基于特異性識別元件的電化學傳感器在食品中重金屬檢測的研究進展

彭鋼,劉玉婷,宋繼博,郭夢雪,翟立公

(安徽科技學院 食品工程學院,安徽 滁州,233100)

食品是能夠滿足人類正常生命活動并能延續(xù)正常壽命的物質,食品安全關系到每個人的身體健康和生命安全,重金屬污染是造成食品安全問題的重要原因之一。重金屬具有毒性強、難降解的特點,可通過各種途徑進入人體,對體內的腎臟等器官、神經系統(tǒng)和血紅細胞等產生危害[1]。為了人類的生命安全,因此食品中重金屬的檢測是十分必要的。

常見的重金屬檢測方法有原子吸收光譜[2]、電感耦合等離子體質譜[3]、X射線熒光光譜[4]、紫外可見分光光度法[5]等。雖然這些方法可以準確地定性和定量分析重金屬離子,靈敏度高,但檢測設備價格昂貴,需要進行較復雜的預處理,檢測周期長[6]。而電化學檢測方法具有設備簡單、易于操作、響應速度快、能夠應用于現(xiàn)場檢測的優(yōu)點,但在選擇性和穩(wěn)定性方面有待提高[7]。近年來,涌現(xiàn)了許多電化學檢測重金屬的綜述[8-10],均主要從傳感器的類型和電極改性的角度進行描述,而系統(tǒng)性介紹特異性識別元件對重金屬檢測的綜述鮮有報道。

特異性識別元件可實現(xiàn)目標物的捕獲和識別,經典的特異性識別元件主要是生物體本身如細胞、組織等,或者是從生物體中分離出的酶、抗體等,但重金屬離子免疫原性相對較低、抗體制備難度較大以及可特異性識別的細胞種類有限等原因,因此經典的特異性識別元件在重金屬檢測中存在不足[11]。而新型特異性識別元件如脫氧核酶(deoxyribozyme,DNAzyme)、適配體、分子印跡聚合物等具有可人工合成、選擇性強、成本低等優(yōu)點[12-13]。因此可以利用特異性識別元件結合電化學傳感器對重金屬離子進行檢測。本文主要介紹了DNAzyme、適配體、離子印跡聚合物的性質,并綜述基于特異性識別元件的電化學傳感器在食品重金屬(主要包括Pb2+、As3+、Cd2+、Cr3+/6+)檢測中的應用(圖1)。

圖1 特異性識別元件應用于電化學傳感器中檢測重金屬Fig.1 Application of specific recognition elements in electrochemical sensors for the detection of heavy metals

1 常見的特異性識別元件

識別元件又稱為目標受體,能夠特異性識別目標物質。識別元件捕獲到目標物,使電極表面的電流或電勢發(fā)生變化,從而實現(xiàn)目標物的檢測。目前在電化學重金屬檢測中研究最多的識別元件有DNAzyme、適配體和離子印跡聚合物等。

1.1 DNAzyme

DNAzyme是BREAKER等[14]利用體外分子進化技術篩選得到的一類具有催化功能的DNA片段,具有較強的催化活性、易于合成、成本低等優(yōu)點。根據(jù)催化性能,DNAzyme可以分為RNA切割活性的DNAzyme、連接酶活性的DNAzyme、過氧化物酶活性的DNAzyme等,其中以金屬離子為輔因子的DNAzyme只有與特定金屬離子結合時才顯示活性,且酶活性的大小與金屬離子的濃度密切相關[15-17],因此DNAzyme可以檢測重金屬離子。

圖2總結了不同重金屬檢測的DNAzyme。YANG等[18]制備了一種基于沸石咪唑酸框架-8(zeolitic imidazolate framework-8,ZIF-8)和DNAzyme的新型熒光傳感平臺,用于檢測水和魚樣品中的Pb2+,以ZIF-8為熒光猝滅劑,將DNAzyme吸附到ZIF-8上并伴隨熒光淬滅,Pb2+存在時DNAzyme被激活并裂解,使熒光恢復,依此對Pb2+檢測。YU等[19]以DNAzyme為識別元件開發(fā)了一種檢測Pb2+的電化學傳感器。該傳感器線性范圍在10-13～10-7mol/L,檢出限為1.74×10-14mol/L,并成功應用于飲用水檢測中。ZHENG等[20]制備了一種依賴化學發(fā)光共振能量轉移的熒光生物傳感器檢測Pb2+,該傳感器通過DNAzyme與熒光素和血紅素/G-四鏈體偶聯(lián)模擬辣根過氧化物酶使發(fā)光物氧化并發(fā)光。在Pb2+存在時,DNAzyme被激活并裂解,熒光素和血紅素/G-四鏈體分離,熒光淬滅。在最優(yōu)實驗條件下,檢出限為5 nmol/L。

