電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)的種類及在食品分析中的研究進(jìn)展

劉樹(shù)萍 ，邢 珂，韓博林，關(guān)樺楠,

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028）

生物傳感器是檢測(cè)生物信號(hào)變化并通過(guò)傳感器將其轉(zhuǎn)換為可量化信號(hào)的設(shè)備，具有高靈敏度、高選擇性和檢測(cè)準(zhǔn)確的特點(diǎn)[1]。生物傳感器的種類繁多，可分為光學(xué)、溫度、電化學(xué)和電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器等[2]。其中，電致化學(xué)發(fā)光（Electrochemiluminescence，ECL）也被稱為電化學(xué)發(fā)光，是指帶電物質(zhì)之間的電子，基于電化學(xué)激發(fā)和高能級(jí)電子轉(zhuǎn)移而發(fā)光的過(guò)程[3]，于1964 年被首次提出[4]。與化學(xué)發(fā)光法和電化學(xué)法相比，ECL 能更好的控制發(fā)光時(shí)間，并具有更強(qiáng)的選擇性。與光致發(fā)光法相比，ECL 不需要額外的光源，可實(shí)現(xiàn)幾乎為零的背景噪聲[5]，這使它成為生物傳感技術(shù)的有力工具。ECL 還具有操作簡(jiǎn)單、背景信號(hào)低和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，被認(rèn)為是一種很有前景的生物分析技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于免疫分析[7]、藥品檢測(cè)[8]以及環(huán)境監(jiān)測(cè)[9]等領(lǐng)域。

ECL 機(jī)制大致可以分為兩種，分別是湮滅和共反應(yīng)物途徑[10]。在湮沒(méi)途徑中，氧化和還原的發(fā)射物材料是在電極上通過(guò)電化學(xué)法生成，然后二者相互反應(yīng)形成發(fā)射激發(fā)態(tài)。而在共反應(yīng)物途徑中，共反應(yīng)物通過(guò)電化學(xué)氧化或還原產(chǎn)生活躍的中間體，該中間體可以與氧化或還原的發(fā)光體反應(yīng)形成激發(fā)態(tài)發(fā)光。共反應(yīng)物途徑可以產(chǎn)生更穩(wěn)定和更強(qiáng)的ECL 信號(hào)，這使其幾乎主導(dǎo)了現(xiàn)代生物分析領(lǐng)域的ECL 應(yīng)用[11]。影響共反應(yīng)物途徑ECL 的三個(gè)重要因素為發(fā)射物（或發(fā)光體）、共反應(yīng)物和電極[12]。電致化學(xué)發(fā)光體系按照發(fā)射物性質(zhì)的不同可大致劃分為三類，包括最早出現(xiàn)的有機(jī)化合物發(fā)光體系、應(yīng)用較為成熟的無(wú)機(jī)金屬配合物發(fā)光體系和正在迅猛發(fā)展的納米材料發(fā)光體系。經(jīng)典ECL 體系主要包括有機(jī)化合物2,3-氨基鄰苯二甲酰肼/過(guò)氧化氫體系（魯米諾/H2O2）和無(wú)機(jī)金屬發(fā)射物三（2,2'-聯(lián)吡啶）氯化釕（Ⅱ）/三丙胺體系（Ru（bpy）32+/TPA）[13]，其具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、發(fā)光效率高等特點(diǎn)。但由于其在發(fā)展的過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)存在檢測(cè)儀器復(fù)雜和ECL 信號(hào)較弱等問(wèn)題[14]，因此基于納米材料的新型ECL 發(fā)射物和共反應(yīng)物成為了研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，研究較多的新型發(fā)射物和共反應(yīng)物為金屬納米團(tuán)簇（Metal nanoclusters，MNCs）、鎘量子點(diǎn)（CdS）、硫量子點(diǎn)（SQDs）和碳量子點(diǎn)（CQDs）[15]。

本文以經(jīng)典ECL 體系與新型ECL 發(fā)射物和共反應(yīng)物的電致化學(xué)發(fā)光傳感器為切入點(diǎn)，舉例闡述ECL 傳感器的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理；并對(duì)近年來(lái)ECL 傳感技術(shù)在檢測(cè)食品中營(yíng)養(yǎng)成分和污染物的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，最后分析了ECL 傳感技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)

