《食品科学》：安徽科技学院丁志刚副教授等：黑磷基电化学传感器在食品检测中的研究进展

1914年，美国物理学家Percy Williams Bridgman在高压条件下将白磷转化为红磷时意外发现了块状黑磷晶体。黑磷与石墨烯及其他类石墨烯材料相比，在构建电化学传感器的应用上的优势主要体现在可以通过调节层数获得不同的带隙，改变其电化学性能和吸附性能，从而实现对不同物质的选择性检测。黑磷在自然环境中极不稳定，容易发生降解，限制了黑磷在电化学传感器领域的应用。

安徽科技学院食品工程学院的彭钢、张凯文、丁志刚*等就近年来黑磷基电化学传感器在食品检测中的应用进行综述（图1）。

1 黑磷的结构及特性

块状黑磷具有类似石墨的片层结构，其层内的每个磷原子可以与相邻的3 个磷原子通过共价结合，呈蜂窝状褶皱结构，同时相邻层之间通过范德华力堆叠在一起（图2），受各类碳材料制备的启发，研究人员成功制备出不同纳米结构的黑磷，如通过液相剥离、球磨等方法制备黑磷量子点（BPQDs），通过自上而下和自下而上的方法制备一维和二维黑磷，以及通过电化学等方法制备三维黑磷，并根据它们独特的理化性质应用于各个领域。

BPQDs因其具有零维尺寸结构，可以通过调节电子跃迁的频率使其具有优异的光学特性，同时具有良好的生物可降解性和生物相容性使其在生物传感领域也表现出优异的性能。一维黑磷主要包括黑磷纳米带（BPNRs）、黑磷纳米线（BPNWs）以及黑磷纳米管（BPNTs）等，其具有特定取向的电荷和声子输运特性以及边缘特性使其在传感领域有着广泛的应用前景。二维黑磷具有类似石墨烯的结构和特性，主要包括BPNFs、黑磷烯等，不仅具有大比表面积、高电子迁移率以及良好的催化活性等优点，还可以通过层数变化调节带隙改变其电学性能；同时，富电子的二维黑磷表面对小分子具有高吸附特性使其在很多领域有应用的潜力。三维黑磷具有多孔结构，既保留了二维黑磷的高电子迁移率、大比表面积，又提供了更多的反应活性位点以及提高了离子传输效率，使其在传感、催化、储能等领域有广泛应用前景。

作为一种新型纳米材料，零维结构的BPQDs具有优异的光学特性和良好的生物相容性，一维黑磷具有特定取向的电荷和声子输运特性以及边缘特性，二维黑磷具有大比表面积、高电子迁移率、可调带隙、强吸附能力以及良好的催化活性，三维黑磷的多孔结构使其具有更多的反应活性位点以及更高的离子传输效率，这些独特的各向异性晶体结构、光学性质和电学性质为纳米结构黑磷在电化学传感器中的应用奠定了基础。

2 黑磷及其衍生物的制备

为了拓宽黑磷的应用范围，近几年众多学者制备出多种不同结构的纳米级黑磷。本文主要对近年来块状黑磷、BPQDs、一维黑磷、二维黑磷、三维黑磷的制备方法进行介绍。

块状黑磷作为合成其他结构黑磷的前体材料，其纯度、大小以及结晶度是加工过程中需要控制的关键因素。相较于传统的汞催化或高压等条件下制备块状黑磷的方法，Lange等采用化学气相输运（CVT）法，在873 K条件下以金、锡和四碘化锡作为矿化剂制备出高纯度的块状黑磷。Park等通过高能机械球磨的方法将红磷粉末转化为黑磷粉末，转化率高达90%。Wang Yang等采用湿化学法制备出微米级黑磷晶体。

BPQDs制备方法主要包括液相剥离、溶剂热法、机械球磨法、脉冲激光照射法等。Zhang Xiao等采用液相剥离的方法制备出厚度约（1.9±0.9）nm的BPQDs，首次实现了BPQDs制备的突破。与超声法相比，溶剂热法易于控制，可适用于大规模生产。高能机械球磨法能更好地控制材料的尺寸。脉冲激光照射法能有效地减少制备过程中溶剂对量子点发光效率的干扰。

一维黑磷的合成方法可以概括为自上而下和自下而上两种方法。Feng Xuewei等采用反应离子蚀刻法制备出宽度低至60 nm的扶手椅形和锯齿形BPNRs，并分析了BPNRs厚度对电导率、场效应和空穴迁移率的影响。Das等采用机械-液相剥离技术结合透射电镜纳米雕刻的方法制备BPNRs，以亚纳米级精度沿着晶体方向对薄层黑磷结构进行切割制备出扶手椅形和之字形BPNRs。以上均为自上而下的方法制备出一定横向尺寸的一维黑磷。

