生物胺快速精準檢測方法的研究進展

陳海新,孔祥媛,孔令燦,3*

(1.南京醫科大學 公共衛生學院,南京 211166;2.山東省曲阜市中醫院,曲阜 273100;3.南京醫科大學附屬無錫市疾病預防控制中心,無錫 214023)

生物胺(BAs)是一類具有生物活性的含氮小分子,它是氨基酸在一定條件下發生脫羧反應或者醛酮類物質通過復雜反應轉化形成的[1]。多項研究發現,在肉類[2]、魚類[3]、豆制品[4]、奶酪[5]、酒類[3]、泡菜[6]、豆瓣醬[7]、茶葉[8]等食用物質以及血液[9]、尿液[9-10]、腦脊液[11]等生物樣本中均有BAs檢出。一方面,在食用物質中,除了精胺(SPM)和亞精胺(SPD)外,其他多種BAs均需要微生物的參與才能產生,因此BAs含量的變化在一定程度上可以反映食品微生物污染狀況和食品的新鮮程度[12]。另一方面,BAs在蛋白質的合成以及DNA的復制過程中起著重要作用,因此對生物體是有益的;然而,過量的BAs能夠引起食物中毒、腹瀉以及心動過速等癥狀,對生物體又是有害的[13]。進一步研究發現,多巴胺(DA)、5-羥色胺(5-HT)、腎上腺素(E)、去甲腎上腺素(NE)、腐胺(PUT)、亞精胺等含量可以為癌癥[14-16]、妊娠糖尿病[17]、骨折[18]等疾病的診斷提供依據。因此,建立快速、準確、綠色的BAs檢測方法對保障食品質量和安全、診斷和治療疾病具有重要意義。本工作對BAs的種類和性質、BAs樣品前處理技術和檢測方法的最新進展進行了綜述。

1 生物胺的種類和性質

BAs按來源可分為外源性生物胺[組胺(HIS)、酪胺(TYR)、腐胺、尸胺(CAD)、色胺(TRY)、β-苯乙胺(PHE)、亞精胺和精胺等]和內源性生物胺(多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素和5-羥色胺等),這些生物胺主要是通過發酵菌群和酶的催化作用協同誘導氨基酸發生脫羧反應形成的[13]。組胺和酪胺是組氨酸和酪氨酸發生脫羧反應形成的,是目前已知毒性最大的生物胺[19]。腐胺和尸胺是由鳥氨酸和酪氨酸脫羧轉化形成的,它們具有兩個氨基,能夠降低組胺和酪胺的分解代謝并導致組胺和酪胺的腸道吸收和毒性增強[20]。色胺和β-苯乙胺是由色氨酸和苯丙氨酸轉化而來的,毒性較小,但是過量攝入會誘發偏頭痛,而且可與亞硝酸鹽反應生成致癌物質亞硝胺,進一步危害人體健康[21]。亞精胺和精胺具有多個氨基,是由腐胺和S-腺苷甲硫氨酸經多種酶催化形成的,在體內參與基因的轉錄和翻譯,與細胞分裂、生長和存活密切相關,然而體內亞精胺和精胺蓄積過多,會損害腎臟和生殖系統[22]。多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素和5-羥色胺是分別經酪氨酸和色氨酸轉化而來的單胺類神經遞質,在大腦和神經信號傳導中起著重要的作用,其水平與許多類型疾病的發生和發展相關,例如抑郁癥、阿爾茨海默病、帕金森病和嗜鉻細胞瘤等[23]。綜上所述,檢測食品和生物樣本中BAs的含量對于引導人們健康飲食以及增強人們健康意識具有重要意義。

2 BAs樣品前處理方法

鑒于食品和生物樣本中BAs含量對食品質量與安全以及對人類疾病風險預測與診斷的重要性,這些化合物的鑒定和定量已成為一個重要的研究和發展領域。然而食品和生物樣本基質復雜,必須選擇適宜的前處理方法減少基質干擾以實現目標物檢測信號的增強。傳統的前處理方法(比如液液萃取和固液萃取)有機溶劑消耗量大、樣品提取時間長且效率低,難以滿足人們對食品和生物樣品中BAs快速精準檢測的需求。基于傳統的前處理方法產生的分散液液微萃取(DLLME)、固相微萃取(SPME)、分散固相萃取(DSPE)改進了傳統前處理方法的不足,具有操作簡單快速、有機溶劑消耗量少、提取效率高的優點,成為了目前BAs分析研究的熱點。

