聚集誘導發(fā)光材料在食品安全檢測中的應(yīng)用

呂妍婷, 王 琪 , 朱為宏

(華東理工大學 化學與分子工程學院， 上海功能材料化學重點實驗室， 精細化工研究所， 上海 200237)

1 引 言

食品作為人類生存的第一必需品，與人們的健康息息相關(guān)。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)的集約化發(fā)展，食品種類日益增多，而農(nóng)藥、食品添加劑等的廣泛使用以及食品供應(yīng)鏈中存在的潛在危害使得食品安全成為影響人類健康的全球性問題。近年來,全球食品安全事件頻發(fā)，特別是食源性疾病發(fā)展成為世界范圍內(nèi)的主要公共衛(wèi)生問題之一[1]。為了確保食品安全，目前世界各國政府制定了相關(guān)標準并要求食品相關(guān)行業(yè)嚴格執(zhí)行[2-4]。因此，開發(fā)簡便、準確、靈敏和高效的食品檢測技術(shù)對控制食品質(zhì)量和保障食品安全至關(guān)重要。

目前，食品污染物的檢測方法主要包括化學檢測法、生物檢測法和多種技術(shù)聯(lián)用檢測法[5-6]?；瘜W檢測法包括色譜[7]、質(zhì)譜[8]、核磁[9]、光譜法[10-11]、電化學法[12]以及生物傳感器[13-14]等。其中，氣相色譜法(Gas chromatography，GC)和高效液相色譜法(High performance liquid chromatography，HPLC)技術(shù)較為完善，具有較高的分離效率和靈敏度，可檢測的污染物類型較多。而生物檢測法主要包括免疫技術(shù)[15]、基因檢測技術(shù)[16]和聚合酶鏈式反應(yīng)技術(shù)(Polymerase chain reaction，PCR)[17]等，均具有良好的檢測準確性。然而，這兩類檢測方法都存在著樣品預(yù)處理復雜、設(shè)備昂貴和對檢測人員的專業(yè)素養(yǎng)要求高等問題。近年來，熒光分析法憑借其操作簡便、靈敏度高、響應(yīng)速度快和空間分辨率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測中[18-22]。但傳統(tǒng)的熒光染料大部分是具有大π共軛體系的疏水性材料，如三苯胺類、稠環(huán)類化合物等[23-24]，具有明顯的光致漂白現(xiàn)象并且在高濃度或聚集狀態(tài)下易發(fā)生聚集熒光猝滅(Aggregation-caused quenching，ACQ)[25]，從而導致靈敏度下降，限制了其對微量有害物的檢測[26]。

唐本忠課題組在2001年提出聚集誘導發(fā)光(Aggregation-induced emission，AIE)的概念[27]。與ACQ現(xiàn)象截然相反，在稀溶液中AIE發(fā)光材料(Aggregation-induced emission luminogens, AIEgens)通過分子內(nèi)運動過程增強非輻射衰減使發(fā)光減弱；而相反地，在聚集時通過限制分子內(nèi)運動(Restriction of intramolecular motions, RIM)使熒光發(fā)射增強[28]。具有AIE特性的新型熒光材料具有亮度強、抗光漂白性好和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。因此，獨特的熒光“關(guān)-開”性質(zhì)、可忽略的背景熒光和較大的斯托克斯位移等特點使基于AIEgens的檢測技術(shù)成為生物檢測、治療和成像的高效方法之一[29-33]。近年來，基于AIEgens開發(fā)的生物傳感器在食品安全和質(zhì)量檢測領(lǐng)域受到越來越多國內(nèi)外學者的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于食品中各種污染物的檢測[34-36]以及食品品質(zhì)的評估[37-42]。

本文圍繞AIEgens熒光傳感器展開，按照食品污染物的類別，重點介紹了其在農(nóng)藥、重金屬、病原體、食品添加劑等領(lǐng)域的檢測機制和應(yīng)用進展，最后對AIEgens在保障食品安全和質(zhì)量檢測領(lǐng)域的未來發(fā)展進行了展望，希望能對研究本領(lǐng)域的學者提供借鑒。

