楊盼盼 唐書澤 吳事正 李 梁 滕久委

(1. 暨南大學(xué)理工學(xué)院食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632；2. 暨南大學(xué)國際學(xué)院，廣東 廣州 510632)

近年來，突發(fā)性水污染事故及人為水中投毒時(shí)有發(fā)生。中國環(huán)境保護(hù)部調(diào)查顯示， 1996～2006年共有558起水污染事故，其中52%是突發(fā)性事件[1-3]。建立應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染的快速在線檢測方法，是飲用水安全預(yù)警，科學(xué)判斷，正確處理，預(yù)防重大食品安全突發(fā)事故急需研究的課題。

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，DON)又名嘔吐毒素，屬于B族單端孢霉烯族化合物，由禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌等真菌產(chǎn)生，主要來源于受污染的谷物[4-5]。人與動(dòng)物食用少量受DON污染的食物后，會(huì)產(chǎn)生中毒癥狀，例如體重減少、拒食、惡心、嘔吐等，長期攝入可導(dǎo)致免疫功能受損，甚至引發(fā)更嚴(yán)重疾病[6-7]。DON溶于水，易在谷物中富集，是飲用水的一種潛在污染毒素[8-9]。

檢測DON的方法主要有高效液相色譜法(HPLC)[10-11]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[12]、酶聯(lián)免疫法(ELISA)[13]、高光譜圖像[14]、化學(xué)發(fā)光磁酶免疫法[15]等。這些方法存在儀器價(jià)格昂貴、耗時(shí)、重復(fù)性差等缺點(diǎn)。流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法具有檢測限低，靈敏度高，檢測速度快、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。本課題組前期研究開發(fā)了針對(duì)秋水仙堿[18]、3-硝基丙酸[19]、黃綠青霉素[20]等毒素的流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光快速檢測方法。本研究擬基于DON對(duì)魯米諾-過氧化氫化學(xué)發(fā)光體系的增強(qiáng)作用，建立一種用于飲用水中DON突發(fā)性污染的快速在線檢測方法。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

1.1.1 主要儀器設(shè)備

蠕動(dòng)泵：BT100-1F型，保定蘭格恒流泵有限公司；

微弱發(fā)光測量儀：BPCL-K型，北京亞泊斯科技有限公司；

六通閥：C22Z型，美國VICI公司；

紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)：UV-3600Plus型，日本島津有限公司。

1.1.2 主要試劑

魯米諾、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇：分析純，美國Sigma公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 進(jìn)樣方法 DON流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光測定流程圖見圖1。過氧化氫溶液、魯米諾溶液、表面活性劑溶液及樣品DON溶液在蠕動(dòng)泵的推動(dòng)下進(jìn)入六通閥，通過調(diào)節(jié)六通閥，使各流路在流通池中均勻混合，并發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，光電倍增管捕捉并擴(kuò)大發(fā)光信號(hào)，然后通過信號(hào)分析器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，輸送至計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)所裝的微弱發(fā)光測量系統(tǒng)專用軟件，對(duì)樣品進(jìn)行發(fā)光強(qiáng)度測量，從而進(jìn)行樣品DON分析。

A. 過氧化氫溶液 B. 魯米諾溶液 C. 表面活性劑溶液 D. DON溶液 P. 蠕動(dòng)泵 V. 六通閥 F. 流通池 PMT. 光電倍增管 NHV. 負(fù)高壓 W. 廢液

圖1 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光流程圖

Figure 1 Schematic diagram of flow-injection chemiluminescence system

1.2.2 流路及其參數(shù)選擇

(1) 蠕動(dòng)泵泵前管路選擇：在流速17 mL/min，過氧化氫濃度0.1 mol/L，氫氧化鈉濃度0.1 mol/L，魯米諾濃度1×10-5mol/L，表面活性劑濃度10%，DON濃度 0.2 mg/L的條件下，分別調(diào)節(jié)泵前長度20，30，40 cm，觀察液體能否從燒杯進(jìn)入到軟管中。

