《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Detection Techniques for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Their Metabolites: A Review
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多环芳烃(PAHs)是一类影响环境和个体健康的有机污染物，已被证实与包括癌症在内的多种疾病相关。环境分析侧重于检测PAHs本身，而人体暴露评估则聚焦于尿液中的代谢物。基于实验室的检测方法，如液相色谱或气相色谱联用质谱法，已建立超过30年，并在灵敏度和通量方面逐
多环芳烃(PAHs)是一类影响环境和个体健康的有机污染物，已被证实与包括癌症在内的多种疾病相关。环境分析侧重于检测PAHs本身，而人体暴露评估则聚焦于尿液中的代谢物。基于实验室的检测方法，如液相色谱或气相色谱联用质谱法，已建立超过30年，并在灵敏度和通量方面逐年显著改进。在实验室环境之外，接近即时检测(point-of-care)的传感技术有望实现快速简便的常规检测，为此已开发出利用不同换能器设计的多种生物传感器和化学传感器。本叙述性综述报告了PAHs及其代谢物传感的最新进展，首先讨论基于实验室的技术，随后重点介绍有望在即时检测和环境场景中实现原位应用的技术。
主体内容总结
1 引言
多环芳烃(PAHs)是一类由多个稠合芳香环组成的平面有机分子，主要含sp2杂化碳原子和离域π电子云。它们被视为环境污染物，全球管理机构已制定环境毒性阈值。PAHs来源于木材、烟草、煤炭、汽油等有机物的不完全燃烧。暴露于PAHs与多种健康问题相关，包括癌症发病率升高、代谢综合征、心血管系统损伤和内分泌系统干扰。常见的PAHs包括芘、菲、苯并[a]芘(B[a]P)和萘。消防员等职业暴露人群面临更高的膀胱癌、骨髓瘤和前列腺癌风险。PAHs具有亲脂性，可通过皮肤、吸入和摄入进入人体，在肝脏中被代谢为多种化合物，其中1-羟基芘(1OHP)被确立为暴露评估的生物标志物。其他尿液代谢物包括1-萘酚(1OHN)、2-萘酚(2OHN)和羟基芴。环境分析中最相关的基质是地表水体样本，医学背景下则是尿液样本。
2 基于实验室的PAH检测与定量
2.1 基于HPLC和GC进行分离、MS和FD进行检测的成熟技术
由于极低的检测限(LOD)和成熟的研究方法，涉及HPLC、GC、MS、FD及其组合的实验室方法仍是金标准。最常用的方法是将HPLC或GC与FD或MS联用。样品需经处理以去除干扰物：环境样品通过离心或过滤去除颗粒物；尿液样品通常用β-葡萄糖醛酸酶处理并过夜孵育，将结合形式的1OHP-葡萄糖醛酸苷(1OHP-gluc)转化为游离1OHP。随后通过固相萃取(SPE)或甲醇提取净化样品。GC分析前需对PAHs及其代谢物进行衍生化处理。
近期进展集中在探索新的检测方式、优化FD和提高通量。Chen等人利用内滤效应，基于PAHs的荧光猝灭(FQ)特性，结合阵列式传感和模式分析，实现了单个样品中多种PAHs的同时检测，LOD为57 nM。Wang等人构建了三维深紫外(DUV)诱导荧光检测器，通过多个激发源和收集路径提高了激发光强度，在HPLC分离后实现了低至20 pM的检测限。
