分子印迹压电传感器的爆炸物探测系统设计

荧光分子印迹法检测炸药分子TNT赵晨;侯晨;陆文总;倪原【摘要】文中旨在探讨一种更为灵敏、快速的方法检测炸药分子.首先制备了三硝基甲苯(TNT)荧光分子印迹聚合物以及非印迹聚合物.其次,将紫外法和荧光偏振法应用于荧光印迹聚合物对TNT结合能力的检测.比较两种方法检测结果,得到荧光分子印迹聚合物能够特异性结合TNT分子,且紫外法检测限为0.05 mg/mL.而荧光偏振法检测限为0.01 mg/mL,因此该方法检测炸药分子更为灵敏、快速.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2013(033)007【总页数】5页(P549-553)【关键词】分子印迹;荧光偏振;三硝基甲苯;异硫氰酸荧光素【作者】赵晨;侯晨;陆文总;倪原【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021【正文语种】中文【中图分类】Q599分子印迹技术（MoLecularly Imprinted Technique，MIT）［1］，又称分子烙印技术.是一种简便有效的检测方法，具体做法是以目标分子（或称被检测物质）为模板，将其与合适的功能单体及交联剂混合使之相互作用并聚合［2-4］.再用适当的方法除去目标分子，得到的聚合物即为分子印迹聚合物.传统的分子印迹方法在检测物质时多使用紫外光来检测被测物质.但利用紫外光检测物质准度低，且灵敏度受到限制.本文将分子印迹技术引入光学检测系统中，当分子印迹聚合物与溶液中的待测分子结合后，使光信号发生改变，实现对待测物的检测.光学系统为荧光偏振检测［5］，该技术是一种荧光标记检测技术，将荧光物质标记在特定物质分子上，使原本微弱的反应信号转化成较强的荧光信号，同时在光路的合适位置分别加上起偏器和检偏器就可测出待测物的偏振荧光强度，大大提高了检测方法的灵敏度，特异性.具有所需的样品量少，灵敏度高，重复性好，操作简便等多种优势.1 材料与方法1.1 实验材料试剂：硅胶，乙烯基三乙氧基硅烷，氯仿，丙酮，乙醇，甲醇，乙酸，甲基丙烯酸（MAA），丙烯酰胺（AM），过硫酸铵，异硫氰酸荧光素（Fluorescein Isothiocyanate FITC），二甲基丙烯酸乙二醇酯（Ethyleneglycol Dimethacrylate，EGDMA），甲烷磺酸，氮气.仪器：电子恒温干燥箱，水浴锅，振荡器，真空泵，荧光显微镜（OLYMPUS），离心机，荧光偏振检测仪.1.2 制备分子印迹聚合物1）活化硅胶取10g硅胶，在甲烷磺酸：水（1∶1），各50 mL的溶液中浸泡24h，之后取出用丙酮洗，再烘干.活化了硅胶表面的羟基，以利于下一步反应的进行［6］.2）硅胶表面硅烷化-合成乙烯基三乙氧基硅烷／SiO2取10g活化硅胶，15mL乙烯基三乙氧基，加入乙醇∶水（1∶1），各100mL的溶液，在50℃水浴锅内，搅拌24h，之后进行抽滤，烘干，乙烯基三乙氧基通过与硅胶表面活化的羟基进行缩合，而连接在硅胶表面上，即合成了乙烯基三乙氧基硅烷／SiO2.3）合成甲基丙烯酸-丙烯酰胺硅胶取3g乙烯基三乙氧基硅烷，10mL甲基丙烯酸，1g丙烯酰胺，0.018g过硫酰胺（引发剂），置于烧瓶中，加入200mL水，在65℃水浴锅中加热搅拌7h，甲基丙烯酸、丙烯酰胺都是以不饱和双键与乙烯基三乙氧基硅烷的不饱和双键相互加成作用，而依次连接到硅胶上.反应之后取出，抽滤，并用乙醇洗去未结合上的甲基丙烯酸.4）在甲基丙烯酸-丙烯酰胺硅胶表面修饰荧光分子取15mg异硫氰酸荧光素，1g的甲基丙烯酸-丙烯酰胺硅胶，加入5mL乙醇，100mL水，振荡5 h，然后再取出，抽滤，水洗，烘干.荧光素通过其氨基缩合，交联到表面分子印记聚合物上.5）合成荧光分子印迹聚合物将合成的荧光修饰产物和4mmol／L目标分子TNT（即0.908g），溶入100mL 氯仿溶液中，反应前通入氮气5min，振荡6h，之后加入交联剂EGDMA，在50℃水浴锅内搅拌加热8h，取出产物进行抽滤洗脱，其洗脱液的配方为乙酸：甲醇：水=2∶7∶1.再烘干即可获荧光表面分子印记聚合物.将第4）步中的产物作为非印迹聚合物.1.3 荧光显微镜和扫描电镜的检测使用荧光显微镜对制备的荧光分子印迹聚合检测，并观察分子印迹聚合物结合TNT前后荧光强度的变化.同时，使用扫描电镜对合成分子印迹聚合物进行了检测.选用硅胶和分子印迹聚合物的扫描电镜图进行比较，证明荧光分子印迹聚合物的制备是正确的.1.4 紫外法应用于荧光分子印迹聚合物对TNT的结合率检测先选用传统的方法对制备的分子印迹聚合物结合模板分子TNT的能力进行检测，如结合能力强，说明合成的分子印迹聚合物可特异性地识别TNT，是一种有效的检测TNT的物质.1.4.1 制作标准曲线1）称取药品TNT，分别配置成浓度为0.05 mg／mL，0.1mg／mL，0.15mg／mL，0.2mg／mL，0.25mg／mL的标准溶液.2）用紫外分光光度计扫描，得出TNT溶液的紫外吸收值.3）做出紫外吸收值与TNT浓度的标准曲线.1.4.2 测定结合率1）分别制备一定浓度的TNT溶液.取出适量溶液，分别取0.05g合成表面分子印记聚合物置于所配置的溶液中，静置1h.2）取出静置溶液中的上层清液，用紫外分光光度法检测反应后溶液的紫外吸收值. 