圖2 不同重金屬檢測的DNAzyme[18-30]Fig.2 DNAzymes for detection of various heavy metals[18-30]

1.2 適配體

適配體一般是指通過體外指數(shù)富集配體的系統(tǒng)進化技術人工篩選得到的寡核苷酸DNA或RNA分子[31]。適配體能夠與目標物特異性結合,當適配體與目標物結合后結構會發(fā)生變化,利用這個特點將適配體作為識別材料應用于重金屬檢測中。

表1對近3年來部分檢測重金屬的適配體傳感器進行了總結(主要包括適配體序列、傳感器類型、線性范圍及檢測限)。

表1 檢測重金屬的適配體傳感器Table 1 Aptasensors for the detection of heavy metals

DING等[32]合成了一種新型雙殼碳納米籠材料,并研制出了一種適體傳感器用于測定水溶液中的鉛。該傳感器在最優(yōu)實驗條件下對Pb2+具有良好線性關系的范圍為0.1～10 μg/L,檢出限為0.096 μg/L。JIANG等[33]利用納米金的光學猝滅性能和雙鏈適配體捕獲銀離子的能力構建了一種用于檢測Ag+的熒光適配體傳感器。Ag+不存在時,反應體系具有很強的熒光,而Ag+存在時和適配體中C-C堿基對錯配轉換為穩(wěn)定的C-Ag+-C堿基對,熒光淬滅。TIAN等[34]制備了一種用于痕量檢測汞離子的新型表面增強拉曼光譜適配體傳感器,該傳感器通過適配體和具有發(fā)夾結構的DNA將表面增強拉曼光譜與核酸信號擴增相結合,在最佳實驗條件下,制備的適配體傳感器線性范圍為0.2～125 fmol/L,檢測限為0.11 fmol/L。

1.3 離子印跡聚合物

離子印跡技術是分子印跡技術的重要分支,也是分子印跡技術在金屬離子方向的拓展,因存在金屬離子配位作用而具有穩(wěn)定性好、配位鍵鍵位的強度可控等優(yōu)勢,受到了廣泛的關注[42-44]。離子印跡聚合物是基于離子印跡技術,通過模板離子與功能單體的螯合作用等作用力互相結合形成具有空穴結構的且對模板離子有高選擇性的聚合物[45]。表2對近3年來部分檢測重金屬不同離子印跡聚合物進行了總結(主要包括模板離子、功能單體、檢測方法、線性范圍及檢測限)。

表2 不同離子印跡聚合物檢測重金屬Table 2 Detection of heavy metals using different ion-imprinted polymers

GERDAN等[46]采用氨基酸基功能單體與銅離子聚合,制備了一種用于檢測銅離子(Cu2+)的離子印跡聚合物等離子體傳感器,此傳感器在最優(yōu)實驗條件下展現(xiàn)出良好的檢測性能,響應時間為20 s,檢測范圍為0.04～5.0 μmol/L,檢測限為0.027 μmol/L。但離子印跡聚合物在結合目標重金屬離子后難以與檢測樣品分離,又因磁分離技術具有操作簡單、反應迅速等特點,因此將離子印跡技術與磁分離技術相結合得到了磁性離子印跡聚合物。KUMAR等[47]以胺官能化的二氧化硅包被四氧化三鐵納米顆粒為核心材料,制備了一種新型鎳離子磁性印跡聚合物用于吸附消除工業(yè)廢水中的有毒鎳離子。所制備的聚合物選擇性高、可重復性使用,并且在外加磁場下可從檢測樣品中快速分離。

1.4 不同特異性識別元件對比分析

表3對于不同的特異性識別元件在電化學傳感器重金屬檢測中的檢測性能(識別原理、制備工藝的難易程度以及優(yōu)缺點)進行了比較,由表3可知特異性識別元件的優(yōu)缺點。

2 基于特異性識別元件的電化學傳感器在食品中重金屬檢測的應用

電化學傳感器在重金屬檢測中具有操作簡便、選擇性好等優(yōu)點,但傳統(tǒng)電極表面積較小,對重金屬的捕獲能力有限。利用特異性識別元件可大大提高電化學傳感器對重金屬離子的選擇性,并且由于識別元件的特異性可以實現(xiàn)重金屬離子的有效檢測。

2.1 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Pb2+中的應用

鉛是一種有毒的重金屬元素,在自然環(huán)境中不能被分解,并會通過生物富集放大生成毒性更大的有機物。鉛中毒會嚴重危害人的健康,可以對神經、心血管、胃腸道、骨骼等各類器官造成影響[54-56]。因此,對鉛離子的檢測是非常有必要的。表4列出了部分基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Pb2+中的應用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實際樣品)。