2 AIEgens在食品安全檢測中的應(yīng)用

2.1 農(nóng)藥殘留檢測

目前，在農(nóng)林業(yè)種植時常選用農(nóng)藥以防治疾病和蟲害。有機磷農(nóng)藥(Organophosphorus pesticides，OPs)由于其高效率和低毒性而被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但OPs是一類神經(jīng)毒素，可以在低濃度下降低人體乙酰膽堿酯酶(Acetylcholine esterase，AChE)的活性并引起大量乙酰膽堿積累，從而導致神經(jīng)系統(tǒng)疾病，例如帕金森和阿爾茨海默癥，甚至死亡[43-44]。不恰當?shù)厥褂棉r(nóng)藥會導致蔬菜和水果等農(nóng)副產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留超標，并對人體健康產(chǎn)生危害。因此，快速靈敏地檢測食品中的農(nóng)藥殘留對于生命健康和環(huán)境保護具有重要意義。與常規(guī)分析方法(如熒光法[45]或高光譜成像[46])相比，基于AIEgens開發(fā)的生物探針能夠更簡單、靈敏和快速地檢測OPs。

OPs可以被AChE上絲氨酸的羥基磷酸化形成穩(wěn)定的共價鍵，阻礙AChE的氨基與底物膽堿結(jié)合，并降低AChE活性，因此可通過熒光檢測AChE的酶活性，間接測定OPs殘留。例如，基于AChE催化碘代硫代乙酰膽堿(Acetylthiocholine iodide，ATCh)的水解會影響溶液pH這一原理，Yue等[34]合成了對pH敏感響應(yīng)的帶醛基的四苯乙烯(Tetraphenylethylene，TPE)衍生物(TPE-1)(圖1(a))。由于OPs不可逆抑制AChE活性，使ATCh無法水解為乙酸，削弱了TPE-1的質(zhì)子化效應(yīng)，進而使TPE-1的熒光信號產(chǎn)生變化，并且與OPs濃度呈線性關(guān)系。該方法已成功用于高選擇性檢測OPs。然而，大多數(shù)用于傳感的AIE納米顆粒在生物溶液中不穩(wěn)定，對實際應(yīng)用有害[47]。為提高穩(wěn)定性和生物相容性，Chen等[48]將兩親性聚合物分散在磷酸鹽緩沖溶液中制備得到AIE納米粒(PTDNPs)(圖1(b))。金納米顆粒(AuNPs)與PTDNPs結(jié)合并通過熒光能量共振轉(zhuǎn)移(Fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET)作用猝滅熒光，而ATCh將競爭性結(jié)合PTDNPs并阻斷FRET點亮熒光，使PTDNPs成功地高靈敏定量檢測OPs，并具有較寬的線性范圍。此外，Wu等[49]設(shè)計了一種基于1,2-雙[4-(3-磺酰基丙氧基)苯基]-1,2-二苯乙烯(BSPOTPE)的夾心納米復合AIE熒光傳感器(圖1(c))。該探針對對氧磷檢測具有良好的線性關(guān)系，還可用于制備便捷的熒光檢測試紙實現(xiàn)有機磷農(nóng)藥對氧磷的簡便直觀半定量分析。

圖1 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對農(nóng)藥殘留物的檢測。(a)TPE-1的pH傳感機制及OPs檢測機理[34]；(b)高度敏感檢測AChE和OP的PTDNPs-AuNPs生物傳感器作用示意圖[48]；(c)BSPOTPE-SiO2-MnO2制備過程和傳感器對OPs響應(yīng)示意圖[49]；(d)TPE-Peptide與OPs作用示意圖[50]。