3）根据标准曲线，推算出反应后溶液的浓度4）计算Q值5）非印迹聚合物对TNT的结合率检测方法同上，在标准溶液中加入TNT非印迹聚合物，计算出Q值，与印迹聚合物测得的结果进行比较.1.5 荧光偏振法应用于荧光分子印迹聚合物对TNT结合能力检测由于制备的荧光分子印迹聚合物具有荧光性，且当与模板分子结合后荧光强度会发生变化.故利用荧光偏振检测仪，检测结合TNT的荧光分子印迹聚合物，并于未结合TNT的荧光分子印迹合物的偏振值对比，可判断TNT的荧光分子印迹聚合物与TNT是否结合.其中，荧光检测仪采用的激发光波长范围为480～535nm，发射光波长范围为544～595nm.具体实验步骤：1）分别取等量的荧光分子印迹聚合物，加入到装有0.01mg／mL，0.02mg／mL，0.03mg／mL，0.04mg／mL，0.05mg／mL 的 TNT 溶液及去离子水的离心管中，静置，使TNT分子与荧光分子印迹聚合物相互作用.2）用移液枪取少许混合溶液，在384孔板上进行点样，六份样品加在384孔板上的位置分别记为A1，B1，C1，D1，E1，F1（其中A1～E1 表示的溶液浓度分别为0.05mg／mL，0.04mg／mL，0.03mg／mL，0.02mg／mL，0.01mg／mL，F1 为去离子水，即0mg／ml）.3）将点样好的384孔板放入荧光偏振检测仪中进行检测，可得出实验数据.2 结果2.1 对制备的TNT荧光分子印记聚合物的检测2.1.1 荧光显微镜的检测对荧光分子印迹聚合物进行荧光显微镜检测，如图1所示.图1（a）为未结合TNT 的荧光分子印迹聚合物，而图1（b）为结合TNT的荧光分子印迹聚合物.比较两者之间的差别，可见在图1（a）中，硅胶颗粒表面有荧光光圈，说明荧光分子修饰在硅胶颗粒表面.而在图1（b）中，同样可见荧光光圈，但比图1（a）中所获得的产物荧光强度要弱一些.这是因为荧光表面分子印迹聚合物和模板分子发生了结合，对荧光有所影响.图1中结合TNT分子前后荧光强度的变化说明，该方法可通过荧光方法检测印迹聚合物与模板分子结合能力，进而达到对炸药的检测.图1 荧光显微镜检测Fig.1 Fluorescence microscopy detection2.1.2 扫描电镜结果如图2（a）和图2（b）所示，可看出在分子印迹修饰硅胶颗粒前后的明显变化，说明在硅胶分子表面修饰了一层物质，并具有空隙.该空隙应该是与TNT结合的位点.通过扫描电镜图可说明我们制备的分子印迹聚合物是成功的.图2 分子印迹聚合物Fig.2 SEM of MIP2.2 紫外法应用于TNT荧光分子印迹的结合率检测该方法是使用紫外分光光度计对印迹聚合物和TNT结合前后溶液的变化来检测印迹聚合物对TNT的检测能力.根据紫外分光光度计，测得加入印迹与非印迹聚合物前后溶液的紫外吸收值，根据标准曲线公式可计算出浓度值，最后根据公式（1）计算五种浓度的结合率.以浓度为横坐标，结合率Q为纵坐标，得TNT分子印迹聚合物和非印迹聚和物对TNT的等温吸附曲线.如图3所示.可看出，分子印迹聚合物对TNT的结合能力要强于非印迹聚合物，这说明分子印迹聚合物对TNT具有选择性，且只与TNT结合.而非印迹聚合物对TNT的结合是非特异性的西服，其值很小，可忽略不计.因此，制备的分子印迹聚合物可识别TNT分子，且在浓度很小时（0.05mg／mL）可检测到 TNT分子.故对TNT的检测限为0.05mg／mL.图3 TNT印迹聚合物与TNT非印迹聚合物结合率Fig.3 Binding rate of MIPand NIP for TNT2.3 荧光偏振法应用于荧光分子印迹聚合物结合能力检测荧光检测的灵敏性要强于紫外检测方法.故在荧光检测中，我们选用的TNT浓度要低于紫外检测浓度，分别是0.01mg／ml，0.02mg／ml，0.03 mg／mL，0.04mg／mL，0.05mg／mL.且选用未与TNT结合的荧光分子印迹聚合物作为对照，得到的结果见表1.由表1的结果可知，当TNT与荧光分子印迹聚合物结合后，荧光偏振光强度增大.如当TNT溶液浓度为0mg／mL时，此时加入的荧光分子印迹聚合物未与TNT结合，荧光偏振值为-39.758.而当TNT溶液的浓度为0.01mg ／mL时，荧光偏振值为40.789，比未结合TNT的荧光分子印迹聚合物值要高，说明该TNT溶液中的TNT分子与荧光分子印迹聚合物结合，使得荧光偏振值增加.而随着TNT溶液浓度的增加，TNT与荧光分子印迹聚合物的结合量也在增加，故荧光偏振的值也逐渐增大.同时，由表1中可看到，荧光检测方法对TNT检测的下限是0.01mg／mL，明显低于紫外分光方法中对TNT的检测，因此说明荧光方法检测分子印迹聚合物对TNT的结合能力更为灵敏.表1 荧光偏振光强度检测数据Tab.1 Data of fluorescence polarization intensity384孔浓度／（mg／mL）结果A1 0.05 244.477 B1 0.04 199.676 C1 0.03 140.255 D1 0.02 99.987 E1 0.01 40.789 F10-39.758 3 讨论3.1 荧光分子印记聚合物的制备异硫氰酸荧光素可与含氨基的丙烯酰胺结合，将荧光素结合在分子印迹聚合物上，进而制备具有荧光性能的印迹聚合物.