納米材料在食品檢驗鑒定中的應用研究進展

郭玉龍,邵高聳,史輕舟,許焯,胡定煜,符式瑜

(中國人民警察大學,河北 廊坊 065000)

民以食為天,食以安為先,食品安全直接影響到國家安全穩定和人民群眾的身心健康[1]。食品作為一種特殊的商品,關系到每個人的身體健康與生命安全,食品安全問題已成為人民群眾最為關心與關注的焦點問題。但是,隨著我國經濟社會的發展,社會的不斷進步,網絡的廣泛運用,危害食品安全形勢依然嚴峻,打擊食品安全犯罪一直在路上。近幾年來,隨著公安、食藥監等部門對食品領域監管、偵查打擊力度增大,食品領域的違法犯罪案件數量明顯增多。在這些案件偵辦過程中,食品檢驗鑒定技術在案件偵破中發揮著重要作用,為依法破案、相關證據固定提供了重要判據[2]。

目前,食品檢測鑒定分析主要集中在農藥殘留分析、獸藥殘留分析、食品添加劑分析、真菌毒素分析等。檢測鑒定技術通常采用理化分析法、層析法、氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜法-質譜聯用技術[3]、高效液相色譜法-質譜聯用技術[4]、液相色譜-質譜法[4]和酶聯免疫分析法[5](ELISA)、電感耦合等離子體質譜法[6]以及飛行時間-二次離子質譜等方法,在這些方法中,有的方法操作簡單易行,但是檢測靈敏度低;有的檢測方法檢測過程繁瑣、耗時長,樣品的損失較大;有的雖然檢測靈敏度高,但是操作技術要求高,儀器昂貴,不適合快速檢測和普及;而納米材料由于自身的納米尺寸效應本身就是非常敏感的化學和生物傳感器,可以使檢測高效、簡便、靈敏度高,在未來食品快速檢驗領域具有廣闊的發展空間。因此,本文主要從納米材料修飾的電化學傳感器、熒光納米材料和熒光染料修飾的適配體傳感器和納米表面增強拉曼光譜分析技術三方面介紹了納米材料在食品檢測鑒定中的應用研究,并對納米技術在食品檢測方面的發展趨勢進行了總結和展望。

1 納米材料修飾的電化學生物傳感器在食品檢驗鑒定中的應用

很多納米材料因導電性能良好被認為是修飾電化學傳感器的理想材料。將納米材料與生物材料、電子材料相結合,制備出新型的電化學生物傳感器件,大大提高傳感器的靈敏度和精確度,從而提升檢測效率?；诩{米材料的電化學生物傳感器越來越廣泛應用于食品檢驗鑒定方面。以下簡要概述了納米材料修飾的電化學生物傳感器在食品檢驗鑒定中的應用。

1.1 農獸藥殘留檢測

傳統的農藥殘留檢測方法檢測限低、選擇性高,但是耗時長、樣品預處理復雜、價格昂貴,研究人員開發出使用納米材料修飾的電化學生物傳感器應用于農業生產中準確快速檢測農藥殘留。旦智多杰等[7]采用原子轉移自由基聚合法制得新型納米復合材料碳納米管接枝聚丙烯酸二茂鐵甲酰氧丁酯來測定樣品中殘留敵百蟲含量,該聚合材料檢測殘留農藥的最低檢出限為9.269 1×10-8nmol/L。杜科志等[8]研制了一種用于檢測萘乙酸的電化學傳感器。玻碳電極被多壁碳納米管和十二烷基苯磺酸鈉復合物修飾,制備的電化學傳感器檢測萘乙酸的檢出限為0.07 μmol/L。用于黃芪中萘乙酸的檢測時,回收率為97.8%～102%,相對標準偏差(RSD)小于5.0%。Ghodsi等[9]利用二氧化鈦納米顆粒覆蓋的多壁碳納米管修飾的玻璃碳電極,開發出一種基于玻璃碳電極的伏安傳感器,用于檢測食品中的二嗪農,該納米復合材料在二嗪農還原過程中表現出良好的協同電催化性能,對二嗪農的測定完全靈敏,對11～8 360 nmol/L范圍內的二嗪農存在良好的線性關系,檢測限為3 nmol/L,定量限為10 nmol/L,該方法修飾快、操作簡單、成本低、穩定性能好。Xie等[10]利用具有褶皺結構的三維石墨烯可以為氧化銅納米顆粒高分散提供較大的表面積這一特性,在三維石墨烯表面制備氧化銅納米顆粒電催化劑,該納米復合材料對馬拉硫磷具有較高的親和力,通過抑制氧化銅的氧化還原反應實現對馬拉硫磷的檢測,正因為高表面積襯底錨定氧化銅納米顆粒,所以在最優條件下,對馬拉硫磷的檢測限可達0.01 nmol/L。