同时，自下而上的方法也可以定向制备出特定结构的一维黑磷。Yu Ying等使用CVT法制备BPNRs，通过拉曼光谱观察发现合成过程中Sn被Pb取代，使BPNRs以“之”字型方向生长，从而提高其电学性能。Li Jun等以铋为催化剂，通过固-液-固反应法在常压下合成厚度为73 nm沿b轴堆叠的BPNRs，其生长机理与碳纳米管等一维纳米材料相似。

研究人员通常以自上而下的方式如机械剥离、球磨法和液相剥离等方法，克服黑磷层间弱范德华力获得一定尺寸的二维黑磷。但机械剥离方法制备的BPNFs尺寸不一、产量较低且稳定性差，因此，实际应用中多以球磨法和液相剥离法制备特定尺寸且稳定性更好的二维黑磷。Wang Juan等采用化学改性和物理包覆相结合的策略，通过球磨法使羧化多壁碳纳米管和聚乙二醇与BPNFs复合，提高了BPNFs的稳定性，将该复合材料修饰在金纳米粒子涂覆的聚酰亚胺薄膜电极表面，构建免标记光电化学传感器，用于检测microRNA-21。相比于球磨法，液相剥离法对设备要求低，更易于控制BPNFs的尺寸和厚度，同时，溶剂化层能隔绝环境中的H 2 O和O 2 ，提高了BPNFs的稳定性。

除了自上而下的方法，还可以采用自下而上的方法，通过较小的结构单元利用气相、真空蒸发等方式模板化制备二维黑磷以提高其性能。如相关研究人员通过原位气相沉积的方法制备出厚度4 层左右、平均面积大于2 μm 2 的黑磷烯薄膜，采用水/溶剂热法在绝缘硅衬底上制备出平均面积大于200 μm 2 、厚度大于150 nm的大尺寸黑磷烯薄膜以及通过脉冲激光沉积制备出厚度在2～10 nm的超薄黑磷薄膜等，这些方法制备出的二维黑磷大小均一、尺寸可调。

目前，三维黑磷主要通过电化学方法获得，Wen Min等以块状黑磷为原料，采用电化学方法在3 min内合成了微米级尺寸BPNFs半连通组成的三维黑磷，体积较前体材料增大了90 倍。

黑磷降解是不可逆的氧化过程，一定程度上限制了黑磷基电化学传感器在含氧环境下的应用。为了防止黑磷在制备和应用全过程中被氧化，块状黑磷和纳米结构黑磷均需要进行保护处理。

在块状黑磷的合成过程中常采用表面钝化或在惰性气氛下进行封装的方法，以阻隔黑磷与空气的相互作用。纳米结构黑磷的钝化方法主要可以分为物理方法和化学方法。Yi Jinquan等使用改进的液相剥离方法在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂中制备出厚度为3～4 层的BPNFs，在NMP形成溶剂化层的保护下，构建的BPNFs基电化学传感器稳定性较好。

除了溶剂化层、封装等物理方法，还可以通过非共价、共价功能化等化学方法获得稳定的黑磷基纳米材料，使其具有更多生物分子固定位点以及更高导电性等优势。Jakóbczyk等首次利用1,4-二氨基蒽醌的非共价吸附作用功增强黑磷电化学性能，并在其表面增加氨基基团为构建生物传感器提供抗原或适配体的固定位点，可以提高黑磷的稳定性。共价功能化通过化学键结合，能更好地提高黑磷的稳定性。

物理钝化方法虽然能长期保持黑磷基复合材料的稳定性并保留黑磷的原始结构，但没有从根本上解决黑磷的不稳定性等问题。化学钝化方法中非共价功能化有助于保持黑磷的固有特性，并为隔绝O 2 提供物理屏障，从而提高黑磷的稳定性。共价功能化虽然可以提高黑磷的稳定性，但反应后的磷原子为四配位结构，仍存在一个未配位的电子，其钝化效果受一定制约。因此，为了拓宽黑磷的应用，需要进一步研究黑磷的化学氧化机理、改进钝化方法，以获得更稳定的纳米结构黑磷，使其在传感、分析等领域拥有更广泛的应用前景。

3 黑磷基电化学传感器在食品检测中的应用

近几年，纳米结构黑磷因其大比表面积、高电子迁移率、优良的催化活性，在构建传感器的应用方面受到广泛关注。如今食品中化合物的复杂多样性给食品安全检测、营养成分分析和感官品质控制带来了巨大的挑战。电化学分析方法的不断改进使其分析准确性、灵敏度和检出限得到显著提高，扩大其在食品检测的实际应用范围。