表4 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Pb2+中的應用Table 4 Electrochemical sensors based on molecular recognition materials for lead(Ⅱ) detection

LIU等[57]制備了一種新型檢測Pb2+的電化學生物傳感器,以DNAzyme為識別元件,對Pb2+具有高度特異性。當Pb2+存在時,DNAzyme在底物鏈DNA的核糖腺嘌呤(rA)位點被激活,雙螺旋結構解開,這種反應增強了Ti3C2Tx Mxenes對DNAzyme的吸附性能,使離子可以更好地嵌入到Ti3C2Tx Mxenes中,并誘導氧化峰電流的增加。該傳感器在最佳實驗條件下,線性范圍為0.5～32 nmol/L,檢出限低至0.1 nmol/L。YADAV等[58]先將銀和金合金納米顆粒電沉積到電極上,再將篩選出的Pb2+適配體修飾上電極,制備出一種用于檢測Pb2+的電化學適配體傳感器。在最優(yōu)實驗條件下,該傳感器的線性范圍為0.01～10 μg/L,循環(huán)伏安法(cyclic voltammetry,CV)、差分脈沖伏安法(differential pulse voltammetry,DPV)的檢測限為0.03×10-2μg/L,電化學阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)的檢測限為0.04×10-2μg/L。DAHAGHIN等[59]以2-(2-氨基苯基)-1 h-苯并咪唑為配體,4-乙烯基吡啶為功能單體,合成了具有選擇性的新型磁性離子印跡聚合物,制備了一種新型鉛離子檢測電化學傳感器。在最佳實驗條件下,線性濃度范圍為0.1～80 ng/mL,Pb2+的檢出限0.05 ng/mL,并成功應用于測定天然水和果汁中的Pb2+離子。目前,基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Pb2+上具有較低的檢測限、較寬的線性范圍等優(yōu)點,在Pb2+檢測方面具有廣闊的應用前景。

2.2 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測As3+中的應用

砷(As)是一種類金屬有毒物質,因其化學性質與重金屬類似,砷也被認為是重金屬。砷在環(huán)境中廣泛存在,特別是地下水中,對人類身體健康有著巨大的威脅[63-65]。因此建立特異性的As3+檢測方法是十分重要的。表5列出了部分基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測As3+中的應用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實際樣品)。

表5 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測As3+中的應用Table 5 Electrochemical sensors based on molecular recognition materials for arsenic(Ⅲ) detection

MA等[66]以As3+作為模板離子,鄰苯二胺作功能單體,制得離子印跡聚合物,構建了As3+檢測傳感器。通過優(yōu)化實驗條件,采用CV法對As3+進行了定量檢測,其線性范圍為2.0×10-11～9.0×10-9mol/L,檢測限為7.1×10-12mol/L。該傳感器的檢出限遠低于10 μg/L,符合世界衛(wèi)生組織設定的飲用水標準,并且該傳感器具有制備步驟簡單、良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。GIULIO等[67]構建了一種檢測As3+的電化學印跡傳感器,利用離子印跡技術提高傳感器的選擇性,殼聚糖穩(wěn)定的銀納米粒子為電極表面帶來更多的活性位點。在最優(yōu)實驗條件下采用DPV法檢測As3+,檢出限為11.39 pmol/L。當前,基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測As3+中具有特異性強、靈敏度高等優(yōu)點,但DNAzyme在檢測As3+中的應用不如適配體和印跡聚合物流行。未來還需對檢測As3+的DNAzyme以及檢測方法的抗干擾能力進一步分析。

2.3 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Cd2+中的應用

鎘(Cd)是一種有毒重金屬,也是一類有毒有害水污染物,對人體有嚴重危害。鎘中毒會損傷腎臟、對骨骼和神經造成影響,最著名的鎘中毒事件是日本的“痛痛病”[70]。因此建立高效、快捷、特異性的鎘離子痕量檢測體系是很有必要的。表6列出了部分基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Cd2+中的應用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實際樣品)。

表6 基于特異性識別元件的電化學傳感器在檢測Cd2+中的應用Table 6 Electrochemical sensors based on molecular recognition materials for cadmium (Ⅱ) detection