(2) 蠕動(dòng)泵流速選擇：在泵前長度30 cm，過氧化氫濃度0.1 mol/L，氫氧化鈉濃度0.1 mol/L，魯米諾濃度1×10-5mol/L，表面活性劑濃度10%，DON濃度0.2 mg/L的條件下，分別調(diào)節(jié)泵速為5，7，9，11，13，15，17 mL/min，觀察化學(xué)發(fā)光所需的時(shí)間及化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，確定最佳的流速。

1.2.3 表面活性劑選擇 在光電倍增管負(fù)高壓為750 V，過氧化氫濃度0.1 mol/L，氫氧化鈉濃度0.1 mol/L，魯米諾濃度1×10-5mol/L，DON濃度 0.2 mg/L的條件下，表面活性劑分別選擇10%吐溫80、10%卵磷脂、10%十二烷基硫酸鈉(Sodium dodecyl sulfate，SDS)、10%十六烷基三甲基溴化銨 (Hexadecyl trimethyl ammonium bromide，CTAB)，考察不同表面活性劑對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響。

1.2.4 單因素試驗(yàn) 影響化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的主要因素有氫氧化鈉濃度、魯米諾濃度、過氧化氫濃度、吐溫80濃度。單因素試驗(yàn)流程和參數(shù)分別見1.2.1、1.2.2，光電倍增管負(fù)高壓750 V，分別考察各因素對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響。

(1) 氫氧化鈉濃度的選擇：在過氧化氫濃度0.1 mol/L，魯米諾濃度1×10-5mol/L，吐溫80濃度10%、DON濃度 0.2 mg/L的條件下，分別考察氫氧化鈉在0.01，0.02，0.03，0.04，0.05 mol/L時(shí)的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

(2) 魯米諾濃度的選擇：在過氧化氫濃度0.1 mol/L，氫氧化鈉濃度0.02 mol/L，吐溫80濃度10%，DON濃度 0.2 mg/L 的條件下，分別考察魯米諾在2×10-4，4×10-4，6×10-4，8×10-4，1×10-3mol/L時(shí)的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

(3) 過氧化氫濃度的選擇：在氫氧化鈉濃度0.02 mol/L，魯米諾濃度8×10-4mol/L，吐溫80濃度10%，DON濃度0.2 mg/L 的條件下，分別考察過氧化氫濃度0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mol/L時(shí)的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

(4) 吐溫80濃度的選擇：在氫氧化鈉濃度0.02 mol/L，過氧化氫濃度0.6 mol/L，魯米諾濃度8×10-4mol/L，DON濃度0.2 mg/L的條件下，分別考察吐溫80濃度為2%，4%，6%，8%，10%時(shí)的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

1.2.5 響應(yīng)面設(shè)計(jì) 依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，對(duì)試驗(yàn)有影響的4個(gè)因素，即氫氧化鈉濃度、魯米諾濃度、過氧化氫濃度和吐溫80濃度進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，用Design Expert 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

1.2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制、精密度及檢出限確定 在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，測定DON濃度在0.001～4.000 mg/L時(shí)的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。以DON的濃度為橫坐標(biāo)，發(fā)光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并計(jì)算精密度和檢出限。

1.2.7 回收率測定 在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，分別在自來水和蒸餾水中加入定量的DON，測定回收率，并對(duì)自來水中的干擾離子進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)機(jī)理探討

魯米諾-過氧化氫體系在堿性溶液中的發(fā)光機(jī)理已有報(bào)道[21-23]。在本試驗(yàn)中，為了探討發(fā)光機(jī)理，利用紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)在190～400 nm下對(duì)4種溶液進(jìn)行紫外吸收光譜分析，結(jié)果見圖2。魯米諾—過氧化氫分別在289，345 nm處有2個(gè)峰，分別加入DON和吐溫80后，峰的位置基本沒有變化，也無其他峰出現(xiàn)，說明加入DON和吐溫80后沒有生成新的物質(zhì)，DON和吐溫80在這一體系中可能起到催化的作用。反應(yīng)機(jī)制可能為：① 魯米諾和過氧化氫在堿性的條件下，形成陰離子；② 由于吐溫80的存在，改變了化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的微環(huán)境；③ 由于微環(huán)境中膠束的存在，3-氨基鄰苯二甲酸根被富集，導(dǎo)致激發(fā)態(tài)中間體的壽命延長和產(chǎn)率增加[24]，從而增強(qiáng)體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

