综述：面向分子印迹聚合物传感器工程化：设计策略与分析及操作性能的关联

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Towards engineering molecularly imprinted polymer-based sensors: linking design strategies to analytical and operational performance

　　

分子印迹聚合物（MIPs）作为传感领域的合成受体，其在诊断、环境、食品及制药等应用中的使用迅速扩展，这得益于其模拟生物识别的能力，同时兼具化学稳健性和成本效益高的合成优势。然而，MIP基传感器的分析性能并不仅仅由分子识别决定，还取决于印迹材料在传感界面中被工程化设计和整合的有效程度。在此背景下，本综述提供了一种面向性能的策略分析，通过将具体的材料及器件设计方法与可测量的传感结果相关联，来评估用于改进MIP基传感器的各类策略。在概述了用于评价传感器性能的分析指标和操作指标之后，本综述考察了不同工程策略如何应对不同的性能限制因素，包括受限的分析物可及性、缓慢的传质、结合位点异质性、弱信号产生以及有限的再生能力。纳米尺度和超薄MIP构型被讨论为改善结合位点可及性和响应动力学的途径，而定向印迹、模板工程和固相合成则被视为增强结合位点均质性和识别重现性的路线。刺激响应材料因其能够在识别层中引入主动功能而被考虑，从而实现信号放大、可逆靶标结合和界面再生。通过将设计策略与传感器层面的性能优势和剩余的操作局限性相关联，本综述提供了一个评估框架，用以理解MIP工程如何有助于构建更灵敏、可重现且功能稳健的传感平台。

引言

分子印迹聚合物（MIPs）已成为传感器开发中最通用且最具前景的合成识别材料类别之一。现代分子印迹概念起源于20世纪70年代初，而MIP材料在传感中的应用则始于20世纪90年代早期。其中最早报道的实例之一是电化学MIP基传感器，该研究表明高底物选择性的MIP聚合物膜能够作为合成受体，检测包括腺苷一磷酸（AMP）、L-苯丙氨酸、阿特拉津和胆固醇在内的低分子量有机底物。此后，MIPs作为合成受体在传感领域的应用呈指数级增长，这得益于MIP模拟生物识别过程的能力及其化学稳健性、操作稳定性和成本效益合成等显著优势。对2015–2025年期间的Scopus分析检索到3850篇原创文章，显示过去十年研究活动显著且稳定增长。尽管学术兴趣广泛且增长迅速，MIP基传感器从实验室规模演示向商业和实际应用的转化仍然有限。这一差距指向了材料相关、器件相关和技术性障碍的组合。理解当前限制MIP基传感器转化的障碍，需要深入分析限制实际实施的主要瓶颈，包括MIP材料本身的固有局限性，如结合位点质量与均匀性、模板去除问题及重现性，以及传感器层面的约束，如与转导平台的整合挑战、信号产生不足及复杂样品中性能下降。为应对这些限制，过去十年已开发了多种策略，涵盖材料层面的印迹聚合物工程和器件层面的传感架构优化。

传感器的指标

本综述讨论的策略最终旨在改善传感器性能，其有效性可通过三类分析指标评估：灵敏度相关指标、识别相关指标和操作指标。灵敏度相关指标描述传感器在给定浓度范围内检测和定量分析物的能力，包括动态范围、线性范围、灵敏度、检测限（LOD）和定量限（LOQ）。LOD定义为可与背景噪声区分的最低分析物浓度，通常计算为空白标准偏差的三倍除以低浓度灵敏度。LOQ表示能以可接受精密度和准确度定量测定的最低浓度，通常估计为空白标准偏差的十倍除以低浓度灵敏度。识别相关指标提供靶标分析物与传感器受体之间相互作用质量和强度的信息，包括半数最大有效浓度（EC₅₀）、解离常数（K_D）及表观亲和常数（K_aff），以及反映传感器区分靶标分析物能力的选择性。操作指标描述传感平台的实际可用性和稳健性，包括响应时间、重复性和重现性、长期操作稳定性、使用寿命和再生能力。

