分子印迹聚吡咯结构用于基于电化学石英晶体微天平的香叶醇吸附方法开发的比较研究

《Polymers》：A Comparative Study of Molecularly Imprinted Polypyrrole Architectures for Electrochemical Quartz Microbalance-Based Method Development for Geraniol Adsorption Greta Kaspute, Deivis Plausinaitis, Vilma Ratautaite, Evelina Vaicekauskaite, Arunas Ramanavicius and Urte Prentice

　　

分子印迹聚合物（MIPs）被广泛用于传感和分离应用中对目标分子的选择性吸附。MIP薄膜的结构可以影响吸附行为、界面稳定性和可重复使用性，然而对这些影响的系统研究有限。本研究旨在评估不同的聚吡咯（PPy）MIP薄膜结构如何影响金电极上香叶醇印迹层的吸附、稳定性和再生特性。香叶醇印迹和非印迹PPy薄膜通过电聚合沉积在石英晶体微天平（QCM）基底上。比较了两种薄膜结构：（i）单层香叶醇印迹PPy薄膜，和（ii）由非印迹PPy底层和香叶醇印迹层组成的双层薄膜。研究人员使用循环伏安法（CV）和电化学石英晶体微天平（EQCM）测量进行薄膜表征。进行吸附-解吸循环以评估质量摄取、信号稳定性和再生性能。EQCM分析显示，与单层薄膜相比，双层结构在重复吸附-解吸循环中表现出增强的频率信号稳定性，表明底层非印迹PPy层在电极界面具有稳定作用。香叶醇印迹薄膜比非印迹对照显示出显著更高的质量摄取，确认了分子印迹提供的敏感性。单层薄膜在信号响应中表现出更多的变异性和较不一致的再生性能。MIP薄膜的结构显著影响电极表面的吸附行为、稳定性和再生。加入非印迹PPy底层可以改善信号重现性并增强基于MIP的传感界面的稳健性。这些发现为电化学传感器和QCM活性平台上MIP涂层的合理设计提供了指导。

**研究背景与问题**
植物疗法中，精油（EOs）因具有抗菌、抗氧化、抗炎和抗癌等生物活性而成为药物开发的重要来源。然而，精油成分（如香叶醇）存在水溶性差（约100 mg/L at 25°C）、生物利用度低和生理条件下不稳定等问题，限制了其临床应用。分子印迹聚合物（MIPs，具有分子识别能力的人工合成受体）因其高选择性、稳定性和分子识别能力，在传感、分离和药物递送中展现出潜力。将MIP与电化学石英晶体微天平（EQCM，可同时测量质量变化和电化学信号）结合，能够研究吸附行为和界面过程。但MIP设计面临挑战：目标分子的大小、结构和灵活性常导致结合位点异质性和结合效率有限；薄膜厚度、机械稳定性和界面粘附性强烈影响吸附可逆性和信号稳定性。香叶醇作为一种疏水性、分子柔性的单萜醇，是研究MIP结构依赖性吸附行为的理想模型。已有研究展示了基于QCM的香叶醇检测可行性，但对MIP层结构如何影响吸附稳定性和再生行为的系统研究仍缺乏。

**研究内容与结论**
研究人员通过电化学聚合在QCM金电极上制备了香叶醇印迹的聚吡咯（PPy）MIP薄膜，并比较了两种结构：单层香叶醇印迹PPy薄膜，以及由非印迹PPy底层和香叶醇印迹层组成的双层薄膜。使用循环伏安法（CV）和EQCM进行表征，通过吸附-解吸循环评估质量摄取、信号稳定性和再生性能。结果表明：双层MIP在重复吸附-解吸循环中展现出增强的频率信号稳定性，优于单层薄膜，这归因于非印迹PPy底层对电极界面的稳定作用。香叶醇印迹薄膜比非印迹对照（NIP）表现出显著更高的质量摄取，确认了分子印迹的敏感性。单层薄膜在信号响应中变异性更大，再生性能一致性较差。MIP薄膜结构显著影响吸附行为、稳定性和再生。引入非印迹PPy底层可改善信号重现性和MIP传感界面的稳健性。该研究为电化学传感器和QCM活性平台上MIP涂层的理性设计提供了指导。论文发表在《Polymers》。

