基于反應型紙基芯片的酒品香氣現(xiàn)場快速檢測

李 丹， 張欽梅

(上海應用技術(shù)大學 化學與環(huán)境工程學院，上海 201418)

酒類作為一種國際性飲料, 深受世界各國廣大消費者的喜愛，酒類品質(zhì)的一個重要特征是酒的風味。風味主要包括滋味和氣味2種：滋味來源于食品中的呈味物質(zhì)如無機鹽、游離氨基酸、小肽和核酸代謝產(chǎn)物等; 氣味則主要由食品中的不飽和醛、 酮、 含硫化合物以及一些雜環(huán)化合物等揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生。酒的風味特征在很大程度上取決于其香氣成分, 香氣物質(zhì)的種類、含量、感官闕值及其相互作用直接影響著其品質(zhì)[1]。SO2作為酒類香氣的一種，具有良好的抗氧化性和抗菌性能，可以抑制細菌生長，防止食品氧化變色[2-3]。但是高濃度的SO2會影響心肺功能，誘發(fā)哮喘發(fā)作[4-5]。醛類氣味如甲醛和乙醛含量低時會給食品飲料提供水果香氣，含量高時會產(chǎn)生刺激性氣味，甚至會致突變，致癌[6-7]。常規(guī)分析方法如離子色譜[8]，HPLC[9]，電化學方法[10]，比色法[11]，熒光分光光度法[12]被廣泛用于測定SO2及一些醛類氣體，但是這些方法通常需要復雜的樣品預處理程序或者所用儀器很昂貴，不適合用于復雜樣品中氣體成分的現(xiàn)場快速識別和檢測。因此，開發(fā)一種操作簡單、成本低廉、選擇性高和靈敏度高的現(xiàn)場檢測酒品中氣體成分的分析檢測方法具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。

2007年, Whitesides等[13-14]首次提出了“紙基微流控分析器件”的概念, 此后紙基材料得到了迅速的發(fā)展。紙基分析檢測平臺具有諸多優(yōu)點: 造價低廉、環(huán)境友好、易于加工、可回收再生、生物樣品相容性較好、過濾特性良好和可降解等[15-16]。紙基芯片因成本低、制作簡單、靈敏性好、使用和攜帶方便、所需樣品的體積小、分析速度快、可以進行多種物質(zhì)同時檢測等優(yōu)點, 在食品安全檢測領(lǐng)域顯示出極大的應用前景, 并有望成為最廉價的快速分析檢測手段。

2018年，上海應用技術(shù)大學李丹課題組[17]提出了一種基于頂空進樣的紙基傳感器件，通過在紙片上原位負載還原氧化石墨烯(rGO)、對巰基吡啶修飾金納米棒(MPy-GNRs)和碘-淀粉復合物(SIC)(rGO/MPy-GNRs/SIC)，巧妙借助卡爾-費休反應，設(shè)計了一種全新的紙基多功能傳感探針，如圖1所示。在微量水存在的情況下，SO2與紙片上對巰基吡啶和碘-淀粉復合物之間發(fā)生卡爾-費休反應，結(jié)合頂空進樣技術(shù)實現(xiàn)SO2在紙基傳感器表面的特異吸附，一方面可解離碘-淀粉復合物而誘導紙片顏色褪色，另一方面可將對巰基吡啶分子轉(zhuǎn)化為吡啶甲基硫酸鹽而獲得特異表面增強拉曼光譜(SERS)信號。該探針不僅可以提高SO2氣體分子的富集效率，提高分析檢測靈敏度，而且實現(xiàn)了SO2分子的原位比色和SERS雙傳感檢測，降低分析檢測中出現(xiàn)假陽性或假陰性的幾率，較好地彌補了傳統(tǒng)比色傳感器的缺陷。該方法可以在8 min內(nèi)完成酒中微物質(zhì)的量濃度SO2的檢測，如圖2所示。同時，由于不依賴復雜的表面修飾過程，而且rGO/MPy-GNRs/SIC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，該紙基芯片可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和連續(xù)檢測，而且具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，從而為食品安全現(xiàn)場檢測和即時檢測(point-of-care diagnostic)提供重要的技術(shù)支持。

