金納米材料在食品檢測(cè)中的影響因素調(diào)查

◎ 童晶晶，李玉蘭，劉雪梅，白雨濛，關(guān)彥俊，武小暉，宋 凱

（長(zhǎng)春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032）

隨著食品安全問題的日益增多，人們的食品安全意識(shí)逐漸增強(qiáng)。食品安全檢測(cè)作為保障食品安全的基礎(chǔ)工作，其重要性和必要性顯得尤為突出。傳統(tǒng)的食品檢測(cè)中，一般采用氣相色譜法、高效液相色譜法[1]、原子吸收光譜法、生物化學(xué)傳感器[2]、PCR、基因芯片[3]等技術(shù)，這些方法普遍操作繁瑣、價(jià)格昂貴或者靈敏度差，易受環(huán)境影響。近年來(lái)，隨著納米科技的快速發(fā)展，金納米材料的食品分析成為了一種操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)快速、靈敏度和準(zhǔn)確度都更高的檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)被許多研究者運(yùn)用于食品的成分分析，并獲得了顯著的成效。本文以食品檢測(cè)中的金納米材料為對(duì)象，總結(jié)了影響其檢測(cè)效果的各種因素。

1 金納米材料的性質(zhì)

金納米材料是指直徑在1～100 nm，具有高電子密度、介電特性和催化作用的金的微小顆粒[4]，它能與多種生物大分子結(jié)合，具有較強(qiáng)的吸附特性且不影響正常的生物活性，可用于多種酶活性的檢測(cè)。同時(shí)，金納米材料也具有良好生物相容性，在食品檢測(cè)時(shí)容易和生物分子結(jié)合。除此之外，獨(dú)特的熒光和電學(xué)特性是金納米材料用于食品檢測(cè)的主要依據(jù)，根據(jù)相應(yīng)金納米材料的發(fā)射或吸收波長(zhǎng)的不同能夠?qū)κ称分械哪承┏煞诌M(jìn)行定量和定性的分析。當(dāng)這些材料粒徑足夠小時(shí)，就會(huì)具有量子尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出活潑的光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)和催化等性質(zhì)。非常典型的應(yīng)用是膠體金納米顆粒表面等離子共振導(dǎo)致的在520 nm處有強(qiáng)烈的特征吸收峰，并且隨著離子尺寸的增加或離子間距的減小發(fā)生紅移[5]；其中金納米簇這種材料當(dāng)粒徑接近于費(fèi)米波長(zhǎng)時(shí)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的熒光特性。目前，金納米材料對(duì)環(huán)境的較高靈敏性在醫(yī)學(xué)診斷及食品檢測(cè)領(lǐng)域也已經(jīng)得到了學(xué)者們的廣泛專注[6]，并且逐漸應(yīng)用于實(shí)際的生活中。

2 金納米材料技術(shù)在食品檢測(cè)中靈敏度的影響因素

隨著金納米材料技術(shù)不斷發(fā)展，如何有效地利用該技術(shù)進(jìn)行高效便捷的檢測(cè)，成為了越來(lái)越多學(xué)者研究的方向。大量實(shí)驗(yàn)證明，在食品檢測(cè)時(shí)，環(huán)境的pH、溫度、金納米材料的濃度、與檢測(cè)物的反應(yīng)時(shí)間、激發(fā)波長(zhǎng)、納米材料表面修飾物濃度等都對(duì)檢測(cè)的效果產(chǎn)生明顯的影響，因此優(yōu)化適宜檢測(cè)條件是得到準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵。

2.1 環(huán)境pH對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

環(huán)境pH的變化會(huì)帶來(lái)金納米材料光學(xué)性能和催化性能的改變[7]。李偉等[8]在進(jìn)行蛋白酶檢測(cè)的研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，合成的金納米顆粒隨著pH的升高，它的熒光會(huì)發(fā)生紅移，在堿性條件下合成的金納米顆粒隨著pH的降低，金納米材料的熒光強(qiáng)度會(huì)降低。王瑞鑫等[9]采用電化學(xué)的方式檢測(cè)黃曲霉毒素B1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)物溶液酸度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)降低峰電流的大小，只有在pH為7時(shí)，檢測(cè)到的峰電流最大。鄒小波等[10]在利用金納米材料作催化劑檢測(cè)農(nóng)藥樂果時(shí)，考察了pH對(duì)催化效果的影響，通過(guò)吸光度的變化，確定了pH的最佳數(shù)值為4.0。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