除了基于酶抑制原理開發(fā)的AIE探針，基于肽開發(fā)的生物探針對農(nóng)藥殘留的檢測也具有較好的效果。Wang等[50]將TPE分子與肽序列LHLHLRL連接合成AIE熒光探針TPE-Peptide用于測定OPs(圖1(d))。探針中的絲氨酸與OPs通過共價鍵反應(yīng)形成的復合物可以增強探針疏水性，使探針更容易聚集到肽原纖維中加速肽聚集從而誘導增強探針熒光發(fā)射。該探針顯示出高度敏感的熒光響應(yīng)，可以在15 min內(nèi)完成農(nóng)藥的快速檢測。但目前該方法只能用于檢測OPs的總量，不能區(qū)分特定類型的農(nóng)藥。

目前，基于AIE方法檢測農(nóng)藥殘留已有許多研究成果，但由于食品的成分復雜且農(nóng)藥混合使用種類較多，檢測多種或多類別農(nóng)藥具有一定的局限性。因此，開發(fā)具有強抗干擾能力和高選擇性的可視化快速現(xiàn)場檢測方法仍是目前研究的重點方向。

2.2 獸藥殘留檢測

在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中，獸藥常被用于防治疾病、抗寄生蟲和促進生長，然而由于其不能被畜禽完全代謝，常會在動物體內(nèi)殘留并積累，最終通過食物鏈威脅人類健康，如人體攝入過量獸藥殘留的畜禽肉類會發(fā)生過敏性反應(yīng)、中毒反應(yīng)等[51]。因此，檢測和評估動物源性食品(如肉類、牛奶和雞蛋)中的獸藥殘留水平至關(guān)重要。

抗生素類(包括四環(huán)素類、青霉素類、氯霉素(Chloramphenicol，CAP))藥物常被用于治療畜禽的細菌感染類疾病。其中，CAP具有較強的毒副作用，不僅會影響畜禽的造血系統(tǒng)，而且畜禽體內(nèi)殘留的CAP還可能抑制人體骨髓造血機能，從而引起再生障礙性貧血和溶血性貧血等疾病。為此，Zhang等[52]成功開發(fā)了一種高靈敏檢測CAP的AIE熒光探針，該探針以適配體(C-Apt)作為CAP的識別基團，短烷基鏈9,10-二氰基蒽衍生物DSAC2N作為AIE熒光基團，低氧化度的氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)為熒光猝滅劑(圖2(a))。連接有DSAC2N的C-Apt通過π-π堆積作用吸附在GO上并被GO猝滅熒光，當體系中存在CAP時，DSAC2N-C-Apt將優(yōu)先與CAP結(jié)合形成復合物(C-Apt-CAP)并從GO表面脫附，DSAC2N熒光恢復，通過熒光信號變化檢測CAP的含量。該方法檢出限達0.36 ng·mL-1，已被成功應(yīng)用于牛奶中CAP含量的檢測。

圖2 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對獸藥殘留物的檢測。(a)DSAC2N的化學結(jié)構(gòu)及CAP檢測機理圖[52]；(b)金屬-有機骨架Zn-BTEC作為AIE熒光探針檢測CTC過程示意圖[53]；(c)用于間接檢測AMD的AIE/ELISA競爭性免疫傳感器示意圖和濃度響應(yīng)熒光曲線[55]。

金霉素(chlortetracycline，CTC)是四環(huán)素類廣譜抗生素中的一種，具有AIE熒光特性。Yu等[53]發(fā)現(xiàn)當CTC分子擴散到均苯四酸鋅的鋅基金屬有機框架(Zn-BTEC)中時，剛性金屬有機框架的多孔結(jié)構(gòu)促使CTC分子發(fā)生組裝或聚集，由RIM機理導致CTC的熒光大大增強。該方法成功地實現(xiàn)了魚類和尿液等樣品中CTC的高靈敏度和高選擇性檢測，并且能有效地與其他四環(huán)素類抗生素區(qū)分(圖2(b))。

