双酚A与汞：应用、毒性及功能性纳米材料增强DNA生物传感器的检测

《Biosensors》：Bisphenol A and Mercury: Application, Toxicity and Detection by Functional Nanomaterial-Enhanced DNA Biosensors

　　

双酚A（Bisphenol A, BPA）和汞是两类重要的食品污染物，同时也对生态系统和人类健康造成严重且不可逆的损害。因此，有必要对其工业应用、毒性危害、限制措施和检测方法进行全面总结。该综述介绍了BPA和汞在工业生产及日常生活中的广泛应用，以及随之而来的环境污染问题。该综述还阐述了BPA和汞的毒性及其作用机制。尽管世界各国已采取相关措施确保产品的安全使用和食品的安全消费，但其中毒风险仍然存在。聚焦于后续的技术预防，该综述总结了几种常见的样品前处理方法，这些方法能够测定真实的BPA或汞含量，并最终提高检测准确性。该综述主要讨论了四种功能性纳米材料（functional nanomaterial, FNM）增强的DNA生物传感器，利用主流的比色法、电化学法、荧光法和表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering, SERS）方法以及其他方法，实现对BPA和汞的高选择性和高灵敏度测定。该综述还分析了基于FNM增强DNA生物传感器的样品前处理和检测方法发展中存在的问题，并借助可穿戴智能设备、人工智能和大数据等最新前沿技术讨论了未来发展方向。

1. Introduction

双酚类化合物具有两个酚基，化学活性高，广泛用于聚碳酸酯和环氧树脂等聚合材料的生产，其中双酚A（BPA）最常用于制造塑料制品、热敏纸、食品包装和医疗设备。汞在室温下为高挥发性和毒性的液体，具有稳定性、均匀热膨胀和抗腐蚀性能，常用于温度计、荧光灯、化妆品和电池等产品。自然因素、制造工艺限制、日常使用和不当处置以及食物链传递是BPA和汞污染环境的主要原因。通过受污染食物摄入或接触污染材料，人类中毒风险依然存在，因此迫切需要开发灵敏高效的检测方法。

2. Mechanism of Toxicity for BPA and Mercury

BPA和汞广泛用于工业生产和日常生活，但同时也是重要的食品污染物，对生态系统和人类健康造成严重不可逆损害。了解其生物毒性和作用机制对于开发灵敏有效的生物传感检测方法至关重要。

2.1. BPA

BPA的结构与雌激素相似，被称为外源性雌激素。它通过与雌激素受体（ERs）结合模拟雌激素，参与某些生理反应并影响机体代谢过程，导致对人类组织、器官和系统的严重毒性。BPA具有持久性和生物累积性，通过饮食摄入、吸入或皮肤接触进入人体，干扰激素信号通路，引起代谢紊乱、神经发育障碍、生殖毒性乃至癌症风险增加。在pM–fM（mol/L）极低浓度下，BPA仍对生物体产生显著毒性。光照或加热可显著增加食品包装材料中BPA的迁移和释放。由于内分泌干扰和生殖毒性，BPA的使用受到严格限制，并已被其他双酚类似物（如BPB、BPC、BPE、BPF、BPP、BPS、BPZ、BPAF、BPAP）替代，但这些类似物也表现出相似或更高的毒性风险，且与BPA结构相似可能导致交叉反应，影响检测准确性。

