物analyte分析方法analyticalmethod检出限/(mol L-1)detection limit文献ref.MIP/MPS/Fe3O4 SiO2/GCE磁吸附magnetic adsorption敌草隆 diuronDPV1.3 10-868MIP/MGO/Au/AuE滴涂 drop coating氯霉 chloramphenicolCV8.0 10-1069MIP/Fe3O4 SiO2/MPS/GCE磁吸附 magnetic adsorption甲基对硫磷methyl parathionCV1.22 10-670MIP/Fe3O4/CPE滴涂 drop coating四溴双酚 Atetrabromobisphenol ADPV0.77 10-971MIP/MOFs/Fe3O4 PDA磁吸附 magnetic adsorption土霉 oxytetracyclineDPV4.1 10-1072MIP/MWCNT/CS/Fe3O4 Au/AuE涂覆/电聚合coating/electropolymerization链霉素 streptomycinDPV1.5 10-973MIP/MWCNTs/Fe3O4/PMMA/CS/GCE滴涂 drop coating卡那霉素 kanamycinDPV/CV2.3 10-1174MIP/Fe3O4 SiO2/MGCE滴涂 drop coating甲硝唑 metronidazoleDPV1.6 10-875CuFe2O4/MIPs/GCE滴涂 drop coating溶菌酶 lysozymeDPV1.5 10-976Fe3O4 MIP/rGO/GCE滴涂 drop coating木犀草素 luteolinDPV/CV1 10-1277MIP/Fe3O4 Au-GSH/MGCE磁吸附 magnetic adsorption雌二醇 estradiolDPV2.76 10-978Fe3O4 ZIF-8 MIP/AuE磁吸附 magnetic adsorption肌氨酸 sarcosineCV0.4 10-1279MIP/Fe3O4 rGO/GCE磁吸附 magnetic adsorption苋菜 amaranthDPV80MIP/Fe3O4 PANI/MGCE磁吸附 magnetic adsorption肌酐 creatinineCV/DPV0.35 10-981MIP/Fe3O4 PANI/rGO磁吸附 magnetic adsorption谷胱甘肽 glutathioneDPV3 10-9821)MIP:分 子印 迹聚 合 物 molecularly imprinted polymer;MPS:3-(甲 基 丙 烯 酰 氧)丙 基 三 甲 氧 基 硅 烷 3-(methacryloyloxy)propyltrimethoxysilane;GCE:玻碳电极 glassy carbon electrode;MGO:磁性氧化石墨烯 magnetic graphite oxide;AuE:金电极 Au electrode;CPE:碳糊电极 carbon paste electrode;MOFs:金属有机框架 metal-organic framework;PDA:聚多巴胺 polydopamine;MWCNT:多壁碳纳米管 multi-walled carbon nanotubes;MGCE:磁性玻碳电极 magnetic GCE;rGO:还原氧化石墨烯 reduced graphene oxide;PMMA:聚甲基丙烯酸甲酯polymethyl methacrylate;CS:壳聚糖 chitosan;GSH:谷胱甘肽 glutathione;ZIF-8:沸石咪唑酯骨架8 zeolite imidazole ester skeleton-8;PANI:聚苯胺 polyaniline;DPV:差分脉冲伏安法 differential pulse voltammetry;CV:循环伏安法 cyclic voltammetry;:g/mL132 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷铁、钴、镍是 3 种众所周知的铁磁性金属元素,常见的磁性材料包括金属及其氧化物、金属合金、铁氧体等67。