電化學(xué)發(fā)光傳感器在食品安全領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

蔡思學(xué)，丁小梅，李健，王力*，黃琦靖

集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（廈門 361021）

食品安全問題包括食品中的微生物、物理、化學(xué)等危害導(dǎo)致的食源性疾病，甚至人死亡。世界衛(wèi)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(jīng)濟(jì)動機(jī)的摻假事件也是食品安全問題的關(guān)鍵。有研究表明，1 553家媒體報道的食品丑聞和事件實(shí)際上都屬于出于經(jīng)濟(jì)動機(jī)的食品欺詐或摻假[2]。如今隨著全球化發(fā)展，我國食品工業(yè)快速轉(zhuǎn)型，食品供應(yīng)鏈也越發(fā)復(fù)雜，食品在收獲、加工、制造、銷售、消費(fèi)過程中的諸多因素都會影響食品安全，在這種環(huán)境下，食品安全問題也越發(fā)隱藏和危險。雖然全球的食品行業(yè)、監(jiān)察機(jī)構(gòu)在改進(jìn)食品安全監(jiān)管體系中做出了巨大努力，但食品安全問題仍然在持續(xù)發(fā)生，所以對于食品中相關(guān)成分的檢測就顯得尤為重要。

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

主要綜述了近年來國內(nèi)外電化學(xué)發(fā)光傳感器在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 電化學(xué)發(fā)光傳感器在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 電化學(xué)發(fā)光對食品中違禁添加物檢測方面的應(yīng)用

迄今為止，國內(nèi)外對食品中的違禁添加物有明確規(guī)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(jìn)行介紹。

自2008年MEL事件發(fā)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(biāo)準(zhǔn)方法有高效液相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用、液質(zhì)聯(lián)用/質(zhì)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(jié)合碳納米管（CNTs）的ECL用于MEL測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(diǎn)（QDs）ECL興起，但一般認(rèn)為QDs-ECL與所用粒子尺寸無關(guān)，Hu等[6]對此展開研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ECL譜證實(shí)了QDs發(fā)光是由帶隙發(fā)光引起的，峰位置隨QDs尺寸的變化而變化，獲得新進(jìn)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(jié)合檢測MEL得到了證實(shí)，Lian等[7]利用MIP的選擇性識別對MEL產(chǎn)生富集效應(yīng)，并且根據(jù)MEL結(jié)構(gòu)類似物的進(jìn)一步測試，證明了所構(gòu)建的ECL可以通過特定的識別來檢測各種物質(zhì)，檢測限為1.0×10-13mol/L（S/N≥3）。可以發(fā)現(xiàn)ECL檢測MEL靈敏度遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，甚至達(dá)100～10 000倍。

圖1 ECL檢測三聚氰胺的時間進(jìn)程

瘦肉精在促進(jìn)動物體內(nèi)蛋白質(zhì)沉積和降低動物脂肪水平方面發(fā)揮著重要作用，其主要功能物質(zhì)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(chǎn)生慢性毒素，所以許多國家嚴(yán)禁其在畜牧業(yè)中使用[8]。ECL檢測瘦肉精一般以QDs作為發(fā)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(huán)消耗產(chǎn)生QDs的共反應(yīng)物H2O2，促進(jìn)發(fā)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(jié)合HRP，設(shè)計了一種高靈敏檢測RAC的ECL的雙信號放大策略，ECL強(qiáng)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(yīng)用前景。

1.2 電化學(xué)發(fā)光對食品中藥物殘留檢測方面的應(yīng)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(jìn)行控制，但同時動植物體內(nèi)的藥物殘留污染物會通過環(huán)境或食物鏈影響人類健康。

Luminol作為一種高效發(fā)光劑，被廣泛用于ECL檢測中，而ELISA具有很高的非特異性結(jié)合能力，與ECL聯(lián)用可以進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)曲線直接檢測農(nóng)藥總殘留，用3種不同的ECL-ELISA優(yōu)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(jié)果顯示多酶的ECL-ELISA檢測限為1.8 μg·L-1，這項(xiàng)工作以Luminol為底物比以往ELISA更安全，且結(jié)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(nóng)藥具有潛在的應(yīng)用價值。

1.3 電化學(xué)發(fā)光對食品中生物毒素檢測方面的應(yīng)用

采用ECL對谷物或酒中常見的毒素污染物赭曲霉毒A進(jìn)行檢測，其中結(jié)合了適體的ECL檢測限是比較低的，因?yàn)檫m體的高特異性和親和性為真菌毒素的分析提供了新的機(jī)會[13-15]。

