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(1.寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江寧波 315211; 2.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海 200444; 3.中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江寧波 315201)
近年來,食品安全問題越來越受到人們的關(guān)注。過氧化氫作為抗菌劑、氧化還原劑以及漂白劑等被廣泛應(yīng)用于臨床治療、生物和食品加工等各個(gè)領(lǐng)域[1]。在國內(nèi),過氧化氫作為食品加工助劑,在食品加工過程中被廣泛使用。美國食品藥品監(jiān)督管理局將過氧化氫列為“一般公認(rèn)安全添加劑”,但最大添加量有明確規(guī)定,且在食品加工生產(chǎn)中,過氧化氫殘留需要通過適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)方法去除[2]。由于過氧化氫應(yīng)用廣泛,監(jiān)查難度大,如不規(guī)范使用,會導(dǎo)致食品中過氧化氫超標(biāo)。過氧化氫進(jìn)入人體后不僅會損壞人體細(xì)胞,最終加速人體衰老甚至誘發(fā)心血管疾病,對人體中樞神經(jīng)造成不可逆損害,誘發(fā)像阿爾茲海默癥、癌癥等一系列老化相關(guān)疾病,最終對人體健康帶來危害[3-4]。因此急需開發(fā)一種快速高效檢測過氧化氫的方法。
目前,雖然檢測過氧化氫有許多方法,如傳統(tǒng)的滴定法[5]、熒光分光光度法[6]、紫外分光光度法[7]、紙片法[8-9]以及色譜法等[10],但是傳統(tǒng)的方法相對于生物傳感器來說靈敏度不夠高,需要昂貴的儀器,復(fù)雜的操作,專業(yè)的操作人員,嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,以及無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測等。生物傳感器尤其是酶電化學(xué)傳感器具有高選擇性、高靈敏度、易小型化的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)檢測從而獲得了更多關(guān)注。生物傳感器的商業(yè)進(jìn)程一直備受限制,其主要原因是以酶為活性識別單元的傳感器容易受環(huán)境影響導(dǎo)致其活性及穩(wěn)定性降低。因此,發(fā)展新的固定化平臺來提升酶對環(huán)境的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)酶傳感器商業(yè)化的重要研究內(nèi)容[11]。
辣根過氧化物酶是一種含有鐵卟啉輔基的糖蛋白復(fù)合酶,是當(dāng)前研究最廣泛的一種過氧化物酶。在過氧化氫存在的情況下,辣根過氧化物酶能夠催化氧化多種化合物,特別是含有大(共軛體系的物質(zhì),如酚類、芳香類、苯胺類、吲哚等化合物[12]。金屬骨架材料(MOFs)是有機(jī)-無機(jī)雜化多孔材料,是一類由變價(jià)金屬、p區(qū)金屬元素、堿土金屬、錒系元素等金屬離子,與可調(diào)控的有機(jī)鏈像羧酸類、胺類、硝酸鹽、磷酸鹽、磺酸鹽類等,配位而成[13-15]。MOFs具有超高的孔隙率,最大可以達(dá)到6000 m2/g的比表面積,可以調(diào)節(jié)的形態(tài)以及孔徑大小,多樣的功能化可修飾性,非常適合用于酶的固定化[16-18]。MOFs固定化酶研制電化學(xué)傳感器對于酶電化學(xué)傳感器性能發(fā)展提供了一個(gè)新的方向,故本研究合成了一種高穩(wěn)定性的金屬骨架納米纖維(MONFs),通過物理吸附將辣根過氧化物酶固定化于金屬骨架納米纖維,并利用殼聚糖凝膠作為成膜劑,構(gòu)筑了辣根過氧化酶-金屬骨架納米纖維傳感器并用于過氧化氫的檢測。檢測過程中使用的對苯二酚具有電化學(xué)可逆性、穩(wěn)定性及快速的電子傳導(dǎo)能力,同時(shí)較低的氧化還原電位也有利于電化學(xué)檢測,是一種非常優(yōu)良的電子傳遞體[19]。利用對苯二酚作為電子傳遞體,采用循環(huán)伏安法研究所構(gòu)筑酶傳感器的電化學(xué)特性和穩(wěn)定性,采用電流-時(shí)間法研究了酶傳感器的選擇性、線性關(guān)系及檢測范圍,本研究為食品中過氧化氫的殘留檢測提供新方法。