从表 1 可以看到应用最广泛的磁性纳米材料是 Fe3O4。Fe3O4是最常见的磁性材料,但是Fe3O4纳米颗粒在空气中很容易被氧化,进而阻碍电子转移,所以为了降低这一影响,一般通过与其他纳米材料结合,如表中所示金纳米、CNT、GR 及其衍生物、导电聚合物等,以制备具有优势性能的复合材料。磁性 MIECS 电极的修饰方式主要有涂覆、电聚合和磁吸附3 种。涂覆是传统 MIECS 制备最常用的方式,而磁吸附是磁性 MIECS 独有的一种修饰方式,电聚合在磁性 MIECS 中较为少见。以下将分别基于传统电极和基于磁控电极对磁性 MIECS 进行介绍。3.2 基于传统电极的 MMIP 修饰电极基于传统电极的磁性分子印迹电化学传感器(MMIECS)主要分为 2 种修饰方式:一种是直接合成MMIP,然后将其滴涂到电极表面;另一种则是先用磁性材料对电极表面进行改性,然后在磁性基质上聚合一层 MIP。传统 MIECS 的制备方式是直接合成 MMIP 再滴涂到电极表面,在这种制备方式中磁性材料的主要作用是增加传感器的电流强度。Limthin 等83报道的应用超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPION)增强 MIP导电性的策略,SPIONs 与贵金属纳米颗粒或 MWCNTs 相比,具有制备简单、成本低、生物相容性好等优点,当在掺杂 SPION 的 MIP 周围施加磁场,会使 SPION 发生磁自旋,表现出巨磁电阻现象,导致电阻下降,从而改善电荷转移,这项研究就是制备了掺杂 SPION 的 MIP 然后滴铸到电极表面,以达到修饰电极的目的。除了通过磁性纳米材料提高导电率外,还有将 Fe3O4材料当作 MIP 的附着基质,如 Garcia 等84的研究,以 Fe3O4为芯,表面包覆着 MIP 得到 Fe3O4 MIP,然后将其涂覆到电极表面。当然,也有是单纯的应用磁性纳米材料的磁性将 MIP 固定到电极表面,如 Zamora-Glvez 等85报道的一种阻抗传感器,该传感器是将 MMIP 通过放置于电极下方的永磁体固定于丝网印刷电极,MMIP 的制备是在聚合物形成的过程中加入 Fe3O4纳米材料形成复合材料,而不是单纯的加入 Fe3O4纳米材料使其拥有磁性;研究起初引入 Fe3O4纳米材料只是为了可以快速地从样品溶液中分离 MIP,以及将其固定于电极表面,但在后续的电化学测试中发现,加入 Fe3O4纳米材料后电极的电阻率下降,研究人员将这一现象归因于 Fe3O4纳米材料的催化活性,以及 Fe3O4纳米材料的存在增加了电极的有效面积。3.3 基于磁控电极的 MMIP 修饰电极因为 MIP 是有机聚合物,其导电性能较差,所以在制备 MIECS 时为了提高传感器的电流强度,大多会对电极进行层层修饰。这种修饰工作不仅费时费力,而且是不可逆的操作,虽然 MIP 具有很好的重复性,但仍然有电极利用率低的问题,并且在进行物质检测时,必须要将修饰好的电极放置在待测溶液中一段时间才能达到识别、吸附目标产物的目的,降低了检测速度。而基于磁控电极的 MIECS 可以很好地避免这种情况,该类传感器的修饰策略是先制备 MMIP,然后通过磁场将 MMIP 固定在磁性电极表面。具体的检测步骤是将 MMIP 放置于待测溶液中一段时间,使其充分识别吸附待测物质,然后通过磁场力的作用将其固定至电极表面,再进行电化学测试。这一策略的主要优点就是使得待测物质识别和吸附的过程不仅仅局限于电极表面,可实现简单、快速、高通量的分析;而且没有修饰电极这一繁杂、费力、费时的过程。这种 MIECS 的制备主要分为两部分:MMIP 的制备和磁性电极的制备。