通过图1（a）可看出我们制备的分子印迹聚合物具有荧光性.但是，当印迹聚合物与模板分子TNT结合后，模板分子TNT会遮挡住印迹聚合物的荧光，故从图1（b）中可看出分子印迹聚合物的荧光强度变弱了，同时也证明印迹聚合物确实与模板分子TNT结合，且这种结合可导致荧光强弱的变化.因此，可使用检测荧光强弱的方法来检测印迹聚合物对模板分子的结合，如荧光偏振方法.从扫描电镜图2中可看出制备的分子印迹聚合物和硅胶的表面特征.通过两图的比较可知我们成功地在硅胶表面聚合物上了荧光分子印迹聚合物.3.2 紫外方法检测分子印迹聚合物对TNT的结合率由图3可以清楚地显示，分子印记聚合物以及非印迹聚合物对TNT的结合率Q与TNT溶液浓度的关系.TNT分子印记聚合物对TNT具有一定的结合能力，且TNT 溶液的浓度越大，其结合能力越强.对照之下，非印迹聚合物对TNT的结合能力不明显.这说明分子印迹聚合物对TNT是特异性结合，且结合能力很强.这一特性证明制备的分子印迹聚合物可检测炸药TNT.且分子印迹聚合物对TNT的检测限为0.05mg／mL.3.3 荧光偏振法检测荧光分子印迹聚合物对TNT的结合能力通过表1，可以发现从E1～A1，其荧光偏振光强度逐渐增大.由于荧光标记的小分子抗原在溶液中旋转速度快，荧光偏振光强度小，当荧光标记的小分子抗原与其相应抗体结合后，所形成的大分子在溶液中旋转速度变慢，荧光偏振光强度增大.荧光偏振程度的差异，与溶液中小分子抗原和抗体的结合程度有关.由于A1～E1孔中分别为加入0.05mg／mL～0.01mg／mL目标分子的荧光表面分子印记聚合物，随着目标分子TNT浓度的增大，荧光表面分子印记聚合物与TNT的结合程度增大，在TNT溶液浓度为0mg／mL的F1孔形成对照，因此F1～A1孔的荧光偏振光强度应逐渐增大.因此，TNT荧光分子印迹聚合物对TNT具有一定的结合能力，且随TNT溶液浓度的增大而增大.与紫外方法比较，可知，荧光偏振方法检测荧光分子印迹聚合物对TNT的结合能力，检测限为0.01mg／mL，远低于紫外检测中的检测限0.05mg／mL.可见荧光偏振方法应用于分子印迹法对TNT的检测更为灵敏和便捷，是一种新的检测方法.4 结论文中对炸药分子TNT的荧光分子印迹聚合物进行了制备，并将紫外法和荧光偏振法应用能于荧光分子印迹聚合物对TNT结合能力的检测.荧光分子印迹聚合物对TNT具有较高的结合率，且具有特异性.并且荧光偏振方法应用于荧光分子印迹聚合物对TNT结合能力检测比紫外法更为灵敏，检测限可低到0.01mg／mL.通过对TNT分子荧光检测的初步探讨，进一步证实将荧光偏振检测应用到荧光分子印迹聚合物对炸药分子检测具有可行性.【相关文献】［1］ WULFF G，SAHAN A.The Use of Polymers with Enzyme Analogus Structures Forthe Resolution of Racemates［J］.Journal of the Angewandte Chemie International，1972，11（2）：341.［2］ YUICHI T，TAKUYA K，KUNIMIITSU K.Effective Recognition on the Surface of a Polymer Prepared by Molecular Imprinting Using Ionic Complex ［J］.Macromolecules，2009，42（18），2911.［3］ LEI Ye，KLAUS M.Molecular Imprinting：Synthetic Materials As Substitutes for Biological Antibodies and Receptors［J］.Chemistry of Materials，2008，20（30）：859. ［4］ SULITZKY C，RTLEKERT B，SELLRGREN B，et al.Grafting of Molecularly Imprinted Polymer Films on Silica Supports Containing Surface Bound Free Radical Initiators［J］.Macromolecules，2002，35（1）：79.［5］赵晨，倪原，张亮.荧光偏振技术在生命科学中的研究进展［J］.现代生物医学进展，2010，10（16）：3154.ZHAO Chen，NI Yuan，ZHANG Liang.Development of Flcorescence Polarization in Life Sciences［J］.Progess in Mordern Biomedicine，2010，10（16）：3154.（in Chinese）［6］ GAO B J，WANG J，AN F，et al.Molecular Imprinted Material Prepared by Novel Surface Imprinting Technique for Selective Adsorption of Pirimicarb［J］.Polymer，2008，49（5）：1230.。

