基于多巴胺及其衍生物的传感器在食品快速检测中的研究进展

刘 娜，曹 强，肖雨诗，黄 蓉，程 雷，刘 欢，韩 刚，李晋成，李梦龙，吴立冬,

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院，农业农村部水产品质量安全控制重点实验室，北京 100141；3.北京工商大学 北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京 100048）

近年来，国内外食品卫生安全事件频发，且通常具有一定的突发性，因此开发操作简便、检测成本低、检测时间短、检测效率高的新型快速检测技术备受关注。多巴胺是人脑分泌的一种重要的神经递质，与去甲肾上腺素、肾上腺素统称为儿茶酚胺类物质。同时，多巴胺是一种类似于贻贝黏附蛋白的小分子物质，因含有儿茶酚羟基和胺基，容易在碱性条件下快速氧化自聚合和修饰[1]。多巴胺聚合过程中溶液颜色从无色变为深棕色。这种自聚合过程通常在温和的环境中进行，既不需要复杂的仪器，也不需要苛刻的反应条件[2]。生成的聚多巴胺（polydopamine，PDA）可以自发沉积在几乎任何表面上，形成高黏性的聚多巴胺薄膜。自从2007年Lee等[3]报道了多巴胺可以在弱碱性条件下氧化自聚合并用于几乎任何表面的亲水修饰后，一系列有关多巴胺氧化自聚合修饰的功能材料被大量研究。如Zhu Junyong等[4]利用聚多巴胺的快速沉积，将铜纳米离子固定到多孔聚合物膜上，所制成的纳米过滤膜有明显的抗菌活性；Du Liyang等[5]将聚多巴胺涂覆到NiFe2O4@Mg/Al-LDH复合材料上制备成新型磁性纳米吸附剂，用于果汁中痕量有机磷农药检测。

聚多巴胺的另一个有价值的特征与其某些化学结构有关，该化学结构富含儿茶酚、胺和亚胺等官能团。由于这些官能团，聚多巴胺已被广泛用作固定和黏合所需材料的多功能黏合剂平台，实现了具有可调结构和功能的复合材料多样性。研究人员普遍将研究重点放在聚多巴胺衍生材料的合成、表面改性和功能化以及在任何领域的应用上[6]。在化学结构上与多巴胺相似，都含有儿茶酚官能团的多巴胺衍生物（如图1中的多巴、去甲肾上腺素等）可以进行相同的氧化自聚合反应，并可以合成聚多巴胺类似物[7]。

图 1 多巴胺及其类似物[8]Fig. 1 Dopamine and its analogues[8]

有研究表明，聚多巴胺的π-π叠加相互作用使其具有良好的电化学行为[9]，可以加速催化过程中的电子转移。Xiao Ming等[10]受蓝绿色羽毛中的黑色素小体和火鸡羽毛中的空心聚多巴胺小体启发，将二氧化硅包被在合成的黑色素核上，设计了核-壳合成聚多巴胺纳米颗粒（CS-SMNPs），聚多巴胺的使用有助于通过吸收非相干散射来提高颜色饱和度。这种新的双组分策略可能彻底改变结构色的使用，从而取代有毒的有机和金属颜料。Chen Changlun等[11]将磁性纳米颗粒包裹在碳化聚多巴胺纳米球（M/C-PDA/Ag）的表面，制备出了更为分散和有活性的银纳米颗粒。在甲酸催化还原六价铬为低毒性三价铬的过程中表现出较好的催化性能，且M/C-PDA/Ag经过几次循环反应后仍保持良好的理化结构和稳定的活性，在外加磁场下容易回收，可推广应用于六价铬污染生活用水的处理。这些研究结果表明多巴胺可以对各种材料进行改性，从而赋予材料良好的性质。聚多巴胺作为一种新型材料，具有很强的附着力、广泛的化学反应性、较好的生物相容性和生物降解性，在食品安全评价领域有广泛的应用前景。

