纳米材料增敏的电化学检测技术在食品双酚类物质检测中的应用进展

张灵丽,吴巧灵,刘丰,吴远根,邱树毅,陶菡*

1(贵州大学 酿酒与食品工程学院,贵州 贵阳,550025) 2(贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州 贵阳,550025)

内分泌干扰物(endocrine disrupting chemical,EDC)是一类可干扰体内自然激素合成、分泌、运输作用的一类外源性物质,它可破坏人体自身的生理平衡[1]。双酚类物质(bisphenols,BPs)是一类以羟苯基为特征主体结构单元的内分泌干扰物,通常包括双酚A (bisphenol A,BPA)、双酚B (bisphenol B,BPB)、双酚S (bisphenol S,BPS)、双酚AP (bisphenol AP,BPAP)、双酚F(bisphenol F,BPF)以及四氯双酚A (tetrachlorobisphenol A,TCBPA)等[2]。当双酚类物质在婴儿奶瓶、罐头涂料或者其他食品包装中使用时,在油脂、酸或其他外界环境的影响下,可能会迁移到食品或饮料中被人体吸收,干扰体内激素合成、分泌、运输,从而对人体健康、成长情况以及繁殖能力产生有害影响[3]。因此,双酚类物质残留是目前重要的食品安全问题,检测食品及食品包装中双酚类物质含量对人体健康具有重要的意义。

双酚类物质测定的方法有:液相色谱法、气相色谱及气相色谱-质谱法、酶联免疫吸附测定法、毛细管电泳法、超临界流体色谱-串联质谱法、生物传感器法等[4]。其中大型仪器在测量时具有繁琐的样品前处理过程以及复杂的操作学习等缺点,因此众多研究者关注到具有快速、高效、成本低、操作简便等优点的电化学传感技术。此外,纳米电化学传感技术还具有灵敏度好、线性范围宽、抗干扰能力强等优点,更重要的是它为实现自动化实时在线监测提供了可能,并且可发展为便携式仪器进行现场检测。电化学传感技术与纳米材料的交叉融合也显著提高了检测的灵敏度及电催化活性,其中纳米复合材料通过各组分间的协同作用可以获得比单一纳米材料更加优异的性能。

1 双酚类物质的危害与限量标准

双酚类化合物可在环氧树脂、聚碳酸酯等高分子材料的合成中作为原料或稳定剂、改性剂等使用,可提高材料的耐热性、耐冲击、光泽度等性能。双酚A是一种用于合成聚碳酸酯和环氧树脂的主要单体,它具有雌激素活性,可能对人类具有致癌性[5]。自2011年以来,众多国家全面禁止双酚A用于奶瓶、聚碳酸酯水桶等食品包装材料与食品容器的生产,而双酚S、双酚F由于其结构的相似性则被作为BPA的替代品。但是近期毒理学研究表明,BPA类似物显示出与BPA相似或更强的毒性影响。例如BPS和BPF表现出与BPA雌激素活性相当的水平,而BPAP显示出比BPA更强的雌激素活性[6]。这些内分泌激素的紊乱会导致发育畸形,生殖受到干扰,增加癌症风险以及免疫和神经系统功能紊乱。体内任何受激素控制的系统都可能受到内分泌干扰物的影响[7-8]。MICHAOWICZ等[9]和 MOKRA等[10]还观察到BPA、BPS、BPF和BPAF会引起人外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)的坏死、凋亡、氧化和遗传毒性变化。各个国家和地区已经意识到双酚类物质对人体健康的严重危害,因此对它制定了系列标准要求,表1列出了不同国家和地区的双酚类物质限量要求。

表1 不同国家和地区双酚物质限量标准Table 1 Bisphenol substance limit standards in different countries and regions

2 电化学传感技术在食品及食品包装中双酚类物质检测的研究应用

2.1 食品中双酚类物质的电化学检测研究应用

对食品中的双酚类物质的电化学检测是避免双酚类物质直接进入人体的重要手段。而且,将纳米材料与其他材料通过物理或化学方法进行复合形成新型复合材料也是现今双酚类物质残留电化学检测领域的研究热点。