提升MIP基传感器性能的策略

MIP构型的调控

最早的MIP基传感器主要基于本体或宏观尺度印迹聚合物，其识别位点分布在高交联聚合物基质中，但受限于分析物可及性受限、扩散动力学缓慢和平衡时间长。从本体印迹材料向纳米尺度架构的转变，包括纳米颗粒（NPs）、纳米层和超薄膜，是MIP基传感器演化的重要一步。通过将印迹基质尺寸减小至纳米尺度，识别位点优先定位于材料表面或近表面，从而表现出更快的结合动力学、减少的扩散障碍和显著缩短的响应时间。小型化主要通过两种架构实现：表面限域纳米层或超薄膜，通常通过电聚合直接在换能器表面制备，可精确控制膜厚（4–20 nm）；以及分子印迹纳米颗粒（nanoMIPs），作为离散胶体识别元件合成后可随后通过物理吸附、包埋或共价连接等方式固定到换能器表面。

MIP结合位点的均质性

MIP基传感器的分析性能还受印迹结合位点质量和均匀性的强烈影响。大多数MIP合成程序存在形成固有异质性结合腔的缺点，源于预聚合混合物中模板随机取向、官能团分布不均匀或位点可及性差异。Langmuir–Freundlich等温线被提出作为描述MIPs的合适模型，其均质性指数（n）提供结合位点均匀性的定量度量，值趋近于1表示识别环境越均质。研究表明，结合位点分布的变化也影响传感设备的分析特性，包括灵敏度。为改善结合位点均质性，已开发多种策略：定向印迹通过表面功能化使模板在聚合前以空间定义方向锚定，产生方向性组织的空腔；模板工程直接在模板层面引入控制，通过定制模板结构或引入特定功能残基减少聚合过程中的自由度；固相合成（SPS）将模板固定在固相支持物上，并通过随后的亲和性选择步骤富集高亲和力nanoMIPs，获得更窄的结合性质分布和改进的批次间重现性。

刺激响应MIPs

刺激响应MIPs通过引入对识别过程的动态控制来增强传感器性能，聚合物被设计为响应外部刺激或结合事件本身而发生受控的结构、构象、物理化学或界面变化。根据所启用的传感器功能，刺激响应MIPs主要发挥三个面向性能的作用：通过分析物诱导的结构变化放大弱结合信号，例如可变形分子印迹纳米凝胶在等离子体传感中实现飞摩尔级检测；通过温度或pH响应机制调节靶标结合与释放，改善可逆性和再生能力，实现无溶剂再生和重复使用；以及通过外部场（如磁场）控制传感界面的识别或转导过程，增强电化学转导效率。

结论与展望

MIP基传感器在过去十年经历了实质性发展，从简单的合成受体器件演变为日益工程化的传感平台。传感器性能不能仅通过分析品质因数解释，而应与印迹材料的结构和功能特性相关联。从转化角度看，印迹策略应被视为模块化设计工具，可根据预期传感应用要求选择。从商业化角度看，不同策略在性能增益、成本和可扩展性之间各有不同的平衡：小型化和表面限域MIP构型目前呈现最低的实施障碍；定向印迹在表面化学简单可重现时具有商业吸引力；SPS适用于需要高重现性合成受体的高价值靶标；刺激响应MIPs提供最大功能附加值但转化风险最高。抗污染和基质耐受策略是重要的边界条件，应作为独立的性能要求评估。当前文献中系统间比较困难，建立统一的基准测试方法至关重要。未来进展将更多依赖于现有策略的理性整合，而非不断引入新印迹化学，优先考虑受控比较、可重现制造、与小型化便携式换能器的兼容性以及在实际操作条件下的验证，实现从孤立性能增强向集成化验证型传感器设计的转变。