1 基于多巴胺及其衍生物的光电化学传感器在食品快速检测中的应用

光电化学（photoelectrochemical，PEC）测定法是从电化学方法发展而来的，其机制是光激发光电活性物质从而引起PEC反应，通常基于光电子的还原特性或光生空穴的氧化能力[12]。光电极具有独特的信号转换功能，PEC传感平台具有良好的选择性和高灵敏度，其中光是激发能量的来源，而读出信号则是电信号[13-14]。PEC传感器具有许多优点，例如操作简便、响应速度快、成本低等[15]，是一种在食品安全领域有很好发展前景的分析装置。如Lin Youxiu等[16]建立了一种基于多巴胺负载脂质体的原位信号放大策略，制备的新型PEC免疫传感系统可用于定量筛选食品中小分子黄曲霉毒素B1（aflatoxin 1，AFB1）。PEC传感器测定法主要有荧光法、紫外-可见光催化法和表面增强拉曼光谱散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）法等。

1.1 荧光法

荧光法主要是利用荧光物质或荧光标记物作为信号响应物质，通过测定靶标物存在和不存情况下体系荧光强度的变化，利用荧光传感器实现测定。聚多巴胺纳米颗粒是一种广谱荧光猝灭剂，且有很强的荧光猝灭能力[17]。在荧光探针的制备中，多巴胺也常用来修饰探针，以提高探针的特异性和灵敏性，或直接通过多巴胺氧化自聚合制备荧光探针。

Pb2+是影响中枢神经系统的一种毒性物质，易通过被污染食品进入人体。聚多巴胺的胺和邻苯二酚官能团赋予了其金属螯合特性，可选择性结合Pb2+[18-19]。Zhang Shu等[20]通过碱性氨基酸和多巴胺制备了模拟神经黑色素纳米颗粒，当纳米颗粒尺寸小于5 nm时具有强荧光，其荧光能被Pb2+选择性猝灭，可灵敏地检测神经毒素金属离子Pb2+，检出限为2 μg/L。该研究为神经毒素的体外检测提供了一种潜在的荧光方法。

Nie Yixin等[21]以对硝基苯胺为模板，通过多巴胺的自聚合反应制备了聚多巴胺/氮点印迹材料，开发了一种基于纸条的新型氮点荧光传感器，捕获的对硝基苯胺会猝灭纸带上氮点的荧光，可用于水样中对硝基苯胺的检测。使用该传感器，可在5 nmol/L～1 μmol/L的范围内检测到对硝基苯胺，其检出限仅为1.65 nmol/L，为对硝基苯胺的检测提供了一种简便、快速、可靠的分析方法。

Wang Jing等[22]构建了一个基于近红外荧光半导体聚合物点（P-dots）和多巴胺-黑色素复合材料的谷胱甘肽敏感选择性荧光检测平台。在最优条件下,该方法对0.2～20 μmol/L浓度范围的谷胱甘肽具有线性响应，检测限为60 nmol/L。图2为检测谷胱甘肽的示意图，弱碱性条件下多巴胺可以在P-dots表面进行自聚合产生聚多巴胺涂层，该涂层会使P-dots的荧光猝灭。然而，谷胱甘肽会抑制多巴胺的聚合,因此荧光猝灭被阻止。该系统为检测食品中的谷胱甘肽含量提供了一定的参考意义。

图 2 使用近红外荧光P-dots和多巴胺-黑色素纳米杂化系统检测谷胱甘肽的示意图[22]Fig. 2 Schematic illustration of glutathione detection using near infrared fluorescent P-dots and dopamine-melanin nanohybrid system[22]

Zhong Zitao等[23]通过多巴胺的自聚合反应和在室温下与聚乙烯亚胺交联，制备了双适配体标记的聚多巴胺-聚乙烯亚胺（polyethyleneimine，PEI）共聚物点（适配体@PDA-PEI），采用一种快速、灵敏的荧光生物传感器，可定性和定量食品中的铜绿假单胞菌。通过多巴胺自聚合制备荧光纳米颗粒操作简便，且具有理想的生物相容性和生物降解性[24]。其检测线性范围为10～107CFU/mL，铜绿假单胞菌的检测限低至1 CFU/mL，在脱脂牛奶、橙汁和冰棒这类复杂基质中，加标的平均回收率在91.4%～108%，整个检测过程（包括培养、离心和荧光检测）可在1.5 h内完成，大幅缩短了细菌的检测时间。探针的制备及检测原理如图3所示。