2.2. Mercury Species

汞是一种高毒性环境污染物，对人体多个系统和器官具有严重生物毒性，尤其是神经毒性。甲基汞（MeHg）是最毒的形式之一，与蛋白质中的巯基具有强亲和力，可穿越血脑屏障并在脑组织中生物累积，引起情绪障碍、认知和运动障碍。汞暴露还可通过诱导氧化应激和脂质过氧化影响血液氧运输和细胞膜结构。汞可通过食物链传递，人类摄入受污染的海产品时会发生汞中毒。汞的毒性作用机制涉及生化相互作用和细胞通路，主流观点认为汞与巯基蛋白和谷胱甘肽结合诱导氧化应激，产生活性氧和活性氮以及过氧亚硝酸盐（ONOO^?），导致机体损伤。氧化应激进一步激活铁蛋白吞噬介导的铁过载，诱导线粒体损伤和核因子-κB（NF-κB）通路抑制，从而诱导铁死亡和继发性坏死性凋亡。环境中的硫酸盐还原菌（SRB）可将无机汞（Hg²⁺）转化为MeHg，这是汞神经毒性的关键转化步骤。植物中，汞暴露通过抑制光合作用和抗氧化系统引起代谢紊乱；昆虫中，汞通过基因毒性和能量代谢失衡导致生殖和发育障碍。

3. Restrictive Measures of BPA and Mercury

当前食品或产品中BPA和汞污染状况依然严峻。欧盟市场上标有“BPA-free”的奶嘴被检出BPA浓度达288 μg/L，远超欧洲食品安全局（EFSA）设定的0.2 ng/kg bw/day最大限量标准。尼泊尔大米中总汞和甲基汞的几何均值最大值分别为158 μg/kg和8.59 μg/kg，超过中国国家标准。全球监管措施方面，欧盟是BPA最严格的监管机构之一，EFSA将BPA的暂定每周耐受摄入量从50 μg/kg·bw/day逐步降至4 μg/kg·bw/day（2015年），又于2023年降至0.2 ng/kg·bw/day，并禁止BPA在婴儿奶瓶和化妆品中使用。其他国家和机构如加拿大、英国、美国FDA也采取类似禁令。由于BPA使用受限，非法替代为其他双酚类似物引发新的担忧，需要对所有双酚类似物进行综合监管。汞的全球监管以《水俣公约》为核心，多数国家更新了国内法律，逐步淘汰含汞产品和牙科汞合金，并严格限制工业制造中的汞使用。多数国家和组织如食品法典委员会（CAC）将监管重点放在甲基汞上，水产中甲基汞限量设为0.5–1.7 mg/kg，饮用水中总汞限量为0.001 mg/L，其他食品限量0.01–0.05 mg/kg。传统检测方法如毛细管电泳（CE）、气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）联用质谱（MS）等具有高精度但存在设备昂贵、操作复杂等缺点。DNA可作识别元件，具有结构简单、低成本、热稳定、生物相容等优点，可构建DNA生物传感器。功能性纳米材料（FNMs）包括金纳米颗粒、碳纳米管、量子点、金属有机框架和磁性纳米材料等，可弥补传统检测方法的不足，与DNA分子结合构建FNM增强DNA生物传感器。

4. Construction of DNA Biosensors

FNM增强的DNA生物传感器主要分为四类：碳基纳米材料（CBNM）增强、金属纳米材料（MNM）增强、半导体纳米材料（SCNM）增强和复合纳米材料（CNM）增强的DNA生物传感器。

4.1. CBNM-Enhanced DNA Biosensors

CBNM增强DNA生物传感器由碳基纳米材料和DNA识别元件组成。常见的CBNM包括碳点（CDs）、碳纳米管（CNTs）、石墨烯、氧化石墨烯（GO）和富勒烯。CBNM利用其大比表面积、优异光电性能和可调表面化学性质作为信号转导载体或生物分子固定平台。电学检测机制基于碳基场效应晶体管技术，精确控制DNA探针的方向和密度，实现无标记单分子水平检测；光学检测机制通过π-π堆叠恢复被荧光共振能量转移（FRET）猝灭的光信号。CBNM增强DNA生物传感器具有快速响应、高特异性和灵敏度、无标记或低标记操作、多重检测能力等优势。

