纳米材料在食品检验鉴定中的应用研究进展

郭玉龙,邵高耸,史轻舟,许焯,胡定煜,符式瑜

(中国人民警察大学,河北 廊坊 065000)

民以食为天,食以安为先,食品安全直接影响到国家安全稳定和人民群众的身心健康[1]。食品作为一种特殊的商品,关系到每个人的身体健康与生命安全,食品安全问题已成为人民群众最为关心与关注的焦点问题。但是,随着我国经济社会的发展,社会的不断进步,网络的广泛运用,危害食品安全形势依然严峻,打击食品安全犯罪一直在路上。近几年来,随着公安、食药监等部门对食品领域监管、侦查打击力度增大,食品领域的违法犯罪案件数量明显增多。在这些案件侦办过程中,食品检验鉴定技术在案件侦破中发挥着重要作用,为依法破案、相关证据固定提供了重要判据[2]。

目前,食品检测鉴定分析主要集中在农药残留分析、兽药残留分析、食品添加剂分析、真菌毒素分析等。检测鉴定技术通常采用理化分析法、层析法、气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱法-质谱联用技术[3]、高效液相色谱法-质谱联用技术[4]、液相色谱-质谱法[4]和酶联免疫分析法[5](ELISA)、电感耦合等离子体质谱法[6]以及飞行时间-二次离子质谱等方法,在这些方法中,有的方法操作简单易行,但是检测灵敏度低;有的检测方法检测过程繁琐、耗时长,样品的损失较大;有的虽然检测灵敏度高,但是操作技术要求高,仪器昂贵,不适合快速检测和普及;而纳米材料由于自身的纳米尺寸效应本身就是非常敏感的化学和生物传感器,可以使检测高效、简便、灵敏度高,在未来食品快速检验领域具有广阔的发展空间。因此,本文主要从纳米材料修饰的电化学传感器、荧光纳米材料和荧光染料修饰的适配体传感器和纳米表面增强拉曼光谱分析技术三方面介绍了纳米材料在食品检测鉴定中的应用研究,并对纳米技术在食品检测方面的发展趋势进行了总结和展望。

1 纳米材料修饰的电化学生物传感器在食品检验鉴定中的应用

很多纳米材料因导电性能良好被认为是修饰电化学传感器的理想材料。将纳米材料与生物材料、电子材料相结合,制备出新型的电化学生物传感器件,大大提高传感器的灵敏度和精确度,从而提升检测效率。基于纳米材料的电化学生物传感器越来越广泛应用于食品检验鉴定方面。以下简要概述了纳米材料修饰的电化学生物传感器在食品检验鉴定中的应用。

1.1 农兽药残留检测

传统的农药残留检测方法检测限低、选择性高,但是耗时长、样品预处理复杂、价格昂贵,研究人员开发出使用纳米材料修饰的电化学生物传感器应用于农业生产中准确快速检测农药残留。旦智多杰等[7]采用原子转移自由基聚合法制得新型纳米复合材料碳纳米管接枝聚丙烯酸二茂铁甲酰氧丁酯来测定样品中残留敌百虫含量,该聚合材料检测残留农药的最低检出限为9.269 1×10-8nmol/L。杜科志等[8]研制了一种用于检测萘乙酸的电化学传感器。玻碳电极被多壁碳纳米管和十二烷基苯磺酸钠复合物修饰,制备的电化学传感器检测萘乙酸的检出限为0.07 μmol/L。用于黄芪中萘乙酸的检测时,回收率为97.8%～102%,相对标准偏差(RSD)小于5.0%。Ghodsi等[9]利用二氧化钛纳米颗粒覆盖的多壁碳纳米管修饰的玻璃碳电极,开发出一种基于玻璃碳电极的伏安传感器,用于检测食品中的二嗪农,该纳米复合材料在二嗪农还原过程中表现出良好的协同电催化性能,对二嗪农的测定完全灵敏,对11～8 360 nmol/L范围内的二嗪农存在良好的线性关系,检测限为3 nmol/L,定量限为10 nmol/L,该方法修饰快、操作简单、成本低、稳定性能好。Xie等[10]利用具有褶皱结构的三维石墨烯可以为氧化铜纳米颗粒高分散提供较大的表面积这一特性,在三维石墨烯表面制备氧化铜纳米颗粒电催化剂,该纳米复合材料对马拉硫磷具有较高的亲和力,通过抑制氧化铜的氧化还原反应实现对马拉硫磷的检测,正因为高表面积衬底锚定氧化铜纳米颗粒,所以在最优条件下,对马拉硫磷的检测限可达0.01 nmol/L。