1.2 化學污染物檢測

當前全球環境污染問題日益加劇,對人類賴以生存的食物和水源造成嚴重污染,其中有機污染物毒害性最大,會引發一系列的疾病。下文概括了應用納米材料修飾的電化學生物傳感器來檢測有機污染物的方法。周忠亮等[11]將多面體納米金均勻分布在電極表面,制備出DNA-納米金修飾的玻碳電極來對甲醛進行快速檢測,對實驗進行優化后,得到甲醛的濃度在1×10-7～1×10-3mol/L范圍內線性相關,檢出限為10 μmol/L。李堃等[12]將Ni-Fe雙金屬鐵氰化物納米粒子沉積于基礎電極表面的碳納米管表面衍生后,制得的碳納米管負載Ni-Fe雙金屬氫氧化物修飾電極可以準確快速測定水樣中尿素的含量。在1.0 mol/L KOH溶液中,尿素的濃度在5.0×10-6～2.8×10-3mol/L范圍線性相關,檢測限為3.6×10-6mol/L,靈敏度54.3 μA/(mmol/L)。

1.3 生物污染物檢測

食品中的真菌毒素毒性較大,長期攝入會對人體產生極大危害。因此,研究食品中微生物毒素愈加重要,研究人員開發出使用納米材料修飾的電化學生物傳感器應用于食品中微生物毒素的快速檢測。賈飛等[13]將銅綠假單胞菌適配體修飾在還原氧化石墨烯/碳納米管-納米金復合納米材料表面作為工作電極,銅綠假單胞菌在電極表面孵育后被適配體捕獲后導致電極阻值增大,從而實現對銅綠假單胞菌的定量檢測,檢測限為4 CFU/mL,銅綠假單胞菌的濃度在10～106CFU/mL內線性相關。周曙曙等[14]構建一種基于MWCNTs-COOH納米材料修飾的電化學傳感器,并且結合方波伏安法對食品中的玉米赤霉烯酮進行快速檢測,得出該電化學傳感器檢測的線性范圍為 0.2～6 μg/mL,檢出限為0.067 μg/mL,實際的樣品加標回收率為98.4%～106.7%。

2 熒光納米材料和熒光染料修飾的適配體傳感器在食品檢驗鑒定中的應用

熒光納米材料是由熒光納米粒子構成的可發出熒光的晶體或由納米粒子承擔熒光染料的標記功能,熒光納米材料的低成本、易制備、綠色環保等特點也成為食品藥品與環境檢測領域的優選材料。近年來金屬納米團簇在檢測重金屬離子、硫化物、氰化物、多硝基芳族物質、甲醛、有機農藥、細菌和病毒等物質方面有廣泛的應用和發展。核酸適配體存在特異性識別功能,納米材料也存在特殊的性質,因此核酸適配體修飾的功能化納米材料傳感器是一種對靶標具有特異性識別能力的方法。目前,基于核酸適配體的熒光、比色法表現出傳統方法無法替代作用。以下概述了熒光納米材料和熒光染料修飾的適配體傳感器在食品檢驗鑒定中的應用。