4.2. MNM-Enhanced DNA Biosensors

MNM包括金纳米颗粒（AuNPs）、金纳米簇（AuNCs）、金纳米星（AuNSs）、银纳米颗粒（AgNPs）、银纳米棒（AgNRs）、银纳米花（AgNFs）以及金银纳米颗粒（Au-AgNPs）。MNM的高比表面积、优异导电性、生物相容性、表面等离子体共振效应和类酶催化活性赋予传感器高效信号转导和定量检测能力。检测机制主要包括电化学、光学、表面增强拉曼散射（SERS）、纳米酶和信号放大机制。MNM增强DNA生物传感器具有优异的特异性和超高灵敏度，适用于复杂实际样品中的多重检测。

4.3. SCNM-Enhanced DNA Biosensors

SCNM增强DNA生物传感器基于SCNM和DNA分子构建。SCNM如金属氧化物、过渡金属硫属化物等具有可调带隙结构和优异光电性能，通过能带工程精确调控生物界面上的载流子动力学，促进DNA杂交过程中的电子注入或提取，放大光电化学或电化学输出信号。SCNM还可有效固定DNA分子，提高选择性和灵敏度。然而，SCNM增强DNA生物传感器仍面临界面稳定性、生物相容性和大规模集成成功率等挑战。

4.4. CNM-Enhanced DNA Biosensors

CNM如金属有机框架、石墨烯-金属复合物和上转换纳米颗粒（UCNPs）-二硫化钼等，结合了至少两种纳米材料，具有多功能特性。相比单一纳米材料增强的传感器，CNM增强传感器具有协同整合优势，可实现多模态信号读出。构建方式包括：通过物理吸附或化学修饰将DNA探针固定在CNM表面；利用DNA折纸或程序化自组装作为模板实现CNM的精确空间排列；将CNM作为信号转导载体与DNA分子结合。但CNM合成过程复杂，批次一致性难以保证，部分CNM可能有细胞毒性或生物降解性差。

5. Sample Pretreatment for Extracting BPA and Mercury

在实际食品、环境样品和塑料产品复杂基质中，共存的干扰物质可能影响BPA或汞的测定，且其浓度常为痕量/超痕量水平，因此检测前需要进行样品前处理。

5.1. Enrichment and Extraction of BPA

BPA萃取常用方法包括固相萃取（SPE）、分散固相萃取（DSPE）、磁性固相萃取（MSPE）、分子印迹固相萃取（MIP-SPE）、微波辅助萃取（MAE）、液相微萃取（LPME）、分散液液微萃取（DLLME）和超声辅助溶剂微萃取（UASME）。这些方法具有良好回收率、低检出限和高精密度。未来发展方向趋向绿色萃取、更高选择性和效率、小型化和在线分析。

5.2. Separation and Extraction of Mercury

环境中汞浓度极低（ng/L水平），共存离子易干扰分析。汞的毒性与其形态密切相关，毒性顺序为有机汞（如MeHg）、无机汞（Hg²⁺）和元素汞（Hg⁰）。样品前处理可选择性地分离汞形态。SPE适用于无机汞和有机汞的选择性萃取。其他方法如磁性纳米颗粒吸附剂、一锅预处理等也被用于汞的原位绿色富集。对于汞形态分析，SPE、DSPE和MSPE表现出高回收率和低基质干扰，MAE更适用于固体样品中汞形态的提取。BPA样品前处理更关注富集效率和基质干扰消除，而汞样品前处理则侧重于在保证汞形态稳定性的前提下实现高灵敏检测。

6. BPA and Mercury Detection by FNM-Enhanced DNA Biosensors

样品前处理后，选择可靠灵敏的检测方法是核心步骤。基于FNM增强DNA生物传感器的分析方法主要围绕高灵敏度、复杂样品适应性和抗基质干扰展开。

6.1. Colorimetric Method

比色法通过BPA与DNA识别元件结合触发级联反应或构象变化，导致FNM聚集或催化底物显色，产生肉眼可见的颜色变化。比色法具有操作简单、无需复杂仪器、适合现场快速检测的优点。近年来，人工智能辅助比色生物传感器、基于Spiegelmer的免标记比色适配体传感器、双模式适配体传感器等显著提高了BPA检测灵敏度。对于汞的检测，胸腺嘧啶（T）与Hg²⁺形成T-Hg²⁺-T复合物是常见检测原理，富T DNA序列作为特异性识别元件，FNM作为信号转导和放大工具。