1.2 化学污染物检测

当前全球环境污染问题日益加剧,对人类赖以生存的食物和水源造成严重污染,其中有机污染物毒害性最大,会引发一系列的疾病。下文概括了应用纳米材料修饰的电化学生物传感器来检测有机污染物的方法。周忠亮等[11]将多面体纳米金均匀分布在电极表面,制备出DNA-纳米金修饰的玻碳电极来对甲醛进行快速检测,对实验进行优化后,得到甲醛的浓度在1×10-7～1×10-3mol/L范围内线性相关,检出限为10 μmol/L。李堃等[12]将Ni-Fe双金属铁氰化物纳米粒子沉积于基础电极表面的碳纳米管表面衍生后,制得的碳纳米管负载Ni-Fe双金属氢氧化物修饰电极可以准确快速测定水样中尿素的含量。在1.0 mol/L KOH溶液中,尿素的浓度在5.0×10-6～2.8×10-3mol/L范围线性相关,检测限为3.6×10-6mol/L,灵敏度54.3 μA/(mmol/L)。

1.3 生物污染物检测

食品中的真菌毒素毒性较大,长期摄入会对人体产生极大危害。因此,研究食品中微生物毒素愈加重要,研究人员开发出使用纳米材料修饰的电化学生物传感器应用于食品中微生物毒素的快速检测。贾飞等[13]将铜绿假单胞菌适配体修饰在还原氧化石墨烯/碳纳米管-纳米金复合纳米材料表面作为工作电极,铜绿假单胞菌在电极表面孵育后被适配体捕获后导致电极阻值增大,从而实现对铜绿假单胞菌的定量检测,检测限为4 CFU/mL,铜绿假单胞菌的浓度在10～106CFU/mL内线性相关。周曙曙等[14]构建一种基于MWCNTs-COOH纳米材料修饰的电化学传感器,并且结合方波伏安法对食品中的玉米赤霉烯酮进行快速检测,得出该电化学传感器检测的线性范围为 0.2～6 μg/mL,检出限为0.067 μg/mL,实际的样品加标回收率为98.4%～106.7%。

2 荧光纳米材料和荧光染料修饰的适配体传感器在食品检验鉴定中的应用

荧光纳米材料是由荧光纳米粒子构成的可发出荧光的晶体或由纳米粒子承担荧光染料的标记功能,荧光纳米材料的低成本、易制备、绿色环保等特点也成为食品药品与环境检测领域的优选材料。近年来金属纳米团簇在检测重金属离子、硫化物、氰化物、多硝基芳族物质、甲醛、有机农药、细菌和病毒等物质方面有广泛的应用和发展。核酸适配体存在特异性识别功能,纳米材料也存在特殊的性质,因此核酸适配体修饰的功能化纳米材料传感器是一种对靶标具有特异性识别能力的方法。目前,基于核酸适配体的荧光、比色法表现出传统方法无法替代作用。以下概述了荧光纳米材料和荧光染料修饰的适配体传感器在食品检验鉴定中的应用。