2.1 分散液液微萃取

DLLME是基于樣品溶液、萃取試劑(與水不相溶)和分散試劑(與水相和萃取試劑混溶)組成的三元溶劑體系開發的一種新型液液微萃取技術,該技術將萃取試劑完全分散在樣品溶液中以增大萃取試劑和溶液的接觸面積,可以在很短的時間內達到萃取平衡[24]。這種新型萃取方法簡單快速、試劑消耗少,適用于從水樣中提取和預濃縮有機化合物。研究發現,萃取試劑和分散試劑的種類和體積均不同程度地影響分析物的提取效率和提取時間,然而目前DLLME大多存在著萃取試劑毒性大、分散試劑選擇難的問題[25],為了解決這些問題,研究人員將低毒性的萃取試劑、超聲技術以及環保且不需要分散試劑的新型溶劑[離子液體(ILs)、共晶溶劑(DES)]引入DLLME中。

2.1.1 超聲輔助分散液液微萃取

超聲輔助分散液液微萃取(UAD-DLLME)是一種快速、高效的樣品提取方法,近年來廣泛應用于復雜基質中BAs的提取。比如,HE等[26]以UAD-DLLME為樣品前處理方法,采用超高效液相色譜-串聯質譜法(UHPLC-MS/MS),實現了酒、奶酪、香腸、魚中生物胺和氨基酸的高效測定。首先,將樣品溶液調節至pH 9.2,再加入衍生試劑(4′-甲酰氯羅丹明)、萃取試劑(溴苯)、分散試劑(乙腈)進行振蕩混合、水浴超聲、離心分離,用乙腈稀釋后測定。結果顯示,該方法簡單快速(BAs和氨基酸的衍生和萃取過程僅需1 min),而且基質效應低(85.0%～116%)、回收率高(79.0%～126%),為復雜食品中BAs和氨基酸的檢測提供了一個很好的思路。ZHAO等[27]以UAD-DLLME作為前處理方法提取尿液中的神經遞質,在樣品中加入4′-甲酰氯羅丹明、4-溴苯甲醚、乙腈的混合物進行反應,其中乙腈為分散試劑、4′-甲酰氯羅丹明為衍生試劑,萃取后采用UHPLC-MS/MS進行檢測。在該方法中,神經遞質的提取可在1 min內完成,而且基質效應低(90.6%～108%)、回收率高(91.7%～105%),為尿樣中神經遞質的檢測提供了一個很好的參考,也為一些疾病的診斷(如阿爾茨海默病)提供了數據支撐。值得注意的是,在DLLME中,超聲能夠加快萃取平衡過程,然而超聲時間過長容易導致生物胺降解,提取效率降低,因此超聲時間不宜過長。

2.1.2 基于新型溶劑的分散液液微萃取

共晶溶劑是由兩種(或者3種)固體物質在一定條件下形成的類似于離子液體的溶劑,其中一種物質作為氫鍵受體(如季胺鹽),另一個作為氫鍵供體(如羧酸、醇和碳水化合物)[35]。這樣形成的氫鍵改變了單個固體之間的相互作用,導致共晶溶劑的形成。與離子液體相比,共晶溶劑的組成更加多元化,而且便宜、安全,因而在DLLME的應用方面受到越來越多的關注。比如,NEMATI等[36]在pH 5的條件下用己二酸和氯化膽堿原位制備了一種共晶溶劑,并實現了金槍魚中BAs的同時提取,之后利用高效液相色譜-二極管陣列檢測器(HPLC-DVD)對BAs進行檢測。該方法的回收率為82.0%～93.0%,相對標準偏差(RSD)為7.3%～7.9%,為復雜樣品中BAs的提取提供了一種很好的思路。盡管目前共晶溶劑在BAs萃取方面的研究還比較少,但是共晶溶劑具有種類多、污染小以及效率高的諸多優點,相信隨著共晶溶劑形成機理以及BAs提取機理的深入研究,共晶溶劑的更多應用將會開發出來。

DLLME中的萃取試劑逐漸從有毒的有機溶劑發展成為離子液體和共晶溶劑,導致生物胺的提取過程更加方便環保。然而,DLLME技術在生物胺的應用還比較局限。比如,很多有重要生物活性的生物胺還沒有確定的DLLME方法,一些與特定疾病相關的生物胺(兩種或者多種)也沒有建立DLLME方法,更不用說利用生物胺評價疾病風險了。