金剛烷胺(Amantadine，AMD)是國際醫(yī)學界公認的對流感病毒具有抑制作用的抗病毒藥物[54]。酶聯(lián)免疫吸附測定(Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA)是一種廣泛用于檢測AMD的簡單快速方法，但靈敏度中等,不適合低濃度檢測。為提高檢測的靈敏度，Yu等[55]結(jié)合AIE和ELISA方法開發(fā)了一種新型免疫熒光探針(圖2(c))。在該方法中，葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOx)將觸發(fā)GOx/葡萄糖介導H2O2產(chǎn)生的生物學過程，進而使TPE-HPro氧化并點亮熒光。與ELISA結(jié)合使用，可以實現(xiàn)對雞肌肉樣品中AMD濃度的定量測定，該方法的靈敏度比傳統(tǒng)免疫測定法提高了2.5倍。

熒光檢測方法相較于傳統(tǒng)的儀器分析和免疫分析法具有更高的靈敏度和更強的特異性。然而，目前基于AIE性質(zhì)開發(fā)的獸藥熒光檢測試劑仍然處于發(fā)展階段，這為科研工作者開發(fā)探索新的AIE型獸藥殘留檢測試劑提供了極大的發(fā)展空間。

2.3 重金屬檢測

汞(Mercury，Hg)、砷(Arsenic，As)、鎘(Cadmium，Cd)、鉛(Lead，Pb)等重金屬普遍具有較大的毒性，會導致酶和蛋白質(zhì)失活，從而損傷人體器官、引起慢性中毒甚至死亡[56]。食品中的重金屬污染主要來源于非法食品添加劑的使用、包裝品的鉛污染以及工廠“三廢”污染食品源三種途徑[57]。因此，監(jiān)測水、食品和環(huán)境中的重金屬含量是一項至關(guān)重要的任務(wù)。目前，多種熒光探針已被成功應(yīng)用于檢測環(huán)境中的重金屬含量。

具有硫代或硫酮結(jié)構(gòu)的反應(yīng)型熒光探針對Hg2+具有高的檢測靈敏度和優(yōu)良的特異性。Ma等[58]合成了一種基于Pyrene-1-CHO和乙二硫醇的反應(yīng)型AIE熒光探針Pyren-DT(圖3(a))。該探針與Hg2+反應(yīng)生成Pyrene-1-CHO，熒光增強，實現(xiàn)了對Hg2+的半定量檢測。Pyren-DT對Hg2+具有極好的選擇性和靈敏度，在0～6.5 μmol·L-1之間具有較好的線性關(guān)系，檢出限達到2.88×10-8mol·L-1。與自來水樣品相比，該探針對河水樣品中Hg2+的檢測具有更好的熒光特性，適用于現(xiàn)場檢測。進一步地，為了開發(fā)用于檢測活細胞和生物體中Hg2+的熒光探針，Gao等[59]基于Hg2+誘導的極性反轉(zhuǎn)反應(yīng)(Polar inversion，Umpolung)和AIE效應(yīng)開發(fā)了一種水溶性熒光探針MPIPBS(圖3(b))。在Hg2+存在時，MPIPBS發(fā)生Umpolung反應(yīng)使硫代乙縮醛轉(zhuǎn)化為醛，并釋放MPIB和游離的醛，探針的水溶性和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(Intramolecular charge transfer，ICT)效率變化從而點亮熒光，檢出限達1.45 nmol/L。MPIPBS已被用于開發(fā)即時檢測Hg2+的便攜試紙，并且可用于水樣、尿液樣品、活細胞和斑馬魚中Hg2+的定量檢測。此外，Huang等[60]根據(jù)磷假單胞菌生物發(fā)光的關(guān)閉和AIE活性探針2-AFN-I的熒光開啟，開發(fā)了一種雙重檢測生物積累Hg2+的策略(圖3(c))。其具體機理為：基于群體感應(yīng)，高濃度的磷假單胞菌會產(chǎn)生強烈的生物發(fā)光，而當Hg2+在細菌內(nèi)部積累后會破壞群體感應(yīng)導致生物發(fā)光猝滅；此時2-AFN-I可進入受損的細菌并與Hg2+形成聚集體點亮熒光，從而檢測生物積累的Hg2+。