圖1 頂空進樣-紙基傳感器的制作流程及其應用于酒中SO2比色和SERS雙傳感示意圖Fig.1 Schematic illustration of the HS-PAD procedure and its dual-modal sensing of SO2 in wine

圖2 rGO/MPy-GNRs/SIC紙基芯片用于SO2的比色和SERS檢測。(a) 紙基芯片用于不同濃度Na2SO3比色檢測的顏色變化；(b) 顏色強度與Na2SO3的濃度之間關(guān)系； (c) 紙基芯片用于不同濃度Na2SO3的SERS檢測的光譜變化； (d) 518 cm-1處拉曼光譜峰強度與Na2SO3的濃度之間關(guān)系Fig.2 Colorimetric and SERS detection of SO2 based on rGO/MPy-GNRs/SIC paper strips (a) photographs of the paper strips impregnated with rGO/MPy-GNRs/SIC immediately after HS extraction of different concentration of Na2SO3， (b) the intensity of blue color developed on the rGO/MPy-GNRs/SIC sensing strips with different concentration of SO2， (c) SERS spectra of SO2 after HS-PAD-SERS analysis of Na2SO3 standard solutions at different concentrations， (d) SERS peak intensities at 518 cm-1 as a function of Na2SO3 concentration

2019年，該課題組構(gòu)建了一種基于使用含有4-氨基苯硫酚(Atp)改性的銀銨離子修飾還原氧化石墨烯(rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp)的紙基芯片，如圖3所示。建立了酒品中甲醛和乙醛同時篩查和SERS快速檢測的分析方法[18]。該方法借助醛誘導的銀還原反應，甲醛或乙醛的添加誘導[Ag(NH3)2]+絡(luò)合物向銀納米粒子(AgNPs)轉(zhuǎn)化。AgNPs具有明顯的SERS活性，而且AgNPs之間的聚集程度和顆粒間隙可以通過控制反應條件進行精準調(diào)控，從而獲得最優(yōu)化的SERS基底材料，實現(xiàn)待測物的分析檢測。此外，由于銀鏡反應誘導反應前后紙基芯片局域pH的變化，從而誘導 1 143 和 1 072 cm-1處的光譜形狀和相對信號強度比發(fā)生明顯變化。該功能可用于溶液中甲醛和乙醛的快速篩分，借助反應前后的SERS峰形和強度差異可以實現(xiàn)酒品和人尿樣中甲醛和乙醛的同時分析檢測。該紙基芯片可用于不同濃度范圍(0.45～480 μg·L-1)的甲醛和乙醛即時檢測。

圖3 rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp紙基傳感器的制備方法示意圖及其SERS鑒別FA和AAFig.3 Schematic of the preparation procedure of rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp hybrid paper and its SERS discrimination of FA and AA based on silver reduction

總之，基于紙基傳感芯片的氣體分子現(xiàn)場快速檢測方法具有高可靠性，高選擇性，操作簡便等特點，隨之發(fā)展的不同功能紙基材料的制備新方法和新應用也日益成為人們關(guān)注的熱點領(lǐng)域。我們相信將紙基芯片與其他傳統(tǒng)檢測方法結(jié)合，可以用于復雜的揮發(fā)性化合物的現(xiàn)場分析，一定會為食品環(huán)境檢測提供強有力工具。頂空進樣紙基傳感器實現(xiàn)酒中SO2比色/SERS檢測發(fā)表在AnalyticalChemistry上[17]，基于SERS紙質(zhì)芯片，使用銀還原來區(qū)分水溶液中的甲醛和乙醛發(fā)表在MicrochimicaActa上[18]。這兩項研究工作得到了國家自然科學基金項目(21507089)和上海市“化學工程與技術(shù)(香料香精技術(shù)與工程)”高原學科的支持。