2.1.1 基于碳纳米材料及其复合物修饰的电化学传感器

碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维<100 nm 的碳材料[19],也是目前在食品双酚类物质残留电化学传感检测中应用最为广泛的一种纳米材料。碳纳米材料包括常见的碳纳米管、石墨烯、碳黑纳米颗粒、碳纳米纤维等。其中,碳纳米管具有独特的电子、化学和机械特性,众多研究人员将碳纳米管应用于电催化,材料科学和生物系统等各个领域。基于功能化的碳纳米管的复合材料由于其具有高导电性,较大的表面积和在各种电化学反应中的出色稳定性而备受关注[20]。BAGHAYERI等[21]利用纳米金/3-硫丙基功能化铜磁性纳米颗粒/多壁碳纳米管(Au/CuFe2O4-Pr-SH/MWCNTs)纳米复合材料滴涂到玻碳电极上,随后通过Au-S键共价固定BPA的适配体,基于适配体与目标物的特异性识别反应,提出了一种新型的BPA电化学适配体传感器(图1)。分析结果表明,所制备的适配体传感器在用于测定矿泉水,牛奶和果汁样品中BPA时具有较宽的线性范围(0.05～9 nmol/L),且检测限低至25.2 pmol/L。石墨烯(graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。由于石墨烯具有强导电性、良好的生物相容性以及大的比表面积,使得其可以提供更大、更均匀的电活性位点分布,使其成为应用于电化学检测的理想材料。VILIAN等[22]制备了巯基功能化的还原氧化石墨烯(S-rGO),再基于纳米金对辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)的吸附作用将辣根过氧化物酶修饰在AuNPs/S-rGO上。该生物传感器显示出对BPA出色的分析性能,检测限低至2.6×10-12mol/L,线性范围为2.0×10-11～1.18×10-9mol/L。HRP/AuNPs/S-rGO生物传感器已成功用于检测番茄汁和牛奶样品中的BPA。MMANASA等[23]制备了氧化锌与还原石墨烯的纳米复合材料(ZnO/rGO),再与十六烷基三甲基溴化铵(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)共同修饰碳糊电极对BPF进行电化学检测。该传感器利用了ZnO的大比表面积、rGO的高导电性、带正电的CTAB和带负电的BPF的吸附作用来提高该传感器的检测性能。ZnO/rGO/CTAB/MCPE通过DPV检测罐装饮料中的BPF,线性范围为0.5～10 μmol/L,检测限为0.06 μmol/L。MARTYNA等[24]建立了使用炭黑纳米粒子修饰的玻碳电极快速灵敏地测定牛奶和果汁中的双酚A。在最佳条件下,BPA浓度在0.01～3×10-6mol/L呈良好的线性关系,检出限为3.4×10-9mol/L。表2更全面地列出了近5年双酚类物质纳米电化学传感检测新技术。其中,利用适配体或者生物酶与高导电性的碳纳米管或者石墨烯复合修饰时,更能获得对双酚类物质电化学检测的极低检测限。

图1 MCH/Apt/Au/CuFe2O4-Pr-SH/MWCNTs/GCE电极制备示意图Fig.1 Preparation of MCH/aptamer/Au/Cu Fe2O4-Pr-SH/MWCNTs/GCE

表2 碳纳米材料及其复合物修饰的电化学传感器Table 2 Electrochemical sensor modified by carbon nanomaterial and its composite