用于炸药探测的纳米分子印迹生化传感器设计倪原，胡莉莉，赵晨，贾光锋，陆文总（西安工业大学电子信息工程学院，西安710032）摘要：（目的）本文介绍了一种基于纳米分子印迹的炸药探测传感器的设计。

（方法）它以分子印迹技术优越的特异性和良好的适应性，结合压电晶体的质电灵敏转换特性实现对炸药的灵敏探测，同时简要介绍了检测电路的设计原理。

（结果）通过具体实验数据，反应该传感器的灵敏性和实用性，如：对TNT的检测达到µg级。

（结论）该传感器可设计成小巧轻便的手持设备，便于火车站，飞机场，码头等大型公共场所的安全检查。

关键字：分子印迹；传感器；压电晶体1 引言当前大型公共场所和交通流动场所的安检，成为一项维护国民安全，预防意外发生的必要措施。

因“恐怖主义”的原因，对于炸药此类爆炸物的检测已经成为国内外普遍关注的热点。

爆炸物的检测与识别技术有很多，但是大致上可以分为[1]：体探测技术和痕量探测技术。

体检测是对爆炸物的整体外观进行探测，存在价格昂贵、灵敏度低、设备体积大等缺点，在应用方面存在局限性。

微痕量检测主要是对爆炸物残留的微痕量进行检测。

微痕量检测技术因其具有可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等优点而备受人们青睐。

然而，对于爆炸物的检测，人们更多的是把眼光放在技术已经成熟的物理，化学技术上；而对于起步较晚的生物检测技术，在近年来也开始逐步应用于危险物品的检测。

其中离子迁移光谱法和气体色谱分析技术是目前已投入使用的领先技术。

随着爆炸物常规检测技术的发展，出现了一些新颖的检测技术。

例如分子印迹技术。

分子印迹技术基于抗原制备抗体的原理，制备对模板分子有特异性识别能力的分子聚合物进行检测。

相对生物实体而言，其造价便宜，抗恶劣环境能力强、稳定性好、使用寿命长、应用范围广，越来越成为一类重要的人工合成材料。

现有常用方法：沉淀聚合法，表面聚合，纳米线/纳米阵列等。

加拿大的IDS公司[7]，ICX Nomadics公司［8］。

分子印迹电化学传感器的研制的开题报告一、题目分子印迹电化学传感器的研制二、研究背景印迹技术是一种通过对目标分子进行自组装后，利用交联剂固定于聚合物基质中的方法，制备出高度选择性的分子印迹材料。

近年来，基于分子印迹材料的传感器广泛应用于药物检测、环境监测和生物分析等领域。

然而，传统的分子印迹技术存在诸多问题，如制备复杂、成本高、选择性差等。

因此，研发一种高效、简便、灵敏的分子印迹电化学传感器具有重要的理论和应用价值。

三、研究目的本研究旨在开发一种基于分子印迹技术的电化学传感器，通过优化印迹材料的制备条件，实现对目标分子的高灵敏性和选择性检测。

四、研究内容1. 设计合适的分子印迹电化学传感器结构；2. 选择合适的模板分子和功能单体，并优化其比例和交联剂的量；3. 利用电化学方法对印迹材料进行表征和评估；4. 研究印迹材料与目标分子的识别机制；5. 对印迹电化学传感器进行性能测试，包括灵敏度、选择性、响应时间和重现性等；6. 通过实验数据分析和解释，探讨传感器的适应性和应用前景。

五、研究方法1. 选择合适的工艺条件和反应体系，制备分子印迹材料；2. 采用多种表征方法（如循环伏安法、交流阻抗法等）对印迹材料进行表征；3. 采用分光光度法、计时荧光法等方法，对印迹材料的选择性和灵敏度进行评估；4. 通过电化学实验和计算化学方法，研究印迹材料与目标分子之间的作用机理；5. 应用印迹电化学传感器，对目标分子进行检测，并分析实验数据。

六、研究意义本研究的主要意义在于开发一种基于分子印迹技术的电化学传感器，可以在药物检测、环境监测、生物分析等领域具有广泛应用。

该传感器具有灵敏、高效、选择性强等特点，能够满足实际应用中对传感器的要求，有望成为传感技术发展的新方向。

七、进度安排1. 第一年：设计传感器结构，制备分子印迹材料，进行表征和评估，研究识别机制；2. 第二年：对传感器进行优化，开展性能测试，研究理论机理并进行深入探讨；3. 第三年：完善研究成果，形成论文并撰写答辩报告。

基于分子印迹压电传感器的炸药检测系统研究随着现今社会高效快速的发展,在经济、科技、文化等都有了显著的改变,但是随之而来的是社会不安定因素也在逐渐增多。

现今越来越多可以听到的有恐怖主义事件,严重威胁世界安全稳定、人民生命财产。

而在所有恐怖事件之中,最常遇到的就是爆炸事件,造成爆炸事件的罪魁祸首就是——炸药。

所以,现在各个国家都全面加强了对炸药的管制,以及大量投资研发高精度、高稳定炸药检测装置,这些都是为了提高国家的安全防范能力,保障人民生产生活安全。

本文介绍的就是一种由分子印迹技术为原理,研发的分子印迹聚合物传感器作为基础的,对炸药具有较高特异性检测能力的炸药探测系统。

传感器的制作原理就是将分子印迹聚合物与对质量极为敏感的压电石英晶体相结合。

文章从两个大部分对炸药探测系统进行全面介绍,即分子印迹聚合物传感器和炸药探测系统软硬件设计两个部分。

第一部分主要介绍了分子印迹技术的原理；几种仿生传感器的工作原理；分子印迹聚合物的制备方法；最重要的就是对已经制备的几种炸药(TNT、黑索金和硝酸铵)的分子印迹聚合物专一性和吸附性进行验证。