辣根過氧化物酶(HRP,活性大于250 U mg-1) 美國Sigma公司;過氧化氫溶液、對苯二酚、殼聚糖(Chit,脫乙酰化95%)、氯化鉀、天冬氨酸、乙酸 阿拉丁試劑(上海)有限公司;六水硫酸銅、氯化鈉、氯化鉀、氫氧化鈉、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;0.1mol/L的磷酸緩沖溶液(PBS,pH7.5)由磷酸二氫鈉和磷酸二氫鉀配制被用作電解液,所有的水溶液由新鮮的超純水(18 MΩ·cm)制備;雞爪 當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場;牛奶盒裝 250 mL,伊利純牛奶,當(dāng)?shù)爻?所有化學(xué)藥品 均為分析純。
D8 Discover XRD粉末X射線衍射儀(XRD) 德國布魯克公司;S-4800掃描電子顯微鏡(SEM) 日本日立公司;TG16-WS臺式離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)公司;MITR-YXQM-0.4L行星式球磨機(jī) 長沙米淇儀器設(shè)備有限公司;XSE105分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;BCD102小冰箱 深圳先科電器有限公司;800Y高速多功能粉碎機(jī) 永康市鉑歐五金制品有限公司;采用上海辰華CHI760E電化學(xué)工作站三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測試,工作電極和輔助電極分別為玻碳電極和鉑絲電極,飽和甘汞電極(SCE)作參比電極。
1.2.1 金屬骨架納米纖維的合成與表征 在室溫下,將6 mL六水硫酸銅水溶液(4.5 mmol/L)加到30 mL含有氫氧化鈉(6 mmol/L)與天冬氨酸(3 mmol/L)的混合溶液中,溶液迅速變?yōu)樗{(lán)色,常溫?cái)嚢? h,生成深藍(lán)色絮狀物。使用1∶1的水和乙醇分別洗滌和離心6次,轉(zhuǎn)速為8000 r/min,10 min。80 ℃真空干燥10 h,用球磨機(jī)磨成均勻的粉末顆粒,提高在水溶液中的分散性[20]。
MONFs的結(jié)晶性由XRD粉末衍射進(jìn)行分析,輻射源為Cu靶Ka射線(λ=1.5406 ?),電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描范圍為2°~40°,測試在室溫下進(jìn)行。MONFs的形貌分析通過場發(fā)射電子掃描顯微鏡觀察,冷場發(fā)射槍,電壓為10 kV。
1.2.2 辣根過氧化物酶-金屬有機(jī)骨架納米纖維生物傳感器的制備 構(gòu)筑HRP-MONFs/Chit/GCE電化學(xué)傳感器過程通過示意圖1表示,使用不同粒徑的氧化鋁打磨玻碳電極(GCE,3mm),分別用乙醇和水超聲清洗三次,氮?dú)獯蹈?將10 μL辣根過氧化物酶(10 mg/mL)溶液加入20 μL MONFs(5 mg/mL)水溶液中混合,在低溫、200 r/min條件下?lián)u床10 h;加入10 μL殼聚糖溶液(6 mg/mL,pH6.0),震蕩3 min。將5 μL混合溶液滴涂在電極表面,電極低溫晾干后,4 ℃儲存在0.05 mol/L PBS(pH7.5)中。
圖1 辣根過氧化物酶-金屬有機(jī)骨架 納米纖維生物傳感器示意圖Fig.1 Schematic illustrations for HRP-MONFs/Chit/GCE
1.2.3 辣根過氧化物酶-金屬有機(jī)骨架納米纖維生物傳感器的電化學(xué)測試