2.1 食源性致病菌和农兽药残留检测

谢玉等[15]研究食品安全检测领域中荧光纳米材料的应用,利用荧光材料独特的尺寸结构并将其应用于荧光免疫标记中,充分利用纳米材料特异性强、操作便捷、价格低的特点,对食源性致病菌、农兽药残留进行检测。王琦等[16]利用荧光共振能量转移效应,将荧光标记的黄曲霉毒素B1(AFB1)适配体和伏马毒素B1(FB1)适配体吸附在氧化石墨烯表面,荧光猝灭后加入靶标,荧光强度恢复,实现对AFB1和FB1的定量检测,AFB1的检测限为0.15 ng/mL,FB1的检测限为0.12 ng/mL。Su等[17]研发了一种多菌灵的核酸适配体作为探针,金纳米颗粒和罗丹明B作为荧光指示剂的适配体传感器。当多菌灵不存在时,多菌灵特异性适配体包裹的AuNPs分散在NaCl溶液中,分散的AuNPs对荧光指示剂罗丹明B产生猝灭效果。相反,多菌灵存在时能与特异性适配体形成复合物,AuNPs在NaCl溶液中发生聚集,聚集的AuNPs对罗丹明B的荧光效果基本无影响。该适配体传感器对多菌灵的检测限为2.33 nmol/L,浓度在2.33～800.00 nmol/L范围内存在良好的线性关系。Li等[18]利用多壁碳纳米管和G-四链体作为信号传导器,N-甲基吗啉(NMM)作为荧光探针,开发了一种新型的水胺硫磷的荧光检测方法。在水胺硫磷存在情况下,分裂的适配体会发生构象变化,形成三明治状的三元络合物,阻止水胺硫磷吸附到多壁碳纳米管上,当不存在多水胺硫磷时,分裂的适配体易被多壁碳纳米管吸附,产生NMM猝灭的荧光信号,检测限为10 nmol/L。

2.2 非法添加物的检测

施丽霞等[19]制备出钙钛矿量子点作为荧光探针,观察碱性黄的浓度变化与发射峰偏移而建立起线性关系,利用荧光比色法检测食品中的碱性黄。刘美玲等[20]设计出一种MnO2纳米片来检测空气和食品中的甲醛。该方法是根据荧光试剂与待测液混合后与空白溶液的荧光强度进行比对来计算甲醛的含量。该检测方法简单、灵敏度高、选择性高,适用于对空气和食品中甲醛含量的测定。徐鹤丹等[21]利用H2O2对AgNCs的荧光淬灭现象制备出二氢硫辛酸包裹的AgNCs,用来检测H2O2,检测范围在2.0×10-13～50.0×10-13mol/L及1.0×10-13～5.0×10-3mol/L呈线性关系,检测限为1.6×10-14mol/L,该检测方法在生物领域具有潜在的价值。

2.3 生物活性物质检测

彭涛等[22]制备了一种SiO2@MnO2纳米颗粒和荧光金纳米簇(Arg/ATT/AuNCs)来快速定量检测谷胱甘肽含量,该荧光法能够满足对谷胱甘肽的检测需求,测量谷胱甘肽的线性范围为2.5～20 nmol/L,最低检测限为1.23 nmol/L。温娜等[23]制备出用乙醇替代水的荧光强度更高的DA@AgNCs,利用维生素B12对AgNCs的荧光猝灭机理,实现对维生素B12的含量检测,其线性范围为5～80 μmol。刘晓等[24]将黑磷纳米片作为荧光受体,6-羧基荧光素标记的雌激素17β-雌二醇适配体作为荧光供体,构建了荧光适配体传感器,在最优条件下,17β-雌二醇的质量浓度在1.5～60 ng/mL范围内线性相关,检测限为1.0 ng/mL。史学丽等[25]将17β-雌二醇适配体修饰到铕掺杂的镓酸新锌长余辉纳米粒子上,以二硫化钼纳米片作为荧光受体,基于荧光共振能量转移原理产生的荧光强度变化来检测17β-雌二醇,条件优化后检测限为0.4 ng/mL。冯婷婷等[26]利用荧光标记的适配体与腺苷特异性结合用于腺苷脱氨酶的检测,根据猝灭荧光强度的变化得出检测限为0.18 U/mL,在0.25～3.125 U/mL范围内呈线性关系。

