納米材料增敏的電化學檢測技術在食品雙酚類物質檢測中的應用進展

張靈麗,吳巧靈,劉豐,吳遠根,邱樹毅,陶菡*

1(貴州大學 釀酒與食品工程學院,貴州 貴陽,550025) 2(貴州省發酵工程與生物制藥重點實驗室,貴州 貴陽,550025)

內分泌干擾物(endocrine disrupting chemical,EDC)是一類可干擾體內自然激素合成、分泌、運輸作用的一類外源性物質,它可破壞人體自身的生理平衡[1]。雙酚類物質(bisphenols,BPs)是一類以羥苯基為特征主體結構單元的內分泌干擾物,通常包括雙酚A (bisphenol A,BPA)、雙酚B (bisphenol B,BPB)、雙酚S (bisphenol S,BPS)、雙酚AP (bisphenol AP,BPAP)、雙酚F(bisphenol F,BPF)以及四氯雙酚A (tetrachlorobisphenol A,TCBPA)等[2]。當雙酚類物質在嬰兒奶瓶、罐頭涂料或者其他食品包裝中使用時,在油脂、酸或其他外界環境的影響下,可能會遷移到食品或飲料中被人體吸收,干擾體內激素合成、分泌、運輸,從而對人體健康、成長情況以及繁殖能力產生有害影響[3]。因此,雙酚類物質殘留是目前重要的食品安全問題,檢測食品及食品包裝中雙酚類物質含量對人體健康具有重要的意義。

雙酚類物質測定的方法有:液相色譜法、氣相色譜及氣相色譜-質譜法、酶聯免疫吸附測定法、毛細管電泳法、超臨界流體色譜-串聯質譜法、生物傳感器法等[4]。其中大型儀器在測量時具有繁瑣的樣品前處理過程以及復雜的操作學習等缺點,因此眾多研究者關注到具有快速、高效、成本低、操作簡便等優點的電化學傳感技術。此外,納米電化學傳感技術還具有靈敏度好、線性范圍寬、抗干擾能力強等優點,更重要的是它為實現自動化實時在線監測提供了可能,并且可發展為便攜式儀器進行現場檢測。電化學傳感技術與納米材料的交叉融合也顯著提高了檢測的靈敏度及電催化活性,其中納米復合材料通過各組分間的協同作用可以獲得比單一納米材料更加優異的性能。

1 雙酚類物質的危害與限量標準

雙酚類化合物可在環氧樹脂、聚碳酸酯等高分子材料的合成中作為原料或穩定劑、改性劑等使用,可提高材料的耐熱性、耐沖擊、光澤度等性能。雙酚A是一種用于合成聚碳酸酯和環氧樹脂的主要單體,它具有雌激素活性,可能對人類具有致癌性[5]。自2011年以來,眾多國家全面禁止雙酚A用于奶瓶、聚碳酸酯水桶等食品包裝材料與食品容器的生產,而雙酚S、雙酚F由于其結構的相似性則被作為BPA的替代品。但是近期毒理學研究表明,BPA類似物顯示出與BPA相似或更強的毒性影響。例如BPS和BPF表現出與BPA雌激素活性相當的水平,而BPAP顯示出比BPA更強的雌激素活性[6]。這些內分泌激素的紊亂會導致發育畸形,生殖受到干擾,增加癌癥風險以及免疫和神經系統功能紊亂。體內任何受激素控制的系統都可能受到內分泌干擾物的影響[7-8]。MICHAOWICZ等[9]和 MOKRA等[10]還觀察到BPA、BPS、BPF和BPAF會引起人外周血單個核細胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)的壞死、凋亡、氧化和遺傳毒性變化。各個國家和地區已經意識到雙酚類物質對人體健康的嚴重危害,因此對它制定了系列標準要求,表1列出了不同國家和地區的雙酚類物質限量要求。

表1 不同國家和地區雙酚物質限量標準Table 1 Bisphenol substance limit standards in different countries and regions

2 電化學傳感技術在食品及食品包裝中雙酚類物質檢測的研究應用

2.1 食品中雙酚類物質的電化學檢測研究應用

對食品中的雙酚類物質的電化學檢測是避免雙酚類物質直接進入人體的重要手段。而且,將納米材料與其他材料通過物理或化學方法進行復合形成新型復合材料也是現今雙酚類物質殘留電化學檢測領域的研究熱點。