第二部分主要从硬件电路设计和软件程序编写两部分对炸药探测系统进行介绍。

根据分子印迹压电传感器的特点分模块设计炸药检测系统,其中包括振荡电路模块、信号处理模块、TDC-GP2频率差测量模块以及MSP430F249单片机微控制系统等模块组成。

课题通过大量的实验,对传感器的性能进行分析研究,以及验证炸药检测系统对频率差的测量准确性和稳定性。

传感器的性能验证实验表明,本课题制备的几种分子印迹聚合物对与其相应的目标分子具有良好的识别性能,可以对爆炸物进行准确检测。

系统对两个信号频率差的测量稳定性与准确性实验表明,TDC-GP2芯片测量范围1的两个输入端口分别对两个输入信号频率分别进行测量,Stop1和Stop2两路信号频率测量的相对误差在0.05%之内；TDC-GP2传感器输出两路信号差频进行测量,差频测量结果相对误差小于0.05%,这些结论都说明了该系统是可以对信号频率差进行准确的测量。

压电型分子印迹传感器对棉酚的检测赵晨;贾光锋;陆文总【摘要】为了减小棉酚检测的检测周期，降低检测成本，以分子印迹修的银晶振作为传感器敏感元件，提出了一种新型压电分子印迹传感器．通过对棉酚和其相似物的检测，证实了压电型分子印迹传感器的灵敏性和特异性．结果表明：该传感器的最低检测限为6μg・L －1，检测范围为6～16μg・L －1（相关系数 R2＝0．9996），响应时间为15 min ；在特异性检测中，该传感器对棉酚的响应频率显著高于相似物．%In order to reduce testing cycle and testing cost in gossypol detection ,a novel piezoelectric sensor was developed by sensitive element which was the silver crystal modified by molecular imprinting polymers .Both of sensitivity and specificity for the sensor was confirmed by its detection of gossypol and the similar .The result displayed the perfect characters of this novel sensor ,such as detection limit of 6μg・L -1 ,detection range of 6~16μg・L -1 (correlation coefficient R2 =0 .999 6) and response time of 15 min .The response frequency of the sensor to gossypol was much higher than that of similar molecular .【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2016(036)006【总页数】6页(P504-509)【关键词】分子印迹传感器;棉酚;响应频率;晶振【作者】赵晨;贾光锋;陆文总【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院，西安710021;西安工业大学电子信息工程学院，西安710021;西安工业大学电子信息工程学院，西安710021【正文语种】中文【中图分类】R446.5;TP212棉酚是存在于棉属植物中的一种多元酚化合物，具有毒性[1-2].但现代医学发现棉酚还具有很重要的药用价值，如抗生育作用[3]，抗肿瘤作用[4]，抗病毒[5]和抗菌作用[6-7]，特别是抗肿瘤活性[8].因此，棉酚的快速检测已逐渐被研究者重视.目前国内主要使用的是苯胺比色法和紫外分光光度法.但是，苯胺比色法中苯胺具有较高的毒性，操作危险，操作步骤繁琐，不易于区分棉酚和棉酚结构类似物，干扰大.而紫外法虽然操作简便，但样品不易处理，易被杂质干扰，结果不精确.而随着尖端仪器的发展，高效液相法和气相色谱法也应用到棉酚的检测中，这两种方法准确度高，但成本高，周期长，样品需前处理.因此，需要创建一种快速、灵敏的检测棉酚的分析方法.而压电型分子印迹(Molecular Imprinting Polymer-Quartz Crystal Microbalance,MIP-QCM)传感器可解决这一问题.该方法在物质检测中有多方面的应用，文献[9]制备了适于检测卤代烃等物质测定的压电分子印迹压电传感器，该传感器的研究成功更利于传感器的小型化，且易于将印迹聚合物修饰在传感器上.文献[10]制备的压电分子印迹传感器可检测芳香族化合物，且显示了压电型分子印迹传感器良好的稳定性，成本低，高灵敏性和响应时间短等优良特性.为解决棉酚的快速检测，本文将分子印迹技术与压电传感器结合，提出了用于棉酚检测的压电型分子印迹传感器，以期提高棉酚检测的灵敏度，同时减少检测时间.压电生物传感器是基于压电传感器的基本原理，将具有生物活性的物质如酶、抗体、核酸、蛋白及生物细胞等生物实体修饰于石英晶体的表面作为识别元件.而压电生物传感器的关键元件是压电石英晶片，工作原理是具有各向异性的晶体会受到机械应力而产生电偶极子.但是如果在具有压电效应的材料上施加一个电场，该材料的晶格出现形变，且若施加的电场为交变电场，则晶体晶格将产生机械振动；当该施加的电场频率和晶体的固有频率一致时，则晶体出现压电谐振，此时的频率为称为谐振频率，且该频率与石英晶体物理尺寸和性质相关.1959年，Sauerbrey提出在石英晶体表面加上一层质量负载层，导致晶振频率下降.晶体表面负载的质量与谐振频率之间的关系为式中：ΔM为质量的改变(g)；ΔF为质量改变所造成的频率变化；F为石英晶体的谐振频率(Hz)；A为石英晶体的面积(cm2).压电晶体灵敏度较高，被测物的质量检测限可达1×10-12 g，因此振动的石英晶体是灵敏的质量检测器，被称作石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM).压电分子印迹传感器传感器主要分石英晶体微天平传感器和表面声波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器.