3 纳米表面增强拉曼光谱分析技术在食品污染物检验鉴定中的应用

激光技术的发展使拉曼光谱技术取得了长足的进步,而纳米科技的迅猛发展使“纳米增强拉曼光谱(NERS)”在高灵敏度检测方面获得了突破性进展,可达到单分子的检测水平。拉曼光谱是根据拉曼散射效应,获得分子振动和分子转动的信息。特定的分子具有特定的结构和振动及转动方式,进而产生特定的拉曼特征峰,因此分子的拉曼光谱具有唯一性。表面增强拉曼光谱(SERS)是将待分析的有机物吸附于具有特殊纳米结构的贵金属表面,如Au、Ag等,以产生更强的拉曼散射信号。纳米增强拉曼光谱在样品处理、检测时间、检测成本、仪器成本、重现性、现场检测等方面所具有的优点。

随着食品产业的快速发展,在食品的生产、加工及运输过程中会引入如超量农兽药残留、色素和染料类添加物、抗生素以及其他痕量化学物质等有毒有害物质,严重影响人民身心健康,影响消费者对食品产业的信心。因此,表面增强拉曼光谱分析技术对快速检测食品中是否存在污染物具有重要意义,表面增强拉曼光谱分析技术相较于传统的检测方法,如化学反应法、微生物法、免疫分析法和仪器分析法,具有更高的灵敏度、可无损检测、方便快捷及特异性强等优势,对食品安全和人类健康具有重要意义。下面简单概述了纳米表面增强拉曼光谱技术在食品污染物检测领域中的研究现状。

3.1 农药残留检测

农药被用来预防和治理病虫害和除草,不当使用会导致水土污染,农药会残留在动植物体内,通过食物链在人体内富集。为保障人体健康和环境安全,加强对农药残留的提取和检测水平,SERS技术可以满足一线技术人员对农药残留检测的需要。Hassan等[27]利用合成的花状银纳米颗粒,并且通过固相萃取法检测绿茶中农药的残留量,拉曼光谱强度与农药的残留量成正相关,灭多威、啶虫脒和2,4-D的回归系数分别为0.997 4,0.995 6和0.998 2,检测限分别为5.58×10-4,1.88×10-4和4.72×10-3μg/mL,RSD<5%。Lee等[28]利用溶胶-凝胶旋涂制备出二氧化锆纳米纤维并负载在硅片上,并与金纳米颗粒集成在一起作为基板,调节前驱体浓度对基板的形貌进行优化,以低浓度的罗丹明6G作为探针分子,评估SERS的增强效果。随后经检测亚胺硫磷、甲萘威、氯菊酯和氯氰菊酯存在特定的增强拉曼峰,二氧化锆纳米纤维为0.3 mol/L的AuNPs/ZrO2NFs的增强因子为2.1×107,检测限分别为10-8,10-7,10-7,10-6mol/L。Zhao等[29]利用多层等离子体耦合放大技术,制备了三维银枝晶/电聚合分子标识符/AgNPs复合结构,独特的等离子体SERS多层膜实现对SERS信号的多级增强,所制备的SERS纸片在吡虫啉检测中表现出良好的优异性和灵敏性,检测限为0.028 11 ng/mL。刘江美等[30]合成了一种Fe3O4/Ag磁性包覆修饰材料作为拉曼基底来检测杀线威,经测试后发现使用该复合材料容易被磁铁收集,易于分散萃取后再次收集,然后经过计算,样品的谱峰与实验谱峰具有相当的一致性,增强因子为2.08×105。

3.2 工业染料检测

酸性橙Ⅱ、罗丹明等工业染料(非法添加物)因价格低廉被不法商贩使用,一旦使用,势必对人体健康造成严重危害,因此需要开发灵敏、快速检测食品中这些非法添加物的技术。赵静晨等[31]以抗坏血酸作还原剂在表面活性剂溶液中还原氯金酸制备出树枝状的具有优异拉曼活性的金纳米粒子,作为检测罗丹明6G的拉曼增强基底具备较高的灵敏度和优良的循环性能,在3×10-9～3×10-7mol/L范围内存在良好的线性关系,检测限为3×10-9mol/L,增强因子为105。Zhao等[32]利用合成纳米银作为底物,银溶胶混合样品中加入盐酸可以增强SERS信号这一特性,实现了染色黑米中苏丹黑B的痕量快速检测。该方法标准溶液的检测限为0.05 mg/L,黑米提取液可检出浓度为0.1 mg/kg。王晓辉等[33]利用表面增强拉曼光谱结合不同的纳米基底、不同波长的激发光源对待测物进行检测对比,得出波长为633 nm的激发光源对待测物的SERS检测效果更好,小粒径纳米颗粒的拉曼增强效果更好,并根据SERS峰强度与酸性橙Ⅱ浓度建立了定量分析模型。

