電化學發光傳感器在食品安全領域中的研究進展

蔡思學，丁小梅，李健，王力*，黃琦靖

集美大學食品與生物工程學院（廈門 361021）

食品安全問題包括食品中的微生物、物理、化學等危害導致的食源性疾病，甚至人死亡。世界衛生組織在2015年公布，每年約有42萬人因食用受污染的食品死亡[1]。另外，食品欺詐或出于經濟動機的摻假事件也是食品安全問題的關鍵。有研究表明，1 553家媒體報道的食品丑聞和事件實際上都屬于出于經濟動機的食品欺詐或摻假[2]。如今隨著全球化發展，我國食品工業快速轉型，食品供應鏈也越發復雜，食品在收獲、加工、制造、銷售、消費過程中的諸多因素都會影響食品安全，在這種環境下，食品安全問題也越發隱藏和危險。雖然全球的食品行業、監察機構在改進食品安全監管體系中做出了巨大努力，但食品安全問題仍然在持續發生，所以對于食品中相關成分的檢測就顯得尤為重要。

目前，對食品中相關成分的檢測方法很多，主要有高效液相色譜、液質聯用和氣質聯用法等。但這些方法有著處理過程復雜、儀器分析時間長、檢測成本高、不適合進行快速檢測等缺陷。相對而言，使用基于發光和猝滅等機理的電化學、熒光和電化學發光（ECL）法因簡單、靈敏度高、響應時間快、成本低、易于小型化而受到廣泛關注[3]。

主要綜述了近年來國內外電化學發光傳感器在食品安全領域的應用，并對其發展前景進行了展望。

1 電化學發光傳感器在食品安全領域的應用

1.1 電化學發光對食品中違禁添加物檢測方面的應用

迄今為止，國內外對食品中的違禁添加物有明確規定，但研究表明35.87%的摻假、污染物和異常情況問題都涉及“添加劑”，其中使用違禁添加劑（23.23%）[2]，對人類身體健康造成極大威脅。因此衍生出多種檢測違禁食品添加物的方法。主要對三聚氰胺（MEL）、瘦肉精的ECL檢測進行介紹。

自2008年MEL事件發生，越來越多的檢測方法用于食品中MEL的檢測，我國檢測MEL的標準方法有高效液相色譜、氣質聯用、液質聯用/質譜法，檢測限分別為2，0.05和0.01 mg·kg-1[4]。隨著近幾年研究的深入，各種材料和方法用于ECL的MEL檢測，如圖1所示。Liu等[5]首以Ru(bpy)32+結合碳納米管（CNTs）的ECL用于MEL測定，結果發現在CNTs修飾后檢測限降低至1.0×10-13mol/L，是裸電極的1 000倍。之后量子點（QDs）ECL興起，但一般認為QDs-ECL與所用粒子尺寸無關，Hu等[6]對此展開研究，結果發現ECL譜證實了QDs發光是由帶隙發光引起的，峰位置隨QDs尺寸的變化而變化，獲得新進展，MEL檢出限為

6.74×10-10mol/L。最近分子印跡聚合物（MIP）與ECL的結合檢測MEL得到了證實，Lian等[7]利用MIP的選擇性識別對MEL產生富集效應，并且根據MEL結構類似物的進一步測試，證明了所構建的ECL可以通過特定的識別來檢測各種物質，檢測限為1.0×10-13mol/L（S/N≥3）。可以發現ECL檢測MEL靈敏度遠高于國家標準，甚至達100～10 000倍。

