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文章导读
葡萄糖在生物体的许多关键生物过程中起着重要作用，尤其是在细胞呼吸和糖基化反应中。当葡萄糖的代谢被破坏时，可能会引发多种疾病，如高胰岛素血症和糖尿病等。准确监测血糖水平并及时进行干预是糖尿病治疗过程中不可或缺的一部分。传统的血糖监测主要依赖于酶催化的传感器，特别是基于葡萄糖氧化酶 (GOx) 的生物传感器。然而，这类传感器存在酶稳定性差、成本高以及操作复杂等问题。为了克服这些缺陷，近年来分子印迹聚合物 (MIPs) 作为一种新型的非酶传感材料，在葡萄糖检测领域展现出巨大的潜力。MIPs通过模拟天然抗体–抗原和酶–底物的相互作用，设计出具有高度特异性和选择性的人工受体。由于其合成简便、成本低、稳定性好，MIP传感器逐渐成为生物传感领域的研究热点。本篇由荷兰马斯特里赫特大学Bart van Grinsven团队撰写并发表于 Chemosensors 期刊的文章深入探讨了MIPs在血糖监测中的应用，从基础研究到商业应用的转变，为未来的血糖监测技术提供了新的方向。文章深入分析了MIPs的合成方法、读出技术以及在血糖监测中的应用，揭示了MIPs在提高血糖监测准确性和便利性方面的潜力。通过结合最新的科研进展，展望了MIPs在血糖监测领域的未来，为糖尿病患者带来了新的希望。
研究过程及结果
MIP的基本原理及制备方法
MIPs的合成是基于模板分子、功能单体和交联剂的相互作用。首先，功能单体与模板分子通过共价或非共价键形成复合物，随后加入交联剂使体系形成稳定的聚合物结构。在去除模板分子后，聚合物内部会形成与模板分子形状、大小和功能位点高度互补的纳米空穴，从而能够选择性识别目标分子。MIP的制备方法多种多样，主要包括传统的热聚合、沉淀聚合、电化学聚合等。热聚合法是最经典的MIP制备方法，操作简单且适合大规模制备，但该方法需要对聚合物进行粉碎和筛分，可能会导致产物的不均一性。为了改善这一问题，沉淀聚合和电化学聚合等方法被广泛研究。例如，电化学聚合可以在电极表面直接生成MIP薄膜，具有高度可控性和良好的重现性。此外，近年来还发展了诸如电纺技术和光聚合等新型MIP合成方法。这些方法可以生产具有更高比表面积的MIP纳米纤维或纳米粒子，并展示出较高的葡萄糖检测灵敏度。
图为分子印迹聚合物的一般合成和再结合示意图。
MIP在葡萄糖监测中的应用
传统的葡萄糖传感器主要依赖于酶催化反应，尤其是基于GOx的传感器。这类传感器虽然具备较高的灵敏度，但其酶活性易受环境因素影响，如pH值、温度等，导致传感器的长期稳定性较差。此外，酶的高生产成本和复杂的操作步骤也限制了这类传感器的广泛应用。相比传统的酶催化传感器，MIP传感器在稳定性、选择性和成本效益方面表现出显著优势。由于MIPs是通过化学合成的人工受体，其在不同的pH和温度条件下表现出良好的稳定性。此外，MIPs的制备过程简单且成本低廉，可以实现大规模生产。这些特性使得MIP在葡萄糖监测中具有广泛的应用前景。尽管MIP传感器在实验室研究中取得了显著进展，但在商业化应用中仍面临诸多挑战。目前市面上主要的家用血糖监测设备仍然依赖于GOx等酶传感器。MIP技术的商业化需要进一步优化传感器的性能，尤其是在不同生理基质中的选择性和重现性。此外，如何将MIP传感器与便携式设备相结合也是未来研究的重点。
图为葡萄糖存在下电聚合AAM/NNMBA制备基于MIP的Au固相萃取及其在唾液样品中的应用。
MIP传感器的制备技术
热聚合是MIP制备中最常用的方法之一，其操作简单且适合大批量生产。然而，该方法存在聚合物产物需要进一步粉碎和筛分的问题，可能导致产物的不均一性，从而影响传感器的性能。电化学聚合法在MIP制备中得到了广泛应用。该方法能够在电极表面直接生成MIP薄膜，并通过电化学能量精确控制聚合物层的厚度。这种制备方法具有良好的重现性和高灵敏度，已被成功应用于葡萄糖传感器的开发。电纺技术和光聚合技术近年来在MIP制备中崭露头角。电纺技术能够制备具有高比表面积的纳米纤维，从而提升传感器的灵敏度。光聚合技术则能够在室温条件下通过紫外光引发聚合反应，适用于那些对温度敏感的目标分子。
图为 (A) 静电纺MIP传感器的生产示意图。(B) 聚吡咯MIP的FT−IR分析。(C) 电纺尼龙纤维包埋PPy MIPs检测葡萄糖的图像。
MIP传感器的检测技术
电化学检测技术是MIP葡萄糖传感器中最常用的信号读取方式。通过检测电极表面的电流、电位或电阻变化，可以将葡萄糖分子的识别事件转化为可读信号。例如，循环伏安法、计时安培法和电化学阻抗谱等技术都已被成功应用于MIP传感器中。除电化学方法外，光学检测技术也被广泛应用于MIP传感器中。例如，表面等离子体共振 (SPR) 和荧光光谱等技术可以通过检测光学信号的变化来实现葡萄糖的检测。尽管这些技术具有较高的灵敏度，但其高成本和复杂的操作过程限制了其在便携式设备中的应用。热转移检测技术是一种新兴的MIP传感技术，其通过检测传感器表面的温度梯度变化来反映目标分子的识别。该方法成本低廉、操作简便，有望应用于便携式葡萄糖监测设备中。
图为通过CV分析实现Fe3O4@Au-GOx-MIPS传感器的制备和传感机构的表示。
研究总结
本文综述了近年来MIP在葡萄糖监测中的研究进展。与传统的酶催化传感器相比，MIP传感器在稳定性、灵敏度和成本效益方面具有显著优势。通过不断优化MIP的制备方法和信号读取技术，MIP传感器有望在未来成为糖尿病管理中不可或缺的工具。未来的研究可以通过结合纳米材料、光电技术和智能算法，进一步提升MIP传感器的性能，推动其在商业化应用中的发展。尽管MIP在葡萄糖监测中展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，如何进一步提升MIP传感器在复杂生物基质中的选择性和稳定性是未来研究的重点。其次，如何将MIP传感器与便携式设备相结合，实现实时、无创的血糖监测也是未来的研究热点。此外，随着纳米材料和人工智能技术的发展，MIP传感器有望在灵敏度、选择性和数据处理能力等方面取得进一步突破。通过结合机器学习技术，MIP传感器可以实现更加智能化和个性化的血糖监测，从而为糖尿病患者提供更为精准的健康管理工具。
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原文出自 Chemosensors 期刊
Caldara, M.; Kulpa, J.; Lowdon, J.W.; Cleij, T.J.; Diliën, H.; Eersels, K.; Grinsven, B.v. Recent Advances in Molecularly Imprinted Polymers for Glucose Monitoring: From Fundamental Research to Commercial Application. Chemosensors 2023, 11, 32.
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基于纳米复合材料的电化学传感器在神经退行性疾病神经递质检测中的应用 | MDPI Chemosensors
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