圖3 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對重金屬離子的檢測。(a)Pyren-DT的化學結(jié)構(gòu)及其與Hg2+作用機理圖[58]；(b)探針MPIPBS的化學結(jié)構(gòu)和設(shè)計策略[59]；(c)通過破壞群體感應(yīng)猝滅生物發(fā)光和2-AFN-I的AIE效應(yīng)實現(xiàn)Hg2+的雙重檢測化學結(jié)構(gòu)及檢測caspase-3的熒光變化示意圖[60]；(d)Fe-GQD的結(jié)構(gòu)及其制備過程[61]；(e)TPE-triazole-CD的化學結(jié)構(gòu)及與Cd2+作用機理圖[62]。

在其他重金屬離子的檢測中，Pathon等[61]開發(fā)了一種基于Fe3O4氧化石墨烯量子點(Fe-GQD)的熒光傳感器。在As3+存在時，F(xiàn)e-GQD和As3+通過多種分子間相互作用形成聚集態(tài)，分子內(nèi)運動受限從而熒光增強，可用于檢測水中的As3+(圖3(d))。Fe-GQD對As3+表現(xiàn)出良好的選擇性，檢出限達5.1×10-9，遠低于世界衛(wèi)生組織飲用水中As3+的容許限度。Zhang等[62]合成了一種基于環(huán)糊精(Cyclodextrin，CD)和TPE的AIE熒光響應(yīng)型傳感器TPE-triazole-CD(圖3(e))。三唑橋和環(huán)糊精與Cd2+配位形成復合物，由于RIM限制了TPE單元的非輻射衰變，從而實現(xiàn)開啟熒光，可檢測Cd2+。該探針對Cd2+具有較高的選擇性，檢出限達0.01 μmol/L。這項工作提供了一種基于AIE效應(yīng)在中性環(huán)境中檢測Cd2+的簡單方法。

目前，檢測重金屬離子的有機熒光探針多數(shù)特異性不高、易受環(huán)境干擾，或結(jié)構(gòu)復雜、合成困難、難以廣泛使用。而基于AIEgens發(fā)展的熒光傳感器由于其優(yōu)異的光學性質(zhì)，能夠滿足定量分析的需要，有望應(yīng)用于食品中重金屬離子的快速檢測。其中設(shè)計合成簡單、靈敏度高、水溶性好的新型AIE熒光探針用于重金屬離子的快速檢測是未來發(fā)展的重點。

2.4 病原菌檢測

食源性病原體是影響食品安全的主要威脅之一，食品中存在的任何致病菌都是嚴重的公共健康隱患。食源性病原體通過直接或間接污染食物和水源，最終可能導致人類感染腸道疾病、食物中毒甚至引發(fā)傳染病的流行。盡管目前食品包裝技術(shù)較為發(fā)達可以有效延長食物的儲存時間，但在存儲和運輸過程中，食品不可避免地會接觸到食源性病原體，例如霉菌[63]、大腸桿菌[64-65]和李斯特菌[66]等。此外，病原體會釋放毒素并進一步威脅人體健康。因此，病原體的快速識別和檢測非常重要。