3.3 生物污染物检测

食源性致病菌可通过污染水或食物进入人体,从而导致人类疾病。真菌毒素是由真菌产生的次生代谢产物,也具有较强的毒性[34],全球每年大约有25%的粮食作物受到真菌毒素的污染[35]。目前,食源性疾病在全球各个国家被认为是最重要的公共卫生问题[36]。Li等[34]通过在聚二甲基硅氧烷包覆阳极氧化铝的复合基板表面溅射金纳米粒子进而制备出高热点3D SERS基板,溅射时间为8 min时,3D SERS基板的SERS效果最佳,在最佳条件下,该基板对4-巯基苯甲酸具有10-12mol/L的低检测限,增强因子为2.2×106,RSD=4.57%。此外,该3D SERS基板可实现对黄曲霉毒素B1、脱氧雪腐镰刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮同步检测,且待测物浓度与拉曼强度存在良好的线性关系,检测限分别为1.8,24.8和47.7 ng/mL。Duan等[37]制备出Au@Ag-适配体1-目标分子-适配体2-X-罗丹明的三明治复合结构,含有Au@Ag核/壳纳米粒子的SERS底物被适配体1功能化,用于捕获目标分子。X-罗丹明修饰的适配体2被用作识别元件和拉曼报告器,结果表明,所研制的适配体传感器在15～1.5×106cfu/mL范围内测定鼠伤寒杆菌的浓度具有良好的线性关系,检测限为15 cfu/mL。

3.4 抗生素类物质检测

郭红青等[38]利用纳米金胶和OTR103作为拉曼增强基底来检测鸭肉中的土霉素,对实验进行优化后得出待测物土霉素的特征峰为拉曼位移1 271 cm-1处,纳米金胶、待测样品和OTR103分别为0.7 mL、70 μL和100 μL时,检测效果最佳,待测物质量浓度在0.2～22.0 mg/L之间时存在良好的线性关系,检测限为0.2 mg/L。梁营芳等人[39]制备出浓缩银纳米粒子与不同浓度的青霉素G纳溶液混合后SERS信号会发生变化,加入适量的硫酸镁溶液后,SERS增强效果会更好,青霉素G纳浓度在1×10-8～1×10-3mol/L范围内,SERS信号强度呈现出线性关系。

4 结语

无论是基于纳米材料构建的电化学传感器、应用荧光纳米材料检测、构建荧光核酸适配体传感器,还是作为纳米拉曼增强基底,这都为食品安全的检测提供了新思路。但是,有些纳米技术依旧处于实验室水平,距离实际应用还存在一定距离。未来的研究应着重从以下几个方面开展研究:1)未来应用于食品安全检测的纳米材料修饰的传感器应更趋于常规化和便捷化,开发出可视化的便携快速检测设备,与日常的电子产品绑定进行数据共享,如电脑、手机、平板等,提高其家用化。2)适配体传感器受环境因素影响较大,因此对现有的适配体筛选技术进行优化,挖掘更高特异性、高亲和力、成本低、易于修饰的适配体,进一步提高传感器的稳定性,实现核酸适配体修饰的纳米材料传感器在食品安全领域的商业化应用。3)开发新的纳米材料应用于电化学传感器、荧光纳米材料、适配体传感器的修饰材料以及拉曼增强基底,提高其准确性,或进一步优化已有材料的性能。在目前将化学信号转移为电信号、光信号的范围外,寻找新的信号转移方法,开发出新的传感平台,纳米材料在未来食品快速检验领域具有广阔的发展空间。