3.1 食品中部分营养成分的检测

食品中营养成分的检测可以帮助消费者了解食品中营养成分的含量、种类和构成，对食品进行合理搭配，保障人体健康。抗坏血酸（AA）又称VC，是一种水溶性维生素，不像脂溶性维生素可以在体内储存，因此需要每天摄入一定量的AA。检测AA水平可以确定个体是否摄入足够的VC。Kai Jintian等采用超声辅助液相剥离的方法在NMP溶剂中剥离出平均横向尺寸240 nm的BPNFs，将其修饰于GCE表面构建电化学传感器用于检测AA，BPNFs催化AA电化学氧化过程的电信号表现为AA氧化电流的增大和过电位的降低，与裸GCE相比，BPNFs催化AA的氧化峰电流提高了6 倍，在最佳条件下，线性范围为1～35 nmol/L、检出限为0.3 nmol/L，该传感器在检测VC片中AA含量方面展现出良好的应用前景。

在食品加工中，AA通常用于制作果汁、饮料、糖果等，它可以保护食品中有益成分不被氧化，从而延长食品的保质期。但是过量摄入可能会引起一些副作用，如腹泻、恶心、呕吐等。因此，在使用AA作为食品添加剂时，需要控制摄入量，遵循相关的安全标准和规定。Zhang Zhouxiang等通过电沉积在聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米棒（PEDOTNRs）表面复合由聚吡咯（PPy）和BPQDs组成的分子印迹聚合物（MIP），其中PPy作为功能单体，AA作为模板分子，将该复合材料修饰于GCE表面，构建MIP电化学传感器（图3），实现AA的高选择性检测。

Durai等采用液相剥离的方法制备出微米级尺寸的BPNFs，将其涂覆在丝网印刷电极表面后电沉积聚苯胺（PAN）构建电化学传感器，PAN/BPNFs修饰的电极活性面积是裸电极的1.55 倍，同时，BPNFs的强吸附能力以及良好的催化活性使该传感器可以实现高灵敏、高选择性检测AA，在最佳条件下检出限为89 μmol/L，并在果汁等实际样品检测中验证了该传感器的实用性。

3.2 食品中有害成分的检测

随着食品工业和农业技术的发展，食品种类丰富的同时农药、化肥、工业废水废物带来的污染以及食品添加剂的违规使用等食品安全问题也引起公众广泛关注。通常，传统检测技术易受到分析时间长、程序复杂、仪器昂贵等限制，而智能设备的发展使高性能的电化学传感器可实现小型化、智能化，从而适用于快速、简便的现场检测。目前，黑磷基电化学传感器主要凭借其可调带隙、高电子迁移率、高吸附性、良好的催化活性用于食品中有害物质的检测。

3.2.1 农药残留

农药残留可直接作用于人体或间接在环境中富集，最终危害人体健康。检测农药残留可以保障食品安全，也可以确保农产品符合相关标准和要求，促进贸易。Liao Xiaoning等采用羧基化多壁碳纳米管共价功能化的BPNFs修饰于GCE表面构建非酶电化学传感器（图4），在羧基化多壁碳纳米管和BPNFs的协同作用下催化多菌灵氧化，氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系，在最优条件下，线性范围为9～1 000 nmol/L，检出限为4 nmol/L，在梨等样品的实际检测中展现出较高的可行性。

3.2.2 兽药残留

在家禽家畜的喂养过程中使用抗生素、激素等兽药可能会导致这些可食用的动物源性食品中存在低水平的药物残留。长期食用、接触抗生素也已被证明会影响胃肠道微生物组中的细菌种群，并且还可能促进抗生素耐药细菌的出现。因此，检测动物源性食品中抗生素、激素等兽药残留是保障公共卫生安全的前提条件。Wen Jing等以苝四甲酸二酐（PTCDA）和乙二胺为原料合成了一种新的有机化合物PTCDA衍生物PTC-NH 2 ，之后在PTC-NH2溶液中合成BPQDs掺杂的复合材料BPQDs/PTC-NH 2 作为ECL发光体，钴镍金属有机框架材料（Co-Ni/MOF）的多孔结构能够提供高负载性，封装更多的BPQDs/PTC-NH 2 并提高其稳定性，同时在协同作用下提高催化效果实现ECL系统的信号放大，基于这些增强效应以及适配体的特异性识别功能构建的ECL传感器（图5）可实现氯霉素（CAP）的高灵敏、高选择性检测。

