彭鋼,劉玉婷,宋繼博,郭夢雪,翟立公

(安徽科技學(xué)院 食品工程學(xué)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(zhì),食品安全關(guān)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(qiáng)、難降解的特點(diǎn),可通過各種途徑進(jìn)入人體,對體內(nèi)的腎臟等器官、神經(jīng)系統(tǒng)和血紅細(xì)胞等產(chǎn)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(zhì)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(zhǔn)確地定性和定量分析重金屬離子,靈敏度高,但檢測設(shè)備價格昂貴,需要進(jìn)行較復(fù)雜的預(yù)處理,檢測周期長[6]。而電化學(xué)檢測方法具有設(shè)備簡單、易于操作、響應(yīng)速度快、能夠應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的優(yōu)點(diǎn),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(xué)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(jìn)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的捕獲和識別,經(jīng)典的特異性識別元件主要是生物體本身如細(xì)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(xì)胞種類有限等原因,因此經(jīng)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(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。因此可以利用特異性識別元件結(jié)合電化學(xué)傳感器對重金屬離子進(jìn)行檢測。本文主要介紹了DNAzyme、適配體、離子印跡聚合物的性質(zhì),并綜述基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在食品重金屬(主要包括Pb2+、As3+、Cd2+、Cr3+/6+)檢測中的應(yīng)用(圖1)。

圖1 特異性識別元件應(yīng)用于電化學(xué)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(biāo)受體,能夠特異性識別目標(biāo)物質(zhì)。識別元件捕獲到目標(biāo)物,使電極表面的電流或電勢發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測。目前在電化學(xué)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(jìn)化技術(shù)篩選得到的一類具有催化功能的DNA片段,具有較強(qiáng)的催化活性、易于合成、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(jié)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(guān)[15-17],因此DNAzyme可以檢測重金屬離子。

圖2總結(jié)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(fù),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(xué)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(yīng)用于飲用水檢測中。ZHENG等[20]制備了一種依賴化學(xué)發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)化技術(shù)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(biāo)物特異性結(jié)合,當(dāng)適配體與目標(biāo)物結(jié)合后結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,利用這個特點(diǎn)將適配體作為識別材料應(yīng)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(jìn)行了總結(jié)(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(shí)驗(yàn)條件下對Pb2+具有良好線性關(guān)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(xué)猝滅性能和雙鏈適配體捕獲銀離子的能力構(gòu)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(yīng)體系具有很強(qiáng)的熒光,而Ag+存在時和適配體中C-C堿基對錯配轉(zhuǎn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的DNA將表面增強(qiáng)拉曼光譜與核酸信號擴(kuò)增相結(jié)合,在最佳實(shí)驗(yàn)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(shù)是分子印跡技術(shù)的重要分支,也是分子印跡技術(shù)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(qiáng)度可控等優(yōu)勢,受到了廣泛的關(guān)注[42-44]。離子印跡聚合物是基于離子印跡技術(shù),通過模板離子與功能單體的螯合作用等作用力互相結(jié)合形成具有空穴結(jié)構(gòu)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(jìn)行了總結(jié)(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(shí)驗(yàn)條件下展現(xiàn)出良好的檢測性能,響應(yīng)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(jié)合目標(biāo)重金屬離子后難以與檢測樣品分離,又因磁分離技術(shù)具有操作簡單、反應(yīng)迅速等特點(diǎn),因此將離子印跡技術(shù)與磁分離技術(shù)相結(jié)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(fù)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(xué)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(diǎn))進(jìn)行了比較,由表3可知特異性識別元件的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在食品中重金屬檢測的應(yīng)用

電化學(xué)傳感器在重金屬檢測中具有操作簡便、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),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(xué)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(shí)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(xué)傳感器在檢測Pb2+中的應(yīng)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(jī)物。鉛中毒會嚴(yán)重危害人的健康,可以對神經(jīng)、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(xué)傳感器在檢測Pb2+中的應(yīng)用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實(shí)際樣品)。