RABAI等[37]將結合金納米顆粒、碳納米管和殼聚糖優(yōu)點的納米復合材料用作鎘適配體的固定載體,制備了一種用于水中鎘檢測的無標簽電化學適配體傳感器。該生物傳感器檢出限為0.02 pmol/L,線性范圍為10-13～10-4mol/L,為水溶液中Cd2+的檢測提供了一種簡單而靈敏的方法,在實際樣品中痕量重金屬的監(jiān)測中具有廣闊的應用前景。RABAI等[71]首先用羧酸電化學還原重氮鹽對金電極進行修飾,然后將鎘適配體通過碳二亞胺反應固定在電極上,開發(fā)了一種用于檢測水中鎘(Cd2+)的適配體傳感器。采用EIS對Cd2+檢測,在最優(yōu)實驗條件下,檢測限為2.75×10-10mol/L,對Cd2+具有較高的選擇性。WANG等[72]利用電聚合離子印跡聚鄰苯二胺[poly (o-phenylenediamine),PoPD]制備了一種電化學傳感器。以oPD為功能單體,以Cd2+為模板,電聚合得到印跡后的離子印跡聚合物,去除模板后得到的傳感器對目標Cd2+表現(xiàn)出良好的選擇性。在最優(yōu)實驗條件下,該傳感器的方波陽極汽提伏安法溶出峰值與Cd(II)質量濃度在1～50 ng/mL內呈良好的線性關系,檢測限為0.13 ng/mL。總體而言,本文中用于檢測Cd2+的電化學傳感器大多檢測限低于國標中生活飲用水衛(wèi)生標準的毒理指標,在Cd2+的檢測中表現(xiàn)出良好的應用潛力。

2.4 基于特異性識別元件材料的電化學傳感器在檢測Cr3+/Cr6+中的應用

鉻(Cr)在自然環(huán)境中以多種氧化態(tài)的形式出現(xiàn),其中Cr3+和Cr6+是自然界中最常見的穩(wěn)定價態(tài),Cr3+是人體所必需的微量元素,而Cr6+具有毒性作用[74-76]。由于其毒性,Cr6+的測定特別重要,且Cr3+和Cr6+之間可相互轉化,因此,Cr3+和Cr6+的檢測都是十分重要的。

ZHANG等[77]首先在Cu基金屬有機框架(metal-organic framework,MOF)上原位生長二維酞菁基共價有機框架(covalent-organic framework,COF),形成的MOF@COF結構能夠將DNA鏈緊密的固定,構建了特異性識別Cr3+的光電化學-電化學雙模式生物傳感器。在最優(yōu)實驗條件下,該生物傳感器的線性范圍為0.1 pmol/L～100 nmol/L,光電化學的檢測限為1.45×10-5nmol/L,電化學的檢測限為2.29×10-5nmol/L。BOJDI等[78]構建了一種檢測Cr6+的印跡傳感器,首先在甲醇中沉淀聚合功能單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、鉻結合配體和鉻離子(模板離子)生成離子印跡聚合物納米顆粒(IP-NPs),聚合后,從聚合物納米顆粒中浸出Cr6+,形成Cr6+孔。在最優(yōu)實驗條件下此傳感器的檢測限為30 pmol/L,并成功用于環(huán)境水樣中Cr6+痕量的檢測。目前用于檢測鉻離子的特異性識別元件種類仍然偏少,加強特異性識別元件的研究,拓寬特異性識別元件在鉻離子檢測中的實際應用。

3 結論與展望

重金屬污染是目前食品安全的一大威脅,對人體健康有著巨大的危害。電化學傳感器具有高響應、操作簡便等優(yōu)點,結合特異性識別元件易獲取、高選擇性等特點,因此在檢測食品中重金屬得到了廣泛應用。

本文介紹了近五年來在電化學重金屬檢測中常用的特異性識別元件,著重討論了特異性識別元件在電化學傳感器檢測重金屬的應用。特異性識別元件在重金屬檢測的應用中展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能,主要歸因于:a)DNAzyme和適配體具有較強的選擇性、易修飾、較高的特異性以及對金屬離子有較高的親和力;b)因離子印跡聚合物與金屬離子存在配位作用而具有穩(wěn)定性好、特異性強等優(yōu)點。但特異性識別元件在研究中仍存在一些不足:a)依賴金屬離子的DNAzyme一般是裂解RNA,而RNA極不穩(wěn)定易被分解,因此檢測重金屬離子對環(huán)境要求高;b)適配體篩選過程復雜;c)離子印跡聚合物由于功能單體、聚合方法等具有局限性,導致合成的離子印跡聚合物結合目標物的能力一般。

為了使特異性識別元件在重金屬檢測中有更好的應用前景,筆者提出兩點建議:a)改進DNAzyme和適配體的篩選技術;b)研發(fā)適用性強的印跡聚合物的制備方法。隨著新技術的應用和對特異性識別元件的深入研究,基于特異性識別元件的電化學傳感器將在食品安全檢測領域展現(xiàn)出更廣闊的應用前景。