2.1.1 基于碳納米材料及其復合物修飾的電化學傳感器

碳納米材料是指分散相尺度至少有一維<100 nm 的碳材料[19],也是目前在食品雙酚類物質殘留電化學傳感檢測中應用最為廣泛的一種納米材料。碳納米材料包括常見的碳納米管、石墨烯、碳黑納米顆粒、碳納米纖維等。其中,碳納米管具有獨特的電子、化學和機械特性,眾多研究人員將碳納米管應用于電催化,材料科學和生物系統等各個領域。基于功能化的碳納米管的復合材料由于其具有高導電性,較大的表面積和在各種電化學反應中的出色穩定性而備受關注[20]。BAGHAYERI等[21]利用納米金/3-硫丙基功能化銅磁性納米顆粒/多壁碳納米管(Au/CuFe2O4-Pr-SH/MWCNTs)納米復合材料滴涂到玻碳電極上,隨后通過Au-S鍵共價固定BPA的適配體,基于適配體與目標物的特異性識別反應,提出了一種新型的BPA電化學適配體傳感器(圖1)。分析結果表明,所制備的適配體傳感器在用于測定礦泉水,牛奶和果汁樣品中BPA時具有較寬的線性范圍(0.05～9 nmol/L),且檢測限低至25.2 pmol/L。石墨烯(graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。由于石墨烯具有強導電性、良好的生物相容性以及大的比表面積,使得其可以提供更大、更均勻的電活性位點分布,使其成為應用于電化學檢測的理想材料。VILIAN等[22]制備了巰基功能化的還原氧化石墨烯(S-rGO),再基于納米金對辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)的吸附作用將辣根過氧化物酶修飾在AuNPs/S-rGO上。該生物傳感器顯示出對BPA出色的分析性能,檢測限低至2.6×10-12mol/L,線性范圍為2.0×10-11～1.18×10-9mol/L。HRP/AuNPs/S-rGO生物傳感器已成功用于檢測番茄汁和牛奶樣品中的BPA。MMANASA等[23]制備了氧化鋅與還原石墨烯的納米復合材料(ZnO/rGO),再與十六烷基三甲基溴化銨(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)共同修飾碳糊電極對BPF進行電化學檢測。該傳感器利用了ZnO的大比表面積、rGO的高導電性、帶正電的CTAB和帶負電的BPF的吸附作用來提高該傳感器的檢測性能。ZnO/rGO/CTAB/MCPE通過DPV檢測罐裝飲料中的BPF,線性范圍為0.5～10 μmol/L,檢測限為0.06 μmol/L。MARTYNA等[24]建立了使用炭黑納米粒子修飾的玻碳電極快速靈敏地測定牛奶和果汁中的雙酚A。在最佳條件下,BPA濃度在0.01～3×10-6mol/L呈良好的線性關系,檢出限為3.4×10-9mol/L。表2更全面地列出了近5年雙酚類物質納米電化學傳感檢測新技術。其中,利用適配體或者生物酶與高導電性的碳納米管或者石墨烯復合修飾時,更能獲得對雙酚類物質電化學檢測的極低檢測限。

圖1 MCH/Apt/Au/CuFe2O4-Pr-SH/MWCNTs/GCE電極制備示意圖Fig.1 Preparation of MCH/aptamer/Au/Cu Fe2O4-Pr-SH/MWCNTs/GCE

表2 碳納米材料及其復合物修飾的電化學傳感器Table 2 Electrochemical sensor modified by carbon nanomaterial and its composite