图 3 双适配体@PDA-PEI探针制造及铜绿假单胞菌检测程序示意图[23]Fig. 3 Schematic illustration of the fabrication of dual-aptamers@PDA-PEI probe and P. aeruginosa detection[23]

张立转等[25]制备了一种基于核酸适配体-聚多巴胺纳米复合物的荧光生物传感器，用于赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）的定量检测。OTA是一种真菌毒素，啤酒、可可、肉类等食品易受其污染[26]。聚多巴胺纳米颗粒（polydopamine nano-spheres，PDANPs）的高荧光猝灭效率以及核酸适配体特异性的识别能力使该传感器具有良好的灵敏度与选择性，其检出限为20 nmol/L[25]，对干扰物AFB1、Zearalenone、Warfarin显示出良好特异性，并已成功用于红酒（加标回收率：96%～105%）中OTA的测定。总地来说，基于多巴胺的荧光法作为一种新型检测方法具有选择性强、灵敏度高、反应迅速等优势。

1.2 紫外-可见光催化法

紫外-可见光催化法是从食品、空气或废水中去除有害有机污染物的一种方法，具有绿色、低成本、简便、灵敏度高等优点，可有效应用于食品分析检测中。有研究表明聚多巴胺含有儿茶酚基团，在中性和碱性条件下具有半醌或醌基团[27]，可有效转移和分离光致电子和质子，增加光生电子和空穴数量[28]，从而有助于提高光诱导电子转移能力和光催化剂的光捕获能力[29]。

Fang Hao等[30]用电化学沉积法制备了C@ZnO复合纳米结构，电解质中多巴胺质量浓度为1.0 mg/mL时所获得C@ZnO复合纳米结构的光催化效果最好。该学者以亚甲基蓝（methylene blue，MB）模拟有机污染物，研究其光催化性能，结果表明以多巴胺为碳源对ZnO复合纳米结构进行碳修饰，可以提高对紫外线的吸收，MB的光降解率可达92.33%，据此可推测多巴胺在紫外光催化降解食品污染物方面也有广阔的应用前景。

甲醛会破坏细胞蛋白质，对生物机体有极大的伤害作用。食品中甲醛主要来源于动植物本身、人为添加及食品加工过程[31]。Zhu Meiping等[32]成功制备了具有高效催化降解气态甲醛的新型多巴胺桥接三聚氰胺-石墨烯/TiO2纳米胶囊（H-TiO2@MG-D），甲醛被降解为CO2和H2O。多巴胺桥接增强了三聚氰胺-石墨烯（melaminedoped graphene，MG）与TiO2之间界面的相互作用，聚多巴胺的黏合性质和可控的生长动力学使其可以在TiO2纳米颗粒和MG薄片上形成厚度可控的保形涂层[33]，且多巴胺具有良好的氧化还原反应性，能够实现局部还原和快速电子传递[2,34]，在连续4 个循环后，H-TiO2@MG-D光催化剂仍表现出高稳定性。对甲醛的最高光催化降解活性可达92%，最快反应速率为15.04×10-3min-1，是一种绿色、可再生、高效、成本较低的光降解食品中挥发性甲醛的方式。

Li Wei等[35]制备了聚多巴胺负载的Ag@AgCl（P-Ag@AgCl）光催化剂，该催化剂在光照下表现出很高的光敏性和稳定性。罗丹明B（rhodamine B，RhB）是一种颜色鲜明的非法添加剂，有潜在致癌作用，但仍常被报道存在于辣椒粉、蜜饯、香肠和甜品等食品中[36]。通过在可见光照射下染料分子RhB的降解来评估该杂化纳米颗粒的光催化性能，结果表明重复使用15 个循环后P-Ag@AgCl仍有良好的催化效果，并具有高效性、高稳定性和可回收性[35]。由此启发可制备可见光催化下的PEC传感器，用于RhB的降解。