最近，Ge Yu等又提出将全取代-β-环糊精和PEDOTNRs包覆在BPNFs表面，BPNFs的大比表面积、高电子迁移率以及良好的催化活性，结合全取代-β-环糊精的主客体识别能力和巯基的强亲和力在协同作用下有利于提高传感器的灵敏度，PEDOTNRs可以提高BPNFs导电性和稳定性，将该复合材料修饰于GCE表面，可构建电化学传感器实现CLB和莱克多巴胺（RAC）的同时检测（图6），CLB的氧化峰电流略有增加，RAC的氧化峰电流明显增加，在牛肉等样品的实际检测中展现出良好的应用前景。

3.2.3 真菌毒素

真菌毒素是由真菌产生的具有毒性的次生代谢产物，主要包括黄曲霉毒素B1（AFB 1 ）、赭曲霉毒素A（oOTA）、展青霉毒素（PAT）、玉米赤霉烯酮（ZEN）等，通常会直接作用于人体的免疫系统从而影响健康和发育。黄曲霉毒素种类较多，毒性危害差异较大，其中 AFB 1 毒性及致癌性最强、污染最广泛，对食品安全性影响最大。Zhang Xue等采用羧基化多壁碳纳米管通过P—C键共价功能化BPNFs作为电极修饰材料，BPNFs的大比表面积和良好的生物相容性提供高负载性，以抗 AFB 1 纳米抗体作为生物识别元件构建免疫传感器，用于AFB 1 的快速检测（图7）。

OTA主要表现为肾脏毒性以及潜在的遗传毒性和致癌性。Huang Zhiwen等首次采用超声辅助的方法将BPQDs通过共价结合锚定在羧基化碳纳米管表面，制备出一种新型0维/1维复合材料修饰于GCE表面，利用羧基化碳纳米管的大比表面积和高导电性，以及和BPQDs在协同作用下的高催化活性构建非酶电化学传感器，用于检测OTA，在优化条件下，线性响应范围为0.4～10 μmol/L，检出限为0.3 μmol/L。Li Kunxia等通过原位聚合法制备碳量子点（CDs）共价功能化的BPNFs复合材料CDs/BPNFs，修饰于GCE表面构建电化学适配体传感器（图8），CDs通过π-π堆积固定适配体探针，实现了OTA的高选择性检测。

PAT是一种神经毒素，对消化系统和皮肤组织具有损伤作用。Xu Jinqiong等近期采用BPNFs/AuNPs/GCE电极，通过亚甲基蓝标记的适配体和电解液中的二茂铁单羧酸作为双信号，构建了基于双信号策略的高灵敏适配体传感器（图9），比率型双信号的设计使该传感器能够更好地实现PAT的高灵敏、高选择性检测，该传感器成功应用于苹果、番茄等样品的检测。

为了实现PAT和OTA的同时检测，Zhao Haiyan等采用柠檬酸钠还原法制备AuNPs通过静电作用与BPNFs复合，修饰于GCE表面构建电化学适配体传感器，通过透射电镜观察发现AuNPs在BPNFs表面均匀分布，同时磷或磷氧化物（P x O y ）与AuNPs有很强的螯合能力，可以提高BPNFs的稳定性，并用于固定PAT适配体和OTA适配体互补链，PAT和OTA适配体末端分别修饰有亚甲基蓝和二茂铁形成双信号，在0.01×10 －7 ～0.1 μg/mL线性范围内实现PAT和OTA的同时检测，并在苹果汁等样品的实际检测中展现出良好的性能。

ZEN对动物急性毒性作用较小，但具有类雌性激素作用，对孕期妇女和幼儿影响较大，可引发流产和畸胎等情。Hu Xiaopeng等以氧化石墨烯（GO）共价功能化BPNFs，提高其导电性和稳定性，将GO/BPNFs滴涂在GCE表面后，电沉积MB掺杂的MIP提高了传感器的识别能力，该MIP电化学传感器能够实现ZEN的高选择性检测（图10）。

3.2.4 重金属

重金属对环境安全和人类健康的不利影响主要体现在土壤和饮用水污染等方面。目前部分地区饮用水中的重金属已超过监管机构建议的限值，而土壤污染后很可能通过生物富集作用污染农作物，从而导致健康风险。Li Yuan等用静电吸附作用制备了薄层结构聚乙烯亚胺（PEI）与BPNFs的复合材料PEI/BPNFs（厚度为1.5 nm），并将PEI/BPNFs修饰于丝网印刷电极表面构建电化学传感器用于高灵敏检测铜离子（Cu 2＋ ），PEI既能防止BPNFs降解，又能特异性地捕获溶液中的Cu 2＋ ，BPNFs良好的电催化活性可以将Cu 2＋ 还原为亚铜离子（Cu ＋ ），证实PEI/BPNFs在水中检测金属离子具有可行性。

