在臨床治療、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等各個(gè)研究領(lǐng)域，對(duì)可靠的分析和檢測(cè)技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的分析方法，如液相色譜法和質(zhì)譜法等，雖然檢測(cè)靈敏、準(zhǔn)確，但往往需要昂貴的專用設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室條件、耗時(shí)的分析以及苛刻的樣品制備。

因此，開發(fā)成本更低、更簡(jiǎn)單、更方便的分析方法，以及可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的分析方法的需求已經(jīng)出現(xiàn)。結(jié)合分子印跡技術(shù)的傳感器可以提高檢測(cè)化合物的靈敏度，降低檢測(cè)限，擴(kuò)大可檢測(cè)化合物的范圍，并在與靶標(biāo)的結(jié)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(fù)使用。智能手機(jī)具有內(nèi)置傳感器和強(qiáng)大的數(shù)字成像功能，為便攜性和即時(shí)檢測(cè)需求提供了獨(dú)特的平臺(tái)。基于智能手機(jī)的分子印跡傳感器有望成為未來(lái)新的研究方向。

近日，天津中醫(yī)藥大學(xué)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(xì)介紹了當(dāng)前的分子印跡技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，基于分子印跡傳感器的應(yīng)用和分類，和近年來(lái)分子印跡傳感器在檢測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域的最新應(yīng)用，總結(jié)了近兩年基于智能手機(jī)輔助檢測(cè)的分子印跡傳感器研究的前沿進(jìn)展，指出了面臨的挑戰(zhàn)、局限性和未來(lái)發(fā)展前景。

此外，作者根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)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(cè)等方面的相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)紙基傳感器件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和面臨的重大挑戰(zhàn)給出了充分的展望和大膽的預(yù)測(cè)。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(guó)家自然科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)的支持。

圖1 基于分子印跡的傳感器種類及應(yīng)用

分子印跡技術(shù)以其特異性、高效性、穩(wěn)定性和生態(tài)友好性等特點(diǎn)，已成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的識(shí)別技術(shù)。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(duì)目標(biāo)識(shí)別的選擇性，因此，適用于復(fù)雜基質(zhì)樣品中痕量物質(zhì)的預(yù)處理和分析。

目前，通過(guò)與分子印跡聚合物的結(jié)合，已經(jīng)開發(fā)出各種用于檢測(cè)和識(shí)別痕量化合物、生物大分子或其他物質(zhì)的傳感器，如光學(xué)、電化學(xué)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(jī)拍照分析的比色傳感器也有相關(guān)工作展開了研究。

圖2 分子印跡光電化學(xué)傳感器的制造工藝及光電流產(chǎn)生機(jī)理示意圖及信號(hào)輸出處理

基于MIPs的電化學(xué)傳感器器件中的信號(hào)強(qiáng)度取決于電化學(xué)活性分析物到分子印跡聚合物涂層電極的傳質(zhì)速率。根據(jù)不同的電分析技術(shù)和測(cè)量性質(zhì)，電化學(xué)傳感器分為伏安法（當(dāng)電位變化時(shí)測(cè)量性質(zhì)為電流）、安培法（測(cè)量性質(zhì)為固定電壓下的電流）和電位法（測(cè)量性質(zhì)為零電流下的電壓）。

此外，電導(dǎo)率和電容或阻抗的變化也是常見的測(cè)量屬性。光電傳感技術(shù)與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，具有低成本、低信號(hào)背景、易于小型化、響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。光電化學(xué)傳感器需要特定的光電活性材料，可以促進(jìn)暴露于光下的電子轉(zhuǎn)移。它們有效地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后可以通過(guò)電路或電極系統(tǒng)將其可視化。

圖3 檢測(cè)病毒的分子印跡光學(xué)傳感器

分析物結(jié)合后，評(píng)估其性質(zhì)的光學(xué)變化，此外，各種技術(shù)和材料也被應(yīng)用到光學(xué)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(diǎn)、量子點(diǎn)、SERS、光柵耦合干涉測(cè)量、光子晶體等。與電化學(xué)傳感器相比，分子印跡光學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、精度高、成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)。

