新型壳聚糖包覆磁性荧光分子印迹传感器（MFMIP-CS）用于啤酒与果汁中草甘膦的快速荧光测定

《Food Chemistry》：Rapid fluorimetric determination of glyphosate in beer and fruit juices using a chitosan-coated magnetic–fluorescent molecularly imprinted sensor

　　

本研究报道了一种基于壳聚糖（chitosan，CS）包覆的磁性荧光分子印迹聚合物（magnetic and fluorescent molecularly imprinted polymers coated with chitosan，MFMIP-CS）的新型传感器，用于啤酒和果汁中草甘膦（glyphosate，GLY）的快速荧光测定。该传感器为食品中草甘膦的监测提供了一种快速且环境友好的检测手段。荧光-磁性协同设计提高了在复杂食品基质中的灵敏度，所建立的方法无需色谱分离步骤即可实现草甘膦的准确、精密检测。壳聚糖包覆层增强了传感器的选择性，并降低了基质相关的荧光背景噪声。鉴于已在啤酒和果汁中检出草甘膦残留，因此需要更完善的食品监测手段来保障食品安全。

草甘膦（glyphosate，GLY）是全球使用最广泛、效率最高的非选择性除草剂之一，其过量使用和残留问题已引起广泛关注。啤酒和果汁等加工饮品中频繁检出的GLY残留提示其可能通过食物链进入人体，而实验和流行病学研究也指出GLY暴露可能与氧化应激、线粒体功能障碍、内分泌干扰等健康效应相关。目前GLY的测定主要依赖高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）及液相/气相色谱-质谱联用（LC-MS/GC-MS）等色谱技术。然而，GLY具有高极性、两性离子特性、低挥发性和常规反相色谱柱上保留差等特点，常需衍生化或专用固定相，分析流程复杂、成本较高。因此，开发能够快速、低成本、简便地用于复杂食品基质中GLY监测的互补性筛查方法具有重要现实意义。分子印迹聚合物（MIP）基光学传感器因选择性高、操作简便而受到关注；将磁性纳米颗粒（MNPs）和量子点（QDs）引入MIP，可实现磁分离与荧光检测的协同。但已有此类传感器多用于水环境样品，在富含蛋白质、多酚等大分子的啤酒和果汁基质中，非特异性吸附会导致印迹空穴被阻塞，难以实现直接测定。本研究在研究人员前期开发的磁性荧光分子印迹传感器（MFMIP，基于Fe₃O₄@TEOS和CdTe@TGA量子点）基础上，采用壳聚糖（CS）对材料表面进行保护性包覆，构建了新型MFMIP-CS传感器，并将其直接应用于啤酒和多种果汁中GLY的快速荧光测定。该研究旨在解决复杂食品基质对分子印迹荧光传感器的干扰问题，为食品中GLY残留监测提供绿色、快速的互补分析工具。

研究人员首先以GLY为模板，通过溶胶-凝胶法在Fe₃O₄@TEOS磁性纳米粒和巯基乙酸包覆碲化镉量子点（CdTe@TGA）表面合成MFMIP，再以戊二醛交联壳聚糖制备MFMIP-CS，同时合成无模板的MFNIP-CS作对照。材料经傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG/DSC）、Zeta电位、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、氮气吸附（BET）、X射线衍射（XRD）及磁分离试验等手段表征。研究人员还利用等温滴定量热法（ITC）测定GLY与MFMIP-CS结合的吉布斯自由能变化（ΔG°）和结合常数（K_b）。方法开发中，系统比较了MFMIP与MFMIP-CS在啤酒和葡萄汁中的荧光响应稳定性，优化了传感器-分析物相互作用时间、洗涤溶剂和样品pH条件。选择性试验以MFNIP-CS为对照，并测试了马拉硫磷、溴氰菊酯和DDT三种结构不同的农药。实际样品分析使用了巴西Alfenas本地市售样品，包括15个啤酒品牌（含精酿和工业）、9个葡萄汁品牌、6个橙汁品牌和5个草莓汁品牌，均以基质匹配校准曲线和基质空白进行定量与背景校正。

**3.1 复合材料的合成与表征：** 光谱与显微数据证实壳聚糖通过席夫碱反应交联于MFMIP表面，并用硼氢化钠将亚胺还原为稳定胺。FT-IR中1079 cm^?1处Si–O–Si伸缩振动及673 cm^?1处Fe–O特征峰证实磁性荧光复合结构保留；热重显示MFMIP-CS总质量损失（20.00%）低于MFMIP（22.00%），说明壳聚糖层提高了热稳定性。Zeta电位测得等电点（pI）为5.7；SEM显示粒子呈球形，平均粒径由MFMIP的0.712±0.09 μm增至MFMIP-CS的0.838±0.33 μm；BET测得比表面6.21 m² g^?1、平均孔径0.866 nm，属微孔材料。XRD图谱确认Fe₃O₄面心立方结晶结构保留，且复合物可在约5秒内被外加磁铁吸引，证明磁性响应良好。