1.2.3.1 阻抗分析 在含有5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl溶液中,對不同電極進(jìn)行電化學(xué)阻抗分析,電壓為開路電壓,頻率范圍為0.1~105Hz,振幅5 mV,阻抗數(shù)據(jù)通過ZVIEW軟件進(jìn)行擬合。
1.2.3.2 循環(huán)伏安特性分析 酶電極在0.1 mol/L磷酸緩沖液、0.1 mol/L含有1.0 mmol/L對苯二酚的磷酸緩沖液、0.1 mol/L含有1.0 mmol/L對苯二酚和0.1 mmol/L過氧化氫的磷酸緩沖液進(jìn)行循環(huán)伏安法分析,電壓范圍相對于參比電極(飽和甘汞電極SCE)為-0.8~0.8 V。使用含有0.1 mmol/L H2O2和1 mmol/L對苯二酚的0.1 mol/L PBS(pH7.5)溶液作為過氧化氫檢測體系溶液,使用不同修飾程度的殼聚糖電極(Chit/GCE)、MOFs修飾電極(MONFs/Chit/GCE)及MONFs固定化酶電極(HRP-MONFs/Chit/GCE)進(jìn)行循環(huán)伏安法分析,掃描速度為50 mV·s-1,電壓范圍相對于參比電極(飽和甘汞電極SCE)為-0.8~0.8 V。
1.2.3.3 酶電極電化學(xué)行為分析與優(yōu)化 使用含有0.1 mmol/L H2O2和1 mmol/L對苯二酚的0.1 mol/L PBS(pH7.5)溶液作為過氧化氫檢測體系溶液,HRP-MONFs/Chit/GCE酶電極使用不同掃描速度進(jìn)行循環(huán)伏安分析,掃描速度范圍為50~400 mV·s-1,電壓范圍為-0.8~0.8 V。電解液的pH和MONFs量的優(yōu)化依據(jù)循環(huán)伏安法測定的酶電極還原峰的峰值電流進(jìn)行分析,電解液pH范圍為6.0~8.0,MONFs量為1~10 mg/mL,電解液為含有0.1 mmol/L H2O2和1 mmol/L對苯二酚的0.1 mol/L PBS溶液。
1.2.3.4 構(gòu)建校準(zhǔn)曲線 采用安培電流-時(shí)間方法來建立酶電極電流信號對過氧化氫濃度的校準(zhǔn)曲線,檢測實(shí)施在10 mL被攪拌的0.1 mol/L PBS(pH7.5),應(yīng)用峰值電位為-0.1V。采用安培電流-時(shí)間方法來建立酶電極電流信號對過氧化氫濃度的校準(zhǔn)曲線,添加的過氧化氫濃度為12.5、25、50、62.5、125 μmol/L,每次添加量為25 μL。
1.2.3.5 檢測雞爪和牛奶中的過氧化氫殘留 雞爪的可食部分通過高速多功能粉碎機(jī)(34000 r/min)粉碎均勻,稱取10 g(精確到0.01g),加適量水溶解,轉(zhuǎn)移入100 mL容量瓶中,搖勻,浸泡40 min,用濾紙過濾,濾液作為試樣液備用。雞爪試樣液和牛奶原液利用酶電極通過安培電流-時(shí)間法測試是否含有過氧化氫,然后添加過氧化氫并配制成不同過氧化氫濃度(12.5、50和125 μmol/L H2O2)的牛奶測試溶液和雞爪提取溶液,每種過氧化氫濃度樣品至少三個(gè)平行,通過安培電流-時(shí)間法測試酶電極的回收率。
1.2.3.6 酶傳感器穩(wěn)定性和選擇性分析 酶電極穩(wěn)定性通過使用酶電極在最優(yōu)條件下,對過氧化氫反應(yīng)體系(含有0.1 mmol/L H2O2和1 mmol/L對苯二酚的0.1 mol/L PBS,pH7.5)進(jìn)行循環(huán)伏安檢測,計(jì)算30 d內(nèi)電流信號的變化。酶傳感器的選擇性評估是在10 mL被攪拌的0.1 mol/L PBS(pH7.5)中進(jìn)行電流-時(shí)間曲線測試,分別添加25 μL 100 μmol/L的過氧化氫、葡萄糖、尿素、檸檬酸溶液,應(yīng)用電位為-0.1 V。
