光/电化学分子印迹聚合物传感器：从先进的功能材料到用于药物分析的绿色可持续策略

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Photo/electrochemical molecularly imprinted polymer sensors: from advanced functional materials to green and sustainable strategies for pharmaceutical analysis

　　**摘要**
分子印迹聚合物（MIPs）作为人工识别元件，在药物分析领域展现出巨大潜力。本文系统总结了基于MIP的光化学和电化学传感器的构建原理、材料体系、绿色策略及研究进展。首先阐述了MIPs的识别机制及其与信号转导平台的整合，并分析了功能性共轭聚合物和纳米材料在提升传感性能中的作用。随后介绍了绿色化学的概念，探讨了基于“绿色化”原则的原材料选择和聚合方法的优化策略以及定量评估工具。接着分析了当前技术瓶颈，并探讨了计算机辅助设计与绿色化学的结合。最后总结了MIP传感器在抗癌药物、抗生素和神经递质检测中的应用案例。本文旨在为高性能MIP传感器的合理设计提供系统参考。

**引言**
分子印迹聚合物（MIPs）是一类通过模板导向聚合合成的聚合物材料，具有特定的识别能力。其制备过程通常包括三个核心步骤：首先，功能性单体和模板分子通过共价或非共价相互作用形成预组装复合物；接着在交联剂和引发剂的存在下发生聚合，生成刚性的三维交联网络；最后通过物理或化学方法去除模板分子，留下与目标分析物在形状、大小及功能基团排列上高度匹配的识别腔。这种“锁钥”式识别机制基于空间构型和化学亲和力的双重匹配，赋予MIPs卓越的选择性和结合亲和力，使其成为天然抗体和酶的理想替代品。与生物识别元件相比，MIPs具有诸多优势：优异的化学和热稳定性（可在极端pH值、有机溶剂和高温下保持识别活性）、低成本和短制备时间、易于量产和功能化、高重复使用性以及长期储存后的稳定性能。这些特性推动了MIPs在传感器、固相萃取、色谱分离、药物递送和仿生催化等领域的广泛应用。在传感领域，将MIPs与光化学或电化学换能器结合形成的传感器已成为研究焦点。其中，光化学传感器通过目标结合诱导的荧光强度、吸收波长或化学发光信号变化实现检测，具有高灵敏度且无需参考电极；电化学传感器则通过监测结合事件引起的电流、电位或阻抗变化来工作，表现出快速响应、便携性和微型化优势（图1）。

尽管MIP传感器在实验室研究中表现出高灵敏度、快速响应和优异选择性，但其实际应用仍面临诸多挑战。在水系统中，由于水分子的影响，非共价相互作用力（如氢键和静电作用）会显著减弱，导致MIPs的识别能力下降，从而降低结合能力和选择性。此外，非特异性吸附是另一个问题，在血清和尿液等复杂生物基质中，共存蛋白质和小分子代谢物会非特异性地吸附在MIP表面，影响检测准确性。传统批量聚合方法需要研磨和筛分等后处理步骤，导致颗粒形态不规则和印迹位点分布不均，限制了大规模生产的再现性和质量控制。市场和监管方面也是挑战：传统检测方法（如色谱和质谱）已建立完善的监管认证体系，用户习惯根深蒂固，而作为新兴技术的MIPs缺乏统一的性能评估标准，面临监管审批的障碍。尽管MIP传感器在实验室条件下具有高灵敏度和良好选择性，但其发展路径与传统方法大相径庭，短期内难以取代色谱、质谱或免疫测定等成熟技术。因此，在大多数应用场景中，MIP技术更多是作为传统技术的补充，提供快速筛选、现场检测和极端环境监测等特定优势。

为应对这些挑战，研究人员正从技术创新和绿色转型两个方面探索解决方案。技术创新方面，表面印迹技术在纳米材料表面构建识别位点，有效解决了传统印迹方法中识别位点深埋和传质速率慢的问题；纳米材料的引入显著提升了传感性能，如金纳米粒子增强电化学信号转导，石墨烯和碳纳米管提供超高比表面积和优异导电性，金属有机框架（MOFs）通过其明确的孔结构实现目标分子的预浓缩和分子筛选。功能性共轭聚合物（FCPs）如聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩及其衍生物因内在导电性和π共轭结构在MIP传感器构建中具有不可替代的优势。FCPs可直接作为信号转导元件，将分子识别事件转化为电信号输出，简化传感器结构设计；同时其π共轭结构可增强识别亲和力。此外，FCPs可通过电化学聚合在电极表面形成均匀薄膜，精确控制薄膜厚度和形态，并通过电化学过氧化或电位扫描方便去除模板分子，实现传感器再生和重复使用。

