基于气泡振荡驱动的固相微萃取技术，结合界面协同吸附作用，实现辣椒素类物质的超灵敏检测

《Microchemical Journal》：Bubble-oscillation-driven solid-phase microextraction with interface synergistic adsorption for ultrasensitive detection of capsaicinoids

气泡驱动固相微萃取技术通过高锰酸钾负载表面活性剂界面催化分解过氧化氢产生气泡振荡，无需机械搅拌即可实现辣椒素类物质的高效吸附，吸附容量达1.27 μg/mg（20 min），较传统方法提升1.78倍，在6种辣椒品种中回收率90.48%-119.65%，为绿色便捷的样品前处理技术提供新方案。

　　

易山|李美环|宁聪|张玲|王宣鹏|杜明|徐先兵|潘金凤|赵启月

中国大连理工大学食品科学与技术学院，国家海洋食品工程技术研究中心，省市共建海洋食品深加工协同创新中心，大连116034

摘要

传统的固相微萃取（SPME）技术通常依赖机械搅拌装置来提高界面传质效率并增强检测灵敏度。在这项研究中，我们开发了一种高灵敏度的气泡驱动固相微萃取（BD-SPME）方法，该方法无需机械搅拌。通过构建基于MnO₂负载的HLB^Wax界面的气泡振荡增强传质系统实现了这一目标，该界面具有较高的吸附效率（HLB^Wax@MnO₂）。吸附动力学实验表明，BD-SPME在20分钟内可达到1.27 μg/mg的吸附容量，是传统SPME方法的1.78倍。等温吸附曲线证实了辣椒素（CAP）和二氢辣椒素（DHC）在HLB^Wax@MnO₂上的多层吸附现象。此外，BD-SPME在六种不同类型的辣椒中的表现稳定，回收率介于90.48%到119.65%之间，相对标准偏差在1.37%到16.79%之间。总体而言，BD-SPME克服了传统搅拌装置的局限性，提供了一种灵敏、稳定且操作简便的样品预处理技术。

引言

辣椒属于茄科（Solanaceae）Capsicum属植物，几个世纪以来因其独特的辛辣风味和感官吸引力而备受推崇[1]。除了感官特性外，辣椒还因其丰富的生物活性化合物而受到重视，这些化合物具有显著的健康益处[2]、[3]。辣椒素（CAP）和二氢辣椒素（DHC）作为Capsicum果实的主要活性成分，属于辣椒素类物质，是辣椒特有辛辣性的主要来源[4]、[5]。CAP和DHC作为天然存在的辣椒素类物质，在制药、食品添加剂和营养保健品行业中具有广泛的应用潜力，因为它们具有镇痛、减肥、抗肿瘤和抗菌等功效[6]。因此，开发一种快速、准确、可靠的辣椒素类物质检测方法对于食品和食品添加剂领域具有重要意义。

目前，由于基质干扰的存在，分析食品中的辣椒素含量具有挑战性，需要在分析前对样品进行预处理。传统的预处理技术（如SPE、SFE-CO₂、CM、ASE、DMSPE和LLE）存在多种局限性，如适用范围有限、操作复杂、重复性差、溶剂消耗量大以及效率不稳定，这些因素影响了它们的有效性和适用性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。固相微萃取（SPME）因其易于使用、无需溶剂、对环境友好、与色谱技术兼容性强以及具有优异的灵敏度和选择性而越来越受到青睐[13]。然而，传统的SPME技术通常依赖搅拌装置来加速分析物从样品基质向SPME涂层的迁移，从而提高萃取效率。这种依赖性限制了SPME技术在高通量分析条件下的实际应用[14]、[15]、[16]。在没有搅拌装置的情况下保持SPME的灵敏度仍然是一个重大挑战。因此，在无搅拌条件下提高灵敏度和效率已成为现场样品预处理的关键技术问题。