目前，QCM分子印迹(MIP-QCM)传感器应用最为广泛.MIP-QCM传感器的基本原理就是将分子印迹聚合物修饰在石英晶体表面，利用其分子识别功能，当待测模板分子(目标分子)与所固定的识别物相互作用而产生结合时，就会导致晶体表面质量负载的增加，所吸附的模板分子(目标分子)的量可以通过传感器的频率变化加以监测.石英晶体的修饰方法一种是将高聚物粒子固定化于QCM的电极上；另一种则是在电极上“就地”聚合.分子印迹压电生物传感器对被测物的检测在溶液中进行，实时检测被测物与印迹聚合物的结合过程.2.1 实验材料四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)，聚氯乙烯(Polyvinyl Chlorde，PVC)，均为分析纯.棉酚购买于Sigma公司，棉酚相似物(Tetra-Acetylapogossypol)为棉酚中间产物，制备于实验室中.棉酚分子印迹聚合物制备于实验室中[11].2.2 实验方法2.2.1 压电分子印迹传感器的设计设计检测通道，在检测电路中，将分子印迹聚合物或非印迹聚合物修饰在压电晶体上，分子印迹聚合物与待测物特异性结合，而非印迹聚合物发生了非特异性吸附，将两者频率对比，计算两路频率差值.该过程中，去除了外在的干扰，使结果更为准确.在实验中采用直径∅8 mm和∅16 mm的两面镀银石英晶体， 5 V工作电压的震荡电路，以及高精度通用计数器对震荡频率进行检测.2.2.2 压电传感器银晶振电极表面修饰取一定量的分子印迹聚合物或非印迹聚合物溶于10 mL的THF溶液中，超声30 min使溶液分散.然后，加入20 mg聚氯乙烯.在电极以200 rpm的速度旋转的情况下，将该悬浮液滴加到银晶振电极上(20 MHz，直径为∅8 mm或∅16 mm).当THF溶液在室温下挥发完全后，银晶振电极表面修饰了一层表面分子印迹聚合物.这一过程重复3次，直到银晶振电极表面被修饰好，且分子印迹聚合物的厚度为200 μm.其中分子印迹聚合物的制备在前期工作中已有报道[12-13].2.2.3 分子印迹压电传感器对棉酚的检测将这5种不同浓度的棉酚溶液以1～2 mL·min-1的速度喷洒到密闭容器中，样品溶液被气化.密闭容器内气化的样品压力稳定时，压电传感器显示与棉酚浓度相关的频率改变.而且压电传感器频率的变化可通过式(1)来计算.当电极表面修饰了印迹聚合物后，ΔF值会减少.而当棉酚与印迹聚合物结合后，ΔF值也会减少.则频率变化为Δf=ΔF1-ΔF0式中：ΔF1为结合物样品时的响应频率；ΔF0为结合样品后压电传感器的响应频率.且其中Δf，ΔF1和ΔF0的值均由频率计数器显示.Δf可消除压电印迹传感器的非特异性结合而产生的误差.同时，也检测了压电传感器的响应时间，随着反应时间的增加，Δf值逐渐增大，到达一定时间后，趋于平缓，此时反应到达饱和，而且此时的Δf值为所求的响应频率.棉酚分子印迹压电传感器对棉酚相似物质(Tetraacety Lapogossypol)也进行了检测，方法与对棉酚的检测方法相同.通过两者结果的比较可得出分子印迹压电传感器的特异性.棉酚及其相似物的压电传感器检测过程如图1所示.3.1 分子印迹聚合物对晶振表面的修饰在实验中发现,制备的表面分子印迹聚合物必须均匀涂布在晶振表面，压电传感器的频率才能达到稳定.为了使表面分子印迹聚合物在THF溶液中分布均匀，采用超声方法.将THF与分子印迹聚合物混合后，进行超声震荡，且超声时间为30 min为最佳.未超声的分子印迹聚合物在晶振表面的分布结果如图2(a)所示，可明显看到印迹聚合物分散不均匀，有的地方密集，有的地方分散.超声处理的结果如图2(b)所示，可看到分子印迹聚合物在超声后分散均匀.实验结果证明，当THF与表面分子印迹聚合物混合并超声后，再加入聚氯乙烯效果更好.如果将聚氯乙烯、THF和表面分子印迹聚合物一起混合，再超声30 min，超声作用会使胶状物质THF和聚氯乙烯汇聚在一起，导致表面分子印迹聚合物无法均匀分布.如图2(c)所示，可看出印迹聚合物团聚在一起，这是由于THF和聚氯乙烯混合后，将聚合物凝聚在一起.修饰后的压电晶体晶振频率明显下降，且频率值基本稳定.晶振是压电传感器的转换元件，对其修饰的方法是先将THF与表面分子印迹聚合物混合并超声再加入PVC，如果在修饰过程中，操作不当，致使分子印迹聚合物在晶振表面分布不均匀或形成的印迹聚合物层过厚，会导致晶振频率不稳定，测定结果不准确.3.2 压电型分子印迹传感器的灵敏性检测使用了两种直径的晶振电极，分别对这两种晶振电极进行了分子印迹聚合物的修饰，并进行棉酚的检测，得到不同的结果.使用直径为∅8 mm的晶振作为压电传感器的电极时，当样品浓度C达到10 μg·L-1时，响应频率达到稳定.即增大样品浓度，响应频率将不再发生变化.而样品浓度为6 μg·L-1时，响应频率能够显示；低于该浓度，压电传感器无法显示，说明压电传感器的检测下限为6 μg·L-1.检测结果如图3(a)所示.对棉酚浓度的检测范围在6～10 μg·L-1，并且在该范围内有好的线性关系(相关系数R2=0.999 8).使用直径为∅16 mm的晶振作为压电传感器的电极，结果显示如图3(b)所示.该压电传感器的检测限(信噪比S/N=3)为6～16 μg·L-1，并且在该范围内显示了良好的线性关系(相关系数R2=0.999 6).同时，在该方法中，检测浓度增大到16 μg·L-1时，响应频率趋于平缓，而检测下限依然为6 μg·L-1.这说明分子印迹压电传感器的灵敏度为6 μg·L-1，而检测范围是6～16 μg·L-1.晶振面积对压电分子印迹传感器的检测能力极为重要.直径为∅8 mm的晶振由于面积小，检测范围太窄(6～10 μg·L-1)，不适合应用.直径为∅16 mm的晶振检测范围可增加到6～16 μg·L-1.但是再增大电极的面积，会导致分子印迹聚合物难于修饰，且修饰的印迹聚合物不均一，而灵敏性降低.在图3中可看到，非印迹聚合物(Non Imprinted Polymer,NIP)也修饰在压电传感器上，得到非印迹压电传感器(Non Imprinted Polymer-Quartz Crystal Microbalance,NIP-QCM).并使用NIP-QCM对棉酚也进行了检测，并得到结果与MIP-QCM进行了比较.NIP-QCM的值明显要低于MIP-QCM，说明该方法可快速和精确的检测棉酚.同时，通过压电分子印迹传感器与其他检测方法[14-15]的灵敏度比较，压电分子印迹传感器具有更高的灵敏度，见表1.表1给出了高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography-Ultraviolet，HPLC-UV)和压电分子印迹传感器(MIP-QCM)对棉酚检测方法的最低检测限和线性范围.