1.1 經(jīng)典ECL 體系傳感器

經(jīng)典ECL 體系傳感器主要包括兩種體系，第一種為有機(jī)化合物魯米諾/H2O2體系，第二種為無(wú)機(jī)金屬發(fā)射物釕（Ⅱ）配合物Ru（bpy）32+/TPA 體系。魯米諾作為典型的有機(jī)化合物發(fā)射物，具有無(wú)毒、價(jià)格低廉且發(fā)光效率高的優(yōu)勢(shì)[16]，是ECL 中一種應(yīng)用最為廣泛的發(fā)射物。在魯米諾中引入共反應(yīng)物H2O2可以顯著提高ECL 體系的發(fā)光效率，所形成的魯米諾/H2O2體系是經(jīng)典ECL 體系之一。與直接在檢測(cè)溶液中加入魯米諾的傳感器相比，將魯米諾固定在電極表面構(gòu)建出固態(tài)核酸適配體ECL 傳感器，不僅可以節(jié)省試劑，還能提高發(fā)光效率[17]。Cheng 等[18]選擇銀納米粒子（AgNPs）催化魯米諾/H2O2體系，構(gòu)建了一種用于檢測(cè)卡那霉素（Kanamycin，KAN）的ECL傳感器。AgNPs 作為催化劑可以加速H2O2的分解并產(chǎn)生各種中間活性氧（ROS），從而提高體系的ECL 信號(hào)強(qiáng)度。在檢測(cè)KAN 時(shí)，由于KAN 與核酸適配體之間存在特異性的相互作用，ECL 信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象，以此來(lái)確定KAN 的濃度。該檢測(cè)體系回收率在94.4%到105.17%之間。Jiang 等[19]以聚酰胺功能化的氧化鋅納米棒（ZNs-PAMAM）為載體，制備基于信號(hào)探針ZNs-PAMAM-魯米諾-二抗（Secondary antibody，Ab2）的ECL 免疫傳感器，用于檢測(cè)糖抗原15-3（CA15-3）。在檢測(cè)CA15-3 時(shí)，ZNs-PAMAM-魯米諾-Ab2 以?shī)A心式免疫反應(yīng)修飾到電極上，這使得魯米諾與電極表面的距離縮小，即可更為有效地發(fā)射ECL 信號(hào)。此外，ZNs 還可以加速分解H2O2，產(chǎn)生ROSs 加速魯米諾的ECL 反應(yīng)，增強(qiáng)ECL 信號(hào)強(qiáng)度，RSD 為95.9%～108.6%。大多數(shù)基于魯米諾的研究都是在堿性介質(zhì)中進(jìn)行的。然而在堿性條件下，當(dāng)魯米諾沒(méi)有共反應(yīng)物與之共同參與反應(yīng)時(shí)，ECL 信號(hào)會(huì)較弱甚至無(wú)法檢測(cè)到。但H2O2作為共反應(yīng)物存在不穩(wěn)定、易分解和背景信號(hào)高的缺陷。因此需要開(kāi)發(fā)更多穩(wěn)定的共反應(yīng)物，增強(qiáng)ECL信號(hào)并擴(kuò)大魯米諾的應(yīng)用范圍。

Ru（bpy）32+是一種傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)金屬陽(yáng)極ECL 發(fā)射物，因其在水相系統(tǒng)中具有更高的發(fā)光率和化學(xué)穩(wěn)定性，且價(jià)格低廉[20]，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于DNA 分析、免疫測(cè)定等領(lǐng)域中[21-22]。TPA 為通用共反應(yīng)劑，可增強(qiáng)Ru（bpy）32+的ECL 信號(hào)強(qiáng)度[23]，Ru（bpy）32+/TPA 體系也被稱為經(jīng)典的ECL 共反應(yīng)體系。Li 等[24]在Ru（bpy）32+/TPA 體系中將金與二氧化硅納米粒子修飾于玻碳電極（Au@SiO2/GCE）的表面，構(gòu)建用于檢測(cè)多巴胺（DA）的增強(qiáng)電致發(fā)光平臺(tái)。經(jīng)過(guò)研究得出，Au 局部表面發(fā)生等離子體共振會(huì)引起電磁場(chǎng)增強(qiáng)。在電磁場(chǎng)被增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)下，Au@SiO2/GCE 的ECL 信號(hào)強(qiáng)度相較于裸GCE 的信號(hào)提升了29 倍，相較于Au 修飾的GCE 信號(hào)提升了100 倍。該傳感器檢測(cè)限低至0.004 μmol/L，回收率在98%～104%之間。由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性、水溶性以及對(duì)體系中可能存在干擾物質(zhì)的抵抗力，Ru（bpy）32+/TPA是第一種也是唯一一種被正式投入商業(yè)實(shí)物應(yīng)用的電致化學(xué)發(fā)光免疫傳感器發(fā)光體系，在食品分析領(lǐng)域也同樣具有的巨大潛力。

