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
生物系统工程与食品科学学院
2021年7月24日