从表1可看出，压电分子印迹传感器的检测限最低(6 μg·L-1).其最低检测限低于HPLC-UV方法检测限(3 mg·L-1，见表1).且比HPLC-UV法更简单、便宜和快速.因此，压电分子印迹传感器是一种更为灵敏、快速和高效的检测装置，可广泛应用.3.3 压电分子印迹传感器的特异性图4为随着时间变化Δf的改变曲线图.检测了棉酚和其相似物对频率响应的比较，表示了压电分子印迹传感器的特异性.棉酚分子印迹压电传感器对棉酚具有很高的响应频率，且响应频率值显著高于相似物.这是由于分子印迹聚合物具有专一与棉酚结合的空间结构和识别位点，这在结合过程中起到关键的作用.因此,被棉酚分子印迹聚合物修饰过的压电传感器同样具有了高的特异性，在识别棉酚时能具有高的响应频率.而识别其相似物时，由于，结合空间和识别位点的不配对，无法结合而具有很低的响应频率.由图4可看出，随反应时间的增大，Δf值逐渐增大，当时间为15 min时，Δf值趋于稳定，曲线达到平稳状态.这说明压电传感器的响应时间为15 min，表明MIP-QCM在检测棉酚时具有快速响应，高稳定性和高特异性等优点.其高特异性与其他方法的比较见表1，其中压电传感器具有最高的特异性和灵敏性.3.4 压电分子印迹传感器的误差分析在棉酚检测过程中存在检测数据不稳定、数据出现误差的现象，这是由于压电分子印迹传感器制备过程中多因素导致的测量结果误差.误差产生的原因具体包括：① 石英晶体频率不稳定.由于石英晶体工艺的限制而导致比率不稳定.在选择石英晶体时，应选择工艺好的石英晶体，并进行频率测定，选用频率稳定的石英晶体.② 转换电路的设计要考虑石英晶体的基频，使两者匹配.否则会影响传感器的测量精度.③ 环境干扰.环境对压电分子印迹传感器测定结果有干扰，因此，一个密闭的检测环境可减少外环境对传感器的影响.④ 确保晶体表面洁净.晶体需要在使用前清洗，但是在清洗过程中，电极会受到损伤，影响频率稳定，最终导致检测结果不稳定. 将分子印迹聚合物修饰在压电晶体上，提出了一种具有高灵敏性和特异性的压电型分子印迹传感器.该传感器的最低检测限为6 μg·L-1，检测范围为6～16 μg·L-1，响应时间为15 min.对棉酚检测的响应频率显著高于相似物.与紫外法和HPLC-UV 法对棉酚检测的灵敏性相比，压电分子印迹传感器的检测限远低于这两种方法.压电分子印迹传感器是一种检测灵敏、检测成本低廉的棉酚检测装置.【相关参考文献链接】倪原,魏娜,王芳,等.分子印迹压电传感器的爆炸物探测系统设计[J].2013,33(6)：505.杨阿弟,佘明辉.无线传感器网络中移动目标的定位及误差分析[J].2016,36(4)：340. 陈红,杨玉霞.面向湿地水环境监测的无线传感器网络拓扑控制[J].2016,36(2)：161. 徐振华,谢先斌,杨秀凯.局部传感器发射功率约束条件下部分相干检测融合方法[J].2014,34(9)：703.张荷芳,薛静云.压力传感器温度补偿的BP神经网络算法[J].2013,33(2)：163.贾培刚,张铭.车体双轴倾角传感器的标定[J].2012,32(12)：1000.马颖,祁浩,樊维涛.具有能量补给的无线传感器网络能量感知路由算法[J].2012,32(7)：527.王林艳,李少康.膈膜式传感器微压电复合薄板的模态分析[J].2010,30(4)：334.王伟,赵高波,霍鹏飞,等.一种利用磁阻传感器的炮口速度测量方法[J].2008,28(2)：129.王健,曾辉.抗晕光面阵CCD图像传感器及抗晕光方法的实现[J].2007,27(6)：558. 李武军,王晓颖.三光纤补偿式位移传感器的研究[J].2007,27(5)：413.【相关文献】[1] ELSHARAKY A S,WAHBY M M,BADER-ELDEIN M M,et al.Mutual Anti-oidative Effect of Gossypol Acetic Acid and Gossypol-iron Complex on Hepatic Lipid Peroxidation in Male Rats[J].Food Chemical Toxicology,2009,47(11):2735.[2] ELSHARAKY A S,NEWAIRY A A,ELQUINDY N M,et al.Spermatotoxicity,Biochemical Changes and Histological Alteration Induced by Gossypol in 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用于炸药探测的纳米分子印迹生化传感器设计倪原;胡莉莉;赵晨;贾光锋;陆文总【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2013(033)002【摘要】为了便捷快速地检测到TNT等炸药违禁品,介绍了一种基于纳米分子印迹的炸药探测传感器设计.以分子印迹技术的特异吸附性结合压电晶体的质电灵敏转换特性,实现对炸药的灵敏探测；同时简要介绍了检测电路的设计原理.通过实验表明该传感器可以实现对硝铵炸药里的NHO3NH4以及TNT的检测达到μg级.该传感器可设计成小巧轻便的手持设备,便于火车站、飞机场、码头等大型公共场所的安全检查.【总页数】6页(P157-162)【作者】倪原;胡莉莉;赵晨;贾光锋;陆文总【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021;西安工业大学电子信息工程学院,西安710021【正文语种】中文【中图分类】TP212.2【相关文献】1.新型磁性分子印迹纳米颗粒用于蛋白质分离 [J], 周文辉;郭秀春;杨黄浩;王小如2.分子印迹SiO2纳米管膜的制备及其生化分离应用 [J], 张淑琼;杨黄浩;庄峙厦;王小如3.一种用于清除果汁中展青霉素的分子印迹纳米纤维膜的制备及其研究 [J], 邵奕珉;邾静静;韩铮;杨宪立;陈珊珊;聂冬霞4.用于焦化废水脱除苯酚的亲水性多孔炭纳米球基表面分子印迹聚合物的制备 [J], 张瑶;秦蕾;崔燕;刘伟峰;刘旭光;杨永珍5.纳米金信号放大分子印迹电化学传感器用于雌二醇的检测 [J], 张笑言;彭媛;高志贤;宁保安;白家磊;刘颖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