共反應(yīng)物途徑在現(xiàn)階段的ECL 領(lǐng)域中起著主導(dǎo)作用，ECL 的共反應(yīng)物也受到很多關(guān)注。由于TPA 存在毒性和在低濃度時(shí)靈敏度較低的不足的問(wèn)題[25]，研究人員致力于開(kāi)發(fā)取代TPA 的ECL 共反應(yīng)物。Kitte 等[26]將一種新的共反應(yīng)物1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亞胺（1-Ethyl-3-（3-dimethylaminopropyl）-carbodiimide，EDC）引入Ru（bpy）32+電化學(xué)發(fā)光技術(shù)，并應(yīng)用Ru（bpy）32+/EDC 體系對(duì)H2O2進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)限為0.33 μmol/L，檢測(cè)范圍為0.5～200 μmol/L。Yuan 等[27]通 過(guò) 二 丁 基 氨 基 乙 醇（DBAE）與丙烯酰氯的反應(yīng)合成了一種新型ECL 共反應(yīng)物丙烯酸2-（二丁基氨基）乙酯（DBAEA），并用Ru（bpy）32+/DBAEA 體系檢測(cè)半胱氨酸（Cys），如圖1所示。與TPA 和DBAE 相比，DBAEA 可顯著提高鉑（Pt）電極上Ru（bpy）32+的ECL 信號(hào)強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)研究得出，ECL 信號(hào)強(qiáng)度的增加歸因于烯基與鉑電極之間的相互作用，使得DBAEA 更容易被電氧化，檢測(cè)限為1.15 μmol/L，回收率在93.5%～105.6%之間。

圖1 在鉑電極上基于Ru（bpy）32+/DBAEA 電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)Cys[27]Fig.1 ECL detection of Cys based on Ru（bpy）32+/DBAEA at a Pt electrode[27]

綜上所述，將魯米諾固定在電極上可以加快電子轉(zhuǎn)移速率，縮短信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，但固定在電極上的同時(shí)不降低其ECL 信號(hào)強(qiáng)度卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，未來(lái)可引入更多共反應(yīng)物代替H2O2或研發(fā)性能更優(yōu)異的共反應(yīng)促進(jìn)劑，進(jìn)一步提高用于食品分析的ECL 體系穩(wěn)定性和信號(hào)強(qiáng)度。增強(qiáng)傳統(tǒng)發(fā)射物的ECL 信號(hào)通常需要在溶液中加入多種共反應(yīng)物[28]，然而這就無(wú)法避免ECL 操作復(fù)雜化和試劑消耗快導(dǎo)致成本升高的問(wèn)題。鑒于此，仍然需要繼續(xù)尋找新的ECL 體系并持續(xù)圍繞經(jīng)典ECL 體系拓展應(yīng)用的范圍。

1.2 基于新型發(fā)射物和共反應(yīng)物的ECL 傳感器

由于納米材料的研究發(fā)展，越來(lái)越多的相關(guān)研究者看到了其曠闊前景，遂將納米材料引入ECL 發(fā)光體系。貴金屬納米團(tuán)簇、銅納米團(tuán)簇、鎘量子點(diǎn)、硫量子點(diǎn)和碳量子點(diǎn)等能增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度的新型ECL 發(fā)射物和共反應(yīng)物備受關(guān)注。金屬納米團(tuán)簇是一種多功能納米材料，具有介于金屬原子和金屬納米粒子之間的性質(zhì)[29]。MNCs 主要包括金納米團(tuán)簇（AuNCs）和銀納米團(tuán)簇（AgNCs），其中金納米團(tuán)簇因具有穩(wěn)定性高、生物相容性好等優(yōu)勢(shì)，已在生物成像[30]和電催化[31]領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。但是，與經(jīng)典的ECL 發(fā)射物相比，金屬納米簇的ECL 發(fā)光效率相對(duì)比較低。因此，采用不同策略來(lái)增強(qiáng)金屬納米簇的ECL 信號(hào)強(qiáng)度，提高其量子產(chǎn)率是目前的研究熱點(diǎn)。Zhang 等[32]將金納米團(tuán)簇和二維過(guò)渡金屬碳化物Ti3C2結(jié)合，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)AuNCs@Ti3C2，并將其作為發(fā)射物構(gòu)建ECL 生物傳感器，用于檢測(cè)微小RNA-155（miRNA-155）。研究顯示，AuNCs 通過(guò)氧原子牢固地錨定在Ti3C2表面，Au-O-Ti 連接起了AuNCs 和Ti3C2，改善了AuNCs 因尺寸較小不利于分離與固定的不足。此外，Ti3C2作為載體不僅導(dǎo)電性良好，還能增加AuNCs 的負(fù)載量。Huang 等[33]提出了一種基于金納米團(tuán)簇和過(guò)硫酸鉀（AuNCs/K2S2O8）的ECL 傳感體系，用于檢測(cè)尼古丁（Nicotine）。通過(guò)高效液相色譜-質(zhì)譜分析（High-performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）研究了K2S2O8中尼古丁的變化，結(jié)果表明，K2S2O8會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化中間體SO4-·自由基陰離子。尼古丁分子的吡咯烷部分不僅很容易被氧化成煙酸，還會(huì)與SO4-·發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)，導(dǎo)致ECL 信號(hào)下降，檢測(cè)限低至7.0×10-7μmol/L。