2.1 食源性致病菌和農獸藥殘留檢測

謝玉等[15]研究食品安全檢測領域中熒光納米材料的應用,利用熒光材料獨特的尺寸結構并將其應用于熒光免疫標記中,充分利用納米材料特異性強、操作便捷、價格低的特點,對食源性致病菌、農獸藥殘留進行檢測。王琦等[16]利用熒光共振能量轉移效應,將熒光標記的黃曲霉毒素B1(AFB1)適配體和伏馬毒素B1(FB1)適配體吸附在氧化石墨烯表面,熒光猝滅后加入靶標,熒光強度恢復,實現對AFB1和FB1的定量檢測,AFB1的檢測限為0.15 ng/mL,FB1的檢測限為0.12 ng/mL。Su等[17]研發了一種多菌靈的核酸適配體作為探針,金納米顆粒和羅丹明B作為熒光指示劑的適配體傳感器。當多菌靈不存在時,多菌靈特異性適配體包裹的AuNPs分散在NaCl溶液中,分散的AuNPs對熒光指示劑羅丹明B產生猝滅效果。相反,多菌靈存在時能與特異性適配體形成復合物,AuNPs在NaCl溶液中發生聚集,聚集的AuNPs對羅丹明B的熒光效果基本無影響。該適配體傳感器對多菌靈的檢測限為2.33 nmol/L,濃度在2.33～800.00 nmol/L范圍內存在良好的線性關系。Li等[18]利用多壁碳納米管和G-四鏈體作為信號傳導器,N-甲基嗎啉(NMM)作為熒光探針,開發了一種新型的水胺硫磷的熒光檢測方法。在水胺硫磷存在情況下,分裂的適配體會發生構象變化,形成三明治狀的三元絡合物,阻止水胺硫磷吸附到多壁碳納米管上,當不存在多水胺硫磷時,分裂的適配體易被多壁碳納米管吸附,產生NMM猝滅的熒光信號,檢測限為10 nmol/L。

2.2 非法添加物的檢測

施麗霞等[19]制備出鈣鈦礦量子點作為熒光探針,觀察堿性黃的濃度變化與發射峰偏移而建立起線性關系,利用熒光比色法檢測食品中的堿性黃。劉美玲等[20]設計出一種MnO2納米片來檢測空氣和食品中的甲醛。該方法是根據熒光試劑與待測液混合后與空白溶液的熒光強度進行比對來計算甲醛的含量。該檢測方法簡單、靈敏度高、選擇性高,適用于對空氣和食品中甲醛含量的測定。徐鶴丹等[21]利用H2O2對AgNCs的熒光淬滅現象制備出二氫硫辛酸包裹的AgNCs,用來檢測H2O2,檢測范圍在2.0×10-13～50.0×10-13mol/L及1.0×10-13～5.0×10-3mol/L呈線性關系,檢測限為1.6×10-14mol/L,該檢測方法在生物領域具有潛在的價值。

2.3 生物活性物質檢測

彭濤等[22]制備了一種SiO2@MnO2納米顆粒和熒光金納米簇(Arg/ATT/AuNCs)來快速定量檢測谷胱甘肽含量,該熒光法能夠滿足對谷胱甘肽的檢測需求,測量谷胱甘肽的線性范圍為2.5～20 nmol/L,最低檢測限為1.23 nmol/L。溫娜等[23]制備出用乙醇替代水的熒光強度更高的DA@AgNCs,利用維生素B12對AgNCs的熒光猝滅機理,實現對維生素B12的含量檢測,其線性范圍為5～80 μmol。劉曉等[24]將黑磷納米片作為熒光受體,6-羧基熒光素標記的雌激素17β-雌二醇適配體作為熒光供體,構建了熒光適配體傳感器,在最優條件下,17β-雌二醇的質量濃度在1.5～60 ng/mL范圍內線性相關,檢測限為1.0 ng/mL。史學麗等[25]將17β-雌二醇適配體修飾到銪摻雜的鎵酸新鋅長余輝納米粒子上,以二硫化鉬納米片作為熒光受體,基于熒光共振能量轉移原理產生的熒光強度變化來檢測17β-雌二醇,條件優化后檢測限為0.4 ng/mL。馮婷婷等[26]利用熒光標記的適配體與腺苷特異性結合用于腺苷脫氨酶的檢測,根據猝滅熒光強度的變化得出檢測限為0.18 U/mL,在0.25～3.125 U/mL范圍內呈線性關系。