圖4 基于智能手機(jī)的檢測(cè)技術(shù)

推動(dòng)傳感器技術(shù)的發(fā)展，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的迫切要求，已成為當(dāng)代研究工作的一個(gè)突出焦點(diǎn)。在這種情況下，智能手機(jī)以其緊湊的尺寸、可負(fù)擔(dān)性和強(qiáng)大的便攜性為傳感技術(shù)的進(jìn)步提供了一條途徑。

圖5 基于分子印跡的智能手機(jī)檢測(cè)技術(shù)

基于分子印跡技術(shù)的比色傳感器在發(fā)展早期已經(jīng)成功地進(jìn)行了視覺(jué)半定量分析，避免了對(duì)專用儀器的需要。利用了智能手機(jī)固有的數(shù)字成像屬性，手機(jī)采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)靈活地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并利用計(jì)算機(jī)更高的性能和更多的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

傳感器因其高靈敏度、高選擇性、高重復(fù)性、低檢測(cè)限、綠色環(huán)保、低成本等優(yōu)勢(shì)，將繼續(xù)在環(huán)境保護(hù)、痕量化合物檢測(cè)、臨床診斷、生物分析等領(lǐng)域受到青睞。智能手機(jī)的出現(xiàn)帶來(lái)了更高的便攜性、多功能性和強(qiáng)大的計(jì)算力。然而，基于分子印跡技術(shù)的傳感器大多停留在實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)水平，商業(yè)化之路任重道遠(yuǎn)，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(jī)理不明確、模板分子去除困難、選擇性吸附能力不足等問(wèn)題。對(duì)此已經(jīng)開發(fā)了幾種方法來(lái)解決聚合物的現(xiàn)有局限性。分子模擬計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助方法已被用于預(yù)測(cè)和優(yōu)化模板分子與功能單體之間的相互作用，從而增強(qiáng)了具有改進(jìn)識(shí)別性能的聚合物的設(shè)計(jì)。此外，還引入了硼酸親和、非共價(jià)氫鍵協(xié)同等策略來(lái)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(shí)別能力。虛擬模板分子印跡技術(shù)的實(shí)施已經(jīng)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(guān)的擔(dān)憂，并可能降低洗脫難度。此外，印跡后修飾技術(shù)的發(fā)展使分子印跡聚合物的結(jié)合親和力和選擇性得以增強(qiáng)。這些進(jìn)展說(shuō)明在克服分子印跡技術(shù)局限性方面取得的重大進(jìn)展，為提高其性能和擴(kuò)大其在各種研究和技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)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(cè)性能和重現(xiàn)性，但在改變實(shí)驗(yàn)條件和場(chǎng)地后難以重現(xiàn)，因此有必要對(duì)印跡材料的合成工藝進(jìn)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(yuǎn)離對(duì)大型配套檢測(cè)儀器的依賴，此外，印跡和傳感的機(jī)理也應(yīng)該得到更充分的解讀和驗(yàn)證。在大規(guī)模合成研究的早期，需要重新設(shè)計(jì)不同于實(shí)驗(yàn)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(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)：移動(dòng)設(shè)備的變化，包括不同的手機(jī)品牌、軟件選擇和集成的傳感器硬件，產(chǎn)生了性能差異。因此，對(duì)相同圖像的分析結(jié)果可能會(huì)在不同的手機(jī)上出現(xiàn)分歧。在捕獲圖像時(shí)，除其他因素外，旨在消除干擾和背景光的操作平臺(tái)設(shè)計(jì)的差異也可能導(dǎo)致量化不準(zhǔn)確。這一限制限制了智能手機(jī)增強(qiáng)傳感能力的程度。但隨著技術(shù)的逐步進(jìn)步和軟硬件的不斷發(fā)展，智能手機(jī)的更新和升級(jí)非常迅速，未來(lái)的設(shè)備成像技術(shù)和計(jì)算能力將變得更加強(qiáng)大和智能化。

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