**绿色化学**
传统MIP合成依赖有毒有机溶剂（如甲苯和乙腈）和能耗高的热聚合方法，与可持续发展原则不符。Li等人开发了水基、离子液体和深度共熔溶剂等绿色替代方案，用生物基单体（如壳聚糖、环糊精和多巴胺）替代丙烯酸单体，降低生态毒性风险。微波辅助聚合可将反应时间从数小时缩短至数十分钟，超声辅助聚合和光引发聚合显著降低能耗。计算机辅助设计通过分子模拟精确筛选功能单体和模板分子的组合，减少原材料浪费和时间消耗，为绿色分子印迹提供技术基础。

**结论**
基于MIP的光化学和电化学传感器的构建逻辑围绕分子印迹技术赋予的抗体样识别能力展开，识别事件通过光/电化学信号转导平台转化为可量化输出信号。功能性共轭聚合物的导电性和π共轭结构使其既能作为目标分子的识别元件，又能实现原位信号转导，简化传感器架构；电聚合特性便于控制薄膜制备和集成组装。纳米材料的加入提升了传感性能（如电子转移效率、比表面积和协同识别位点）。绿色化学技术提升了传感器性能（如在水样中的识别性能和降低非特异性吸附），但某些离子液体的生态安全性和生物降解性数据不足，生物基单体的结构异质性和批次稳定性也可能影响印迹效率的再现性。在实际应用中，MIP传感器在抗癌药物、抗生素和神经递质检测中表现出良好效果，部分研究扩展至血清、尿液和食品等复杂基质。未来MIP传感器的发展将与新材料、绿色可持续化学和人工智能辅助设计紧密结合，逐步从实验室研究转向临床诊断、环境监测和食品安全等实际应用。

**部分摘录**
**MIP传感器制备原理**
MIP的核心在于在聚合物基质中创建与目标分子在空间结构和化学功能上高度匹配的识别腔，通过模板导向聚合实现。该过程包括四个关键步骤：模板分子和功能性单体通过共价键或非共价相互作用（如氢键）形成稳定预组装复合物。

**合成材料**
功能性单体是决定MIPs识别性能的关键因素，常见类型包括甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酰胺（AM）、苯乙烯（St）、吡咯（Py）、噻吩（Th）和邻苯二胺（o-PD）等（图3）。

**先进材料合成策略**
纳米科学和材料化学的快速发展引入了多种先进功能性材料，这些材料在提升传感器灵敏度、加速响应速度和改善识别稳定性方面发挥重要作用。

**信号放大策略**
提高基于MIP的电化学传感器灵敏度是当前研究的核心目标，主要通过增强电化学响应信号或减少背景干扰实现。

**纳米材料基础**
绿色化学原理的引入源于对传统制备方法环境成本的重新评估，不仅涉及原材料选择、聚合过程优化和后处理的全面设计改进。

**绿色评估指标与合成路线比较**
绿色分子印迹的进步需要科学和定量评估工具的支持，传统绿色评价多基于定性描述。近年来，基于数据的评估方法逐渐完善。

**抗癌药物检测**
MIP传感器因优异的选择性和高灵敏度成为抗癌药物检测的重要工具，例如多柔比星是一种广泛使用的蒽环类抗癌药物。石井（Ishii）及其同事[128]使用多柔比星作为模板分子，通过分子印迹技术对掺硼金刚石电极进行了改性。
**结论**
本综述系统地总结了基于分子印迹聚合物的光化学和电化学传感器在药物分析领域的构建原理、材料体系、制备策略及研究进展。从分子印迹聚合物（MIPs）的基本识别机制出发，阐述了其与光/电化学信号传输平台的集成过程，重点探讨了功能共轭聚合物和金属有机框架的关键作用。

**作者贡献声明**
曾伟军（Weijun Zeng）：撰写初稿、实验研究、数据管理。
徐咪咪（Mimi Xu）：资源提供。
梁倩（Qian Liang）：资源提供。
郭盛伟（Shengwei Guo）：撰写与编辑、监督工作、资金申请。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。

**致谢**
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52263021）和宁夏自然科学基金（项目编号：2024AAC02034）的支持。
作者：曾伟军（Weijun Zeng）|徐咪咪（Mimi Xu）|梁倩（Qian Liang）|郭盛伟（Shengwei Guo）