2.1.2 基于貴金屬納米材料及其復合物修飾的電化學傳感器

貴金屬主要指金、銀和鉑族金屬(釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑)等8種金屬元素。目前應用最為廣泛的為納米金,貴金屬納米材料顯示出了高效的催化性能,開拓了金屬納米材料在雙酚類傳感檢測中的應用。貴金屬納米材料因其獨特的物理化學性質,在提高電化學傳感器靈敏度與穩定性方面都發揮了重要作用。例如,WANG等[30]制備了一種以二硫化鉬/Au納米棒復合材料作為修飾材料的雙酚A電化學傳感器。通過MoS2和Au納米棒的協同作用實現信號放大。雙酚A濃度與峰值電流在0.01～50 μmol/L具有良好的線性關系,檢出限為3.4 nmol/L。此外,所修飾的電極顯示出良好的抗干擾性、可再現性和穩定性,已成功應用于牛奶中雙酚A的檢測。ZHAO等[31]開發了一種新型的分子印跡電化學傳感器(MIPs/AuNPs/GCE)用于測定牛奶中雙酚A。在最佳條件下,BPA的氧化峰電流與BPA濃度在1.5×10-8～5.5×10-5mol/L呈現良好的線性關系,檢出限為1.1×10-9mol/L (S/N=3)。ENSAFI等[32]構建基于硫醇化DNA序列(p-63)、聚吡咯(polypyrrole,PPY)、納米金復合材料的電化學傳感器以測量牛奶和奶粉中BPA。PPY/@p-63/AuNP/GCE電極在最佳條件下,所測定的線性范圍為0.5 fmol/L～5 pmol/L,檢測限為80 amol/L。ZHANG等[33]通過將納米孔金箔(nanoporous gold leaf,NPGL)與硫醇化β-環糊精(SH-β-CD)偶聯,開發了一種新型的同時記錄目標分子BPA和探針分子亞甲藍(methylene blue,MB)的電化學傳感器以實現對牛奶和自來水中BPA的測定。由于宿主分子(β-CD)對于BPA和MB的結合能力不同,BPA可以進入β-CD腔并替換先前存在的MB,從而MB的氧化峰電流降低而BPA的氧化峰電流升高。電流變化的總和(ΔIMB+ΔIBPA)與3×10-7～1×10-4mol/L變化的BPA濃度呈線性關系,檢測限為6×10-8mol/L (S/N=3)。通過雙信號(ΔIMB+ΔIBPA)獲得的檢測極限比使用單個(IBPA)作為響應信號的探測極限低。

2.1.3 基于金屬有機框架材料修飾的電化學傳感器

金屬有機骨架(metal organic framework,MOF)是一種晶體多孔材料,是由含金屬的節點與有機配體自組裝而成的多孔網狀結構的晶體材料[34]。MOF材料由于其極大的比表面積、高度有序的孔結構以及可調的化學性質和孔尺寸,在催化領域有著廣泛應用。由于MOF的電化學催化活性不夠理想,所以尋找其他高導電材料與之復合是MOF在電化學領域進一步發展的關鍵。例如RINALDI等[35]合成了一種用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTES)硅烷化的Al2O3納米晶須和金納米顆粒的MOF復合材料,此修飾電極應用于水中BPA檢測。與裸電極相比,修飾了AuNp@MOF復合材料的電極表現出更高的電化學催化活性。該修飾電極在峰值電流和BPA濃度200～1 000 μmol/L表現出良好的線性關系,檢測限37.80 μmol/L。HUANG等[36]以1,3,5-苯三羧酸為配體,通過水熱反應合成了新型的雙金屬Ce-Ni金屬有機骨架(Ce-Ni-MOF)。通過Ce-Ni-MOF/MWCNTs復合材料修飾玻碳電極成功制備了新型雙酚A傳感器。該傳感器對雙酚A檢測的線性范圍為0.1～100 μmol/L,檢出限為7.8 nmol/L(S/N=3)。該方法用于不同品牌飲用水中雙酚A的含量測定,回收率為97.4%～102.4%。

2.1.4 其他納米材料修飾的電化學傳感器

隨著電化學領域與材料學領域的共同發展,許多具有高導電性和強吸附能力的新型材料被愈來愈多地應用在電化學傳感技術上。如ZHAN等[37]制備了超薄的Ni2Al層狀雙氫氧化物(exfoliated Ni2Al-layered double hydroxide,ELDH)納米片。利用LDH具有理想的離子交換能力、開放層狀結構、正電荷性質、高表面積和更好的生物相容性,且在成膜劑殼聚糖的幫助下,制備了基于ELDH修飾的玻碳電極,用于牛奶樣品中的雙酚A檢測。利用DPV測定BPA,其線性范圍為0.02～1.51 μmol/L,檢出限為6.8 nmol/L (S/N=3)。JODAR等[38]制備了一種基于酪蛋白(casein,CAS)和炭黑納米粒子(carbon black,CB)的低成本穩定膜檢測BPA。在最佳條件下,檢出限為0.25 μmol/L,線性范圍為0.49～24 μmol/L。CAS-CB膜修飾的電極已成功應用于牛奶樣品中的BPA檢測。ABNOUS等[39]基于適配體與目標物的特異性識別反應,提出了一種新型的雙酚A電化學適配體傳感器,該傳感器具有良好的選擇性、較低的檢出限(15 pmol/L)和較寬的線性范圍(0.05～18 nmol/L),已成功應用于自來水和葡萄汁中雙酚A的檢測。