**3.2 MFMIP-CS与GLY相互作用的ITC热力学研究：** ITC实验表明，GLY与MFMIP-CS的结合常数K_b=1.209±0.336×10⁷ M^?1，ΔG°=?40.404±0.100 kJ mol^?1，说明复合物形成在热力学上有利；其数值显著高于未包覆MFMIP与GLY的结合常数（K_b=3.15142×10⁵ L mol^?1，ΔG°=?31.384 kJ mol^?1）。不同于未包覆MFMIP的强放热（ΔH°=?299.121 kJ mol^?1）过程，MFMIP-CS的结合以熵驱动为主（ΔH°=?2.124±0.107 kJ mol^?1，TΔS°=38.280±0.202 kJ mol^?1），研究人员认为壳聚糖水化界面可能改变了印迹空穴周围的溶剂重组环境，但该分子机制未被直接测量，属合理推论。

**3.3 方法优化：** 未包覆MFMIP在啤酒和葡萄汁中荧光信号波动剧烈，洗涤步骤不能稳定响应，无法确定可靠的工作时间。包覆CS后，MFMIP-CS在各基质中的响应明显改善。通过单因素实验确定：啤酒相互作用时间1.0 min、葡萄汁4.0 min、橙汁3.0 min、草莓汁2.0 min；洗涤溶剂分别为啤酒和橙汁、草莓汁用超纯水，葡萄汁用乙醇；最优pH分别为啤酒4.0，葡萄汁、橙汁和草莓汁均为3.5，接近各基质自然pH。ANOVA及Tukey HSD检验表明时间对响应影响显著；±10%扰动实验显示橙汁对时间较敏感，因此控制精确的操作时间是保证结果稳定的前提。

**3.4 选择性研究：** 与MFNIP-CS相比，MFMIP-CS对0.010、0.50和1.00 mg L^?1 GLY的吸附量（q_e）、分配系数（K_d）和选择性结合百分比（B）均更高，印迹因子（IF）高于1.5，且较高浓度下印迹与非印迹材料差异减小，提示非特异性吸附贡献增加。对马拉硫磷、溴氰菊酯和DDT的测试显示，这些农药未产生与GLY相当的荧光猝灭响应，说明MFMIP-CS对GLY具有良好选择性；但结构类似物如氨甲基膦酸（AMPA）、草铵膦和甘氨酸未被考察，交叉反应不能排除。

**3.5 分析性能：** 基质匹配校准曲线在啤酒和草莓汁中线性范围为0.005–0.100 mg L^?1，在葡萄汁和橙汁中为0.020–0.500 mg L^?1，决定系数（R2）均达0.999。啤酒和草莓汁的检出限（LOD）为0.0016 mg L^?1、定量限（LOQ）为0.005 mg L^?1；葡萄汁和橙汁LOD为0.0066 mg L^?1、LOQ为0.020 mg L^?1。日内精密度（%CV）为0.53%–5.74%，日间精密度为2.79%–7.33%；日内回收率86.96%–106.90%，日间回收率94.94%–100.96%，满足筛选方法的要求。两批独立合成的MFMIP-CS响应接近，且经十次连续洗涤后荧光信号无明显下降，初步提示批次一致性和耐洗涤性；长期储存稳定性未建立。

**3.6 实际样品应用：** 35个市售饮品样本检测中，11个啤酒品牌、6个葡萄汁品牌和4个草莓汁品牌呈现与GLY存在一致的响应；其中5个啤酒、1个葡萄汁和1个草莓汁响应处于LOD与LOQ之间，报告为“?1，但啤酒和草莓汁在所查法规中未见明确MRL。由于未使用独立色谱方法确证，该结果应在筛选方法的适用范围内解释。

**3.7 绿色化学评价：** 采用AGREEprep工具评价样品前处理过程的绿色属性，最终得分为0.69，高于常规液液萃取和MIP固相萃取法的文献报告值，表明该方法样品前处理具有良好的绿色特征；但CdTe量子点的使用仍是传感平台的环境局限，废弃材料应作为含金属危废管理。

在讨论部分，研究人员指出，壳聚糖包覆有效减少了啤酒和果汁中蛋白质、多酚等大分子在传感器表面的非特异性吸附，是该方法能够直接用于复杂食品基质的关键。ITC热力学结果和对比优化实验共同表明，表面涂层不仅保护了印迹空穴的可及性，还改变了结合过程的热力学特征。与传统色谱方法相比，该方法无需衍生化和复杂前处理，灵敏度满足筛查需求，但检出限并非同类传感平台中最低，长期稳定性未建立，且未做色谱对照确证。因此，MFMIP-CS传感器应定位为色谱参考方法的互补筛查工具。研究结论认为，研究人员成功合成了MFMIP和MFMIP-CS两种选择性识别GLY的磁性荧光分子印迹传感器，并重点表征了MFMIP-CS；壳聚糖包覆显著改善了传感器在复杂食品基质中的响应稳定性和可操作性；基于MFMIP-CS建立的方法在啤酒和葡萄汁、橙汁、草莓汁中展现出满意的精密度和准确度，相互作用时间仅1–4分钟，样品处理简单、仪器要求低，可作为食品中GLY残留监测的互补分析平台。同时，CdTe量子点的环境风险、传感器长期稳定性以及色谱确证研究仍需在未来工作中解决。