阻抗數(shù)據(jù)通過ZVIEW軟件擬合分析得到。使用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分析檢測結(jié)果的精密度,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)=標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)/計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值(X)×100%。
圖2A為MONFs的XRD圖。MONFs在2θ=10.93°、14.85°、19.88°、24.75°、26.32°和28.65°具有較強(qiáng)的衍射峰,材料具有高結(jié)晶性。SEM形貌分析顯示MONFs擁有均一、規(guī)則的幾何構(gòu)型,為200 nm寬度,10 μm長度的纖維狀結(jié)構(gòu)(圖2B)。根據(jù)前期工作的研究,該MONFs在200 ℃以下具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[20];另外,MONFs使用了天冬氨酸作為配體有機(jī)鏈,MONFs表面含有豐富的羧酸基團(tuán),具有好的生物兼容性,提供了很好的平臺來固定化辣根過氧化物[20]。
圖2 MONFs的結(jié)構(gòu)表征圖Fig.2 Structural characterization of MONFs注:XRD(A);SEM(B)。
為了表述電極裝備過程,使用了電化學(xué)阻抗法(EIS)測試了不同電極的表界面性質(zhì)。圖3為裸玻碳電極(GCE)、Chit/GCE、MONFs/Chit/GCE及HRP-MONFs/Chit/GCE的奈奎斯特圖,通過等效電路圖擬合得到,裸玻碳電極阻抗值為55 Ω,代表了裸電極界面[Fe(CN)6]3-/4-傳荷過程控制的電極阻抗;當(dāng)電極修飾上殼聚糖后,Rct為75 Ω,界面阻抗有所增加,但阻抗值增加很小,表明殼聚糖作為成膜劑,具有很好的電子傳遞能力;MONFs/Chit/GCE因?yàn)樾揎椀腗OFs所具有的特殊的表面性質(zhì)和復(fù)雜的孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改變了表界面性質(zhì),阻抗增加到1.7 kΩ,固定化上HRP后酶電極(HRP-MONFs/Chit/GCE)阻抗增加到5.4 kΩ,表明了HRP成功的固定化;增長的阻抗值主要是因?yàn)閷?dǎo)電性差的酶分子對界面電子的傳遞位阻、靜電相互作用。不同電極阻抗值的增加體現(xiàn)了電極的不斷修飾過程。
圖3 不同電極的奈奎斯特圖Fig.3 Nyquist plot of different electrodes注:a.裸玻碳電極(GCE);b.Chit/GCE; c.MONFs/Chit/GCE;d.HRP-MONFs/Chit/GCE。
HRP-MONFs/Chit/GCE如圖4中a線所示,在循環(huán)伏安法掃描測試中只有還原峰,而無明顯氧化峰,為不可逆反應(yīng),且隨著掃描次數(shù)的增加,酶催化活性逐步消失,這是因?yàn)槊傅幕钚灾行碾娮觽鲗?dǎo)能力弱,不能及時(shí)恢復(fù)活力。如b線所示,添加對苯二酚作為氧化還原中間傳遞體后,在較低電位下有可逆的氧化與還原峰,構(gòu)筑了一個(gè)完整的氧化還原反應(yīng)體系[3]。添加0.1 mmol/L過氧化氫后,酶電極對過氧化氫有敏感變化,在-0.1V有明顯的還原峰的增大,因酶催化過氧化氫的還原,形成更多的氧化態(tài)的酶,如圖1所示,反應(yīng)體系中的對苯二酚還原了酶的氧化態(tài),使酶的活性恢復(fù),生成了更多的對苯醌,造成了對苯二酚的還原峰的急劇增加,通過定量測定對苯醌還原電位的電化學(xué)電流,來定量檢測過氧化氫濃度變化[19]。
圖4 HRP-MONFs/Chit/GCE 在不同檢測溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.4 CV curves of HRP-MONFs/Chit/GCE cycled in different detection solution注:a:0.1 mol/L磷酸緩沖液;b:0.1 mol/L含有1.0 mmol/L對苯二酚的磷酸緩沖液;c:0.1 mol/L含有1.0 mmol/L對苯二酚以及0.1 mmol/L過氧化氫的磷酸緩沖液。
