《Talanta》：AptaStick: A 3D-printed aptamer-functionalized stir-stick for selective extraction of bisphenol A from soft drinks
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为解决复杂基质中双酚A（BPA）选择性萃取的技术难题，研究人员开发了一种基于立体光刻3D打印和BPA特异性适配体功能化的搅拌棒（AptaStick）。该研究在优化的几何结构（星形II型）和操作条件下，实现了高达99%的BPA保留率和15分钟内定量洗脱，方法线性范围2.5-2000 μg L-1。该平台将增材制造的灵活性与适配体的高选择性相结合，为饮料分析提供了一种简单、可重复使用且可持续的选择性提取新方案。
想象一下，你手中的饮料瓶或罐子，其内壁涂层可能正在缓慢释放一种名为双酚A（BPA）的化学物质。作为最著名的内分泌干扰物之一，BPA的踪迹遍布塑料容器、食品包装，甚至软饮料中。尽管其潜在健康风险引发了广泛担忧，但要在复杂饮料基质中精准捕捉并测定痕量的BPA，仍是一个不小的挑战。传统的样品前处理方法，如固相萃取（SPE），虽然常用，但往往存在选择性不足、耗时长、消耗大量有机溶剂，且多为一次性使用，不够环保。与此同时，3D打印技术为制造定制化的分析器件开辟了新途径，然而，单纯3D打印的材料通常缺乏针对特定目标物的选择性识别能力。如何将高选择性的分子识别元件与3D打印器件完美结合，实现简单、高效、绿色的痕量污染物提取，成为分析化学领域一个引人入胜的前沿问题。针对这一难题，来自西班牙瓦伦西亚大学的研究团队在《Talanta》期刊上发表了一项创新性研究，他们巧妙地将两种先进技术——立体光刻（Stereolithography, SL）3D打印和适配体（Aptamer, Apt）分子识别——融合在一起，创造了一个名为“AptaStick”的革命性小装置。
为了开展这项研究，研究人员综合运用了计算机辅助设计（CAD）与立体光刻3D打印技术来设计和制造具有不同几何形状下端的搅拌棒主体结构。他们采用了一种多步化学修饰策略，在3D打印的星形（II型）搅拌棒尖端表面，通过共价键固定了针对BPA的特异性DNA适配体，从而构建了具有选择性识别功能的AptaStick。该研究使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）来表征适配体的成功固定。在方法学建立过程中，系统优化了提取条件（包括缓冲液组成、pH、搅拌速度、时间等）和洗脱条件（探究了不同洗脱液，最终确定使用含三磷酸腺苷（ATP）的乙腈/磷酸盐缓冲液）。分析检测环节，采用高效液相色谱-荧光检测法（HPLC-FL）对提取前后的BPA进行定量分析。研究最终将建立的方法应用于两种市售软饮料（可乐型饮料和橙味饮料）的实际样品分析，以验证其实际应用能力。
3.1. 设计、3D打印和后固化条件优化
研究人员设计了一种可在标准色谱瓶内通过磁力搅拌驱动的微型搅拌棒装置（AptaStick）。其核心是末端可更换的萃取尖端。他们评估了九种不同几何形状的尖端，发现尽管设计的表面积相近，但萃取效率存在显著差异。其中，星形（II型）尖端在优化条件下对BPA的提取效率最高（约92.7%），且重现性最好（相对标准偏差RSD为0.7%）。研究指出，带有锐利边缘和突起的几何形状（如星形、矩形）能扰动局部流场，增强传质，从而提高萃取效率，这超越了单纯增加表面积的思路。
3.2. AptaStick表面修饰与表征
为了使3D打印的惰性表面具备选择性，研究团队开发了一套复杂的表面化学修饰方案，依次通过氢氧化钠处理、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）活化、引入己二胺（HMD）间隔臂、戊二醛（GA）交联，最后共价固定氨基修饰的BPA特异性适配体。与未修饰或直接固定适配体的搅拌棒相比，引入柔性间隔臂显著提高了BPA的保留率，从不到10%提升至60%以上。FTIR光谱显示了适配体相关特征峰的出现，而ICP-MS通过测定磷含量，定量证实了适配体在星形（II型）尖端表面的成功固定（约39.2 mg P m-2）。
3.3. AptaStick上BPA提取条件的优化
研究人员系统优化了BPA在AptaStick上的提取（上样）和洗脱条件。最佳上样条件为：在50 mM磷酸盐缓冲盐水（PBS, pH 7.4）中，25°C下以300 rpm搅拌15分钟，此时BPA的保留率高达99%。在洗脱阶段，他们发现单纯使用有机溶剂或变性剂效果不佳，而采用竞争性洗脱策略更为有效。最终确定的最佳洗脱液为含50 mM ATP的乙腈/10 mM PBS（1:1, v/v）混合溶液，在相同搅拌条件下作用15分钟，可实现BPA的定量洗脱（回收率约99%）。这利用了ATP与BPA竞争结合适配体结合位点的原理。
3.4. AptaStick的分析性能评估
该方法展示了良好的分析性能：在2.5至2000 μg L-1浓度范围内线性良好（r2=0.996），检出限（LOD）和定量限（LOQ）分别为94 ng L-1和313 ng L-1。器件内和器件间的精密度（以RSD表示）分别为1.1%和10.7%。AptaStick可重复使用至少4次而无明显性能下降。选择性实验表明，该装置对BPA具有高度选择性，对结构类似的双酚类化合物（如BPS, BPF等）有中度交叉保留，而对结构无关的芳香化合物（如邻苯二甲酸酯）则几乎不保留。此外，通过使用3 mL样品和0.5 mL洗脱液，该方法实现了6倍的预浓缩因子。基于AGREEprep指标的绿色度评估得分为0.58（满分1），表明该方法具有较好的环境友好性，主要体现在溶剂用量少、废物产生量低以及器件的可重复使用性。
3.5. 软饮料样品的分析
将优化后的AptaStick方法应用于两种市售软饮料（可乐型和橙味）中BPA的测定。该方法有效消除了基质干扰，成功实现了BPA的富集与检测。在两种饮料中检测到的BPA浓度分别为8.4 ± 0.5 μg L-1和7.6 ± 1.0 μg L-1。在加标回收实验中，两个加标水平（0.5和2 μg L-1）的回收率在87.8%至99.5%之间，证明了方法的准确性和可靠性。
结论与意义
本研究成功开发并验证了AptaStick——一种基于SL 3D打印和适配体功能化的新型搅拌棒萃取平台，用于从软饮料中选择性萃取BPA。该工作的主要结论和重要意义在于：首先，它首次将适配体作为选择性识别元件集成到3D打印的搅拌式萃取装置中，实现了分子识别功能与增材制造器件的有机结合，为样本前处理提供了兼具高选择性和操作简便性的新工具。其次，研究揭示了器件尖端几何形状对萃取效率的重要影响，证明通过设计优化流体动力学行为（如采用星形结构）可以显著提升性能，这为未来设计高性能3D打印分析器件提供了新思路。最后，所建立的方法在灵敏度、选择性、重现性和绿色度方面均表现良好，并成功应用于实际样品分析，展现了其在食品污染物检测领域的实际应用潜力。尽管目前器件间重现性和长期使用稳定性仍有提升空间，但这项研究无疑为开发下一代定制化、智能化、可持续的样本前处理平台开辟了富有前景的道路，其“设计-打印-功能化”的研究范式有望扩展至其他污染物和更复杂基质的分析中。