2.2 食品包裝材料中雙酚類物質的電化學檢測研究

利用電化學檢測技術可以直接對食品中的雙酚類物質殘留進行定量,而且不受樣品本身顏色、濁度的影響;而對于食品包裝材料中雙酚類物質殘留檢測,需要對塑料樣品進行前處理,包括對塑料樣品的清洗、切塊、萃取以及樣品液的過濾等過程,后續再對樣品液進行電化學檢測。

2.2.1 基于碳納米材料及其復合物修飾的電化學傳感器

納米電化學傳感技術因其獨特的優勢,在食品包裝中雙酚類物質的殘留分析檢測中已取得一定的進展,具體如表3所示。GULCIN等[40]通過CV法將CTAB和多壁碳納米管通過電聚合作用結合到鉛筆石墨電極(pencil graphite electrode,PGE)表面上,從而制得(CTAB)-MWCNTs復合材料。通過SWV法測得線性范圍為2～808 nmol/L(R2=0.993),檢測限為134 pmol/L。已成功用于牙膠、瓶裝水和嬰兒奶瓶中BPA的檢測。LIU等[41]合成石墨烯-鈀納米粒子(PdNPs-GR)并分散在聚乙烯醇(PVA)中,得到PdNPs-GR/PVA復合材料。該復合物用于建立新型的基于Ru(bpy)32+的電化學發光(electro-chemiluminescence,ECL)傳感平臺用于嬰兒奶瓶中BPA的靈敏檢測。在最佳條件下,ECL強度與BPA濃度在1.0×10-10～1.0×10-5mol/L內呈良好的線性關系,檢出限為2.5×10-11mol/L (S/N=3)。ZAINUL等[42]使用鋅/鋁層雙氫氧化物-喹克洛拉克(Zn/Al-LDH-QC)和多壁碳納米管作為電極修飾材料,并將其修飾在碳糊電極上測定雙酚A。電極顯示了BPA濃度的3個線性范圍,分別為3.0×10-8～7.0×10-7mol/L(R2=0.987 6),1.0×10-6～1.0×10-5mol/L(R2=0.983 6)和3.0×10-5～3.0×10-4mol/L(R2=0.982 7),檢出限為4.4×10-9mol/L。該電極用于嬰兒奶瓶和礦泉水樣品中的BPA測定,回收率范圍在98.22%～101.02%。

表3 碳納米材料及其復合物修飾的電化學傳感器Table 3 Electrochemical sensor modified by carbon nanomaterial and its composite

2.2.2 基于金屬有機框架材料修飾的電化學傳感器

ZHANG等[53]構造了一個靈敏的電化學BPA傳感器,該傳感器使用由CTAB修飾的Ce-金屬有機骨架(Ce-MOF)作為傳感平臺。電極構造原理及Ce-MOF材料表征如圖2所示。所設計的BPA傳感器具有0.005～50 μmol/L的寬線性范圍和2.0 nmol/L的低檢測限(S/N=3),已成功用于PC飲用包裝和PET飲用瓶中BPA檢測。WANG等[54]基于鈰-有機骨架和電化學還原氧化石墨烯復合材料(Ce-MOF-ERGO)再結合CTAB,制造了超靈敏的雙酚A電化學傳感器。在最佳條件下,電化學傳感器在3 nmol/L～10 μmol/L的濃度范圍內對BPA表現出線性響應,檢測限為1.9 nmol/L。此外,在電解質溶液中加入CTAB后,Ce-MOF-ERGO修飾電極上BPA的氧化信號進一步增強。此復合材料已成功應用于PET塑料瓶中的雙酚A的電化學檢測。

圖2 基于CTAB/Ce-MOF/GCE的電化學BPA傳感器的原理圖制備和機理;Ce-MOF的SEM圖Fig.2 The schematic preparation and mechanism of CTAB/Ce-MOF/GCE-based electrochemical BPA sensor;SEM images of Ce-MOF

