近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院林星宇研究员课题组在化学领域顶级期刊《Green Chemistry》（IF5=10.6）和《ACS Sensors》（IF5=8.1）上先后发表了题为“Solvent-free, ultrafast and ultrathin PDMS coating triggered by plasma for molecule separation and release”和“Interference-free Detection of Caffeine in Complex Matrices Using a Nanochannel Electrode Modified with Binary Hydrophilic–Hydrophobic PDMS”的研究论文。两篇论文第一作者均为我院本科生李吟涛。
咖啡因是世界上使用最广泛的食品添加剂之一。其作为中枢神经系统的兴奋剂，过量摄入会引起紧张、抑郁、多动等问题，还会增加心脏病发作风险。此外，咖啡因也是毒品的一种成分，类似冰毒和可卡因，具有一定的毒性和成瘾性。因此，咖啡因在我国属于第二类精神药物，受政府严格管控。然而，由于咖啡因在一些食物中含量很高，特别是现制现售的饮品难以有效监管，所以人们常常会摄入过量咖啡因。
常规的咖啡因检测方法是高效液相色谱（HPLC）。然而，这种手段需要昂贵而笨重的设备，且需要复杂的样品预处理。相比之下，电化学传感器检测方法因其快速、简单和成本低的特点而备受关注。然而在实际应用中，食品复杂基质中存在的其他电化学活性成分（如L-多巴、儿茶素、没食子酸、维生素等）以及非活性成分（如蛋白、脂类、多糖等）会产生强烈的干扰和污染信号。
生物细胞膜表面存在高密度的超小生物蛋白孔道，可以选择性传输特定目标分子，具有精确的识别能力和超高通量。受到生物孔道启发，作者提出了一种基于两亲性纳米通道的电化学传感器，实现复杂食品基质中咖啡因的零干扰和零污染检测。整个材料修饰过程在室温下利用等离子体15秒内即可完成，无需使用任何溶剂，体现了绿色、节能、可持续的特性。课题组通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、质谱、静态接触角，荧光显微镜和电化学测量，以及模拟等表征方法对涂层材料及其机理进行了详细研究。研究发现孔道中沉积的聚二甲基硅氧烷（PDMS）包含原有疏水型和氧化后形成的亲水型。该两亲纳米通道只允许咖啡因等小体积两亲分子通过，而其余杂质均不能通过。
因此，该电极传感器呈现出优秀的抗干扰和防污能力，可直接插入至茶水、牛奶、咖啡、可乐等食品中进行咖啡因检测，而无需任何样品预处理。相反，当传统电极直接用于这些未经处理的样品时，观察到严重的干扰和污染。结果表明，咖啡因在50~700 μmol/L范围内呈线性关系，检出限为20nmol/L，并且可以连续监测。该传感器提供了一种非常简单、快速、低成本的方法，实现了咖啡因化合物在复杂食品基质中的零干扰、零污染分析，可推广至其他更加广泛的应用领域。
本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及浙江大学的资助支持。
原文链接1：https://doi.org/10.1039/D1GC00836F
2：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.1c00004
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