2.2 固相微萃取

SPME是一種通過吸附將待測物質從樣品溶液提取到SPME纖維上,再經加熱(或溶劑解吸)將待測物質解吸出來的技術。該技術具有自動化程度高、基質效應低、提取效率高、精密度高、分析時間短的優點,在固體樣品中BAs的提取以及大規模樣本的處理方面表現良好,可與DLLME技術相互補充來提取各種基質中的生物胺。然而目前商業化的SPME纖維存在著價格昂貴、質地脆弱、選擇性差、提取能力低的問題,導致了SPME發展受限[31,37]。為了彌補SPME纖維的不足,近年來發展了多種基于新型吸附材料的SPME纖維涂層,如硅基材料、共價有機骨架(COFs)、金屬有機骨架(MOFs)。

硅基材料因其孔隙率高、比表面積大、化學穩定性好、可重復利用以及結構和孔徑可變的特點,近年來越來越多地應用于分析物的吸附中[38]。比如,CHEN等[39]以MCM-41為基底材料制備了一種表面具有酸性基團和疏水基團的MCM-T-H-SPME纖維,并用于提取豬肉和魚肉中的BAs衍生物,最后經熱解吸后采用氣相色譜-質譜法(GC-MS)進行分析。結果發現自制纖維對堿性BAs不僅具有高度的親和力(豬肉和魚肉BAs的回收率分別為78.5%～123%和74.6%～118%),而且具有良好的穩定性(重復使用50次仍保持良好的吸附性能)。這些數據表明MCM-T-H-SPME纖維在食品BAs的提取中具有很好的應用潛力。

COFs材料結構穩定、比表面積大,而且孔隙規則、孔隙率高,這些性能吸引著研究人員努力探索它們在吸附方面的應用。基于此,張鵬玲等[40]自制了一種COFs(COF-DL229)涂層纖維提取葡萄酒中的芳香胺(苯乙胺和酪胺),并通過GC-MS對其進行檢測。結果發現COF-DL229對芳香胺的提取效率接近100%,該方法為其他食品中BAs的研究提供了一種很好的思路。然而目前關于COFs吸附脂肪胺的研究還很不足,為了擴大COFs的應用范圍,COFs材料的開發和改性研究將是未來發展的一個重要方向。

MOFs,特別是其亞家族——沸石咪唑酸鹽骨架(ZIFs),不僅孔隙率高、比表面積大,而且在中性和堿性溶液中的穩定性好,因此在吸附分離領域引起了人們的廣泛關注[41]。比如,HUANG等[42]利用自制的ZIF-8涂層纖維提取魚肉中的非揮發性脂肪族胺衍生物,經熱解吸后進入GC-MS進行分析。結果發現,該方法不僅檢出限低(27.1～33.2 μg·L-1)、回收率高(78.6%～104%),而且經濟環保(纖維可重復使用30次),為魚肉中BAs快速高效檢測提供了一種很好的方法。同樣地,LAN等[43]利用自制的疏水性ZIF-8涂層纖維提取廢水、鮭魚和蘑菇中的三甲胺(TMA)和三乙胺(TEA),并采用GC-MS進行檢測。結果顯示,整個提取過程僅需5 min,而且回收率高(91.6%～92.1%)、穩定性好(可重復使用130次)。這些結果說明MOFs涂層纖維在BAs檢測中具有良好的應用前景,并為其他食品中的BAs檢測提供了重要參考。

總之,新型吸附材料作為SPME纖維吸附BAs,不僅快速、靈敏、成本低,而且提取效率高、可以重復利用多次,在一定程度上解決了商業SPME纖維種類不足的問題。然而這些新型SPME纖維材料也存在著一些問題:(1)在極端pH條件下,纖維的吸附能力大幅度降低;(2)在復雜基質中(比如血和尿),纖維的選擇性和靈敏度明顯受限。這些問題的解決需要化學材料和公共衛生研究人員進行深入研究。