3 納米表面增強拉曼光譜分析技術在食品污染物檢驗鑒定中的應用

激光技術的發展使拉曼光譜技術取得了長足的進步,而納米科技的迅猛發展使“納米增強拉曼光譜(NERS)”在高靈敏度檢測方面獲得了突破性進展,可達到單分子的檢測水平。拉曼光譜是根據拉曼散射效應,獲得分子振動和分子轉動的信息。特定的分子具有特定的結構和振動及轉動方式,進而產生特定的拉曼特征峰,因此分子的拉曼光譜具有唯一性。表面增強拉曼光譜(SERS)是將待分析的有機物吸附于具有特殊納米結構的貴金屬表面,如Au、Ag等,以產生更強的拉曼散射信號。納米增強拉曼光譜在樣品處理、檢測時間、檢測成本、儀器成本、重現性、現場檢測等方面所具有的優點。

隨著食品產業的快速發展,在食品的生產、加工及運輸過程中會引入如超量農獸藥殘留、色素和染料類添加物、抗生素以及其他痕量化學物質等有毒有害物質,嚴重影響人民身心健康,影響消費者對食品產業的信心。因此,表面增強拉曼光譜分析技術對快速檢測食品中是否存在污染物具有重要意義,表面增強拉曼光譜分析技術相較于傳統的檢測方法,如化學反應法、微生物法、免疫分析法和儀器分析法,具有更高的靈敏度、可無損檢測、方便快捷及特異性強等優勢,對食品安全和人類健康具有重要意義。下面簡單概述了納米表面增強拉曼光譜技術在食品污染物檢測領域中的研究現狀。

3.1 農藥殘留檢測

農藥被用來預防和治理病蟲害和除草,不當使用會導致水土污染,農藥會殘留在動植物體內,通過食物鏈在人體內富集。為保障人體健康和環境安全,加強對農藥殘留的提取和檢測水平,SERS技術可以滿足一線技術人員對農藥殘留檢測的需要。Hassan等[27]利用合成的花狀銀納米顆粒,并且通過固相萃取法檢測綠茶中農藥的殘留量,拉曼光譜強度與農藥的殘留量成正相關,滅多威、啶蟲脒和2,4-D的回歸系數分別為0.997 4,0.995 6和0.998 2,檢測限分別為5.58×10-4,1.88×10-4和4.72×10-3μg/mL,RSD<5%。Lee等[28]利用溶膠-凝膠旋涂制備出二氧化鋯納米纖維并負載在硅片上,并與金納米顆粒集成在一起作為基板,調節前驅體濃度對基板的形貌進行優化,以低濃度的羅丹明6G作為探針分子,評估SERS的增強效果。隨后經檢測亞胺硫磷、甲萘威、氯菊酯和氯氰菊酯存在特定的增強拉曼峰,二氧化鋯納米纖維為0.3 mol/L的AuNPs/ZrO2NFs的增強因子為2.1×107,檢測限分別為10-8,10-7,10-7,10-6mol/L。Zhao等[29]利用多層等離子體耦合放大技術,制備了三維銀枝晶/電聚合分子標識符/AgNPs復合結構,獨特的等離子體SERS多層膜實現對SERS信號的多級增強,所制備的SERS紙片在吡蟲啉檢測中表現出良好的優異性和靈敏性,檢測限為0.028 11 ng/mL。劉江美等[30]合成了一種Fe3O4/Ag磁性包覆修飾材料作為拉曼基底來檢測殺線威,經測試后發現使用該復合材料容易被磁鐵收集,易于分散萃取后再次收集,然后經過計算,樣品的譜峰與實驗譜峰具有相當的一致性,增強因子為2.08×105。

3.2 工業染料檢測

酸性橙Ⅱ、羅丹明等工業染料(非法添加物)因價格低廉被不法商販使用,一旦使用,勢必對人體健康造成嚴重危害,因此需要開發靈敏、快速檢測食品中這些非法添加物的技術。趙靜晨等[31]以抗壞血酸作還原劑在表面活性劑溶液中還原氯金酸制備出樹枝狀的具有優異拉曼活性的金納米粒子,作為檢測羅丹明6G的拉曼增強基底具備較高的靈敏度和優良的循環性能,在3×10-9～3×10-7mol/L范圍內存在良好的線性關系,檢測限為3×10-9mol/L,增強因子為105。Zhao等[32]利用合成納米銀作為底物,銀溶膠混合樣品中加入鹽酸可以增強SERS信號這一特性,實現了染色黑米中蘇丹黑B的痕量快速檢測。該方法標準溶液的檢測限為0.05 mg/L,黑米提取液可檢出濃度為0.1 mg/kg。王曉輝等[33]利用表面增強拉曼光譜結合不同的納米基底、不同波長的激發光源對待測物進行檢測對比,得出波長為633 nm的激發光源對待測物的SERS檢測效果更好,小粒徑納米顆粒的拉曼增強效果更好,并根據SERS峰強度與酸性橙Ⅱ濃度建立了定量分析模型。