環(huán)境溫度作為一個(gè)重要的熱力學(xué)條件，對(duì)各種化學(xué)、生物反應(yīng)都起到了不可忽視的作用[11]。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，反應(yīng)速率會(huì)越快，但同時(shí)，隨著溫度的升高，反應(yīng)體系中的某些活性成分會(huì)遭到破壞，所以合適的反應(yīng)溫度是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)。李燕萍等[12]在進(jìn)行金納米材料比色檢測(cè)還原糖的試驗(yàn)時(shí)，對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度在70 ℃左右時(shí)，反應(yīng)速率最快且反應(yīng)體系也較穩(wěn)定。蘇榮欣等[13]在利用蛋白酶包覆的金納米簇去檢測(cè)堿性蛋白酶時(shí)，發(fā)現(xiàn)在堿性蛋白酶的最適溫度下，熒光信號(hào)會(huì)隨著溫度的升高逐漸增強(qiáng)，最終確定實(shí)驗(yàn)的最佳溫度為40 ℃。邱建敏等[14]對(duì)金納米材料檢測(cè)時(shí)的孵育溫度進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)置的溫度是當(dāng)睪酮樣品與空白樣品吸光度比值最大時(shí)的溫度25 ℃。付夢(mèng)玉等[15]在用適配體去識(shí)別腸毒素大腸桿菌K88時(shí)對(duì)最佳反應(yīng)溫度進(jìn)行了選擇，得到40 ℃的反應(yīng)溫度，吸光度最大且最穩(wěn)定。

2.3 金納米材料的濃度對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

在利用金納米材料技術(shù)檢測(cè)食品成分時(shí)，金納米材料本身的濃度會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)一定的影響。有研究表明，在利用金納米材料作催化劑檢測(cè)葡萄糖濃度時(shí)，隨著金納米材料濃度的改變，葡萄糖溶液的吸光度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最高點(diǎn)，即最適金納米材料濃度[16]。胡米雪等[17]在檢測(cè)頭孢氨芐含量時(shí)，先對(duì)檢測(cè)的條件進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)氯金酸的用量將會(huì)影響吸光度的強(qiáng)弱，并且確定了950 μL氯金酸的體積。付榮鵬[18]對(duì)金納米材料的光熱效應(yīng)和光電效應(yīng)進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)金納米材料的濃度直接影響了溶液吸收入射光的能力，較低的金納米材料濃度會(huì)得到高的光電效率。王金璽等[19]測(cè)定茶多酚時(shí)，確定了金納米材料的濃度為3.85×10-6mol·L-1為最優(yōu)反應(yīng)條件。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

一般利用金納米材料技術(shù)進(jìn)行食品成分檢測(cè)時(shí)，金納米材料良好的熒光特性是其檢測(cè)的根據(jù)，而金納米材料的熒光強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間的改變而發(fā)生改變[20]，所以確定熒光強(qiáng)度最高對(duì)應(yīng)反應(yīng)時(shí)間是食品檢測(cè)過(guò)程中重要的一步。在蘇榮欣等[13]的研究中，堿性蛋白酶與金納米材料的反應(yīng)時(shí)間為180 min。李燕萍等[12]在進(jìn)行還原糖的檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間在10 min時(shí)，金納米材料溶液的吸光度值不再發(fā)生顯著變化且達(dá)到較高值。李梓維等[21]為了確定銅離子檢測(cè)中的最佳反應(yīng)時(shí)間，每隔1 min就進(jìn)行一次吸收光譜的檢測(cè)，最終確定30 min為最佳的反應(yīng)時(shí)間。程慧等[22]在檢測(cè)食品中黃曲霉毒素B1時(shí)，發(fā)現(xiàn)孕育時(shí)間的不同，也會(huì)影響后期金納米探針對(duì)于食品成分的檢測(cè)，故實(shí)驗(yàn)確定了孕育時(shí)間為50 min。除此之外，也有實(shí)驗(yàn)表明作為催化劑的金納米材料也有最佳反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)效率呈時(shí)間依賴性。