2.1.2 基于贵金属纳米材料及其复合物修饰的电化学传感器

贵金属主要指金、银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)等8种金属元素。目前应用最为广泛的为纳米金,贵金属纳米材料显示出了高效的催化性能,开拓了金属纳米材料在双酚类传感检测中的应用。贵金属纳米材料因其独特的物理化学性质,在提高电化学传感器灵敏度与稳定性方面都发挥了重要作用。例如,WANG等[30]制备了一种以二硫化钼/Au纳米棒复合材料作为修饰材料的双酚A电化学传感器。通过MoS2和Au纳米棒的协同作用实现信号放大。双酚A浓度与峰值电流在0.01～50 μmol/L具有良好的线性关系,检出限为3.4 nmol/L。此外,所修饰的电极显示出良好的抗干扰性、可再现性和稳定性,已成功应用于牛奶中双酚A的检测。ZHAO等[31]开发了一种新型的分子印迹电化学传感器(MIPs/AuNPs/GCE)用于测定牛奶中双酚A。在最佳条件下,BPA的氧化峰电流与BPA浓度在1.5×10-8～5.5×10-5mol/L呈现良好的线性关系,检出限为1.1×10-9mol/L (S/N=3)。ENSAFI等[32]构建基于硫醇化DNA序列(p-63)、聚吡咯(polypyrrole,PPY)、纳米金复合材料的电化学传感器以测量牛奶和奶粉中BPA。PPY/@p-63/AuNP/GCE电极在最佳条件下,所测定的线性范围为0.5 fmol/L～5 pmol/L,检测限为80 amol/L。ZHANG等[33]通过将纳米孔金箔(nanoporous gold leaf,NPGL)与硫醇化β-环糊精(SH-β-CD)偶联,开发了一种新型的同时记录目标分子BPA和探针分子亚甲蓝(methylene blue,MB)的电化学传感器以实现对牛奶和自来水中BPA的测定。由于宿主分子(β-CD)对于BPA和MB的结合能力不同,BPA可以进入β-CD腔并替换先前存在的MB,从而MB的氧化峰电流降低而BPA的氧化峰电流升高。电流变化的总和(ΔIMB+ΔIBPA)与3×10-7～1×10-4mol/L变化的BPA浓度呈线性关系,检测限为6×10-8mol/L (S/N=3)。通过双信号(ΔIMB+ΔIBPA)获得的检测极限比使用单个(IBPA)作为响应信号的探测极限低。

2.1.3 基于金属有机框架材料修饰的电化学传感器

金属有机骨架(metal organic framework,MOF)是一种晶体多孔材料,是由含金属的节点与有机配体自组装而成的多孔网状结构的晶体材料[34]。MOF材料由于其极大的比表面积、高度有序的孔结构以及可调的化学性质和孔尺寸,在催化领域有着广泛应用。由于MOF的电化学催化活性不够理想,所以寻找其他高导电材料与之复合是MOF在电化学领域进一步发展的关键。例如RINALDI等[35]合成了一种用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTES)硅烷化的Al2O3纳米晶须和金纳米颗粒的MOF复合材料,此修饰电极应用于水中BPA检测。与裸电极相比,修饰了AuNp@MOF复合材料的电极表现出更高的电化学催化活性。该修饰电极在峰值电流和BPA浓度200～1 000 μmol/L表现出良好的线性关系,检测限37.80 μmol/L。HUANG等[36]以1,3,5-苯三羧酸为配体,通过水热反应合成了新型的双金属Ce-Ni金属有机骨架(Ce-Ni-MOF)。通过Ce-Ni-MOF/MWCNTs复合材料修饰玻碳电极成功制备了新型双酚A传感器。该传感器对双酚A检测的线性范围为0.1～100 μmol/L,检出限为7.8 nmol/L(S/N=3)。该方法用于不同品牌饮用水中双酚A的含量测定,回收率为97.4%～102.4%。

2.1.4 其他纳米材料修饰的电化学传感器

随着电化学领域与材料学领域的共同发展,许多具有高导电性和强吸附能力的新型材料被愈来愈多地应用在电化学传感技术上。如ZHAN等[37]制备了超薄的Ni2Al层状双氢氧化物(exfoliated Ni2Al-layered double hydroxide,ELDH)纳米片。利用LDH具有理想的离子交换能力、开放层状结构、正电荷性质、高表面积和更好的生物相容性,且在成膜剂壳聚糖的帮助下,制备了基于ELDH修饰的玻碳电极,用于牛奶样品中的双酚A检测。利用DPV测定BPA,其线性范围为0.02～1.51 μmol/L,检出限为6.8 nmol/L (S/N=3)。JODAR等[38]制备了一种基于酪蛋白(casein,CAS)和炭黑纳米粒子(carbon black,CB)的低成本稳定膜检测BPA。在最佳条件下,检出限为0.25 μmol/L,线性范围为0.49～24 μmol/L。CAS-CB膜修饰的电极已成功应用于牛奶样品中的BPA检测。ABNOUS等[39]基于适配体与目标物的特异性识别反应,提出了一种新型的双酚A电化学适配体传感器,该传感器具有良好的选择性、较低的检出限(15 pmol/L)和较宽的线性范围(0.05～18 nmol/L),已成功应用于自来水和葡萄汁中双酚A的检测。