聚多巴胺在重金属离子检测方面也得到应用。Cr（VI）是一种毒性强、生物富集、持久且不可降解的环境污染物[37]，可通过食物链在人体中积累，对身体健康造成威胁。Dashtian等[38]成功地设计了Pb5S2I6（其中包含聚多巴胺-涂层纳米TiO2），制造了一种高效的可见光驱动的用于Cr（VI）离子检测的PEC传感器。在最佳条件下，由于电子空穴复合的有效抑制，该传感器在0.01～80 μm的较宽线性浓度范围内检测限极低，仅为3.0 nmol/L。为了研究Ti/TiO2-Pb5S2I6-PDA生物传感器的实际可行性，Dashtian等[38]采集了废水、染发剂和番茄汁3 个样本，结果显示回收率为97.15～103.25%，相对标准偏差值为0.8%～3.8%，表明Ti/TiO2-Pb5S2I6-PDA生物传感器具有高灵敏度、良好的选择性和准确性，可用于实际样品中Cr（VI）离子浓度的定量分析。

Wang Minggui等[39]在Cds/TiO2结构中引入聚多巴胺，有效地增强了光吸收和电荷分离，使得在可见光照射下对RhB、MB和苯酚分解的光催化性能得到显著提高，降解的速率常数分别为5.98×10-2、6.01×10-2、5.87×10-2min-1。连续6 次运行后光催化活性仍然很高,体现了聚多巴胺材料的优异性。

1.3 表面增强拉曼光谱散射法

传统的拉曼光谱信号弱、灵敏度低、分析速度慢，且易受试样杂质荧光干扰，严重限制了该技术的应用研究。SERS是指通过测定吸附在胶质金属颗粒或金属片粗糙表面（如银、金或铜）上的样品，其拉曼光谱强度有明显增强效应的一种方法[40]。作为分子结构鉴定的一种经济实惠的工具，SERS有望作为一种潜在的场传感技术[41]。Du Jingjing等[42]报道了基于多功能聚合物包覆金胶体的SERS传感器，如图4所示，多巴胺作为还原剂，用于合成金纳米粒子。在金（Au）还原条件下，多巴胺通过经典的Raper-Mason机理被氧化为多巴胺-醌、5,6-二羟基吲哚和聚多巴胺。聚多巴胺涂层带有大量的官能团，例如儿茶酚和醌，它们可以为摄取重金属[43]或多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）[44]提供活性部位。

图 4 DA-Au制备过程及Cd2＋和PAHs的选择性SERS检测示意图[42]Fig. 4 Schematic illustration of the DA-Au preparation process and the selective SERS detection of Cd2+ and PAHs[42]

PAHs属于持久性有机污染物，不易降解且具有生物积累性[45]。聚多巴胺的多功能基团（氨基和邻苯二酚基团）可以为PAHs提供π-π堆积相互作用。然后，可以将聚多巴胺捕获的PAHs精确地定位在AuNP的“热点”中，从而获得更高的信号增强效果。聚合物涂层既充当捕获PAHs的探针，又充当传感金属离子的SERS标签。因此，这种基于多巴胺的方法提供了一种新颖的系统，用于检测从疏水性芳香族化合物到重金属各种类别的有毒环境污染物[42]。制得的SERS传感器对镉离子和PAHs的存在极为敏感，这种方法以高通量的方式提供了较高的SERS灵敏度和选择性，且无需繁琐的前处理和复杂的仪器。

Wang Jinhu等[46]使用多巴胺作为还原剂，制成聚多巴胺涂层MoO3-x纳米片,可以用作超灵敏的SERS基底,能够大幅增强拉曼信号。这种强的SERS效应可能源于电荷转移和分子共振的耦合。该学者用罗丹明6G作为模拟分析物评估该纳米片的SERS性能，结果显示检出限降至0.3 fmol/L，相应的拉曼增强因子达到1×1010。该方法为制备具有良好稳定性的等离子体MoO3-x纳米片提供了新的途径，在超灵敏食品检测、催化[47]、光收集和成像[48]等领域具有广阔的应用前景[46]。

将分子印迹技术与S E R S 结合可以提高底物选择性[49]。Li Hongji等[50]用聚多巴胺修饰SiO2@rGO@Ag复合材料表面，制备得到一种基于SERS和分子印迹技术的多层金属-有机复合印迹传感器，用于测定农药λ-氯氟氰菊酯。聚多巴胺的形成使SERS基底具有良好的分散性，并提高检测灵敏度和选择性结合能力，检出限为3.8×10-10mol/L。