在XU等[55]的研究中,制備具有獨特3D異質結構的2D鎳基有機骨架與碳納米管復合的Ni-MOF@CNTs材料。由于Ni-MOF的大比表面積,CNTs出色的導電性,合成后的3D Ni-MOF@CNTs復合材料對聚碳酸酯水桶中的雙酚A的電化學檢測表現出優異的電化學活性。在3D Ni-MOF@CNTs傳感界面上，低志0.35 nmol/L,線性范圍為1～1000 nmol/L。PANG等[56]構建了高度多孔的結晶共價有機骨架(COF,CTpPa-2)修飾的玻碳電極,用于對BPA和BPS進行電化學檢測。利用恒電流充放電,循環伏安法和差分脈沖伏安法表征了CTpPa-2/GCE的電化學性能。CTpPa-2/GCE表現出顯著的電化學催化活性,并且發現BPA和BPS的線性范圍在0.1～50 mmol/L和0.5～50 mmol/L的范圍內,檢測限為0.02 mmol/L和0.09 mmol/L(S/N=3)。此外,該傳感器已用于測定瓶裝樣品中的BPA和BPS,回收率為87.0%～92.2%。WANG等[57]基于BPA和Cu-MOF之間的π-π作用,制備了Cu-MOF與酪氨酸酶(Tyr)復合的生物傳感器用于檢測BPA。Tyr生物傳感器對BPA具有0.2242 amol/L的高靈敏度,5.0×10-8～3.0×10-6mol/L的寬線性范圍和13 nmol/L的低檢測限。最終實現對不同食品包裝中(咖啡匙、礦泉水瓶)的BPA的電化學檢測。MOF的多孔性及其極高的穩定性使其成為了近年電化學檢測雙酚類物質領域與材料學領域的研究熱點。

2.2.3 其他納米材料修飾的電化學傳感器

HANG等[58]通過仿生原位血紅素催化苯胺的聚合反應制備了幾種聚苯胺(polyaniline,PANI)基納米復合材料,并且選擇了MoS2/PANI復合物來修飾玻碳電極用以檢測BPA。峰電流與BPA的濃度在0.001～0.1 μmol/L和0.1～1 μmol/L呈線性關系。該修飾電極已成功用于食品容器中雙酚A的測定。EZOJI 等[59]將二氧化鈦納米顆粒(TiO2NPs)和戊二醛交聯殼聚糖(GA-CS)的混合物添加到碳納米管糊狀基質中(TiO2NPs/GA-CS/CNTPE),以構建新型電化學傳感器用于奶瓶和水瓶中BPA的測定。峰電流在0.01～6 μmol/L的BPA濃度范圍內呈線性響應,檢測限為9.58 nmol/L (S/N=3)。花小霞等[60]制備1-氰乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽離子液體修飾碳糊電極,研究雙酚A在離子液體修飾碳糊電極上的電化學行為。建立了DPV法測定奶瓶樣品中痕量BPA的方法,檢測的線性范圍為3.0×10-7～6.0×10-5mol/L,檢出限為5.0×10-8mol/L(RSN=3)。

3 總結與展望

雙酚類物質是一種破壞內分泌環境穩定的化學物質,可以模仿雌激素,會對人體生殖系統及兒童生長發育產生一系列負面影響。現今,已經開發出各種電化學傳感器來檢測食品與食品包裝中的雙酚類物質,并顯示出了對雙酚類物質檢測的高靈敏性、特異性和穩定性。盡管近年來電化學傳感技術已經取得了相當大的進步,但是用于檢測雙酚類物質的電化學傳感器仍有改進的空間。(1)可以提高靈敏度和選擇性的新型電極材料仍然是當前的研究熱點。其中碳納米材料與貴金屬納米材料在雙酚類物質的電化學檢測中使用廣泛,金屬有機框架在近10年發展迅速,已經成為材料領域與電化學領域研究探索的新方向。(2)另外,大多數研究是對單一雙酚類物質進行檢測,因此制備出用于同時檢測不同種類的雙酚類物質的電化學傳感器仍然是一個具有挑戰性的任務。(3)當前,已經提出了基于智能手機的電化學傳感器來檢測諸如尿酸、血酮和葡萄糖等分析物。因此,設想基于智能手機的電化學傳感器可用于雙酚類物質的檢測。總之,用于檢測雙酚類物質的電化學傳感器將不斷發展并在將來得到充分利用。