銅是一種經(jīng)濟(jì)、高效且儲(chǔ)量豐富的金屬元素，也是人體必需的微量元素。銅納米團(tuán)簇（CuNCs）展現(xiàn)出的ECL 性能使其可應(yīng)用在傳感檢測(cè)和成像分析等領(lǐng)域[34]。Zhao 等[35]將牛血清白蛋白保護(hù)的CuNCs作為發(fā)射物，肼作為共反應(yīng)物構(gòu)建ECL 傳感器，用于檢測(cè)DA。Zhuang 等[36]利用稀土元素銪（Eu）豐富的電子結(jié)構(gòu)和顯著的光學(xué)性能，提出了基于銪摻雜銅納米團(tuán)簇（Eu3+-CuNCs）的ECL 生物傳感器，以實(shí)現(xiàn)靈敏檢測(cè)多巴胺。Eu3+改變了CuNCs 的表面，并驅(qū)動(dòng)合成Eu（Ⅲ）復(fù)合物，形成新的表面狀態(tài)，以促進(jìn)能量有效轉(zhuǎn)移到Eu3+，從而大大增強(qiáng)了ECL 發(fā)射強(qiáng)度和CuNCs 的穩(wěn)定性。該傳感器具有很強(qiáng)的選擇性，對(duì)DA 的檢測(cè)限為1×10-11μmol/L。

量子點(diǎn)（Quantum dots，QDs）被稱為膠體半導(dǎo)體納米晶體，作為一種零維納米材料，QDs 具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性能[37]。因此，量子點(diǎn)在光催化[38]和生物醫(yī)學(xué)影像[39]等領(lǐng)域中受到了極大的關(guān)注。其中，硫化鎘量子點(diǎn)（CdS）因表面易功能化和ECL 性質(zhì)穩(wěn)定，使其成為ECL 傳感中發(fā)射物的理想選擇[40]。Zhao 等[41]通過(guò)電沉積法合成硫化鎘/硫化鋅量子點(diǎn)（CdS/ZnS QDs），并基于CdS/ZnS QDs 的電致化學(xué)發(fā)光猝滅構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)Cu2+的ECL 傳感器。研究結(jié)果表明，制備的CdS/ZnS QDs 表現(xiàn)出很好的溶解性和強(qiáng)而穩(wěn)定的陰極電泳能力，Cu2+與Cd2+和Zn2+反應(yīng)生成的硫化銅會(huì)使CdS/ZnS 量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)被破壞，ECL 強(qiáng)度顯著降低，即CdS/ZnS 量子點(diǎn)被Cu2+選擇性淬滅。該傳感器對(duì)Cu2+的檢測(cè)限為9.5×10-4μmol/L，檢測(cè)范圍為2.5～200 nmol/L。

由于硫化鎘量子點(diǎn)中包含重金屬鎘，其中存在不可避免的毒性，并對(duì)生物環(huán)境有著極大的威脅，所以近年來(lái)研究人員致力于開(kāi)發(fā)無(wú)毒副作用或無(wú)重金屬的量子點(diǎn)。其中硫量子點(diǎn)（SQDs）作為一種無(wú)金屬量子點(diǎn)，且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性和低毒性[42]，被認(rèn)為是有很潛力的綠色納米材料。Hu 等[43]建立了一種以SQDs 作為發(fā)射物，K2S2O8為共反應(yīng)物的電化學(xué)發(fā)光傳感器，用于測(cè)定多巴胺。檢測(cè)限達(dá)到2.5×10-5μmol/L，檢測(cè)范圍為1×10-10～1×10-3mol/L。Han 等[44]將硫量子點(diǎn)與H2O2結(jié)合形成H-SQDs，再?gòu)?fù)合二氧化錳（MnO2），制備了H-SQDs@MnO2/GCE 陽(yáng)極增強(qiáng)型“off-on”ECL 生物傳感器（圖2），用于對(duì)谷胱甘肽（GSH）進(jìn)行靈敏檢測(cè)。MnO2被用作ECL 共振能量轉(zhuǎn)移（Resonant energy transfer，RET）受體，也可作為識(shí)別單元來(lái)識(shí)別GSH。如圖2C 所示，通過(guò)在MnO2上原位錨定H-SQDs 建立ECLRET 體系。H-SQDs@MnO2顯示出幾乎被猝滅的ECL 響應(yīng)，處于“信號(hào)關(guān)閉”狀態(tài)。GSH 則會(huì)特異性地將MnO2還原為Mn2+，并從H-SQDs@MnO2上標(biāo)定下來(lái)H-SQDs，ECL 響應(yīng)恢復(fù)為“信號(hào)開(kāi)啟”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)GSH 的靈敏檢測(cè)。研究表明，H-SQDs的ECL 性能和光學(xué)性質(zhì)得到了顯著改善，這是因?yàn)槠浔砻嫘纬筛叨肉g化，并且合成H-SQDs 后再用H2O2進(jìn)行蝕刻，電荷轉(zhuǎn)移能力會(huì)增強(qiáng)。

圖2 制備檢測(cè)GSH 的“off-on”ECL-RET 的流程圖[44]Fig.2 Flowchart for preparing “off-on” ECL-RET for detection of GSH[44]