2.2 流路及其參數(shù)的選擇

2.2.1 蠕動(dòng)泵泵前管路的選擇 試驗(yàn)使用的驅(qū)流裝置為蠕動(dòng)泵，在試驗(yàn)過程中，蠕動(dòng)泵前管路過長或者過短，都會(huì)由于壓力的原因使液體無法進(jìn)入管中。因此試驗(yàn)得到蠕動(dòng)泵前管路最佳長度為30 cm。

2.2.2 蠕動(dòng)泵流速選擇 蠕動(dòng)泵的流速是影響試驗(yàn)的重要參數(shù)。由圖3可知，在流動(dòng)注射過程中，在泵速13 mL/min時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大值，在泵速較慢或較快的情況下，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度偏低。原因可能是當(dāng)泵速較慢時(shí)，化學(xué)發(fā)光反應(yīng)已經(jīng)在流路中發(fā)生，因此檢測器捕捉不到或只能捕捉到較小的發(fā)光信號(hào)；當(dāng)泵速過快時(shí)，溶液沒有完全發(fā)生反應(yīng)而被流走，因此得到最佳泵速為13 mL/min。

圖2 紫外-可見吸收光譜圖Figure 2 UV-Vis absorption spectrum of CL system

圖3 蠕動(dòng)泵流速的選擇Figure 3 Selection of peristaltic pump flow rate

2.3 表面活性劑的選擇

表面活性劑具有增溶、提高靈敏度、改變?nèi)芤航殡姵?shù)和增強(qiáng)體系穩(wěn)定的作用[25]。由表1可知，在DON 0.2 mg/L時(shí)，吐溫80、卵磷脂、SDS和CTAB對(duì)魯米諾—過氧化氫體系有增敏作用，吐溫80增敏效果最為顯著。CTAB在反應(yīng)過程中出現(xiàn)白色沉淀，可能是由于反應(yīng)的產(chǎn)物不能溶解于該體系，這與文獻(xiàn)[26]報(bào)道一致。因此選擇吐溫80作為該體系的增敏劑。

2.4 化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

魯米諾—過氧化氫的化學(xué)體系見圖4。在魯米諾—過氧化氫體系中加入DON，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度增加，說明DON對(duì)該體系有促進(jìn)作用。吐溫80作為增敏劑，添加到魯米諾—過氧化氫—DON體系中，有顯著促進(jìn)作用，因此，試驗(yàn)選擇魯米諾—過氧化氫—吐溫80體系對(duì)DON進(jìn)行檢測。

表1 表面活性劑對(duì)DON的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響Table 1 Effect of surfactants on chemiluminescence of DON

圖4 化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線Figure 4 Curve of the chemiluminescence system

2.5 單因素試驗(yàn)

2.5.1 氫氧化鈉濃度的選擇 在堿性條件下，魯米諾發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，因此采用氫氧化鈉作為堿溶液[27]。由圖5可知，當(dāng)氫氧化鈉濃度為0.02 mol/L時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度最大，隨后發(fā)光強(qiáng)度降低，可能加入吐溫80以后，在靜電作用和膠束作用下，溶液中的氫氧根離子被局部富集，膠束中的堿性增強(qiáng)，反應(yīng)所需的pH降低[25]。因此選擇0.02 mol/L為氫氧化鈉的最適濃度。

圖5 氫氧化鈉濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系

Figure 5 Relationship between sodium hydroxide concentration and chemiluminescence intensity

2.5.2 魯米諾濃度的選擇 魯米諾濃度對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響見圖6，在魯米諾濃度2×10-4～8×10-4mol/L時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨魯米諾濃度增大而增強(qiáng)，當(dāng)魯米諾濃度為8×10-4mol/L時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大，因此選擇魯米諾濃度為8×10-4mol/L。