Santos 等86报道了一种基于磁控电极的磁性 MIECS 的制备及分析方法,MMIP 制备的主要步骤是先制得 Fe3O4SiO2纳米颗粒,再在其表面通过沉淀法合成 MIP;磁性电极的制备是将一个钕磁体放在聚氯乙烯(PVC)套筒中,使其与电触点接触,然后用石墨粉和树脂混合物将其覆盖即可。通过 MMIP 与磁性电极耦合的MIECS,最大的优势在于它们可以在检测目标分子浓度的同时分离、提取目标产物,首先将 MMIP 放置于待测溶液中,选择性地吸附目标分子,然后通过外加磁场将 MMIP 与待测溶液分离,将其中一部分固定在磁性电极表面进行电化学测试。磁性材料在 MIECS 的应用,除了上面介绍的直接参与传感器电极的制备与修饰外还有其他方式,如 MMIP 固相萃取-MIECS 联用。在复杂样本中准确地检测痕量物质是很困难的,所以在检测之前要进行样品处理。固相萃取因操作简单、成本低的特点,经常被用于分离和预浓缩等样品处理。MMIP 具有第 4 期马春慧,等:电极修饰材料在分子印迹电化学传感器的应用研究进展133 高选择性的目标识别以及超顺磁性,所以 MMIP 是良好的固相萃取柱的吸附剂。与其他基于固相萃取的分析方法(如高效液相色谱、毛细电泳法)相比,基于 MMIP 和电化学传感器的固相萃取方法具有快速、方便的优势87。龙芳66报道了一种简便、快捷 MMIP 固相萃取-MIECS 联用的分析方法用于检测肉制品中的红霉素。4 导电聚合材料修饰电极在 MIECS 中的应用导电聚合物(CP)是一种人工设计合成的半导体聚合物,具有优异的导电性能和大的电容、能够很好地依附在电极表面形成稳定的基质。合成方法主要有化学合成、电化学聚合以及微生物辅助聚合,常见的 CP 有聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩以及聚(3,4-乙烯二氧噻吩)等。导电聚合物是基于沿着聚合物链形成的-共轭键结构,该结构使其具有导电性能从而拥有导体的特性。此外,导电聚合物还拥有很好的生物亲和性,如聚吡咯具有良好的生物相容性88。前述在生物标志物的检测应用中,很多传感器的构建都用了导电聚合物修饰电极,如检测血液、血清、唾液、尿液等复杂生物样品中的活性化合物。MIECS 应用最多的导电聚合物是聚吡咯,它可以直接从吡咯溶液中电化学聚合。目前采用聚吡咯修饰的 MIECS 已广泛应用于各种微量物质检测,如槲皮素89-90、芦丁91、没食子酸92等林源活性物质,以及癌胚抗原93、甲胎蛋白、SARS-CoV-2-S 刺突糖蛋白94等蛋白质或各种癌症标志物。基于邻苯二胺及其衍生物的 MIECS 大多应用于药物检测领域,如抗 COVID-19 药物法匹拉韦95、抗雄激素药物恩杂鲁胺96等。应用于与构建 MIECS 的主要方法有化学合成法和电化学聚合法。与化学合成法相比,电化学聚合的最大优势是可以通过改变电流、电压以及调控循环扫描的时间和速率轻松地控制导电聚合物修饰层的厚度、密度、均匀性,而这些修饰层的特性又可以进一步影响传感器的灵敏性和线性范围,而且化学合成法所需要的大量化学试剂在电化学聚合法中也是可以避免的,使合成过程更加绿色、经济。此外,在导电聚合物初步形成后,还可以施加更高的电位使得导电聚合物变为过氧化,这一过程虽然不是必须的,并且会一定程度地破坏导电聚合物的内部结构,但在 MIP 薄膜的形成过程中会起到积极的作用,因为过氧化会使导电聚合物产生含氧基团,如:羟基、羰基等,这些基团有利于模板分子的识别以及附着97。这一特性主要在聚吡咯中应用,因为在其他导电聚合物如聚苯胺,过氧化会使得聚苯胺形成醌类物质,进而导致电极钝化,虽然过氧化的聚吡咯也会因为含氧基团的增多导致导电率下降,但可以通过掺杂其他材料(如碳纳米材料或金属纳米材料)来改善,并且聚吡咯的过氧化会导致聚合物内部形成孔隙,允许Fe(CN)63-/Fe(CN)64-氧化还原探针的渗透,从而增强界面动力学98。