2.3 分散固相萃取

DSPE是一種快速、簡單、高效、經濟的樣品前處理技術。與SPME相比,DSPE無需制備纖維涂層,因而材料的選擇(吸附劑)更加靈活多樣,一定程度上更適合在吸附富集領域進行應用。眾所周知,吸附劑與BAs之間的相互作用是BAs高效吸附富集的重要因素,尋找合適的吸附劑自然成為人們提取BAs的重要研究方向。金屬納米顆粒(MNPs)、碳基材料、COFs、分子印跡聚合物(MIPs)這些新興的吸附材料不僅具有大的比表面積、可調節的孔徑結構,而且毒性低、穩定性好[44-45],在生物胺的分離和純化方面具有很好的應用前景。

2.3.1 基于金屬納米顆粒的分散固相萃取

MNPs具有大的比表面積和強的吸附能力,但是在復雜基質中MNPs很容易形成聚集體,導致吸附能力減小,吸附選擇性降低[46]。為了減弱和消除MNPs的聚集行為,研究人員在MNPs上進行了很多修飾和改性。例如,MOLAEI等[47]通過表面可逆加成斷裂鏈轉移共聚的方法對Fe3O4納米顆粒進行表面改性,制備了磁性納米復合材料(Fe3O4-g-GO-g-RAFT),并將其應用于熏魚中BAs的提取。渦旋振蕩后,用磁鐵收集磁性吸附劑,然后用苯甲酰氯和乙腈的混合液洗脫重新產生BAs溶液,最后采用紫外檢測器檢測BAs。該方法溶劑消耗量少(僅用0.5 mL)、回收率高(98.6%～104%),為熏魚中BAs的快速高效提取提供了一種很好的方法。JIANG等[48]基于化學多步共價修飾制備了氨基苯硼酸功能化的磁性納米粒子(Fe3O4@APBA NPs),并將其應用于尿液樣品中兒茶酚胺(CAs)的提取。磁性納米粒子經過酸化甲醇溶液洗脫、氮氣濃縮后,采用高效液相色譜-電化學檢測器(HPLC-ECD)進行檢測。結果表明CAs的檢出限為2.0～7.9 μg·L-1,回收率為92.0%～108%。該方法良好的靈敏度和選擇性為尿液樣品中CAs水平分析提供了一種很好的檢測方法。基于MNPs的DSPE顯示了快速簡單、經濟環保、提取效率高的優勢,然而MNPs制備繁瑣、改性后磁性減弱等問題限制了該技術的發展。

2.3.2 基于碳基材料的分散固相萃取

常見的碳基材料(石墨烯、碳納米管、碳納米纖維等)對BAs的吸附效果一般不理想,通常利用-COOH、-NH2等官能團修飾或者與其他新型材料雜化的方法改性碳基材料、改善其吸附性能。比如,XU等[49]構建了一種新型三維N摻雜的磁性多孔碳材料(3DN-MPCSs),并將其作為吸附劑與衍生試劑(丹磺酰氯)一同加入樣品溶液中,微波照射135 s后用乙腈洗脫BAs衍生物,并經氮氣濃縮、乙腈復溶采用HPLC-UV進行分析。在該方法中,固相萃取富集以及BAs衍生同時進行,整個過程僅需要135 s,并且檢出限低(0.059～0.073 μg·L-1)、回收率(92.3%～109%)和精密度(RSD小于5.9%)高、穩定性好(可重復使用10次)。因此,基于碳基材料的DSPE是一種快速、簡單、高效的前處理技術,為復雜基質中BAs的分離和純化提供了一種良好的處理技術。

2.3.3 基于共價有機骨架的分散固相萃取

張穎等[50]制備了一種共價有機骨架(CSTF-COFs),并利用該材料和含5%(體積分數)甲酸的乙腈溶液作為吸附劑和洗脫劑,對紅酒中的BAs及其代謝物進行凈化與富集,最后采用高效液相色譜-串聯質譜法(HPLC-MS/MS)進行檢測。結果發現,CSTF-COFs骨架材料對BAs的提取過程不僅時間短(2 min),而且回收率高(80.1%～107%)。同樣地,WANG等[51]利用自制的COFs提取人尿中的單胺類神經遞質,隨后用5%(體積分數)乙酸乙酯溶液洗脫,采用HPLC-FLD進行檢測。該方法提取時間為10 min,回收率為86.3%～115%。總之,基于COFs的DSPE具有操作簡捷、提取效率高的優點,為復雜基質中BAs的分離和純化提供了參考。