圖1 ECL檢測三聚氰胺的時間進程

瘦肉精在促進動物體內蛋白質沉積和降低動物脂肪水平方面發揮著重要作用，其主要功能物質為β-受體激動劑，包括沙丁胺醇、萊克多巴胺（RAC）等，若其在非法處理動物中殘留將會對人體產生慢性毒素，所以許多國家嚴禁其在畜牧業中使用[8]。ECL檢測瘦肉精一般以QDs作為發光材料，引入生物酶特別是辣根過氧化物酶（HRP），利用自身循環消耗產生QDs的共反應物H2O2，促進發光信號的增加，可敏感識別、提高檢測性能，所以近些年被廣泛研究。Yan等[9]基于半胱氨酸修飾的CdSe-QDs和金納米粒子（AuNPs）結合HRP，設計了一種高靈敏檢測RAC的ECL的雙信號放大策略，ECL強度大大增加，檢測限低至0.001 7 ng·mL-1。揭示了基于QDs的ECL在瘦肉精檢測方面潛在的應用前景。

1.2 電化學發光對食品中藥物殘留檢測方面的應用

動植物在生長過程中為防止其受病蟲害的威脅會使用藥物進行控制，但同時動植物體內的藥物殘留污染物會通過環境或食物鏈影響人類健康。

Luminol作為一種高效發光劑，被廣泛用于ECL檢測中，而ELISA具有很高的非特異性結合能力，與ECL聯用可以進一步提高檢測的靈敏性，近些年也被廣泛研究[10-11]。其中，Liu等[12]首次以同一標準曲線直接檢測農藥總殘留，用3種不同的ECL-ELISA優化包衣抗體和酶示蹤物的濃度，分析吡蟲啉和噻蟲啉的殘留混合物，結果顯示多酶的ECL-ELISA檢測限為1.8 μg·L-1，這項工作以Luminol為底物比以往ELISA更安全，且結合ECL大大減少了檢測時間和工作量，對混合分析物總量的直接定量分析和對具有相似抑制曲線的農藥具有潛在的應用價值。

1.3 電化學發光對食品中生物毒素檢測方面的應用

采用ECL對谷物或酒中常見的毒素污染物赭曲霉毒A進行檢測，其中結合了適體的ECL檢測限是比較低的，因為適體的高特異性和親和性為真菌毒素的分析提供了新的機會[13-15]。

肉毒桿菌在罐頭或腌制食品中具有極強的生命力，其形成的神經毒素是已知最有效的毒藥，食用50 ng就會引起中毒[16]。Guglielmo-Viret等[17]比較了ELISA與ECL對肉毒桿菌B型神經毒素的檢測效果，使用與商業方法相同的抗體，優化內部試驗發現ELISA的檢測限為3.12 ng·mL-1，而ECL的檢測限為0.78～1.56 ng·mL-1，靈敏度ECL是ELISA的2～4倍，檢測時間也比ELISA快2倍。

通過這些研究表明ECL對這些生物毒素的成功應用，給食品中生物毒素的實際檢測帶來了巨大的便捷與優勢，從而可以大大減低食品工業中意外食物中毒的可能性。

2 毛細管電泳-電化學發光法檢測食品中的生物胺

圍繞毛細管電泳-電化學發光（CE-ECL）法對食品中的生物胺已進行多年研究，從易產生生物胺的酒類和水產品展開，以Ru(bpy)32+到利用多金屬氧酸鹽合成材料作為發光源，取得重大突破[21-26]。

生物胺是一類具有生物活性的低分子量有機堿，在魚、肉和發酵食品中其形成不可避免，低濃度下生物胺對多種生理功能起著至關重要的作用，但當其含量過高或人體解毒能力受到抑制、干擾時，生物胺可轉化為嚴重危害人類健康的有毒代謝物，每餐攝入超過40 mg就可顯著增加食物中毒的風險[18]。肉類和水產品質量控制的常用方法之一就是監測生物胺的釋放水平[19]，所以檢測生物胺對控制食品質量有著重要意義。

2.1 基于RuPMo12的CE-ECL檢測

多酸屬于一種獨特的材料，具有理想的結構和電子特性，An等[20]首次將Keggin型多酸H3PMo12O40(PMo12)和Ru(bpy)32+混合合成了一種雜化材料[Ru(bpy)3]3[PMo12O40]2(RuPMo12)作為新光源，以RuPMo12作為組胺探針應用于CE-ECL，在優化條件下組胺在5 min就得以檢測，0.01～1 mg·L-1內檢測限低至1×10-3mg·L-1，且利用該法對青魚、章魚和金線魚進行檢測，檢測限和線性范圍足以滿足檢測樣品中的異常組胺水平。