碳量子點(diǎn)因其易于合成和修飾、高生物相容性和低毒性[45]的特點(diǎn)在光電催化[46]和生物成像[47]中表現(xiàn)出巨大潛力，有望替代重金屬量子點(diǎn)。但CQDs量子產(chǎn)率低并且需要很高的激發(fā)電位，所以人們將其他元素?fù)诫s進(jìn)CQDs 中，以提高CQDs 的ECL 性能[48]。許多研究表明，氮摻雜是促進(jìn)CQDs 的ECL發(fā)射的有效方法之一[49-50]。Li 等[51]采用一步水熱法制備出氮摻雜碳量子點(diǎn)（N-CQDs），并結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種基于N-CQDs 的紙基ECL 傳感器，用于檢測(cè)自來(lái)水中的Cu2+。該傳感器使用N-CQDs作為發(fā)射物，K2S2O8作為共反應(yīng)物，Cu2+的檢測(cè)限為0.12 μmol/L，檢測(cè)范圍為0.01～1000 μmol/L。研究表明，使用摻雜了N 的CQDs 會(huì)更容易將電子注入CQDs 中，并且N 原子會(huì)在QDs 表面產(chǎn)生更多的表面缺陷，在提高ECL 活性的同時(shí)提供了更多的化學(xué)活性位點(diǎn)。近年來(lái)，CQDs 成為一種很有前途的ECL 共反應(yīng)材料，受到了廣泛關(guān)注。

綜上所述，新型ECL 發(fā)射物的生物傳感器已經(jīng)有了一定的發(fā)展，并在各個(gè)領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。Au、Ag 金屬納米團(tuán)簇雖具有優(yōu)異的光學(xué)性能但成本過(guò)高，而Cu 更廉價(jià)且同樣具有高生物相容性，在食品分析領(lǐng)域備受關(guān)注。但由于Cu 存在易被氧化的問(wèn)題，并且制備出穩(wěn)定的CuNCs 較為困難，導(dǎo)致CuNCs 在ECL 傳感分析中的應(yīng)用相對(duì)滯后。預(yù)測(cè)今后研究人員會(huì)聚焦于研究CuNCs 的穩(wěn)定制備及應(yīng)用方面，CuNCs 有望用于構(gòu)建更高效的ECL 傳感器。量子點(diǎn)在生物分析領(lǐng)域的探索仍處于早期階段，卻已經(jīng)在ECL 生物傳感方面顯示出巨大的潛力。目前基于碳量子點(diǎn)的ECL 研究主要集中在應(yīng)用開(kāi)發(fā)上，但較少對(duì)ECL 發(fā)射機(jī)制進(jìn)行研究和說(shuō)明。雖然開(kāi)發(fā)高ECL 性能的量子點(diǎn)仍然是巨大的挑戰(zhàn)，但這也會(huì)有效地促進(jìn)ECL 傳感器的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，相信未來(lái)出現(xiàn)更多能夠用于食品分析及各個(gè)領(lǐng)域的性能優(yōu)異的新型發(fā)射物和共反應(yīng)物。

2 電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)在食品分析中的研究進(jìn)展

2.1 在檢測(cè)食品營(yíng)養(yǎng)成分中的應(yīng)用

食品中的營(yíng)養(yǎng)成分包括維生素、碳水化合物和脂類等，從食品中獲取需要的營(yíng)養(yǎng)對(duì)人體健康有著不可替代的作用。因此，對(duì)食品中的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行檢測(cè)十分重要?？箟难幔ˋscorbic acid，AA）又稱維生素C，是人體不可缺少的水溶性維生素，在調(diào)節(jié)各種氧化還原代謝反應(yīng)中起著重要作用[52]。研究發(fā)現(xiàn)，缺乏AA 會(huì)導(dǎo)致壞血病和免疫力下降，但過(guò)量攝入AA 也可能會(huì)導(dǎo)致腹瀉、皮疹等疾病[53]。因此，開(kāi)發(fā)一種準(zhǔn)確、靈敏的AA 檢測(cè)方法對(duì)于食品安全具有重要意義。迄今為止，已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種傳統(tǒng)的AA檢測(cè)方法，包括高效液相色譜法、比色法和電泳法。但這些檢測(cè)方法都存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，在一定程度上受到限制。因此，電致化學(xué)發(fā)光法以其設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。Wang 等[54]使用內(nèi)標(biāo)法構(gòu)建了石墨氮化碳量子點(diǎn)（g-CNQDs）與雙共反應(yīng)物K2S2O8和四丁基溴化銨（TBAB）的ECL 傳感器，用來(lái)檢測(cè)人血清中的AA。在該傳感器中，g-CNQDs 作為單一發(fā)射物，在兩種共反應(yīng)物存在下可以產(chǎn)生雙ECL 信號(hào)，ECL 信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著AA 濃度的增加而降低，從而檢測(cè)出AA 含量。Su 等[55]基于雙增強(qiáng)Ru（bpy）32+/CQDs/AA 體系，結(jié)合磁場(chǎng)增強(qiáng)固相微萃?。∕FE-SPME）技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種雙峰ECL 傳感器，可直接測(cè)定AA，如圖3 所示。該傳感器還將四氧化三鐵（Fe3O4）、殼聚糖（CS）和氧化石墨烯（GO）結(jié)合，制備出磁性納米復(fù)合材料Fe3O4@CS@GO，并將其作為磁性吸附劑，在磁性玻碳電極（MGCE）的外磁場(chǎng)作用下提取AA。Fe3O4@CS@GO 減少了GO 的聚集，增加了CS 溶解度，還提高了萃取性能。研究表明，ECL 傳感器出現(xiàn)雙峰是因Ru（bpy）32+和CQDs 之間的相互作用引起的。此外，在Ru（bpy）32+/CQDs 體系中加入AA后，雙峰ECL 的信號(hào)強(qiáng)度明顯增加，說(shuō)明AA 可以增強(qiáng)Ru（bpy）32+/CQDs 體系的ECL 信號(hào)強(qiáng)度，也進(jìn)一步表明CQDs 可以加速Ru（bpy）32+的電化學(xué)反應(yīng)速率。該檢測(cè)體系回收率為87.2%～104.0%，RSD 為3.12%～4.71%。