3.3 生物污染物檢測

食源性致病菌可通過污染水或食物進入人體,從而導致人類疾病。真菌毒素是由真菌產生的次生代謝產物,也具有較強的毒性[34],全球每年大約有25%的糧食作物受到真菌毒素的污染[35]。目前,食源性疾病在全球各個國家被認為是最重要的公共衛生問題[36]。Li等[34]通過在聚二甲基硅氧烷包覆陽極氧化鋁的復合基板表面濺射金納米粒子進而制備出高熱點3D SERS基板,濺射時間為8 min時,3D SERS基板的SERS效果最佳,在最佳條件下,該基板對4-巰基苯甲酸具有10-12mol/L的低檢測限,增強因子為2.2×106,RSD=4.57%。此外,該3D SERS基板可實現對黃曲霉毒素B1、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮同步檢測,且待測物濃度與拉曼強度存在良好的線性關系,檢測限分別為1.8,24.8和47.7 ng/mL。Duan等[37]制備出Au@Ag-適配體1-目標分子-適配體2-X-羅丹明的三明治復合結構,含有Au@Ag核/殼納米粒子的SERS底物被適配體1功能化,用于捕獲目標分子。X-羅丹明修飾的適配體2被用作識別元件和拉曼報告器,結果表明,所研制的適配體傳感器在15～1.5×106cfu/mL范圍內測定鼠傷寒桿菌的濃度具有良好的線性關系,檢測限為15 cfu/mL。

3.4 抗生素類物質檢測

郭紅青等[38]利用納米金膠和OTR103作為拉曼增強基底來檢測鴨肉中的土霉素,對實驗進行優化后得出待測物土霉素的特征峰為拉曼位移1 271 cm-1處,納米金膠、待測樣品和OTR103分別為0.7 mL、70 μL和100 μL時,檢測效果最佳,待測物質量濃度在0.2～22.0 mg/L之間時存在良好的線性關系,檢測限為0.2 mg/L。梁營芳等人[39]制備出濃縮銀納米粒子與不同濃度的青霉素G納溶液混合后SERS信號會發生變化,加入適量的硫酸鎂溶液后,SERS增強效果會更好,青霉素G納濃度在1×10-8～1×10-3mol/L范圍內,SERS信號強度呈現出線性關系。

4 結語

無論是基于納米材料構建的電化學傳感器、應用熒光納米材料檢測、構建熒光核酸適配體傳感器,還是作為納米拉曼增強基底,這都為食品安全的檢測提供了新思路。但是,有些納米技術依舊處于實驗室水平,距離實際應用還存在一定距離。未來的研究應著重從以下幾個方面開展研究:1)未來應用于食品安全檢測的納米材料修飾的傳感器應更趨于常規化和便捷化,開發出可視化的便攜快速檢測設備,與日常的電子產品綁定進行數據共享,如電腦、手機、平板等,提高其家用化。2)適配體傳感器受環境因素影響較大,因此對現有的適配體篩選技術進行優化,挖掘更高特異性、高親和力、成本低、易于修飾的適配體,進一步提高傳感器的穩定性,實現核酸適配體修飾的納米材料傳感器在食品安全領域的商業化應用。3)開發新的納米材料應用于電化學傳感器、熒光納米材料、適配體傳感器的修飾材料以及拉曼增強基底,提高其準確性,或進一步優化已有材料的性能。在目前將化學信號轉移為電信號、光信號的范圍外,尋找新的信號轉移方法,開發出新的傳感平臺,納米材料在未來食品快速檢驗領域具有廣闊的發展空間。