Frederiksen等人报道了一种简化的在线SPE-LC-MS/MS方法，用于同时定量尿液中的八种羟基化PAH代谢物。通过自动进样器和多端口阀将提取步骤整合到系统中，减少了手动处理步骤，将实验室分析能力从每周约50个样品提高到2小时内100个样品。该方法的定量限(LOQ)低至约0.15 nM(1OHP)，日内和日间变异分别为2.4%–8.1%和1.6%–6.5%。
Gao等人采用电膜提取技术，通过电场辅助将目标分析物从样品中提取到接受相中，减少了尿液样品的预处理时间，在后续LC/MS分析中实现了0.3 nM的LOD。
2.2 基因修饰细胞中PAH代谢与荧光素酶表达的偶联
另一种方法基于化学活化荧光素酶基因表达(CALUX)，使用转染了荧光素酶报告基因的基因修饰细胞。报告基因置于对目标分析物响应的受体(CYP1A1基因)控制之下。当分析物结合并激活该受体时，诱导荧光素酶表达，产生可测量的光信号。以B[a]P为模型分析物，基于其半数最大有效浓度计算其他PAHs的B[a]P当量，报道的LOD为52 pM。该CALUX生物测定法已用于消防员PAH暴露的现场研究。
2.3 表面增强拉曼光谱(SERS)
SERS基于非弹性光散射，目标分析物吸附在纳米结构金属表面，产生局域表面等离子体增强的电磁场，从而提高拉曼信号强度。SERS可检测纳摩尔浓度的化合物。用于PAH检测的主要问题是PAHs与金属表面亲和力低，因此需要表面功能化将靶标捕获在“热点”中。
Wang等人开发了一种自组装三明治结构，由银(Ag)纳米线、氧化石墨烯(GO)、硫醇和金(Au)纳米颗粒组成。通过π?π堆积和疏水相互作用捕获PAHs，在592 cm?1处识别芘的特征SERS峰，在过滤和加标的河水中对芘、蒽和菲实现了10 nM的LOD。
该团队进一步使用填充聚离子液体(PIL)的碗状纳米腔并修饰Au纳米颗粒，利用PIL对PAHs的高亲和力实现更有效的捕获，对多种PAHs实现了亚纳摩尔LOD。结合机器学习进行指纹识别，可在加标水样中区分结构不同的PAHs，但对结构相似分析物的区分仍有限。
3 便携式传感技术
便携式传感技术可消除样品运输、处理和结果通报造成的延迟，实现更快的污染和暴露评估。
3.1 生物识别元件
生物传感器严格意义上基于生物识别元件，如抗体(AB)、酶、细胞、适配体或DNA片段。Wei等人报道了基于单克隆抗体固定在硅烷修饰的氧化铟锡(ITO)上的生物传感器，使用钌联吡啶-芘丁酸偶联物作为氧化还原示踪剂，通过循环伏安法检测B[a]P，LOD为9.5 nM。
Ball等人报道了一种检测尿液中1OHP-gluc的酶联免疫吸附测定(ELISA)，并开发了侧向流动测定用于现场检测。单克隆抗体结合Au纳米颗粒，样品中的1OHP-gluc与抗体结合后沿流动通道迁移，在测试线处形成红色条带，使用智能手机相机评估。定性检测的截止点为21 nM，实验室ELISA的LOD为21 pM，并能区分1OHP-gluc与芘、1OHN-葡萄糖醛酸苷和1OHP。
在此基础上，一种利用竞争性免疫分析的电化学传感器被报道用于检测尿液中的1OHP-gluc。传感器将半抗原-牛血清白蛋白(BSA)偶联物固定在3D打印传感器的工作电极上，使用辣根过氧化物酶(HRP)标记的二抗，通过微分脉冲伏安法(DPV)检测电流变化。LOD为250 pM，加标人尿的回收率为95%–105%。
Cho等人报道了基于大肠杆菌和β-半乳糖苷酶的比色生物传感器，用于检测水体中的萘。基因修饰的大肠杆菌在萘存在下产生降解酶，同时产生氯酚红-β-半乳糖吡喃糖苷(CPRG)，被β-半乳糖苷酶水解后呈现亮红色，可通过肉眼检测。液体样品的LOD在微摩尔范围，更适合重度污染水体。
3.2 金属有机框架(MOFs)