通過采用0.1 mol/L PBS與1 mmol/L HQ(對苯二酚)及0.1 mmol/L的H2O2的電化學(xué)反應(yīng)體系,從圖5可以看出:MONFs/Chit/GCE雖然具有更高的阻抗值,但氧化還原峰相比于Chit/GCE更大,體現(xiàn)了MONFs很好的底物濃度聚集能力。Chit/GCE與MONFs/Chit/GCE氧化峰與還原峰峰值電流相同,峰值電位無變化,表明對過氧化氫無催化效果,而HRP-MONFs/Chit/GCE在-0.1V的還原峰明顯增大,氧化峰明顯減小,且峰位電流發(fā)生了偏轉(zhuǎn),表現(xiàn)了酶對過氧化氫明顯的特異性催化效果,導(dǎo)致了對苯醌還原電流的變化。所制備的HRP-MONFs/Chit/GCE具有很好的對過氧化氫的催化能力。
圖5 不同電極在過氧化氫檢測溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.5 CV of different electrodes in detection solution containing H2O2注:a:Chit/GCE;b:MONFs/Chit/GCE; c:HRP-MONFs/Chit/GCE。
如圖6所示,酶電極為工作電極,以不同掃描速度進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,可以看出峰電位基本不變,峰電流隨著掃描速度增加而增加。從圖7所示,峰值電流隨掃描速度從50~400 mVs-1成線性增加。表明了該反應(yīng)體系中,酶電極為受擴(kuò)散傳質(zhì)控制的反應(yīng)過程,界面反應(yīng)速度受傳質(zhì)速度的影響,傳質(zhì)控制方式與其他使用電子傳遞中間體傳遞電子的酶傳感器報(bào)道相同[21]。
圖6 HRP-MONFs/Chit/GCE在不同掃速下的循環(huán)伏安圖Fig.6 CV curves of HRP-MONFs/Chit/ GCE at different scan rates
圖7 HRP-MONFs/Chit/GCE不同掃速下 峰值電流與掃速關(guān)系圖Fig.7 Plot of cathodic and anodic peak current for HRP-MONFs/Chit/GCE versus scan rateat different scan rates
酶傳感器的性能優(yōu)化通過調(diào)節(jié)電解液的pH及MONFs量來進(jìn)行。因?yàn)槊傅幕钚砸资墉h(huán)境pH的影響,所以電解液pH對酶電極的能力有很大影響。從圖8可以看出,酶電極的峰值電流從pH5.5開始增長,在pH7.5達(dá)到最大值,在pH8處峰值電流降低。另外,固定化HRP的量受到MONFs量的影響很大,從含有不同濃度MONFs以及相同濃度HRP的不同酶電極CV峰值電流變化圖9中可以看出峰值電流在2 mg/mL MONFs處取得最大值,酶與MONFs的比率為5∶2,表明在該濃度下,在該比率下,固定化酶的量達(dá)到最大,因此2 mg/mL的MONFs和 PBS(pH7.5)被用于酶電極的制備以及在反應(yīng)體系的分析。
圖8 底物溶液pH對HRP-MONFs/ Chit/GCE峰值電流的影響Fig.8 Effects of PBS buffer's pH on the cathodic peak current of HRP-MONFs/Chit/GCE
圖9 MONFs濃度對HRP-MONFs/ Chit/GCE峰值電流的影響Fig.9 Effects of concentrations of MONFs on the cathodic peak current of HRP-MONFs/Chit/GCE
