组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
其他（超声生物传感器）
检测对象
茶碱（theophylline）、咖啡因（caffeine）；样品基质为水溶液（1 wt%分子印迹水凝胶水溶液/样品池）
检测原理
分子印迹水凝胶微球在超声压力波激励下作为可变形微球发生共振，其共振频率取决于微球半径与剪切模量。当茶碱进入印迹口袋后，氢键与立体诱导适配使水凝胶网络发生构象变化：HPC微球粒径平均增加14%，NIPA微球粒径平均减小16%，同时刚度改变。这些物理参数变化导致多个共振频率的幅值随分析物浓度改变。系统以1.9 MHz窄带换能器发射脉冲，10 MHz宽带换能器接收包含水凝胶共振成分的超声信号，经FFT获得频谱；采用SMLR多线性回归从多个频率幅值中估计浓度。咖啡因因多一个甲基而结合较弱，引起不同的粒径与刚度变化，因此可用不同频率组合实现干扰物存在下的独立定量甚至同时定量。
检测灵敏度
HPC（无干扰）：线性范围: 0.1–6.1 mM；r^2 > 0.99；SEE: 0.1 mM。HPC（含咖啡因）：线性范围: 0.2–6.1 mM（咖啡因0–9.1 mM）；r^2 = 0.95；SEE: 0.6 mM。NIPA（无干扰）：线性范围: 8.4–167 μM；r^2 > 0.99；SEE: 2.6 μM。NIPA（含咖啡因）：线性范围: 8.4–24 μM（咖啡因4.1–21 μM）；r^2 = 0.98；SEE: 1.5 μM。NIPA咖啡因：r^2 = 0.87；SEE: 3.3 μM。
效应效果
该传感器在结构相似干扰物咖啡因存在下仍保持定量能力，体现分子印迹选择性。HPC需6个频率估计茶碱，含咖啡因时SEE为0.6 mM、r^2=0.95；NIPA需5个频率，SEE为1.5 μM、r^2=0.98。NIPA还可定量咖啡因，SEE为3.3 μM、r^2=0.87；HPC对咖啡因定量不足（r^2<0.6）。粒径变化显示选择性：HPC结合茶碱粒径增加14%、咖啡因增加23%；NIPA结合茶碱粒径减小16%、咖啡因减小5%。批间变异为HPC约20%、NIPA约5%。作者认为可用于茶碱治疗范围（55–110 μM）及毒性浓度监测，并拓展至环境、工业和临床多分析物检测。
传感器的构成
- 发射换能器：1.9 MHz窄带超声换能器（Advanced Technology Labs），产生超声脉冲并激励水凝胶微球共振
- 接收换能器：10 MHz宽带超声换能器（Optel），接收包含水凝胶共振频率的超声信号
- 样品池/基底：1.8 cm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA/plexiglas）比色皿或3.8 cm铝样品池，作为超声传播介质与样品容器
- 低亲和识别水凝胶：羟丙基纤维素（HPC，100,000 MW）与茶碱模板自组装后，经二乙烯砜（DVS）交联形成约105 nm分子印迹微球
- 高亲和识别水凝胶：N-异丙基丙烯酰胺（NIPA）与甲基丙烯酸（MAA）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及茶碱模板聚合形成约396 nm分子印迹微球
- 识别元件：分子印迹结合口袋，通过氢键与立体匹配识别茶碱，结合后改变水凝胶刚度与尺寸
- 信号标记/放大：无外源标记物，分子印迹水凝胶微球本身作为超声造影剂/共振微球，将结合事件转换为共振频率谱变化
- 信号读出：Panametrics 500PR脉冲发生器/接收器、SDS 200或Handyscope HS3示波器、FFT与SMLR多线性回归，输出分析物浓度
中文摘要
在具有强基质效应的样品中，常规分析技术难以准确定量分析物。超声能够穿透光学或电化学方法难以测量的样品，但通常提供的化学信息有限；新型超声造影剂则可依据浓度在样品中产生高度局域化的对比。本文提出一种基于分子印迹水凝胶聚合物的通用智能生物传感器构建方法：水凝胶在聚合前与目标分析物自组装形成分子印迹结合位点，识别并结合目标分子后，其物理性质随分析物浓度改变，从而引起超声响应变化。作者以茶碱为模型分析物，在水凝胶溶液中进行多线性校准，实现了8.4 μM至6.1 mM范围内的高线性定量，相关系数超过0.99。此外，在存在结构相似干扰物咖啡因的体系中，也实现了茶碱的独立定量，并展示了利用同一智能水凝胶传感器分散于样品中、通过远程超声检测同时分析多种分析物的可行性。
英文摘要
Analyte quantification in samples with extensive matrix effects can be challenging using conventional analytical techniques. Ultrasound has been shown to easily penetrate samples that can be difficult to measure optically or electrochemically, though it provides little chemical information. Recent ultrasound contrast agents provide highly localized contrast within a sample based on concentration. We have developed a general approach for creating smart biosensors based on molecularly imprinted hydrogel polymers that recognize and bind a target analyte, changing ultrasonic properties with analyte concentration. Multilinear analyte calibration in hydrogel solutions provided quantification of the chosen analyte, theophylline, from 8.4 μM to 6.1 mM with a high degree of linearity (correlation coefficient exceeding 0.99). Simultaneous quantification of both theophylline and of an interfering species, caffeine, was also carried out, providing an avenue for simultaneous analyte analysis with one smart biosensor that can be dispersed and remotely detected.