食源性病原體主要包括真菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌三類?；跓晒夥ú恍枰獜碗s的儀器且更適合應(yīng)用于各種實際檢測情況，是檢測病原菌較為直接方便的方法。因此，目前已經(jīng)開發(fā)了許多基于AIEgens的熒光傳感器。由于細菌表面帶有負電荷，一般設(shè)計帶有正電荷的AIE熒光探針來實現(xiàn)細菌檢測，AIE探針通過靜電相互作用吸附在細菌表面，積累后分子運動受限從而實現(xiàn)AIE熒光響應(yīng)。Dong等[67]通過在本身具有AIE特性的帶正電荷的殼寡糖(Chitosan oligosaccharide，COS)上接枝肽聚物來模擬細菌細胞壁的肽聚糖結(jié)構(gòu)，制備了陽離子抗菌聚合物肽多糖探針(COS-AMP)(圖4(a))。該探針吸附于細菌表面后，激發(fā)依賴性熒光和其自身AIE效應(yīng)，可應(yīng)用于細菌的多色成像和定量檢測。此外，Meng等[68]報告了一種多功能正電荷探針鋅(Ⅱ)-二甲基吡啶胺(AIE-ZnDPA)，用于細菌的選擇性成像和成像指導的光動力殺滅(圖4(b))。該探針通過與細菌之間的靜電相互作用，在細菌膜上積累，并通過限制N—N鍵的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)和在水楊酸噠嗪部分形成分子內(nèi)氫鍵來激活A(yù)IE效應(yīng)和激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(Excited state intramolecular proton transfer，ESIPT)，從而實現(xiàn)成像和殺滅。在哺乳動物細胞中，AIE-ZnDPA可以選擇性地靶向細菌并成像，但該探針無法區(qū)分革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌。

事實上，通過非特異性靜電作用或疏水相互作用檢測病原菌的AIEgens分子只能用于細菌成像，無法實現(xiàn)對目標細菌種類的絕對區(qū)分，因而其不適用于準確靶向特定的目標細菌。因此，引入特異性識別配體是有效提高AIE傳感器成像選擇性的方法之一。萬古霉素(Vancomycin，Van)對革蘭氏陽性菌細胞壁上的肽聚糖序列N-acyl-D-Ala-D-Ala具有特異性的結(jié)合親和力，可廣泛用于殺滅革蘭氏陽性菌。由此，Guang等[69]將AIEgens與2個Van單元共軛合成了具有紅色熒光的AIE點亮型探針AIE-2Van，該探針成功用于選擇性識別、視覺檢測和圖像引導光動力殺死革蘭氏陽性菌，甚至包括耐萬古霉素腸球菌(圖4(c))。此外，He等[70]提出一種引入噬菌體指導AIEgen實現(xiàn)“雷達”感應(yīng)選擇性識別目標細菌的策略，將AIEgens與噬菌體結(jié)合以形成一類新的抗菌生物共軛物(TVP-PAP)(圖4(d))。該探針中噬菌體的靶向作用能夠使AIEgens特異性識別具有噬菌體自身保留感染活性的宿主細菌，通過進一步的噬菌體感染以及AIE熒光發(fā)射對目標細菌進行選擇性成像和光動力殺滅。Wei等[71]則基于具有ESIPT和AIE效應(yīng)的固態(tài)熒光團(BTBP)和葡萄糖醛酸(Glucuronide，Gluc)，開發(fā)了一種簡單的OFF-ON熒光底物BTBP-Gluc，用于活大腸桿菌的細胞成像并檢測其內(nèi)源性葡萄糖醛酸糖苷酶(Glucuronidase，GUS)的活性(圖4(e))。由于GUS可區(qū)分缺乏GUS活性的大腸桿菌O157∶H7與其他大腸桿菌[72-74]，因此，基于BTBP-Gluc開發(fā)的C-F大腸桿菌瓊脂可用于視覺檢測及分離牛奶中的O157∶H7和其他大腸桿菌。

圖4 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對病原體的檢測。(a)COS-AMP的化學結(jié)構(gòu)及其合成路線[67]；(b)AIE-ZnDPA的化學結(jié)構(gòu)及與細菌作用示意圖[68]；(c)AIE-2Van的化學結(jié)構(gòu)式[69]；(d)TVP-S的化學結(jié)構(gòu)式及其對特定細菌選擇性成像、跟蹤、殺滅示意圖[70];(e)BTBP-Gluc的化學結(jié)構(gòu)式和熒光響應(yīng)示意圖[71]；(f)TriPE-3BA和TPE-4BA的化學結(jié)構(gòu)式[75]；(g)M1-DPAN的化學結(jié)構(gòu)式和檢測革蘭氏陽性菌的熒光變化示意圖[79]；(h)IQ-Cm的結(jié)構(gòu)式及與病原體作用機理示意圖[36]。