2.5 激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

金納米材料只有在最合適的激發(fā)波長(zhǎng)下才能發(fā)射出較長(zhǎng)的發(fā)射波長(zhǎng)，從而表現(xiàn)出最大吸收峰。研究發(fā)現(xiàn)，金納米材料與銀納米材料在合適條件下都具有較強(qiáng)的熒光特性，李康輝等[23]在進(jìn)行生物成像的研究時(shí)，對(duì)金銀合金材料施加不同的激發(fā)波長(zhǎng)，并收集到了不同的發(fā)射波長(zhǎng)，驗(yàn)證了金銀合金材料豐富的非線性光學(xué)特性。付田等[24]在檢測(cè)牛乳當(dāng)中的雌二醇的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)金納米材料的吸收光譜進(jìn)行了一個(gè)400～750 nm的掃描，得到納米金材料在523 nm下具有最大吸收峰。王勁松[25]在利用金納米材料檢測(cè)牙周細(xì)菌的時(shí)候，選用了631 nm的激光。衛(wèi)曉丹等[26]借助納米金材料在785 nm的激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)2,4-二氯苯氧乙酸進(jìn)行檢測(cè)。

2.6 金納米材料表面修飾物濃度對(duì)食品檢測(cè)效果的影響

金納米材料的檢測(cè)過(guò)程往往是通過(guò)間接的方式，在金納米材料的表面進(jìn)行修飾，并與檢測(cè)物進(jìn)行反應(yīng)，從而反映出檢測(cè)物是否存在或者檢測(cè)物的量。許宙等[27]就半胱氨酸修飾的金納米材料對(duì)重金屬鉛進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)半胱氨酸的濃度影響了檢測(cè)體系的靈敏性，于是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，得到半胱氨酸的實(shí)驗(yàn)濃度為50 nmol·L-1。黨珍珍等[28]在對(duì)甲巰咪唑檢測(cè)研究時(shí)，對(duì)修飾金納米材料的羅丹明B和金納米材料的比例進(jìn)行了優(yōu)化，最終得出結(jié)果，金納米材料與等體積的1×10-5mol·L-1的羅丹明B混合，稀釋到原體積的10倍之后是最佳實(shí)驗(yàn)條件。

3 展望

金納米材料檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的食品分析方法，目前大多數(shù)檢測(cè)方案都只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，這說(shuō)明整個(gè)操作的過(guò)程還不夠穩(wěn)定，比較不成熟，而主要原因是金納米材料的制備條件依然比較嚴(yán)格，檢測(cè)過(guò)程也無(wú)法離開大型儀器的使用，所以金納米材料的檢測(cè)應(yīng)用依舊比較局限。隨著金納米材料制備的方案不斷改進(jìn)，檢測(cè)的技術(shù)不斷簡(jiǎn)化，在離開實(shí)驗(yàn)室大型儀器的條件下，可以采用輕巧、簡(jiǎn)便的儀器就能進(jìn)行檢測(cè)，是需要不斷改善的地方。同時(shí)，現(xiàn)在許多成分在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，都需要專門地針對(duì)特定物質(zhì)，找到合適的實(shí)驗(yàn)方法以及試劑進(jìn)行檢測(cè)。但實(shí)際生活中，有大量的物質(zhì)目前是無(wú)法預(yù)測(cè)的，這就迫切需要找到一種高效的通用性強(qiáng)的檢測(cè)方法，不但能夠?qū)κ称分心愁愇镔|(zhì)進(jìn)行初步的確定，比如金屬、活性蛋白酶、有害致病菌、碳水化合物、脂肪等，而且在確定了大致的范圍之后，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出該類物質(zhì)的具體成分及含量，這些在食品檢測(cè)中是十分必要的。因此，完善金納米材料技術(shù)檢測(cè)手段，擴(kuò)大檢測(cè)范圍以及簡(jiǎn)化檢測(cè)設(shè)備是未來(lái)研究的方向。