圖3 雙增強(qiáng)體系檢測(cè)AA 的ECL 傳感器示意圖[55]Fig.3 The schematic diagram of the ECL sensor for AA detection in the dual enhancement system[55]

葡萄糖（Glucose）是碳水化合物的主要成分，也是生命活動(dòng)必不可缺的物質(zhì)之一[56]。血液中的葡萄糖水平是臨床醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要參數(shù)，高血糖濃度會(huì)導(dǎo)致糖尿病，而糖尿病會(huì)誘發(fā)腎衰竭、心臟病或失明等許多疾病[57]。所以快速、準(zhǔn)確、便捷的檢測(cè)葡萄糖尤為重要。Lu 等[58]使用氧化鈷摻雜氧化銀（Co3O4@Ag2O）和卟啉鋅（TMPP-Zn）修飾電極，并構(gòu)建了一種用于測(cè)定葡萄糖的增強(qiáng)型ECL 傳感器。該傳感器首先使用多壁碳納米管（MWNTs）將Ru（bpy）32+固定在GCE 電極表面，然后依次將Co3O4@Ag2O 和TMPP-Zn 兩種復(fù)合物修飾到玻碳電極表面，最終形成TMPP-Zn/Co3O4@Ag2O/Ru（bpy）32+/MWNTs/GCE修飾電極。Co3O4@Ag2O 和TMPP-Zn 的協(xié)同作用增強(qiáng)了系統(tǒng)的ECL 性能，檢測(cè)限為3.3×10-3μmol/L，回收率在96.8%～104.4%之間。Zhang 等[59]選擇碲化鎘（CdTe）、沸石咪唑骨架材料（ZIF-7）、羧化多壁碳納米管（MWCNTs）、全氟磺化陽(yáng)離子交換聚合物（Nafion）和葡萄糖氧化酶（GOD）修飾電極（Nafion/ZIF-7-GOD/CdTe@MWCNTs-GO/GCE），制備出用于測(cè)定血清中葡萄糖的ECL 傳感器。研究結(jié)果顯示，電極表面覆蓋的CdTe 和ZIF-7 作為共反應(yīng)促進(jìn)劑可以通過(guò)協(xié)同作用放大ECL 信號(hào)；與此同時(shí)，MWCNTs 和GO 具有大比表面積，可作為量子點(diǎn)的載體以增強(qiáng)ECL 信號(hào)強(qiáng)度；負(fù)載能力強(qiáng)的ZIF-7 會(huì)固定GOD，而GOD 與葡萄糖反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生H2O2，H2O2分解也可增強(qiáng)ECL 信號(hào)，諸多因素共同促使ECL 傳感器表現(xiàn)出了良好的靈敏度和精確度，檢測(cè)限為6.7×10-4μmol/L。

膽固醇（Cholesterol）是血脂的一種，也是類固醇激素、膽汁酸和維生素D 的主要前體物質(zhì)[60]。健康人血清中總膽固醇（游離膽固醇和膽固醇酯的總和）的水平約為2.86～5.98 mmol/L，膽固醇含量過(guò)高會(huì)增加患心臟病的風(fēng)險(xiǎn)[61]。檢測(cè)膽固醇的方法有比色法和熒光光譜法等，ECL 相較于傳統(tǒng)光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可控制反應(yīng)的空間和時(shí)間，同時(shí)信噪比和選擇性得到改善，因此是檢測(cè)膽固醇的有力工具。Yang等[62]以牛血清白蛋白（BSA）為保護(hù)劑，制備固定膽固醇氧化酶（ChOx）的Ag-BSA-MnO2納米片，成功構(gòu)建出了一種用于檢測(cè)膽固醇的ECL 傳感器。研究表明，BSA 是一種非導(dǎo)電蛋白，但在體系中加入AgNPs 時(shí)會(huì)促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移并增加納米片的生物相容性。ChOx 可以催化膽固醇生成H2O2并形成魯米諾-H2O2體系；AgNPs 與MnO2的協(xié)同作用提高了催化效率，從而有效放大了魯米諾-H2O2體系的ECL 信號(hào)，檢測(cè)限為0.07 μmol/L。

