开发基于电聚合分子印迹聚合物的胰岛素检测单滴分析传感器研究报告
本文题为《The development of an electropolymerized, molecularly imprinted polymer (MIP) sensor for insulin determination using single-drop analysis》，发表在 Analyst 杂志 (2023, 148, 1102–1115)，作者包括 Tanja Zidarič、David Majer、Tina Maver、Matjaž Finšgar 和 Uroš Maver，分别隶属于斯洛文尼亚马里博尔大学医学、生物医学科学、化学与化学工程等研究机构。本文研究开发了一种基于电化学分子印迹聚合物（MIP）的屏幕印刷碳电极（SPCE）传感器，用于单滴（50 µL）溶液中胰岛素的快速检测。
背景与研究目的
胰岛素是一种重要的多肽激素，调节人体的血糖平衡。胰岛素浓度异常可引发糖尿病（1型和2型）等多种疾病，同时也是检测胰腺癌、乳腺癌等疾病的重要生物标志物。然而，目前胰岛素检测主要依赖免疫分析（immunoassay）和高效液相色谱（HPLC）等方法，这些方法存在检测时间长、成本高、操作复杂和交叉反应等问题。传统的检测技术难以满足小样本量快速检测的临床需求。
基于此，分子印迹聚合物（MIPs）以其特定靶标识别能力和高稳定性成为生物传感器中的重要组成。电聚合技术作为一种温和且可控的聚合方法，可在碳电极表面合成导电聚合物，并创建特定分子形状的印迹孔隙。本研究旨在开发一种基于MIP的SPCE传感器，实现单滴溶液中胰岛素的快速、低成本、高灵敏度检测。
方法与技术路线
研究工作包括以下几个主要步骤：
传感器制备
- 通过电聚合方法，在SPCE表面合成聚吡咯（polypyrrole, PPy）基分子印迹聚合物。胰岛素作为模板分子，在聚合过程中嵌入PPy基质中。
- 聚合过程采用循环伏安法（CV），电位范围为0–0.9 V，扫描速率50 mV/s，进行10个循环。模板胰岛素被“嵌套”在PPy聚合物基质中。
模板移除
- 使用电清洗（electrocleaning）法去除嵌入的胰岛素模板分子。循环伏安在-0.2至1.0 V电位范围内进行25个循环，通过过氧化去除胰岛素分子并形成特定的印迹孔。
- 同时测试了碱性溶液（1 M NaOH）移除模板的方法，但结果表明此方法会损伤聚合物膜，影响传感器性能。
表面表征
- 使用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDS）对SPCE表面在各制备阶段的形貌和成分变化进行分析。AFM确认了模板移除后形成的印迹孔特征，SEM显示印迹表面的孔隙形貌，EDS则验证了PPy膜中氮含量的减少及氧含量的增加（表明–COOH基团的形成）。
电化学性能测试
- 使用方波伏安法（SWV）测试传感器对胰岛素的电化学响应。以[Fe(CN)6]³⁻/⁴⁻作为红氧探针，分析胰岛素浓度对电流峰值的影响。
实际样品测试
- 使用胰岛素药物样品（NovoRapid）对传感器进行验证，采用标准添加法进行量化，评估传感器的精确度与准确性。
研究结果与分析
传感器性能
- 线性检测范围：20.0–70.0 pm（皮摩尔），相关系数$R^2=0.9991$。
- 检测限（LOD）：1.9 pm。
- 定量限（LOQ）：6.2 pm。
- 精确度：在实际样品中，胰岛素平均回收率为108.46%，相对标准偏差（RSD）为7.23%。
- 重复性与再现性：重复性RSD为5.13%，再现性RSD为5.92%。
模板移除效率
- 电清洗法优于碱性溶液法，不仅成功移除模板胰岛素，还保持了PPy膜的完整性。
表面形貌
- AFM和SEM表征表明，胰岛素印迹导致表面孔隙增加，PPy膜在SPCE上的均匀性得到优化。
实际样品分析
- 使用商用胰岛素药物样品验证了传感器的适用性和可靠性。
研究意义与创新
低样本量高效检测
- 本研究首次在无需纳米材料或复杂修饰化合物的情况下，开发了基于MIP的单滴胰岛素分析传感器，为小体积样品（50 µL）的快速检测提供了便捷解决方案。
高灵敏度与低成本
- 传感器表现出极低的检测限（1.9 pm），在临床诊断中具有重要应用价值。同时，由于避免使用昂贵的纳米材料或抗体，显著降低了制造成本。
便携式即时检测
- 基于SPCE的传感器系统可一次性使用，具有良好的便携性和可扩展性，是点位检测（Point-of-Care Testing, POCT）的潜在候选。
新型电聚合方法
- 使用吡咯作为功能单体，通过温和的电聚合技术创建三维印迹结构，展示了对生物大分子的高选择性识别能力。
总结与展望
该研究成功开发了一种基于电化学分子印迹技术的胰岛素检测传感器，具有高灵敏度、高选择性、低成本和便携等优势，为临床诊断、药物分析和快速检测领域提供了重要技术支持。未来可进一步优化传感器的使用寿命和多样化检测能力，拓展其在复杂生物样本中的应用潜力。