MOFs是由金属离子或配合物通过有机连接分子连接而成的有序分子结构，具有极高孔隙率和巨大内表面积。其性质可通过改变金属离子和连接分子来调控。
3.2.1 MOFs用于光学检测
大多数MOF基于发光或荧光猝灭原理工作。目标分子进入框架后通过光诱导电子转移破坏发射，导致特定波长光强度降低，强度降低与目标浓度成正比。通过测量多个波长的强度变化并校准比率，可设计比率型传感器。
多种MOF被报道用于1OHP检测，其中铕(Eu3?)离子表现最佳。早期研究使用UV灯激发框架，1OHP的存在导致猝灭，LOD为3.2 nM，离子和尿酸干扰小，pH稳定性范围4.5–8，并可将MOF沉积在纸条上进行快速定性评估。
Yang等人报道了抗尿酸干扰的Eu3?基MOF传感器，但LOD在微摩尔范围。后续研究开发了锌(Zn2?)基MOF构建比率型荧光传感器，消除了尿酸干扰，但未明确报告LOD。Liu等人开发了基于铽(Tb3?)和Eu3?的比率型MOF传感器，在尿液中分别实现0.6 μM和150 nM的LOD，并构建了使用发光二极管和智能手机相机的台式装置。
3.2.2 MOFs用于电化学传感
MOF被固定在导电支撑物(如碳、石墨烯)上用于1OHP的电化学检测。基于铬(Cr3?)中心MOF和聚酰胺-胺树枝状大分子的传感器，使用DPV检测1OHP在氧化石墨烯上的电氧化，LOD为75 nM，尿酸和多种离子干扰可忽略，但在加标尿液样品中回收率为91.8%–108%，存放两周后信号下降超过20%。
基于ZIF-8/离子液体复合物修饰碳糊的传感器使用DPV检测1OHP，LOD为10 nM，干扰有限。基于ZIF-67修饰胶体金并沉积在碳纳米纤维糊上的传感器使用方波伏安法(SWV)，在优化条件下LOD为0.1 nM，在尿液样品中回收率99.6%–105.3%。
3.3 碳材料和纳米材料传感器
碳基材料如玻璃碳和碳纳米结构已用于检测PAHs和PAH代谢物。碳纳米管(CNTs)可增加表面积以提高灵敏度。石墨烯因其平面蜂窝结构和完全离域的π电子系统，与PAHs及其羟基化衍生物通过π?π堆积直接相互作用，实现电化学传感。此外，氢键、表面功能化、掺杂和纳米颗粒沉积也可增强传感性能。
通过测定不同PAHs和代谢物的电氧化电位(U
oxidation)，可实现一定程度的区分。早期直接在多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的玻璃碳电极上用SWV检测尿液1OHP，LOD为0.1 nM，但需充分预处理以分离干扰物。
Cu–GO杂化材料直接在玻璃碳基底上检测2OHN，LOD为5 nM。石墨烯/超交联树脂修饰碳电极用于1OHP富集和检测，LOD为1.72 nM，尿酸不干扰，在吸烟者和非吸烟者尿样中回收率97.4%–100.4%。电化学还原GO沉积石墨烯后检测1OHP，LOD为0.84 nM，并对照HPLC验证。
为防止石墨烯层重聚集，引入中间层如八(3-氨丙基)八硅倍半氧烷盐酸盐与rGO纳米带结合，LOD为40 nM。使用聚-8-甲氧基-7-甲基-5-(10-蒽-9-基)喹诺酮(PMMAYQ)和rGO交替层，LOD为0.07 nM。基于石墨烯和聚电解质PbCSO?Na的多传感器可检测1OHP、2OHN和3-羟基菲(3OHPhen)，LOD分别为10.42 nM、1.43 nM和3.21 nM。基于rGO的丝网印刷碳电极多传感器检测同一组化合物，LOD分别为20.4 nM、10.1 nM和15.3 nM。