3.2.5 食源性病毒

诺如病毒属于肠道病毒，感染后的主要症状为呕吐、腹泻和腹痛等。其传播途径通常与生食食品有关，包括贝类、水果和蔬菜，这类病毒对食品的污染可能发生在供应链的任何阶段。Jiang Hai等采用原位还原法在微米级尺寸的BPNFs表面合成AuNPs作为适配体的固定化基质，并提高电子传递速率，将其修饰于通过丝网印刷制备的球形电极表面制备三维电化学适配体传感器，三维球形电极有助于增加活性面积，该传感器可实现对诺如病毒的快速、高灵敏、高选择性检测。

3.2.6 食品过敏原

Ara-h1是花生蛋白中一种主要的过敏原，因此对于花生制品的生产和销售，检测花生蛋白含量可以保障食品安全，避免过敏反应的发生。Jiang Hai等采用聚赖氨酸非共价功能化BPNFs以提高其稳定性，将其修饰于微流控纸芯片表面，基于BPNFs大比表面积和良好的导电性构建纸基微流控适配体传感器（图11），适配体作为信号探针能够增强检测的特异性和选择性，实现Ara-h1的高灵敏、高选择性检测，线性范围为50～1 000 ng/mL，检出限为21.6 ng/mL，并在能够20 min内完成饼干等样品中Ara-h1的检测，为现场快速检测方法的开发提供了全新的思路。

3.2.7 食品添加剂

食品添加剂是指在食品或食品加工过程中用于保持风味或增强食品口感和其他品质的微量物质。食品添加剂的本意是为了给人们带来极大的感官享受和商业便利，同时也存在诸多问题，如涉及食品添加剂滥用和过量使用。Li Yuzhen等利用物理钝化的方法在BPNFs表面涂敷nafion作为保护膜以提高黑磷稳定性，nafion具有一定的黏附性，同时也具备优良的导电性，因此不会影响电极的电流响应。

4 食品包装材料中双酚A的检测

双酚A是一种有机化工原料，可以作为加工助剂用于生产食品包装材料。但是在加工时若没有按照相应标准添加助剂，助剂在一定条件下会迁移到食品中造成食品污染。Cai Jinying等利用多孔石墨烯（PG）表面等离激元与各向异性BPNFs局域表面等离激元的强相干耦合形成P—C键对BPNFs表面进行封装以提高BPNFs的稳定性，将PG/BPNFs修饰于GCE表面，PG/BPNFs/GCE的活性面积比裸GCE提高了4.6 倍，结合PG/BPNFs对双酚A的协同催化作用，构建电化学传感器用于双酚A的高选择性检测。

目前，食品包装材料中加工助剂种类较多，且涵盖面广包括聚合物、小分子化合物、重金属等，黑磷基电化学传感器实现食品包装材料中有害物质系统性检测仍需要进一步研究。

5 结 语

综上所述，纳米结构黑磷的高电子迁移率、大比表面积以及良好的催化活性使其在电化学传感器领域展现出良好的应用前景，尽管纳米结构黑磷制备方法很多，目前仍以液相剥离为主，该方法简单易行、产量高，同时溶剂可以形成保护层，隔绝水和氧气进而提高黑磷的稳定性。本文介绍的黑磷基电化学传感器在食品检测应用方面的优势主要体现在：1）利用其高电子迁移率提高电信号的响应；2）大比表面积可以负载更多适配体、抗体等捕获单元或信号标签；3）良好的催化活性可以催化反应体系增强信号。但如何获得低成本、高稳定、修饰性能好的黑磷以构建电化学传感器还需要进一步研究和开发。

对此笔者总结出三点建议：1）溶剂热处理被认为是量产纳米结构黑磷较为有效的方法，结合模板法控制纳米结构黑磷的精确尺寸，可以实现低成本合成形貌可控、尺寸均一的纳米结构黑磷；2）通过非共价、共价功能化或其他元素掺杂方法可以提高黑磷的稳定性，同时，具有高导电性且成膜能力好等优势；3）可通过表面改性或采用有机合成方法对黑磷表面进行官能团化，获得修饰性能、生物相容性好的纳米结构黑磷。相信随着对黑磷及其衍生物的深入研究，其性能与应用领域也将会不断拓展。

本文《黑磷基电化学传感器在食品检测中的研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷11期301-313页. 作者：彭钢，张凯文，孙明慧，张旭，杨涵，丁志刚. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230429-288. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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