新型纳米材料构建的分子印迹电化学传感器的研究与应用近年来，纳米材料在传感器领域的应用得到了广泛关注。

纳米材料具有特殊的物理化学性质，其表面积大、催化活性高、生物相容性好等特点，使其成为构建高灵敏度和高选择性传感器的理想材料。

其中，新型纳米材料构建的分子印迹电化学传感器受到了研究者的极大关注，并在环境监测、食品安全、生命科学等领域显示出潜在的应用前景。

分子印迹技术基于"锁-钥"原理，通过选择性和可控地固定目标分子，构建具有特异性识别能力的功能材料。

与传统的分子印迹技术相比，新型纳米材料的应用使传感器具有更高的灵敏度、选择性和稳定性。

新型纳米材料可以通过生物模板、化学合成、电化学聚合等方法制备，例如金属纳米颗粒、碳纳米管、量子点等。

金属纳米颗粒是一种常用的构建纳米材料的工具。

其高比表面积使得金属纳米颗粒具有优异的催化活性和电催化性能。

例如，金属纳米颗粒可以作为纳米电极用于电化学传感器中。

研究者们利用其优异的电催化性能，将金属纳米颗粒修饰在传感器电极表面，通过电化学信号的变化实现目标分子的检测和测量。

此外，金属纳米颗粒还可以用作分子模板，在其表面固定目标分子，形成分子印迹聚合物，从而使传感器具有特异性识别能力。

碳纳米管是一种独特的纳米材料，其具有高导电率、高比表面积和优异的力学性能。

纳米碳管被广泛应用于分子印迹电化学传感器中，其主要用途是作为电极材料，用于传感器的电化学信号转换和放大。

由于碳纳米管具有优异的电化学特性，可以显著提高传感器的灵敏度和选择性。

例如，研究者们将碳纳米管修饰在电极表面，制备出具有高灵敏度的分子印迹电极。

在电化学传感器中，碳纳米管还可以用作载体材料，用来稳定和固定分子印迹聚合物，从而提高传感器的稳定性和寿命。

量子点是一种具有特殊物理化学性质的纳米材料。

其具有高度可调控的荧光特性，使其被广泛用于分子印迹电化学传感器中。

研究者们通过修饰量子点的表面功能基团，使其能够选择性地结合目标分子。