图 5 在被污染的苹果表面擦拭后，用纸基SERS基底检测农药DQ和PQ的示意图[51]Fig. 5 Schematic depiction of diquat and paraquat detection with a paper-based SERS substrate after wiping contaminated apple surface[51]

Linh等[51]报道了一种在纤维素滤纸（cellulose filter paper，CFP）上制备金纳米结构的简便、低成本的方法，制备得到一种用于无标签分子检测的基于纸张的SERS传感器。聚多巴胺充当CFP和Au3+晶种之间的黏附层，也是金纳米颗粒（AuNP）成核的还原剂，可将Au3+直接在CFP表面还原为AuNPs。对苹果的表面进行农药预处理，如图5所示，可通过将传感器基底简单地附着在苹果果皮上进行现场适用测试。DQ和PQ等水溶性联吡啶农药很容易从苹果皮转移并吸收到纸基SERS基底上；对可溶于有机溶剂的农药，可以在用有机溶剂（例如甲醇、乙醇和乙腈）浸泡后使用该基底。纸基SERS基底表现出均匀且优异的分子灵敏度，用便携式拉曼光谱仪测量MB的检出限为2 ng/cm2，DQ和PQ的检出限均为0.03 μg/cm2。柔性且吸水的纸基基底有望应用于各种无标签的化学SERS传感器。纸基SERS基底制备过程如图6所示。

图 6 纸基SERS基底制备方法示意图[51]Fig. 6 Schematic illustration of the paper-based SERS substrate fabrication process[51]

2 基于多巴胺及其衍生物的电化学传感器在食品快速检测中的应用

电化学生物传感器将生物活性物质作为识别元件，待测分子首先与其发生特异性识别作用，如生物催化作用和生物亲和作用，再经以电极作为转换元件的信号转换器，产生各种可测的电信号（包括电流、电位、电阻及电容等），最后通过信号放大装置输出，可实现对食品中目标分析物的定量或者定性分析[52]，具有高选择性和传感界面设计多样性等优点[53]。

Wang Lilian等[54]合成了可富集目标分析物的Fe3O4@PDA@MnO2核-壳磁性纳米复合材料，并构建了用于检测环境样品中痕量Pb（II）的电化学传感器。由于聚多巴胺和KMnO4之间的氧化还原活性，可以将高吸附容量的MnO2壳简单地引入到聚多巴胺的表面。该方法对Pb（II）线性响应范围为0.1～150 μg/L，检出限为0.03 μg/L，具有低成本、低毒性、吸附力强、重现性好等特点。

喹乙醇（olaquindox，OLA）是一种饲料添加剂，可用于提高饲料转化率、促进动物生长[55]。然而，由于其毒性和副作用[56]，OLA的广泛应用对食品安全造成潜在危害。Bai Xiaoyun等[57]通过在玻碳电极上涂覆多巴胺@石墨烯，然后电聚合吡咯和分子印迹聚合物，制成一种基于电聚OLA表面分子印迹聚合物薄膜的新型分子印迹电化学传感器（MIECS），可以选择性识别OLA而不被类似物所干扰。在最佳条件下，电流强度与OLA浓度的线性关系为50～500 nmol/L，检出限为7.5 nmol/L。所开发的MIECS在鱼类和饲料中的OLA分析结果与高效液相色谱的分析结果一致，为OLA的检测提供了新方法，在食品安全检测方面有一定潜力。

氯氰菊酯（cypermethrin，CYP）是通过模拟天然除虫菊酯的化学结构人工合成的一种农药[58]，目前已有几十种拟除虫菊酯类杀虫剂成功被商业化，在农林业领域得到大范围推广使用[59]。近年来研究发现拟除虫菊酯类农药可能会对中枢神经系统产生不利影响，并具有破坏内分泌的作用，对哺乳动物和水生生物具有高毒性[60]。Li Yangguang等[61]通过溶胶-凝胶法制备了银和氮共掺杂的氧化锌（Ag-N@ZnO），然后将Ag-N@ZnO超声负载在椰壳制备的活性炭上（Ag-N@ZnO/CHAC），再以多巴胺和间苯二酚为双功能单体，以CYP为模板，通过电聚合在玻碳电极上制备了一层分子印迹聚合物（DMMIP）。开发的DMMIP-Ag-N@ZnO/CHAC电化学传感器检测限为6.7×10-14mol/L（RS/N＝3），与其他研究中使用化学修饰的电化学传感器和生物传感器相比，有相对较宽的线性范围和较低的检测限，且可以快速准确地检测小龙虾、鲭鱼、土壤、自来水等实际样品中的CYP，回收率在96.21%～100.43%之间，但该体系制备过程较复杂，有待进一步简化。