Tuyen 等99以GR 修饰 GCE,然后再将电极置于多巴胺、吡咯以及氯化钾的混合溶液中电化学聚合,得到含有多巴胺印记的过氧化聚吡咯薄膜,去除模板分子后将金纳米颗粒电化学沉积到薄膜表面;在后续的表征以及电化学检测中证实过氧化使得聚吡咯形成羰基和羧基,而羰基和羧基可以为多巴胺提供更好的静电力选择渗透率,而金纳米材料的引入使得电子转移更加快速,增强了过氧化聚吡咯薄膜的电子转移能力。该研究团队选用过氧化聚吡咯作为合成 MIP 薄膜的主要原因是因为过氧化聚吡咯中的羰基和羧基会吸引多巴胺的正电基团(-NH3)而排斥阴离子分子(如多巴胺检测的主要干扰物抗坏血酸等)。传统方法制备 MIECS 主要是先制备 MIP,然后将其通过旋涂、滴涂等方式修饰到电极表面。这种方式会导致印记薄膜的模板分子包埋过深不利于检测过程中的吸附、洗脱,导致传感器灵敏度低以及大量消耗洗脱剂等问题。为解决这些问题,研究者们提出了表面分子印迹技术,这种策略可以很好地解决印迹空腔包埋过深的问题,但是应用的功能单体大多是丙烯酸或乙烯基等。但是以丙烯酸等绝缘材料作为电化学传感器的识别元件导电性能不良,为了增加其导电性常需要掺杂其他导电材料,这也使得制作成本上升、制作难度加大;而电化学聚合导电聚合物修饰电极的方式可以很好地避免上述问题。利用电化学聚合方法制备 MIECS 可以分为两种:一种是以导电聚合物充当功能单体以及交联剂的作用,直接在电极表面电聚合 MIP 薄膜;如果导电聚合物与模板分子相互作用微弱则采用另一种方式将导电聚合物作为一种掺杂材料单独修饰电极,使导电聚合物薄膜作为 MIP 附着的基质。因为导电聚合物较差134 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷的溶解度和结构刚性的特性,更有利于其作为印迹基质的适用性,并且这一特性还有助于在去除模板分子后保持印迹空腔的完整性100。5 结 语分子印迹电化学传感器(MIECS)是一种快速便捷、低成本、灵敏度高、实时检测的装置,广泛应用于生物医药、环境监测、食品安全检测、农药残留检测等领域。本文通过碳纳米材料、磁性材料以及导电聚合物介绍了分子印迹电化学传感器的研究现状,并归纳了滴涂或旋涂、磁吸附、电聚合 3 种电极修饰手段,其中直接涂覆是最简单、常用的方法,缺陷就是印记空腔包埋过深,不利于吸附和解吸,且印迹膜厚度不均匀等;磁吸附是磁性分子印迹聚合物特有修饰电极方式,因磁性分子印迹聚合物大多采用核-壳结构的表面印迹技术制备,改善了印记空腔利用率低的问题;电化学聚合可以通过改变电流、电压以及循环扫描的次数调控分子印迹聚合物薄膜的厚度、密度等特点,但该方法仅局限于部分物质检测。电极修饰材料是分子印迹电化学传感器十分重要的一部分,电极修饰材料最主要作用就是改善分子印迹聚合物薄膜的导电性,其次是作为分子印迹聚合物薄膜的附着基质,所以在选择电极修饰材料时最先关注的就是其导电性和比表面积。如石墨烯和碳纳米管等材料导电性良好且具有大的比表面积,因此碳纳米材料是 MIECS 最常用的电极修饰材料。除了碳纳米材料外,常用的材料还有金属纳米材料、金属有机框架、磁性材料、导电聚合物等,以及多种材料构建的复合材料。磁性 MIECS 多应用于样品复杂、干扰物多、待测物质浓度低的场景,因为磁吸附的固定方式使得分子印迹聚合物可以在样品中进行预浓缩后直接通过外加磁场的方式固定到电极表面,进行电化学测定。导电聚合物因其良好的生物相容性主要应用于生物标志物的测定。目前 MIECS 应用的导电性良好的功能单体较少,加大对新型功能单体的研究会是下一步研究的重点,同时构建高效的识别体系也是必要的。参考文献:1ARABI M,OSTOVAN A,BAGHERI A R,et al.Strategies of molecular imprinting-based solid-phase extraction prior to chromatographic analysisJ/OL.T