表4 基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在檢測Pb2+中的應(yīng)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(xué)生物傳感器,以DNAzyme為識別元件,對Pb2+具有高度特異性。當(dāng)Pb2+存在時,DNAzyme在底物鏈DNA的核糖腺嘌呤(rA)位點(diǎn)被激活,雙螺旋結(jié)構(gòu)解開,這種反應(yīng)增強(qiáng)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(dǎo)氧化峰電流的增加。該傳感器在最佳實(shí)驗(yàn)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(xué)適配體傳感器。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)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(xué)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?yàn)榕潴w,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(xué)傳感器。在最佳實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(xué)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(diǎn),在Pb2+檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在檢測As3+中的應(yīng)用

砷(As)是一種類金屬有毒物質(zhì),因其化學(xué)性質(zhì)與重金屬類似,砷也被認(rèn)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(xué)傳感器在檢測As3+中的應(yīng)用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實(shí)際樣品)。

表5 基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在檢測As3+中的應(yīng)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(gòu)建了As3+檢測傳感器。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,采用CV法對As3+進(jìn)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(yuǎn)低于10 μg/L,符合世界衛(wèi)生組織設(shè)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn),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(gòu)建了一種檢測As3+的電化學(xué)印跡傳感器,利用離子印跡技術(shù)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(diǎn)。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下采用DPV法檢測As3+,檢出限為11.39 pmol/L。當(dāng)前,基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在檢測As3+中具有特異性強(qiáng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),但DNAzyme在檢測As3+中的應(yīng)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(jìn)一步分析。

2.3 基于特異性識別元件的電化學(xué)傳感器在檢測Cd2+中的應(yīng)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(yán)重危害。鎘中毒會損傷腎臟、對骨骼和神經(jīng)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(xué)傳感器在檢測Cd2+中的應(yīng)用(主要包括特異性識別元件的種類、線性范圍、檢測限和實(shí)際樣品)。

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

RABAI等[37]將結(jié)合金納米顆粒、碳納米管和殼聚糖優(yōu)點(diǎn)的納米復(fù)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(biāo)簽電化學(xué)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(shí)際樣品中痕量重金屬的監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。RABAI等[71]首先用羧酸電化學(xué)還原重氮鹽對金電極進(jìn)行修飾,然后將鎘適配體通過碳二亞胺反應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(xué)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(biāo)Cd2+表現(xiàn)出良好的選擇性。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)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(zhì)量濃度在1～50 ng/mL內(nèi)呈良好的線性關(guān)系,檢測限為0.13 ng/mL?？傮w而言,本文中用于檢測Cd2+的電化學(xué)傳感器大多檢測限低于國標(biāo)中生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的毒理指標(biāo),在Cd2+的檢測中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。

2.4 基于特異性識別元件材料的電化學(xué)傳感器在檢測Cr3+/Cr6+中的應(yīng)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(zhuǎn)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(jī)框架(metal-organic framework,MOF)上原位生長二維酞菁基共價有機(jī)框架(covalent-organic framework,COF),形成的MOF@COF結(jié)構(gòu)能夠?qū)NA鏈緊密的固定,構(gòu)建了特異性識別Cr3+的光電化學(xué)-電化學(xué)雙模式生物傳感器。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)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(xué)的檢測限為1.45×10-5nmol/L,電化學(xué)的檢測限為2.29×10-5nmol/L。BOJDI等[78]構(gòu)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(jié)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)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(xué)傳感器具有高響應(yīng)、操作簡便等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合特異性識別元件易獲取、高選擇性等特點(diǎn),因此在檢測食品中重金屬得到了廣泛應(yīng)用。

本文介紹了近五年來在電化學(xué)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(xué)傳感器檢測重金屬的應(yīng)用。特異性識別元件在重金屬檢測的應(yīng)用中展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能,主要?dú)w因于:a)DNAzyme和適配體具有較強(qiáng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(fù)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(dǎo)致合成的離子印跡聚合物結(jié)合目標(biāo)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(yīng)用前景,筆者提出兩點(diǎn)建議:a)改進(jìn)DNAzyme和適配體的篩選技術(shù);b)研發(fā)適用性強(qiáng)的印跡聚合物的制備方法。隨著新技術(shù)的應(yīng)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(xué)傳感器將在食品安全檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。