环糊精(CDs)作为识别元件可提高区分能力。Au纳米颗粒/中空氮掺杂碳微球杂化物功能化硫醇化β-CDs，通过氧化峰电位区分1OHN和2OHN，LOD分别为1 nM和1.2 nM。基于3D石墨烯纳米结构的传感器检测1OHN和2OHN，LOD为10 nM和20 nM。基于rGO的类似传感器LOD为1.01 nM和0.43 nM。
电聚合聚(L-谷氨酸)修饰丝网印刷石墨烯电极，使用[Fe(CN)?]3?/??氧化还原探针检测1OHP，LOD为0.95 nM，尿酸和肌酐无干扰。石墨烯场效应晶体管通过检测狄拉克点位移来检测芘，LOD为0.1 nM，但不能区分不同PAHs。石墨烯量子点(GQDs)的荧光被Fe3?猝灭，加入芘后通过π?π堆积恢复荧光，LOD为242–351 nM。
3.4 PAHs及类似化合物作为识别元件
Mu?oz等人将目标分子本身固定在自组装单分子层(SAM)上作为同源识别元件，利用PAHs的平面芳香结构实现分子间π堆积。以芘为模型分子，结合电化学阻抗谱(EIS)，在水中的LOD为9 pM。后续研究使用CNTs作为识别元件，同样获得pM级LOD，但对单个PAHs无特异性。进一步开发了基于四种SAM功能化传感位点的集成多传感器，用于萘、蒽、芘和荧蒽，LOD在皮摩尔范围，无交叉选择性。
3.5 分子印迹聚合物(MIPs)
MIPs通过锁钥机制检测目标分析物。聚合物在印迹模板存在下聚合，提取模板后留下具有互补纳米腔的结合位点。选择性结合通过氢键、π?π相互作用、偶极相互作用和范德华力实现。MIPs具有高化学和物理稳定性，适用于复杂介质。
基于双酚A和亚甲基二苯基二异氰酸酯的MIP用于B[a]P的发光检测，LOD为0.2 nM。基于聚苯乙烯-co-甲基丙烯酸两亲共聚物和Fe?O?及La:VO?:Eu纳米颗粒的磁性印迹复合材料用于菲的荧光猝灭检测，LOD为20 nM。聚噻吩基MIP纳米膜用于芘的荧光检测，线性响应低至10 nM。
电化学检测方面，聚氨酯基MIP用于蒽的电导检测，LOD为1.3 nM。聚吡咯(PPy)基MIP通过CV检测芘，LOD为0.2 μM。PPy基MIP用SWV检测蒽，LOD为12 nM。邻苯二胺基MIP用DPV和[Fe(CN)?]3?/??探针检测1OHN，LOD为1.5 nM。基于二茂铁基甲基丙烯酸甲酯的聚合物同时作为功能单体和氧化还原探针，通过光引发聚合接枝到Au电极上，用DPV检测B[a]P，LOD为0.19 nM。基于TiO?溶胶-凝胶印迹的传感器用CV检测1OHP，LOD为0.3 nM。
4 结论与展望
实验室方法仍是临床研究和偶发分析的金标准，但便携式传感技术取得了很大进展。生物识别元件具有高选择性但稳定性受限。MOF传感器适合检测1OHP，但灵敏度常不足以检测尿液或环境样品中的浓度，且尿酸干扰明显。MIP传感器在复杂介质中表现稳健，LOD低，但现场适应性仍是挑战。碳基和纳米材料传感器具有现场应用潜力，LOD低，但对结构相似分析物的区分仍有困难。利用不同电氧化电位和pH测量集成多传感器有望提高实用性。智能手机与机器学习的结合将推动更灵敏、准确、快速且易操作的传感器发展。未来传感器可填补从快速定性评估到单样品多PAHs详细分析的不同应用场景。这些便携技术也可用于检测其他环境污染物，如双酚A、雌二醇、草甘膦和滴滴涕，以及全氟烷基物质和生物胺等。在尿液检测方面，SERS、适配体、MOF、碳材料和MIP等技术已显示出对多种生物标志物和药物的适应性。传感器开发必须考虑复杂介质中的pH变化、基质效应和选择性，并优化生产过程和严格质量控制，以满足医疗领域的法律要求。