ECL 技術(shù)除了能夠檢測(cè)上述營(yíng)養(yǎng)成分之外，也有研究報(bào)道顯示其可以檢測(cè)食品中的其他營(yíng)養(yǎng)成分，如表1 所示。盡管高效液相色譜、比色法和分光光度法等檢測(cè)方法已用于測(cè)定食品中的營(yíng)養(yǎng)成分，但它們存在樣品制備步驟復(fù)雜并且分析時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的問(wèn)題。因此，電致化學(xué)發(fā)光法憑借響應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、以及成本效益高的優(yōu)點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)低成本和高靈敏度的檢測(cè)食品中營(yíng)養(yǎng)成分的傳感器奠定了基礎(chǔ)。

表1 ECL 傳感技術(shù)在檢測(cè)食品營(yíng)養(yǎng)成分中的應(yīng)用進(jìn)展Table 1 Progress in the application of ECL sensing technology in the detection of nutrient content of food

2.2 在檢測(cè)食品化學(xué)污染物中的應(yīng)用

一般來(lái)說(shuō)，食品中的化學(xué)污染物主要包含三個(gè)方面，分別是自然環(huán)境中存在的污染物、農(nóng)藥和獸藥的殘留污染物和非法添加劑。鄰苯二酚（Catechol）常在合成染料、橡膠制品等被用作反應(yīng)中間體，是環(huán)境中常見(jiàn)的有機(jī)污染物[76]。但鄰苯二酚有劇毒，屬于2B 類致癌物，易通過(guò)皮膚或黏膜進(jìn)入人體，即使?jié)舛群艿鸵矔?huì)對(duì)人體的多個(gè)系統(tǒng)造成損害[77]。許多方法已被用于檢測(cè)鄰苯二酚，如分光光度法、氣相色譜法和高效液相色譜法。但由于這些方法存在所需儀器復(fù)雜、污染環(huán)境等問(wèn)題。電致化學(xué)發(fā)光法不僅可以節(jié)省發(fā)光試劑，還可以實(shí)現(xiàn)ECL 儀器的小型化和現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。Peng 等[78]以CdTe 量子點(diǎn)為前驅(qū)體，通過(guò)離子交換法合成碲化銀（Ag2Te）量子點(diǎn)，并以K2S2O8為共反應(yīng)物，形成ECL 傳感器檢測(cè)鄰苯二酚，檢測(cè)限為3.1×10-4μmol/L，檢測(cè)范圍為1～1000 nmol/L。Liu 等[79]制備基于Ru（bpy）32+和g-CNQDs 的ECL 傳感器，用于檢測(cè)茶葉中的鄰苯二酚。g-CNQDs 具有較大的比表面積和顯著的催化作用，還在體系中起到共反應(yīng)物的作用。研究結(jié)果顯示，g-CNQDs 與Ru（bpy）32+結(jié)合后進(jìn)行電化學(xué)性質(zhì)研究，出現(xiàn)Ru（bpy）32+的氧化峰電流增加而還原峰電流降低的現(xiàn)象，這意味著Ru（bpy）32+會(huì)誘導(dǎo)g-CNQDs進(jìn)行催化氧化，從而使ECL 信號(hào)增強(qiáng)。該傳感器對(duì)鄰苯二酚的檢測(cè)限為2.5×10-3μmol/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6 和5.1，表明ECL 法對(duì)鄰苯二酚的測(cè)定是可靠、有效的。環(huán)保型Ag+在替代有毒Cd+在量子點(diǎn)中的應(yīng)用時(shí)，會(huì)使其毒性降低，因此未來(lái)有望成為ECL生物傳感器在食品領(lǐng)域的候選材料。