2.5.3 過氧化氫濃度的選擇 過氧化氫在化學(xué)發(fā)光體系中作為氧化劑，直接影響發(fā)光強(qiáng)度。如圖7所示，體系的發(fā)光強(qiáng)度隨過氧化氫濃度先升高再降低，在過氧化氫濃度為0.6 mol/L 時(shí)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大值，可能由于在堿性條件下，過氧化氫易分解形成陰離子，同時(shí)，魯米諾以陰離子的形式存在，離子在吐溫80表面聚集，導(dǎo)致周圍離子濃度升高，反應(yīng)速率會(huì)提升，所以發(fā)光強(qiáng)度迅速升高，而濃度過高會(huì)產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度的降低。因此，選取0.6 mol/L 為過氧化氫最適濃度。

圖6 魯米諾濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系

Figure 6 Relationship between luminol concentration and chemiluminescence intensity

圖7 過氧化氫濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系

Figure 7 Relationship between hydrogen peroxide concentration and chemiluminescence intensity

2.5.4 吐溫80濃度的選擇 由圖8可知，發(fā)光強(qiáng)度隨著吐溫80濃度的增加而上升，當(dāng)吐溫80濃度達(dá)到8%時(shí)，化學(xué)發(fā) 光強(qiáng)度達(dá)到最大，隨后發(fā)光強(qiáng)度迅速下降，其原因可能是濃度過高的吐溫80改變了化學(xué)發(fā)光的微環(huán)境，并且吐溫80濃度增加，黏稠度增加，不利于魯米諾與過氧化氫的混合，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度的降低。因此，選擇吐溫80最適濃度為8%。

圖8 吐溫80濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系

Figure 8 Relationship between Tween 80 concentration and chemiluminescence intensity

2.6 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.6.1 響應(yīng)面模型建立 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以氫氧化鈉濃度、魯米諾濃度、過氧化氫濃度、吐溫80濃度4個(gè)因素為自變量，以化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面的分析試驗(yàn)。試驗(yàn)方案和結(jié)果分別見表2、3。

2.6.2 多元二次響應(yīng)面回歸模型建立與分析 對(duì)表3試驗(yàn)結(jié)果通過Design-Expert軟件程序進(jìn)行二次回歸響應(yīng)面分析， 建立多元二次響應(yīng)面模型：

表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的因素和水平Table 2 Factors and levels of response surface design

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Response surface experimental design and results

Y=-1.612 96×107+5.827 54×107A-1.128 89×109B+3.644 39×106C+3.54 120×1010D+5.301 97×107AB+4.152 60×106AC+1.964 75×109AD+8.716 33×107BC+4 108.333 33CD-3.343 38×109A2-8.698 98×1011B2-5.944 02×106C2-2.360 98×105D2。

(1)

表4為回歸方程分析結(jié)果。模型P=0.000 2<0.010 0，表明該擬合模型極顯著。失擬項(xiàng)為P=0. 390 5>0.050 0，即模型失擬度不顯著，說明該方程對(duì)試驗(yàn)的擬合程度好，具有較高的準(zhǔn)確度，可用于給定條件下化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的測量。而模型中一次項(xiàng)A的P值<0.01，說明氫氧化鈉濃度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極顯著，交互項(xiàng)中BC的P值<0.05，說明魯米諾濃度與過氧化氫濃度交互作用顯著。

2.6.3 響應(yīng)面分析 圖9中(a)～(f)直觀反映了任何兩個(gè)因素交互作用對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響。由圖9可知，氫氧化鈉濃度對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面坡面坡度相對(duì)陡峭，說明其對(duì)發(fā)光強(qiáng)度影響較大。這與表4中的分析結(jié)果一致。

2.6.4 響應(yīng)面中最優(yōu)檢測條件預(yù)測和驗(yàn)證 通過軟件的最優(yōu)化預(yù)測功能，得到理論上的最佳檢測條件：氫氧化鈉濃度0.02 mol/L，魯米諾濃度1×10-3mol/L，過氧化氫濃度0.7 mol/L，吐溫80濃度8.13%，該條件下化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為465 378。為滿足實(shí)際操作需求，將檢測條件調(diào)整：氫氧化鈉濃度0.02 mol/L，魯米諾濃度1×10-3mol/L，過氧化氫濃度0.7 mol/L，吐溫80濃度8%。在此條件下進(jìn)行5次平行檢測試驗(yàn)，得到化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度平均值為459 116.3，與預(yù)測值相比，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.9%。因此響應(yīng)面建立的模型真實(shí)可靠，可用于脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的檢測。