此外，基于靜電吸附的熒光探針不能區(qū)分活細菌和死細菌，為了檢測活細菌必須開發(fā)基于特定識別機制的新方法。Kong等[75]開發(fā)了一類通過與細菌結(jié)合旋轉(zhuǎn)受限而發(fā)出熒光的新型生物傳感器，可應(yīng)用于即時檢測區(qū)分活細菌和死細菌(圖4(f))。該類AIEgens以TPE為核心連接不同個數(shù)的硼酸基團，其可通過與細菌表面多糖上的順式二醇絡(luò)合而低聚，從而AIE激活。其中，采用TriPE-3BA/TPE-4BA和商用細胞核探針碘化丙啶(Propidium iodide，PI)處理活細菌時均發(fā)出藍色熒光，而死細菌會分別發(fā)出藍色和紅色熒光，因此可以通過比較熒光差異來區(qū)分活細菌和死細菌。然而，快速準確地鑒定和檢測細菌種類仍然充滿挑戰(zhàn)。從結(jié)構(gòu)和成分來看，革蘭氏陽性菌和真菌僅具有被疏松多孔細胞壁覆蓋的細胞膜，而革蘭氏陰性菌具有附加的外膜，該膜具有屏障功能使探針難以進入細胞[76-77]。與細菌不同，真菌是一類具有多個細胞器的真核生物[78]。因此，病原體表面結(jié)構(gòu)和化學成分的差異使熒光探針可以不同程度地穿透其細胞膜，并定位于不同的微環(huán)境中，從而實現(xiàn)區(qū)分。Hu等[79]開發(fā)了一種含有嗎啉單元的熒光探針M1-DPAN，該探針以優(yōu)異的選擇性成功將革蘭氏陽性菌與其他細菌和真菌區(qū)分開(圖4(g))。該區(qū)分機制為M1-DPAN中的堿性嗎啉部分可以通過強疏水相互作用和酸堿作用緊密地插入革蘭氏陽性菌的肽聚糖層，由于AIE效應(yīng)熒光增強，從而實現(xiàn)對革蘭氏陽性菌的選擇性成像；相反，DPAN部分難與真菌外層、革蘭氏陰性菌的磷脂層穩(wěn)定結(jié)合，因此不發(fā)光。據(jù)報道，具有扭曲D-π-A結(jié)構(gòu)的AIEgens可以通過AIE特性有效地抑制分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)電荷轉(zhuǎn)移(Twisted intramolecular charge transfer，TICT)狀態(tài)的非輻射弛豫，并實現(xiàn)對微環(huán)境極性差異的靈敏熒光可視化響應(yīng)[80]。Zhou等[36]則開發(fā)了同時具有TICT和AIE特性的熒光探針I(yè)Q-Cm，可對病原體的不同微環(huán)境敏感響應(yīng)(圖4(h))。IQ-Cm對3種病原體具有不同親和力，通過選擇性相互作用定位于不同位置，從而使其在3種病原體中顯示出視覺上可辨別的發(fā)光顏色，即大腸桿菌為綠色和橙色，金黃色葡萄球菌為橙色，白色念珠菌為黃色。需指出的是，用IQ-CM標記真菌促進了霉菌的檢測應(yīng)用，其肉眼檢測極限約為106CFU·mL-1，可以很容易地從視覺上確定在食物上生長的霉菌數(shù)量。

AIEgens在病原體成像檢測中具有獨特優(yōu)勢。在已有報道中，科研工作者多通過引入不同靶向基團選擇性識別特定病原體，從而用于病原體的快速成像和視覺檢測。由于革蘭氏陰性菌的外膜包裹阻礙了AIEgens的穿膜，因此開發(fā)選擇性成像革蘭氏陰性菌的AIE傳感器是病原體成像的研究突破點。