肉毒桿菌在罐頭或腌制食品中具有極強(qiáng)的生命力，其形成的神經(jīng)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(jīng)毒素的檢測效果，使用與商業(yè)方法相同的抗體，優(yōu)化內(nèi)部試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(yīng)用，給食品中生物毒素的實(shí)際檢測帶來了巨大的便捷與優(yōu)勢，從而可以大大減低食品工業(yè)中意外食物中毒的可能性。

2 毛細(xì)管電泳-電化學(xué)發(fā)光法檢測食品中的生物胺

圍繞毛細(xì)管電泳-電化學(xué)發(fā)光（CE-ECL）法對食品中的生物胺已進(jìn)行多年研究，從易產(chǎn)生生物胺的酒類和水產(chǎn)品展開，以Ru(bpy)32+到利用多金屬氧酸鹽合成材料作為發(fā)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(jī)堿，在魚、肉和發(fā)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(guān)重要的作用，但當(dāng)其含量過高或人體解毒能力受到抑制、干擾時，生物胺可轉(zhuǎn)化為嚴(yán)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(fēng)險[18]。肉類和水產(chǎn)品質(zhì)量控制的常用方法之一就是監(jiān)測生物胺的釋放水平[19]，所以檢測生物胺對控制食品質(zhì)量有著重要意義。

2.1 基于RuPMo12的CE-ECL檢測

多酸屬于一種獨(dú)特的材料，具有理想的結(jié)構(gòu)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(yīng)用于CE-ECL，在優(yōu)化條件下組胺在5 min就得以檢測，0.01～1 mg·L-1內(nèi)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(jìn)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(yīng)用于一些具有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)比如生物胺的檢測，但在連續(xù)測定過程中Ru(bpy)32+會漏失導(dǎo)致電極不穩(wěn)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(chǎn)生更強(qiáng)發(fā)光。課題組利用RuPMo12檢測組胺，其檢測機(jī)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(fā)生氧化還原生成相應(yīng)的氧化產(chǎn)物，組胺的活性中間體與[Ru(bpy)3]3[PMo12O40]3反應(yīng)有助于激發(fā)RuPMo12*的生成，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的ECL信號。

圖2 RuPMo12的ECL對組胺檢測的機(jī)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(jìn)展如圖3所示。

圖3 CE-ECL對生物胺類物質(zhì)的檢測

陳素艷等[21]對葡萄酒中的腐胺與亞精胺進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(qiáng)等[22]在9 min內(nèi)直接對魷魚絲中的組胺進(jìn)行檢測，檢出限為0.468 μmol·L-1。進(jìn)一步檢測魚露中苯乙胺，優(yōu)化條件下苯乙胺在1～40 μg·mL-1內(nèi)檢出限達(dá)0.06 μg·mL-1，且在10 min內(nèi)可以完成[23]。翁凌等[24]對鰻魚中的色胺進(jìn)行分離檢測，在1～8 mmol·L-1內(nèi)二鹽酸色胺的檢測限為0.06 mmol·L-1。安冬等[25]對水產(chǎn)品中的組胺和亞精胺進(jìn)行檢測，并將其成功應(yīng)用于海瓜、花蛤、青蛾中，組胺和亞精胺的檢測限分別達(dá)0.091和0.089 mg·kg-1，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50 mg·kg-1的生物胺國際標(biāo)準(zhǔn)。

An等[26]利用CE-ECL對牡蠣中的生物胺進(jìn)行檢測，結(jié)果表明對5種生物胺進(jìn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)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(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景，如表1所示。并且CE-ECL傳感器用于食品特別是水產(chǎn)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(jié)語與展望

隨著對ECL在食品領(lǐng)域中應(yīng)用越來越深入的研究，ECL體系有著簡單、靈敏度高、響應(yīng)時間快、成本低等優(yōu)勢，但仍然存在挑戰(zhàn)和難題，如：ECL雖然有著小型化的優(yōu)勢，但仍難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的即時檢測；現(xiàn)有研究中ECL的發(fā)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(xiàn)有檢測基礎(chǔ)上，對發(fā)光反應(yīng)機(jī)理進(jìn)一步探究，尋找新的發(fā)光體或有利于提高發(fā)光的共反應(yīng)物質(zhì)，加大多種技術(shù)的交叉聯(lián)用，發(fā)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(yīng)用范圍，為實(shí)現(xiàn)食品領(lǐng)域更多物質(zhì)的檢測、保障食品安全發(fā)揮巨大的潛力。