丙溴磷（Profenofos，PFF）是一種廣泛使用的有機(jī)磷農(nóng)藥，可有效防治棉花和甘藍(lán)等多種蔬菜作物的害蟲(chóng)[80-81]。然而，PFF 殘留物會(huì)通過(guò)抑制乙酰膽堿酯酶活性對(duì)水生動(dòng)物和人類產(chǎn)生毒性，并堆積在各個(gè)器官中，從而嚴(yán)重?fù)p害神經(jīng)系統(tǒng)[82]。目前檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的方法主要有電化學(xué)法、比色法和熒光法等。在這些方法中，電致化學(xué)發(fā)光法具有靈敏度高、易于控制、測(cè)試時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，是檢測(cè)實(shí)際樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥必不可少的方法。Shi 等[83]使用多壁碳納米管修飾的金納米粒子（AuNPs@MWCNTs）來(lái)增強(qiáng)魯米諾-H2O2的ECL 傳感體系，該ECL 傳感器可靈敏檢測(cè)蔬菜中的丙溴磷。AuNPs@MWCNTs 用于提供大比表面積以負(fù)載更多發(fā)光基團(tuán)并實(shí)現(xiàn)ECL 信號(hào)的首次放大；另合成在體系中起到催化劑作用的Au@AgNPs，加速H2O2的分解并提高電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的效率，從而實(shí)現(xiàn)了輸出ECL 信號(hào)的二次放大。所提出的ECL 傳感器對(duì)丙溴磷的檢測(cè)限為1.66×10-5nmol/L，并具有3.2×10-4～3.2×103nmol/L 的良好檢測(cè)范圍。

腐霉利（Procymidone，PCM）作為一種有機(jī)氯農(nóng)藥，主要用于預(yù)防蔬菜和水果中的菌核病和灰霉病[84]，長(zhǎng)期食用PCM 殘留超標(biāo)的蔬菜會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響[85]。Zhang 等[86]結(jié)合分子印跡技術(shù)（Molecularly imprinted polymer，MIP）和ECL 技術(shù)，制備了一種檢測(cè)腐霉利的MIP-ECL 傳感器。在該傳感器中，采用一步法合成Ru（bpy）32+@ZIF-7 復(fù)合材料用于ECL 信號(hào)識(shí)別，ZIF-7 由于孔隙率高，比表面積大，可以吸附更多的Ru（bpy）32+，并且二者協(xié)同作用還能提高ECL 信號(hào)強(qiáng)度，Ru（bpy）32+@ZIF-7/GCE 修飾電極的ECL 信號(hào)相比裸GCE 提升了29.1倍，對(duì)腐霉利的檢測(cè)限為20 μmol/L，檢測(cè)范圍為1.0×10-10～1.0×10-6mol/L，回收率為89.0%～105.5%。

除上述應(yīng)用外，ECL 傳感技術(shù)還被用于檢測(cè)其他食品污染物，如有機(jī)磷農(nóng)藥馬拉硫磷、甲基對(duì)硫磷和毒死蜱[87]、獸藥殘留物苯乙醇胺A[88]和動(dòng)物飼料中的非法添加劑溴布特羅[89]?；陔娭禄瘜W(xué)發(fā)光傳感技術(shù)儀器簡(jiǎn)單、背景信號(hào)低、靈敏度高和可快速進(jìn)行檢測(cè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如今已成為一種強(qiáng)大的分析技術(shù)。ECL 傳感技術(shù)在食品污染物分析中顯示出了巨大的潛力，為未來(lái)快速檢測(cè)食品中的污染物提供了新的研究方向。

3 結(jié)論和展望

電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)是生物技術(shù)領(lǐng)域中的一種重要分析檢測(cè)方法。作為新興的檢測(cè)技術(shù)之一，電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)可以很好地解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法成本較高、使用條件相對(duì)苛刻、穩(wěn)定性較差等問(wèn)題。雖然ECL 技術(shù)已取得巨大進(jìn)展，但對(duì)于食品分析的實(shí)際應(yīng)用而言，已開(kāi)發(fā)的ECL 傳感器仍存在著一些問(wèn)題。a.現(xiàn)有用于食品分析的ECL 發(fā)射物存在環(huán)境安全隱患并且其信號(hào)強(qiáng)度仍有提高的空間。因此，有必要繼續(xù)尋找新的高效、無(wú)毒的發(fā)射物和共反應(yīng)物來(lái)提高ECL 生物傳感器的靈敏度和生物相容性，使其可以安全的用于食品分析。b.目前，基于新型發(fā)射物的檢測(cè)方法大多只能檢測(cè)一種分析物。因此，開(kāi)發(fā)可同時(shí)檢測(cè)多種分析物的基于新型發(fā)射物ECL 傳感器可以作為發(fā)展ECL 技術(shù)的新方向。c.目前用于食品分析的發(fā)射物和共反應(yīng)物無(wú)法滿足構(gòu)建穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的ECL 生物傳感器的需求。應(yīng)繼續(xù)研發(fā)不同激發(fā)電位、不同激發(fā)強(qiáng)度和不同激發(fā)波長(zhǎng)的新型發(fā)射物和共反應(yīng)物。也可引入其他設(shè)備或技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展ECL 應(yīng)用范圍。綜上，隨著對(duì)電致化學(xué)發(fā)光傳感技術(shù)的不斷探索，其優(yōu)勢(shì)和潛力也不斷顯現(xiàn)出來(lái)。希望ECL 技術(shù)可以引起更多研究人員的關(guān)注，設(shè)計(jì)和合成更多新型ECL 生物傳感器，開(kāi)拓更多應(yīng)用領(lǐng)域。