基于气泡驱动的方法作为一种创新的样品预处理技术应运而生，利用气泡的运动来提高目标化合物从样品基质中的萃取效率。这些方法在环境、食品和制药等多个领域显示出良好的应用前景。例如，徐等人开发了一种基于中空碳纳米气泡的SPME纤维，可以加速传质过程并提高目标分析物的富集效果[17]。同样，Tazarv等人提出了一种气泡破裂流微萃取（BBFME）方法，用于水样中有机氯农药（OCPs）的萃取、预浓缩和检测。在该方法中，分析物被输送到样品溶液表面并在气泡破裂时分散，从而便于后续的收集和萃取[18]。潘等人提出了一种绿色气泡萃取策略，通过外部声学激发产生高频气泡振荡来增强分析物的传输。在这种策略中，固相萃取纤维涂层和碳纳米管（CNT）纸作为无溶剂二次富集材料，用于从气溶胶中吸附目标分析物，同时最小化水分子的干扰[19]。相比之下，本研究提出了一种基于过氧化氢（H₂O₂）在二氧化锰（MnO₂上原位催化分解的不同机制。氧气泡在固液界面的自发生和振荡无需任何外部机械或声学刺激。这种自维持的气泡振荡不断更新界面扩散层，并同时促进HLB^Wax@MnO₂与辣椒素类分子之间的界面协同吸附。因此，在完全无搅拌和无能量的条件下，可以实现高效的传质和高灵敏度的萃取，这比以往报道的气泡辅助或声学驱动的SPME系统具有明显优势。

与以往报道的气泡辅助或机械搅拌（MS）萃取技术不同，这些技术主要利用流体湍流来增强传质，本研究提出了一种基于H₂O₂在MnO₂上催化分解的原位气泡振荡机制。氧气泡的周期性生成和破裂会引起局部压力波动和动态界面振荡，不断更新扩散边界层并促进分析物的传输[20]。此外，这些振荡通过同时增强疏水性和静电作用，实现了HLB^Wax@MnO₂与辣椒素类分子之间的界面协同吸附[21]。这种催化气体释放与界面吸附动力学的耦合为非机械SPME建立了一种新的机制原理，为高效、无能量的样品预处理提供了理论和实践创新。

在本研究中，我们制备了一种MnO₂-HLBWax萃取棒，并开发了一种气泡驱动的SPME（BD-SPME）方法，用于从辣椒中提取和富集CAP和DHC。通过将二氧化锰（MnO₂添加到萃取涂层材料中，使其与样品中的H₂O₂反应生成氧气泡，从而在无需搅拌设备的情况下实现高效萃取。通过吸附动力学和等温吸附曲线评估了BD-SPME对CAP和DHC的吸附能力和机制。抗干扰和回收实验证实，BD-SPME方法能够稳定、快速且环保地检测真实样品。

化学物质和样品

辣椒素（CAP，98%）和二氢辣椒素（DHC，98%）购自中国上海的Yuanye Bio-Technology公司。N、N-二甲甲酰胺（DMF，99%）、H₂O₂（30%）、乙腈（99%）、甲醇（99%）、异丙醇（99%）、二乙烯基苯（DVB，99%）、N-乙烯基吡咯烷酮（N-VP，99%）、4-乙烯基苄基氯（4-VBC，99%）和2,2-偶氮异丁腈（AIBN，99%）购自中国上海的Aladdin公司。哌嗪和聚丙烯腈（PAN）购自中国上海的Macklin公司。

HLB^Wax@MnO₂涂层SPME纤维的表征

HLB^Wax@MnO₂颗粒是通过逐步沉淀聚合过程合成的。首先，通过共聚4-乙烯基苄基氯、二乙烯基苯（DVB）和N-乙烯基吡咯烷酮（N-VP）制备了含有苄基氯官能团的颗粒，这些官能团为后续的功能化提供了基础。随后，苄基氯与哌嗪反应生成HLB^Wax

结论

在本研究中，负责功能特性的HLB^Wax颗粒与MnO₂结合，形成了能够实现气泡驱动萃取的萃取探针，用于从辣椒中富集CAP和DHC。通过优化一系列实验条件，确定了最佳的萃取参数。吸附动力学实验表明，BD-SPME在20分钟内可达到1.27 μg/mg的吸附容量，是传统SPME方法的1.78倍

CRediT作者贡献声明

易山：撰写 – 原始草案，研究，概念构思。李美环：方法学。宁聪：方法学。张玲：方法学，数据分析。王宣鹏：方法学，数据分析。杜明：方法学，数据分析。徐先兵：数据管理。潘金凤：数据管理。赵启月：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法学，资金申请，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了2023年中国第14个五年科技发展计划（2023YFD2100701）的支持。