2.3.4 基于分子印跡聚合物的分散固相萃取

2.4 其他前處理方法

DANIEL等[54]采用毛細管電泳-串聯質譜法(CE-MS/MS)檢測啤酒和葡萄酒中的BAs。該方法唯一的預處理步驟是利用聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)吸附酒中的酚類化合物,而且提取時間短(3 min)、檢出限低(1～2 μg·L-1)、回收率高(87.0%～113%),為酒類中BAs的檢測提供了一種很好的思路。然而由于肉類、魚類等食品以及生物樣品的基質更加復雜,對BAs的準確定量干擾更大,在一定意義上限制了該方法的應用范圍。

3 檢測方法

目前BAs的檢測方法包括液相色譜-紫外檢測法(LC-UV)[3,47]、液相色譜-熒光檢測法(LC-FLD)[29,30,51,53]、電化學檢測法(ECD)[48]、CE-MS/MS[54]、GC-MS[39,40,42,43]、薄層色譜法(TLC)[55]、HPLC-MS/MS(或者LC-MS/MS、UHPLC-MS/MS)[26,27,31,50,52]、超高效合相色譜法(UPCC)[56]等。LC-UV和LC-FLD操作簡單,但是樣品通常需要衍生化,導致測定結果可重復性較差。ECD普及率高、操作簡單,但是電流信號容易受到其他物質的信號干擾,因此給BAs的定性帶來了一定的不確定性。CE具有分離效率高、運行成本低等優點,但是純化的樣品更適合CE檢測,這一點給前處理技術帶來了更高的要求和挑戰。GC-MS具有靈敏度高、分離效率高的優點,然而其色譜峰容易拖尾,進而影響BAs的準確度和靈敏度。TLC可以快速分離和測定多種BAs,然而有些生物胺需要衍生化操作,進而引起樣品測定的精密度降低。HPLC-MS/MS雖然價格昂貴,但是其分辨率高,無需衍生即可分析絕大部分BAs。UPCC價格昂貴、普及率低,但是其以二氧化碳和少量有機試劑為流動相,具有環保、分析時間短、分離效率高、靈敏度高、重現性好的優點,未來可能替代HPLC-MS/MS成為檢測不同基質生物胺的常用技術。表1列舉了生物胺的前處理技術和檢測方法。

表1 生物胺的前處理技術和檢測方法

4 結語與展望

近年來,研究人員開發了多種基于新型溶劑(ILs、DES)或新型吸附材料(硅基材料、COFs、MOFs、MNPs、碳基材料、MIPs、PVPP)的前處理方法,并已成功應用于食品和生物樣品中BAs的提取。與基于傳統萃取溶劑和吸附劑的前處理技術相比,基于新型溶劑或者新型吸附材料的前處理技術更加快速、高效、經濟、環保。這些前處理技術的優勢主要通過以下途徑實現:(1)新型溶劑和新型吸附材料與生物胺之間的π-π 堆積、氫鍵、親疏水相互作用以及靜電作用,導致了BAs的高效吸附;(2)新型吸附材料大的比表面積為BAs的吸附提供了多個吸附位點,而且材料結構穩定,可以反復使用多次。然而基于新型溶劑或者新型吸附材料的前處理技術還存在著以下不足:(1)這些材料在極端pH條件和復雜基質中的選擇性和靈敏度明顯受限,導致它們在尿液、血液、腦脊液等復雜基質中的應用明顯不足;(2)很多特定疾病相關的BAs(兩種或者多種)還沒有建立確定的樣品前處理方法,更不用說用來預測和評估疾病風險了。因此,通過新型溶劑和新型吸附材料結構和孔徑的修飾以及與其他材料的共價和非共價改性研究,增強其對生物樣品中BAs的選擇性吸附并用于疾病風險評估是未來前處理技術發展的重要方向。

目前,食品和生物樣品中BAs的檢測方法各有優缺點,在實際應用時可根據樣品特點和實驗室情況選擇合適的方法。但是隨著人們對健康需求的不斷提升,建立快速、高效、靈敏、準確的BAs檢測方法十分迫切,因此具有高分辨率、高靈敏度以及高通量的分析技術將是今后食品和生物樣品BAs定量分析的重要方向。而且,這些檢測技術和新型前處理技術的“強強聯合”有望實現食品和生物樣品中多種BAs的快速精準檢測,可為生物體內特定BAs的水平與相關疾病的聯系提供技術支撐。