**关键方法概述**
研究人员通过电化学方法在QCM金电极上沉积PPy薄膜：利用循环伏安法（CV）在含LiClO₄的乙腈/水溶液中电聚合吡咯单体，分别制备单层MIP（含香叶醇模板）、双层MIP（先聚合非印迹PPy底层，再聚合含模板的MIP层）及非印迹聚合物（NIP，无模板）。采用电化学石英晶体微天平（EQCM）实时监测吸附-解吸过程中的频率变化（ΔF）和电阻变化（ΔR），并用Sauerbrey方程换算质量变化。通过吸附-解吸动力学数据拟合二级和一级反应速率常数，计算结合常数（K_asoc）。电化学阻抗谱（EIS）用改良Randles等效电路拟合，获取双电层电容（CPE_dl）和电荷转移电阻（R_ct）等参数。

**研究结果**
**3.1 单层聚合物结构**
单层MIP薄膜通过8个CV循环电聚合在含香叶醇的溶液（Solution III）中制备。CV曲线显示氧化峰电流从第1到第8循环逐步增加，表明导电聚合物层持续生长和稳定。EQCM测量显示，单层MIP对香叶醇的响应呈现逐步变化和部分不可逆性，频率变化约1–2 Hz（0.05 mol·L^?1时ΔF≈1.36 Hz，质量摄取24.07 ng）。多次循环中信号变异性大，再生后恢复不一致（恢复率约0–60%）。这表明吸附动力学受局部聚合物密度和薄膜异质性影响，薄膜稳定性随时间下降。

**3.2 双层聚合物结构**
双层MIP先通过7个CV循环沉积非印迹PPy底层（Solution II），再通过5个CV循环沉积香叶醇印迹MIP顶层（Solution III）。CV显示逐层生长，氧化峰电流逐步增加。EQCM测量（0.05 mol·L^?1）得到频率变化约?34 Hz，质量摄取约602 ng，表面覆盖率约3.0×10^?6 g/cm²。再生后频率恢复较为一致（恢复率约50–80%），优于单层薄膜（ΔF范围：5–28 Hz）。但仍存在部分不可逆性，可能源于多层吸附或聚合物空腔内的暂时捕获。这归因于非印迹底层提供了界面稳定作用。

**3.3 非印迹聚合物（NIP）形成**
NIP薄膜在无模板条件下经7个CV循环制备，CV显示均匀的氧化还原峰，代表聚合物沉积。QCM测量中NIP对香叶醇频率和电阻变化极小，证明MIP的吸附主要由模板驱动。但未测试结构类似干扰物，选择性有待验证。

**3.4 聚吡咯薄膜厚度评估**
通过Sauerbrey方程计算薄膜厚度：单层MIP约2.21 μm，双层MIP和NIP分别约0.28–0.29 μm。单层薄膜质量沉积更大，双层和NIP厚度相近，表明印迹过程未显著增加总膜质量，但可能影响结构或形态。

**讨论与结论**
讨论部分基于二级吸附动力学和一级解吸动力学拟合，计算了香叶醇在不同PPy表面的吸附速率常数（k_ads）和解吸速率常数（k_des），得到结合常数K_asoc。结果显示：双层MIP的K_asoc最高，表明香叶醇与双层MIP的相互作用最强；单层MIP次之；NIP最弱。这与QCM数据一致，并进一步证实香叶醇部分阻塞金表面，阻碍PPy层形成，因此先沉积纯PPy底层有利于后续MIP合成。EIS数据表明，所有薄膜在香叶醇存在下双电层电容（CPE_dl）均降低，其中双层MIP降低幅度最大（约2.5倍），再次确认香叶醇优先与双层MIP相互作用。再生实验显示两种结构恢复不完全，但双层结构具有更好的部分稳定性。总体而言，聚合物结构显著影响吸附、稳定性和部分再生，为开发改进的MIP电化学传感器奠定了基础。

研究结论：基于吡咯的MIP薄膜成功结合香叶醇，经CV和QCM确认。双层设计在再生过程中改善了部分恢复，表明与单层MIP相比增强了界面稳定性。部分不可逆吸附和高分析物浓度（0.025–0.05 mol·L^?1）突显了可重复使用性和实际适用性的局限性。这些结果为基于MIP的香叶醇识别提供了概念验证，并为未来优化建立了基础。