谈三聚氰胺就色变？β-环糊精助力检测手段
admin
2021-12-21
三聚氰胺（Melamine, MEL），俗称密胺、蛋白精，是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，含氮量高达66%，属2B类致癌物，不可用于食品加工。由于在传统的蛋白质定量方法（凯氏定氮或杜马斯标准测试方法）中，蛋白质含量是通过含氮量来评估的，因而三聚氰胺常被非法添加到奶粉和动物饲料中，以模仿蛋白质的存在。如何快速灵敏地检测出受试物中的三聚氰胺成为研究人员们关心的现实问题。常用的各类色谱方法往往需要昂贵的仪器和较长的分析时间；ELISA定量方法特异性好，但受限于抗体制备不适合常规分析；红外光谱法仅能检测粉末样品且无法满足定量分析的要求。目前，研究人员以β-环糊精修饰的碳纳米粒子(β-CD-CNPs)为基础，构建了一种用于MEL检测的“ON-OFF-ON”传感器，提出了三聚氰胺检测的新方法。
β-CD-CNPs “ON-OFF-ON”传感器
β-环糊精（β-CD）是一种环状低聚糖，具有中空桶状结构，内疏水外亲水，可作为主体分子为引入的客体分子提供合适尺寸的疏水腔，并提高其水溶性。碳纳米粒子(CNPs)是荧光纳米粒子家族中的年轻成员。与传统半导体量子点(QDs)通常含有有毒元素(Pb、Cd、S)不同，CNPs是一种无金属纳米粒子，主要含有无毒的C、O、N元素，生态友好、细胞毒性低、生物相容性好。此外，CNPs具有良好的水溶性，良好的光致发光(PL)性质，且易于功能化。β-CD的高分子识别能力和对映选择性，加上CNPs优异的荧光特性，已被用于制备各类智能传感器。
以β-CD-CNPs为基础的MEL检测传感器是基于主客体竞争的“ON-OFF-ON”荧光方法构建的。β-CD-CNPs具有优异的荧光性能(“ON”)，当有Fe3+加入时，它会进入β-CD的空腔，形成β-CD-CNPs-Fe3+主客体配合物，导致β-CD-CNPs荧光猝灭(“OFF”)。MEL不能直接影响CNPs的荧光，但与β-CD腔有较强的亲和力。一旦MEL加入到体系中，它将与Fe3+竞争，使其从β-CD的空穴中移除，从而使体系的荧光恢复(“ON”)，荧光恢复强度(ΔFr)与MEL浓度呈良好的线性关系。
β-CD-CNPs的表征
通过傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光谱和荧光光谱比较CNPs和β-CD-CNPs，以证实β-CD对CNPs的修饰。FT-IR光谱表明β-CD成功地与CNPs结合，β-CD-CNPs在3455、1087和1003 cm−1处表现出典型的β-CD特征吸收峰，而CNPs中C=O、N-H基团的伸缩峰分别从1653 cm−1转移到1637 cm−1,3176 cm−1转移到3227 cm−1。在紫外-可见光谱中，β-CD-CNPs的吸收带从230 nm红移到243 nm，在270 nm处有一个肩峰。这些变化表明β-CD的-SH和CNPs的C=C之间形成了共轭体系。从CNPs和β-CD-CNPs的荧光光谱中可以看出，β-CD-CNPs的荧光强度降低。这些结果都表明，CNPs成功地与β-CD功能化，完成修饰，可用于构建传感器。
Fe3+对β-CD-CNPs的荧光猝灭作用
β-CD-CNPs表现出很强的荧光，而当添加Fe3+时，CNPs的荧光强度明显降低。在20.00~280.00 ng/mL和280~400 ng/mL范围内，ΔFq与Fe3+浓度具有良好的线性关系。在Fe3+浓度范围280.00 ~ 400.00 ng/mL时，由于Fe3+逐渐达到饱和状态，猝灭效率趋于平缓，280.00 ng/mL的Fe3+是荧光猝灭的临界浓度，因而确定实验中Fe3+浓度为280.00 ng /mL。
采用Stern-Volmer (S-V)方程研究Fe3+在浓度范围为80.00 ~ 280.00 ng/mL时CNPs的荧光猝灭，得到Fe3+猝灭β-CD-CNPs的荧光与静态猝灭有关，Fe3+通过形成β-CD-CNPs-Fe3+配合物来猝灭β-CD-CNPs的荧光。
MEL对β-CD-CNPs的荧光恢复作用
随着MEL含量的增加，β-CD-CNPs-Fe3+的荧光逐渐恢复。为了明确体系荧光恢复的原因，研究人员首先检测了MEL对β-CD-CNPs和CNPs-Fe3+的影响。结果表明MEL的引入对β-CD-CNPs和CNPs-Fe3+的荧光无明显影响。利用紫外-可见光谱分析MEL对β-CD-CNPs- Fe3+的荧光恢复效果，得到当MEL不断加入时，β-CD-CNPs- Fe3+的吸收峰几乎红移至原始值(340 nm)，表明Fe3+从β-CD的结合位点被移除。β-CD具有独特的外表面亲水和内表面疏水腔，是功能化不同纳米粒子构建主客体传感器的理想宿主分子。β-CD空腔提供的结合位点更容易与平面有机分子相互作用。MEL作为一个严格的平面结构分子比Fe3+更容易进入疏水腔，对结合位点有更强的亲和力。在这种情况下，Fe3+从荧光团中被去除，β-CD-CNPs的荧光可以被恢复。
干扰物对β-CD-CNPs“ON-OFF-ON”传感器的影响
在实际的检测环境中，存在各类不同的干扰物可能影响传感器的性能，因而研究了该传感器对潜在干扰物质的荧光响应，以评价其选择性。连续记录传感器对180 ng/mL MEL和各种可能的干扰物质的荧光变化，得到传感器对MEL反应显著，而Mn2+、Mg2+、Zn2+、K+、Na+、PO43-和Cl−的存在使得传感器荧光强度变化不大。此外，牛奶和婴儿配方奶粉中常见的物质，如200倍的Ca2+， 100倍的蔗糖、葡萄糖、乳糖，25倍的苏氨酸、半胱氨酸、色氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、维生素C、维生素B1, 10倍的赖氨酸和精氨酸，5倍的胆固醇，2.5倍的胆酸仍然对传感器没有明显干扰。
市售牛奶样品中β-CD-CNPs“ON-OFF-ON”传感器的使用效果
使用β-CD-CNPs “ON-OFF-ON”传感器对5种市售牛奶样品（包括纯牛奶、高钙、低脂牛奶、水牛乳和2种婴儿配方奶）中的MEL进行检测，并同时进行空白实验和回收率实验。得到市售牛奶样品中没有检测出MEL。通过空白实验扣除背景干扰后，MEL在不同牛奶样品中的加标回收率为94.80%~102.05%，RSD＜12.61%。上述结果表明，在实际使用中，β-CD-CNPs “ON-OFF-ON”传感器可靠实用，能够满足实际样品分析的要求。