2.2 食品包装材料中双酚类物质的电化学检测研究

利用电化学检测技术可以直接对食品中的双酚类物质残留进行定量,而且不受样品本身颜色、浊度的影响;而对于食品包装材料中双酚类物质残留检测,需要对塑料样品进行前处理,包括对塑料样品的清洗、切块、萃取以及样品液的过滤等过程,后续再对样品液进行电化学检测。

2.2.1 基于碳纳米材料及其复合物修饰的电化学传感器

纳米电化学传感技术因其独特的优势,在食品包装中双酚类物质的残留分析检测中已取得一定的进展,具体如表3所示。GULCIN等[40]通过CV法将CTAB和多壁碳纳米管通过电聚合作用结合到铅笔石墨电极(pencil graphite electrode,PGE)表面上,从而制得(CTAB)-MWCNTs复合材料。通过SWV法测得线性范围为2～808 nmol/L(R2=0.993),检测限为134 pmol/L。已成功用于牙胶、瓶装水和婴儿奶瓶中BPA的检测。LIU等[41]合成石墨烯-钯纳米粒子(PdNPs-GR)并分散在聚乙烯醇(PVA)中,得到PdNPs-GR/PVA复合材料。该复合物用于建立新型的基于Ru(bpy)32+的电化学发光(electro-chemiluminescence,ECL)传感平台用于婴儿奶瓶中BPA的灵敏检测。在最佳条件下,ECL强度与BPA浓度在1.0×10-10～1.0×10-5mol/L内呈良好的线性关系,检出限为2.5×10-11mol/L (S/N=3)。ZAINUL等[42]使用锌/铝层双氢氧化物-喹克洛拉克(Zn/Al-LDH-QC)和多壁碳纳米管作为电极修饰材料,并将其修饰在碳糊电极上测定双酚A。电极显示了BPA浓度的3个线性范围,分别为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),检出限为4.4×10-9mol/L。该电极用于婴儿奶瓶和矿泉水样品中的BPA测定,回收率范围在98.22%～101.02%。

表3 碳纳米材料及其复合物修饰的电化学传感器Table 3 Electrochemical sensor modified by carbon nanomaterial and its composite

2.2.2 基于金属有机框架材料修饰的电化学传感器

ZHANG等[53]构造了一个灵敏的电化学BPA传感器,该传感器使用由CTAB修饰的Ce-金属有机骨架(Ce-MOF)作为传感平台。电极构造原理及Ce-MOF材料表征如图2所示。所设计的BPA传感器具有0.005～50 μmol/L的宽线性范围和2.0 nmol/L的低检测限(S/N=3),已成功用于PC饮用包装和PET饮用瓶中BPA检测。WANG等[54]基于铈-有机骨架和电化学还原氧化石墨烯复合材料(Ce-MOF-ERGO)再结合CTAB,制造了超灵敏的双酚A电化学传感器。在最佳条件下,电化学传感器在3 nmol/L～10 μmol/L的浓度范围内对BPA表现出线性响应,检测限为1.9 nmol/L。此外,在电解质溶液中加入CTAB后,Ce-MOF-ERGO修饰电极上BPA的氧化信号进一步增强。此复合材料已成功应用于PET塑料瓶中的双酚A的电化学检测。