2.7 標(biāo)準(zhǔn)曲線、精密度及檢出限

在優(yōu)化試驗(yàn)條件下，以DON濃度為橫坐標(biāo)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖10)。試驗(yàn)結(jié)果表明， DON濃度在0.001～4.000 mg/L時(shí)，具有良好的線性關(guān)系，線性方程：y=55 903.54x+426 996.48，R2=0.998。同時(shí)對(duì)0.2 mg/L 的DON進(jìn)行11次平行測定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)為1.89%。根據(jù)IUPAC的規(guī)定，計(jì)算出檢出限為0.001 mg/L。

2.8 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果

以屈臣氏蒸餾水、實(shí)驗(yàn)室自來水在試驗(yàn)優(yōu)化條件下測定樣本中DON含量，再通過加入標(biāo)準(zhǔn)樣品測定回收率，結(jié)果見表5。加標(biāo)回收率為67.33%～94.50%，自來水回收率較差，原因可能是自來水中含有次氯酸根離子與部分的魯米諾發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致魯米諾被消耗，檢測到的發(fā)光強(qiáng)度降低。此外還存在一些金屬離子對(duì)發(fā)光體系的干擾，為了消除干擾作用，根據(jù)本課題組之前的研究結(jié)果，可以在每100 mL樣品溶液中添加0.007 5 mg的乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)作為掩蔽劑[19]。

圖10 脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 10 Calibration graphs for DON表4 回歸方程方差分析結(jié)果?Table 4 Analysis of variance from regression equation

方差來源自由度平方和均方F值P值顯著性模型145.151×10113.679×10107.850.000 2**A15.739×10105.739×101012.250.003 5**B12.881×1092.881×1090.610.446 0C11.041×10101.041×10102.160.163 4D15.845×1095.845×1091.250.282 8AB12.044×10102.044×10104.360.055 5AC11.061×10101.061×10102.270.154 5AD11.724×1091.724×1090.370.553 7BC13.092×10103.092×10106.600.022 3*BD11.219×1091.219×1090.260.618 0CD16.752×1056.752×1051.441×10-40.990 6A211.971×10101.971×10104.210.059 5B211.208×10101.208×10102.580.130 6C213.487×10103.487×10107.440.016 3*D213.680×10113.680×101178.550.000 1**殘差146.558×10104.658×109失擬項(xiàng)105.124×10105.124×1091.430.390 5純誤差41.434×10103.585×109總和285.807×1011

? *表示差異顯著，P<0.05；**表示差異極顯著，P<0.01。

圖9 4種因素交互作用的響應(yīng)面分析結(jié)果Figure 9 Response surface analysis of interaction of four factors表5 樣品中脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的加標(biāo)回收率試驗(yàn)Table 5 Results for the determination of DON in water sample(n=3)

樣品加標(biāo)量/(mg·L-1)檢出值/(mg·L-1)回收率/%RSD/%自來水0.00.0000.20.134±0.00067.332.344.03.002±0.01075.550.25屈臣氏蒸餾水0.00.0000.20.189±0.00394.501.084.03.620±0.01090.610.33

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用DON對(duì)魯米諾-過氧化氫體系的促進(jìn)作用，建立了一種流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光檢測DON的新方法。與現(xiàn)有檢測方法相比，流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法具有操作簡便、快速、效率高、在線連續(xù)檢測等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于DON突發(fā)性水污染快速檢測。目前，流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光法只能監(jiān)測單一的物質(zhì)，不能檢測混合物。后續(xù)可通過質(zhì)譜、核磁等技術(shù)手段對(duì)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)機(jī)理作進(jìn)一步探究，以期解決混合物檢測的問題。