基于反应型纸基芯片的酒品香气现场快速检测

李 丹， 张钦梅

(上海应用技术大学 化学与环境工程学院，上海 201418)

酒类作为一种国际性饮料, 深受世界各国广大消费者的喜爱，酒类品质的一个重要特征是酒的风味。风味主要包括滋味和气味2种：滋味来源于食品中的呈味物质如无机盐、游离氨基酸、小肽和核酸代谢产物等; 气味则主要由食品中的不饱和醛、 酮、 含硫化合物以及一些杂环化合物等挥发性物质产生。酒的风味特征在很大程度上取决于其香气成分, 香气物质的种类、含量、感官阙值及其相互作用直接影响着其品质[1]。SO2作为酒类香气的一种，具有良好的抗氧化性和抗菌性能，可以抑制细菌生长，防止食品氧化变色[2-3]。但是高浓度的SO2会影响心肺功能，诱发哮喘发作[4-5]。醛类气味如甲醛和乙醛含量低时会给食品饮料提供水果香气，含量高时会产生刺激性气味，甚至会致突变，致癌[6-7]。常规分析方法如离子色谱[8]，HPLC[9]，电化学方法[10]，比色法[11]，荧光分光光度法[12]被广泛用于测定SO2及一些醛类气体，但是这些方法通常需要复杂的样品预处理程序或者所用仪器很昂贵，不适合用于复杂样品中气体成分的现场快速识别和检测。因此，开发一种操作简单、成本低廉、选择性高和灵敏度高的现场检测酒品中气体成分的分析检测方法具有重大的理论价值和现实意义。

2007年, Whitesides等[13-14]首次提出了“纸基微流控分析器件”的概念, 此后纸基材料得到了迅速的发展。纸基分析检测平台具有诸多优点: 造价低廉、环境友好、易于加工、可回收再生、生物样品相容性较好、过滤特性良好和可降解等[15-16]。纸基芯片因成本低、制作简单、灵敏性好、使用和携带方便、所需样品的体积小、分析速度快、可以进行多种物质同时检测等优点, 在食品安全检测领域显示出极大的应用前景, 并有望成为最廉价的快速分析检测手段。

2018年，上海应用技术大学李丹课题组[17]提出了一种基于顶空进样的纸基传感器件，通过在纸片上原位负载还原氧化石墨烯(rGO)、对巯基吡啶修饰金纳米棒(MPy-GNRs)和碘-淀粉复合物(SIC)(rGO/MPy-GNRs/SIC)，巧妙借助卡尔-费休反应，设计了一种全新的纸基多功能传感探针，如图1所示。在微量水存在的情况下，SO2与纸片上对巯基吡啶和碘-淀粉复合物之间发生卡尔-费休反应，结合顶空进样技术实现SO2在纸基传感器表面的特异吸附，一方面可解离碘-淀粉复合物而诱导纸片颜色褪色，另一方面可将对巯基吡啶分子转化为吡啶甲基硫酸盐而获得特异表面增强拉曼光谱(SERS)信号。该探针不仅可以提高SO2气体分子的富集效率，提高分析检测灵敏度，而且实现了SO2分子的原位比色和SERS双传感检测，降低分析检测中出现假阳性或假阴性的几率，较好地弥补了传统比色传感器的缺陷。该方法可以在8 min内完成酒中微物质的量浓度SO2的检测，如图2所示。同时，由于不依赖复杂的表面修饰过程，而且rGO/MPy-GNRs/SIC结构稳定性好，该纸基芯片可实现批量化生产和连续检测，而且具有良好的重现性和稳定性，从而为食品安全现场检测和即时检测(point-of-care diagnostic)提供重要的技术支持。

图1 顶空进样-纸基传感器的制作流程及其应用于酒中SO2比色和SERS双传感示意图Fig.1 Schematic illustration of the HS-PAD procedure and its dual-modal sensing of SO2 in wine

图2 rGO/MPy-GNRs/SIC纸基芯片用于SO2的比色和SERS检测。(a) 纸基芯片用于不同浓度Na2SO3比色检测的颜色变化；(b) 颜色强度与Na2SO3的浓度之间关系； (c) 纸基芯片用于不同浓度Na2SO3的SERS检测的光谱变化； (d) 518 cm-1处拉曼光谱峰强度与Na2SO3的浓度之间关系Fig.2 Colorimetric and SERS detection of SO2 based on rGO/MPy-GNRs/SIC paper strips (a) photographs of the paper strips impregnated with rGO/MPy-GNRs/SIC immediately after HS extraction of different concentration of Na2SO3， (b) the intensity of blue color developed on the rGO/MPy-GNRs/SIC sensing strips with different concentration of SO2， (c) SERS spectra of SO2 after HS-PAD-SERS analysis of Na2SO3 standard solutions at different concentrations， (d) SERS peak intensities at 518 cm-1 as a function of Na2SO3 concentration

2019年，该课题组构建了一种基于使用含有4-氨基苯硫酚(Atp)改性的银铵离子修饰还原氧化石墨烯(rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp)的纸基芯片，如图3所示。建立了酒品中甲醛和乙醛同时筛查和SERS快速检测的分析方法[18]。该方法借助醛诱导的银还原反应，甲醛或乙醛的添加诱导[Ag(NH3)2]+络合物向银纳米粒子(AgNPs)转化。AgNPs具有明显的SERS活性，而且AgNPs之间的聚集程度和颗粒间隙可以通过控制反应条件进行精准调控，从而获得最优化的SERS基底材料，实现待测物的分析检测。此外，由于银镜反应诱导反应前后纸基芯片局域pH的变化，从而诱导 1 143 和 1 072 cm-1处的光谱形状和相对信号强度比发生明显变化。该功能可用于溶液中甲醛和乙醛的快速筛分，借助反应前后的SERS峰形和强度差异可以实现酒品和人尿样中甲醛和乙醛的同时分析检测。该纸基芯片可用于不同浓度范围(0.45～480 μg·L-1)的甲醛和乙醛即时检测。

图3 rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp纸基传感器的制备方法示意图及其SERS鉴别FA和AAFig.3 Schematic of the preparation procedure of rGO/[Ag(NH3)2]+/Atp hybrid paper and its SERS discrimination of FA and AA based on silver reduction

总之，基于纸基传感芯片的气体分子现场快速检测方法具有高可靠性，高选择性，操作简便等特点，随之发展的不同功能纸基材料的制备新方法和新应用也日益成为人们关注的热点领域。我们相信将纸基芯片与其他传统检测方法结合，可以用于复杂的挥发性化合物的现场分析，一定会为食品环境检测提供强有力工具。顶空进样纸基传感器实现酒中SO2比色/SERS检测发表在AnalyticalChemistry上[17]，基于SERS纸质芯片，使用银还原来区分水溶液中的甲醛和乙醛发表在MicrochimicaActa上[18]。这两项研究工作得到了国家自然科学基金项目(21507089)和上海市“化学工程与技术(香料香精技术与工程)”高原学科的支持。