图2 基于CTAB/Ce-MOF/GCE的电化学BPA传感器的原理图制备和机理;Ce-MOF的SEM图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,制备具有独特3D异质结构的2D镍基有机骨架与碳纳米管复合的Ni-MOF@CNTs材料。由于Ni-MOF的大比表面积,CNTs出色的导电性,合成后的3D Ni-MOF@CNTs复合材料对聚碳酸酯水桶中的双酚A的电化学检测表现出优异的电化学活性。在3D Ni-MOF@CNTs传感界面上，低志0.35 nmol/L,线性范围为1～1000 nmol/L。PANG等[56]构建了高度多孔的结晶共价有机骨架(COF,CTpPa-2)修饰的玻碳电极,用于对BPA和BPS进行电化学检测。利用恒电流充放电,循环伏安法和差分脉冲伏安法表征了CTpPa-2/GCE的电化学性能。CTpPa-2/GCE表现出显著的电化学催化活性,并且发现BPA和BPS的线性范围在0.1～50 mmol/L和0.5～50 mmol/L的范围内,检测限为0.02 mmol/L和0.09 mmol/L(S/N=3)。此外,该传感器已用于测定瓶装样品中的BPA和BPS,回收率为87.0%～92.2%。WANG等[57]基于BPA和Cu-MOF之间的π-π作用,制备了Cu-MOF与酪氨酸酶(Tyr)复合的生物传感器用于检测BPA。Tyr生物传感器对BPA具有0.2242 amol/L的高灵敏度,5.0×10-8～3.0×10-6mol/L的宽线性范围和13 nmol/L的低检测限。最终实现对不同食品包装中(咖啡匙、矿泉水瓶)的BPA的电化学检测。MOF的多孔性及其极高的稳定性使其成为了近年电化学检测双酚类物质领域与材料学领域的研究热点。

2.2.3 其他纳米材料修饰的电化学传感器

HANG等[58]通过仿生原位血红素催化苯胺的聚合反应制备了几种聚苯胺(polyaniline,PANI)基纳米复合材料,并且选择了MoS2/PANI复合物来修饰玻碳电极用以检测BPA。峰电流与BPA的浓度在0.001～0.1 μmol/L和0.1～1 μmol/L呈线性关系。该修饰电极已成功用于食品容器中双酚A的测定。EZOJI 等[59]将二氧化钛纳米颗粒(TiO2NPs)和戊二醛交联壳聚糖(GA-CS)的混合物添加到碳纳米管糊状基质中(TiO2NPs/GA-CS/CNTPE),以构建新型电化学传感器用于奶瓶和水瓶中BPA的测定。峰电流在0.01～6 μmol/L的BPA浓度范围内呈线性响应,检测限为9.58 nmol/L (S/N=3)。花小霞等[60]制备1-氰乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体修饰碳糊电极,研究双酚A在离子液体修饰碳糊电极上的电化学行为。建立了DPV法测定奶瓶样品中痕量BPA的方法,检测的线性范围为3.0×10-7～6.0×10-5mol/L,检出限为5.0×10-8mol/L(RSN=3)。

3 总结与展望

双酚类物质是一种破坏内分泌环境稳定的化学物质,可以模仿雌激素,会对人体生殖系统及儿童生长发育产生一系列负面影响。现今,已经开发出各种电化学传感器来检测食品与食品包装中的双酚类物质,并显示出了对双酚类物质检测的高灵敏性、特异性和稳定性。尽管近年来电化学传感技术已经取得了相当大的进步,但是用于检测双酚类物质的电化学传感器仍有改进的空间。(1)可以提高灵敏度和选择性的新型电极材料仍然是当前的研究热点。其中碳纳米材料与贵金属纳米材料在双酚类物质的电化学检测中使用广泛,金属有机框架在近10年发展迅速,已经成为材料领域与电化学领域研究探索的新方向。(2)另外,大多数研究是对单一双酚类物质进行检测,因此制备出用于同时检测不同种类的双酚类物质的电化学传感器仍然是一个具有挑战性的任务。(3)当前,已经提出了基于智能手机的电化学传感器来检测诸如尿酸、血酮和葡萄糖等分析物。因此,设想基于智能手机的电化学传感器可用于双酚类物质的检测。总之,用于检测双酚类物质的电化学传感器将不断发展并在将来得到充分利用。