Ru(bpy)32+的ECL被廣泛應用于一些具有特定結構的物質比如生物胺的檢測，但在連續測定過程中Ru(bpy)32+會漏失導致電極不穩定，所以需將Ru(bpy)32+固定化在電極表面克服這一局限性，從而降低試劑消耗并產生更強發光。課題組利用RuPMo12檢測組胺，其檢測機理如圖2所示，通過靜電相互作用成功將Ru(bpy)32+固定于雜化體中，其中組胺和RuPMo12在電極上發生氧化還原生成相應的氧化產物，組胺的活性中間體與[Ru(bpy)3]3[PMo12O40]3反應有助于激發RuPMo12*的生成，從而產生更強的ECL信號。

圖2 RuPMo12的ECL對組胺檢測的機理圖

2.2 基于Ru(bpy)32+的CE-ECL對食品中生物胺的檢測

課題組對各種食品中生物胺的種類研究進展如圖3所示。

圖3 CE-ECL對生物胺類物質的檢測

陳素艷等[21]對葡萄酒中的腐胺與亞精胺進行檢測，結果發現腐胺和亞精胺分別在0.1～4 μg·mL-1和0.05～2 μg·mL-1時檢測限為0.1和0.05 μg·mL-1，9 min即可完成。錢勇強等[22]在9 min內直接對魷魚絲中的組胺進行檢測，檢出限為0.468 μmol·L-1。進一步檢測魚露中苯乙胺，優化條件下苯乙胺在1～40 μg·mL-1內檢出限達0.06 μg·mL-1，且在10 min內可以完成[23]。翁凌等[24]對鰻魚中的色胺進行分離檢測，在1～8 mmol·L-1內二鹽酸色胺的檢測限為0.06 mmol·L-1。安冬等[25]對水產品中的組胺和亞精胺進行檢測，并將其成功應用于海瓜、花蛤、青蛾中，組胺和亞精胺的檢測限分別達0.091和0.089 mg·kg-1，均遠遠低于50 mg·kg-1的生物胺國際標準。

An等[26]利用CE-ECL對牡蠣中的生物胺進行檢測，結果表明對5種生物胺進行分離檢測，30 min就可以全部完成，其檢出限分別為8.4×10-3，9.2×10-4，1.2×10-2，6.0×10-4和9.6×10-2μg·mL-1；并研究了儲藏條件對生物胺的影響，結果發現牡蠣在儲藏和腐敗過程中腐胺與亞精胺是起主要影響的生物胺。

綜合得知，RuPMo12作為新光源，相對Ru(bpy)32+普通光源其檢出限更低，效果顯著，且該方法可以減少試劑消耗，在食品分析領域顯示出良好的應用前景，如表1所示。并且CE-ECL傳感器用于食品特別是水產品中生物胺的檢測選擇性好、靈敏度高、檢測時間快速。

表1 不同光源CE-ECL對組胺的檢測性能

3 結語與展望

隨著對ECL在食品領域中應用越來越深入的研究，ECL體系有著簡單、靈敏度高、響應時間快、成本低等優勢，但仍然存在挑戰和難題，如：ECL雖然有著小型化的優勢，但仍難實現現場的即時檢測；現有研究中ECL的發光源較固定，大部分為Ru(bpy)32+或魯米諾，有一定的局限性。因此，在未來不斷深化現有檢測基礎上，對發光反應機理進一步探究，尋找新的發光體或有利于提高發光的共反應物質，加大多種技術的交叉聯用，發展新的傳感和信號放大策略，從而更大程度提高ECL檢測的選擇性和應用范圍，為實現食品領域更多物質的檢測、保障食品安全發揮巨大的潛力。