6.2. Electrochemical Method

电化学方法将BPA与DNA分子的特异性结合反应转化为可检测的电化学信号，利用FNM的高导电性和大比表面积增强信号。常见策略包括磁性载体辅助策略、协同纳米探针策略、酶-核酸酶级联扩增策略和纳米催化动态DNA组装策略。对于汞离子检测，富T DNA识别探针通过T-Hg²⁺-T键特异性识别汞离子并诱导构象变化，FNM修饰电极界面提高导电性和有效比表面积。基于T-Hg²⁺-T错配结构、比率传感、信号放大策略和FNM增强电化学信号的适配体传感器已被开发用于茶叶、海水和海产品中Hg²⁺的定量测定。

6.3. Fluorescence Method

基于FNM增强DNA生物传感器的荧光方法中，BPA和汞检测都利用FNM增强荧光信号强度和稳定性，依赖构象变化识别目标分子，采用“开-关”信号开关或比率策略。区别在于BPA通过特异性识别并结合DNA适配体，检测原理为“特异性结合→FNM构象变化→荧光信号探针分离→荧光信号改变”；Hg²⁺检测基于T-Hg²⁺-T错配原理，导致DNA适配体结构重排，改变“开-关”荧光信号。对于BPA检测，FNM倾向于分离荧光信号探针和调节荧光信号；对于Hg²⁺，FNM更多用作DNA结构调节工具或荧光猝灭剂。

6.4. SERS Method

表面增强拉曼散射（SERS）是一种基于单分子水平的光谱分析技术，具有省时、低成本、免标记、高灵敏度和优异抗干扰能力。SERS可增强吸附在FNM表面的分析物分子的拉曼信号，增强幅度超过10个数量级。基于磁性Fe₃O₄-Au@Ag@(Au@Ag)纳米复合材料、Au@Ag/共价有机框架（COF）基底以及毛细管整体柱3D结构SERS平台等已被用于BPA和Hg²⁺的超灵敏检测。此外，半导体纳米材料作为SERS基底更具稳定性和生物相容性，有望替代贵金属基底。

6.5. Other Methods

除上述方法外，光电化学（PEC）、化学发光（CL）、电容传感（CS）、场效应晶体管（FET）和回音壁模式（WGM）等方法也被用于复杂基质中痕量BPA和汞的检测，表明FNM增强DNA生物传感器在污染物检测中的多元化发展策略。

7. Conclusions and Future Prospects

BPA和汞广泛用于工业生产和日常生活，但对食品、生态系统和人体健康构成严重威胁。尽管大多数国家和国际组织已采取限制和监管措施，BPA和汞中毒风险仍不能完全消除。检测前进行样品前处理十分必要，常用方法包括SPE、MSPE、MIP-SPE、MAE、LPME、DLLME和UASME。四种FNM（CBNM、MNM、SCNM和CNM）可增强DNA生物传感器性能，基于此发展了比色、电化学、荧光、SERS以及PEC、CL、CS、FET和WGM等方法。然而，一些DNA生物传感器易受共存物质干扰，DNA-靶分子相互作用易受有机溶剂环境影响，直接识别MeHg的手段不足。因此，样品前处理方法和FNM增强DNA生物传感方法需要不断改进和创新，向着“简化前处理、多模式分析和智能应用”的目标发展。例如，磁性纳米材料与微流控技术集成构建“混合后即时循环检测”平台；利用人工智能和大数据，DNA生物传感器与可穿戴智能设备结合可实现“采样-前处理-分析检测”全过程的自动化和智能化。