2,4-二氯苯酚（2,4-dichlorophenol，2,4-DCP）是一种毒性更强的氯酚化合物，因其高致癌性和致突变性而被美国环境保护局列为优先控制污染物，不易被常规方法降解[62]。Liu Yangyang等[63]通过多巴胺在氧化石墨烯溶液中的自动聚合合成了聚多巴胺还原的氧化石墨烯（PDA-rGO）。通过邻苯二胺与2,4-DCP模板的电聚合作用，在PDA-rGO修饰电极的表面形成分子印迹膜。Liu Yangyang等[63]基于该传感器表面，开发了一种用于实际食品样品中的2,4-DCP的高灵敏度和选择性电化学传感器，检测限为0.8 nmol/L（RS/N＝3）。

Miao Jiaona等[64]设计了一种基于磁性Fe3O4和聚多巴胺分子印迹聚合物磁性纳米粒子（PDA@ Fe3O4-MIP MNPs）的新型阻抗电化学传感器，在聚多巴胺层中形成的识别腔可以特异性识别并有效从食品样品中吸附4,4’-二氯二苯三氯乙烷（4,4’-dichlorodiphenyltrichloro ethane，4,4’-DDT）分子。该传感器在1×10-11～1×10-3mol/L的范围内显示出电荷转移电阻与4,4’-DDT浓度之间良好的线性关系，检出限为6×10-12mol/L，实验结果也体现了聚多巴胺在材料改性方面的潜力。

3 结 语

影响食品安全的因素有很多，为了维护消费者健康，确保食品安全体系稳定发展，建立快速有效的食品安全检测方法具有重要意义。受贻贝足部蛋白质的启发，作为天然黑色素的类似物，聚多巴胺可以像自然界中的有机体一样保持各种功能，从而赋予其一些新颖的性质，尽管它作为研究对象的历史很短，但受到越来越多来自不同专业领域科学家的关注。本文综述了近年来多巴胺及其衍生物用于光学及电化学传感器的研究进展。多巴胺在哺乳动物体内是一种重要的具有电化学活性的神经递质，通过在碱性条件下自聚合可以附着在多种材料表面，其制备过程简便，为新型多功能复合材料的制备提供了新思路。

综上所述，现阶段已有较多关于多巴胺及其衍生物在食品快速检测领域的基础理论研究。尽管已经合成了聚多巴胺，但其合成机理仍不明确，需进一步研究。聚多巴胺作为天然黑色素的主要成分，广泛分布于人体，具有良好的生物相容性，且不会产生明显的细胞毒性作用，这对食品分析非常重要。有研究表明100 μL 8%的黑色素可以在体内发生降解，如Bettinger等[65]将黑色素植入体内进行研究，发现8 周后几乎完全降解，但聚多巴胺的长期毒性及在体内降解的详细机制和精确模式等关键问题还没有得到系统的研究和很好的说明，从实验室研究转向工业化生产应用还需要一定时间，需要科研人员付出更多努力来填补这些研究上的空白，因此其在食品安全等领域的应用充满机遇与挑战。

利用多巴胺及其衍生物易于聚合的性质，将具有增强抗菌性能的功能性纳米颗粒牢固结合到膜表面，可以在传统材料基础上开发一系列兼具二者优势的复合材料，提高传统传感器的选择性和生物相容性，为生物传感器的多样性提供新的解决方案。另外，除在原有方法和技术的基础上将多巴胺及其衍生物应用于材料表面来进一步改进与发展各种传感器外，将这种新型材料与高新技术相结合，研究开发基于新型标记或检测材料的食品快速检测新方法，以及开发可以同时检测多种有害物质的传感技术来更好地满足实际需要，将成为未来的研究热点。