電流-時(shí)間的曲線方法作為恒電壓電化學(xué)分析方法,通過使用酶電極檢測加入一系列不同濃度的過氧化氫,電流的變化,來構(gòu)建電流校準(zhǔn)曲線。圖10為在-0.1 V的反應(yīng)電位下,不斷添加過氧化氫到PBS溶液中酶電極的電流變化,可以看出HRP-MONFs/Chit/GCE對過氧化氫具有很好的響應(yīng)性,產(chǎn)生階躍電流,且在3 s內(nèi)達(dá)到95%穩(wěn)定狀態(tài)電流。圖11為HRP-MONFs/Chit/GCE相應(yīng)的校準(zhǔn)曲線,響應(yīng)電流具有很好的線性關(guān)系,線性范圍為12.5~675 μmol/L,線性回歸方程為Y=0.02271X + 0.96919(R2=0.999)。另外,HRP-MONFs/Chit/GCE有一個(gè)很低的檢測線為0.97 μmol/L,基于3 S/N。
圖10 HRP-MONFs/Chit/GCE對H2O2響應(yīng)I-T曲線Fig.10 Amperometric responses of HRP-MONFs/Chit/GCE upon successive additions of H2O2
圖11 電流響應(yīng)與H2O2濃度校準(zhǔn)曲線Fig.11 Calibration curve of amperometric responses at different H2O2 concentrations
目前的工作選用雞爪和牛奶作為固態(tài)食品和液態(tài)食品的代表來研究該酶傳感器在食品中的應(yīng)用。添加牛奶和雞爪空白溶液,HRP-MONFs/Chit/GCE均未有明顯響應(yīng),呈過氧化氫陰性。表1為隨著添加帶有12.5、25、50 μmol/L過氧化氫濃度的牛奶和雞爪提取液,HRP-MONFs/Chit/GCE測得的樣品濃度的回收率。對于在雞爪和牛奶樣品中不同濃度的H2O2,回收率范圍為94%~107%。結(jié)果表明,該構(gòu)建的傳感器是非常穩(wěn)定和準(zhǔn)確地定量檢測食品中過氧化氫的工具,具有進(jìn)一步應(yīng)用的潛質(zhì)。
從圖12可以看出,HRP-MONFs/Chit/GCE不使用時(shí),儲存在0.05 mol/L PBS、4 ℃條件下,在24 d,HRP-MONFs/Chit/GCE能夠保持其初始94%左右的性能,HRP-MONFs/Chit/GCE表現(xiàn)了較好的儲存穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。在0.1 mol/L PBS(pH7.5)中進(jìn)行電流-時(shí)間曲線測試,分別添加同等濃度100 μmol/L的過氧化氫、葡萄糖、尿素、檸檬酸溶液(圖13),在50 s時(shí)添加25 μL過氧化氫溶液,電流從-2.1 μA階躍至-10.2 μA,并在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),該傳感器對過氧化氫具有快速的反應(yīng)能力,而加入同樣體積的干擾物,電流并沒有發(fā)生明顯變化,說明添加物均無干擾,該傳感器具有較好的選擇性。
表1 牛奶和雞爪樣品中過氧化氫測定(n=3)Table 1 Determination of hydrogen peroxide in milk and chicken feet solution(n=3)
圖12 HRP-MONFs/Chit/GCE儲存穩(wěn)定性變化圖Fig.12 Storage stability of HRP-MONFs/Chit/GCE
圖13 HRP-MONFs/Chit/GCE選擇性測試曲線Fig.13 Selectivity test of HRP-MONFs/Chit/GCE
本研究合成了一種新型HRP固定化材料,制備了電化學(xué)酶傳感器檢測食品中的過氧化氫。合成的金屬骨架納米纖維具有較好的生物兼容性且HRP與金屬骨架納米纖維取得了較好的固定化效果;制備的酶傳感器對過氧化氫具有較好的電催化能力,通過檢測電化學(xué)媒介體對苯醌還原電流的變化,建立了快速靈敏檢測過氧化氫含量變化的電化學(xué)定量方法。該傳感器在12.5~675 μmol/L范圍有較好的線性范圍,最低檢測限為0.97 μmol/L,有較高的穩(wěn)定性和選擇性,且成功的應(yīng)用于檢測食品中過氧化氫殘留(固態(tài)食品和液態(tài)食品)。