2.5 食品添加劑檢測

食品添加劑是少量添加于食品的非營養(yǎng)物質(zhì)，可用于改善食品的外觀、風味、組織結(jié)構(gòu)和貯存性質(zhì)。但食品添加劑濫用會帶來健康風險，近年來濫用食品添加劑引起的食品安全事件也屢屢發(fā)生。因此，食品添加劑的使用及其含量引起了人們對食品安全的關(guān)注。

三聚氰胺通常用于紡織工業(yè)和農(nóng)藥生產(chǎn)，但由于其氮含量高、價格低而被非法添加到牛奶和嬰兒配方食品中，造成食品安全事故。攝入超過安全水平的三聚氰胺會導致腎衰竭，甚至死亡[81]。Niu等[35]開發(fā)了一種由帶正電的AIE有機熒光納米顆粒和帶負電的Au納米簇組成的雙發(fā)射比例熒光探針OFNs@Au NCs，可用于目測及定量檢測食品中的Hg2+和三聚氰胺(圖5(a))。Hg2+與Au NCs具有高親和力，兩者結(jié)合后將猝滅探針的紅色熒光，從而檢測Hg2+濃度；而三聚氰胺存在時，通過與Hg2+更強的配位親和力阻止Hg2+與Au NCs的結(jié)合，從而恢復紅色熒光。由于AIE-OFN的綠色熒光強度穩(wěn)定，可以通過明顯的顏色變化視覺檢測Hg2+和三聚氰胺。OFNs@Au NCs對Hg2+和三聚氰胺的檢出限較低，分別為22.7 nmol·L-1和680 nmol·L-1，遠低于碳量子點法檢測三聚氰胺的最低限(2.2 mg·L-1)[82]。此外，該探針已成功應(yīng)用于檢測自來水和奶粉中的Hg2+和三聚氰胺。

圖5 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對食品添加劑的檢測。(a)OFNs@Au NCs的制備過程及其與Hg2+、三聚氰胺的作用熒光變化示意圖[35]；(b)AIE-MIPs-1的制備過程示意圖及其對Rh6G的檢測原理[84]。

羅丹明(Rhodamine，Rh)具有潛在的致癌性，可導致人類和動物的生殖發(fā)育異常，目前已被禁止在食品行業(yè)使用[83]。但由于成本低，其仍被不法商家當作色素添加在食品中。為此，Li等[84]以四苯基吡嗪(TPP)作為AIE響應(yīng)基團，開發(fā)了一種新型的基于分子印跡聚合物(Molecular imprinting polymers，MIPs)的比例型熒光傳感器(AIE-MIPs-1)，可用于定量檢測木瓜干和飲料中的Rh6G(圖5(b))。AIEgen本身在420 nm處顯示藍色熒光，吸附Rh6G后，420 nm處的熒光強度降低，而562 nm處的熒光強度增加，顏色從藍色變?yōu)槌壬?，可用肉眼清楚觀察。AIE-MIPs-1對Rh6G在0.0～10.0 μmol·L-1范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限為0.26 μmol·L-1。同樣地，Li等[85]還開發(fā)了對RhB具有高靈敏度和選擇性的比例熒光傳感器(TPE-A-MIPs)，RhB的檢出限為1.41 μmol·L-1。

2.6 食品品質(zhì)評估

食品受到外界有害因素的污染后，其原有的色、香、味和營養(yǎng)成分均會發(fā)生變化，最終會導致食品質(zhì)量降低甚至完全不能食用，即食品腐敗變質(zhì)[86-87]。魚類和肉類等食品的腐敗過程主要以蛋白質(zhì)的分解為主，會產(chǎn)生多種有毒的生物胺，如腐胺、尸胺、酪胺和組胺等。其中，生物胺是常用的評價肉類新鮮度的指標之一[88-89]。Han等[90]通過將羧基連接在AIEgen核的不同位置上合成了一類具有AIE和ICT效應(yīng)的位置異構(gòu)體，其中基于(E)-3-((4-(二乙胺基)-2-羥基苯亞甲基)氨基)苯甲酸(m-DB)自組裝的傳感器對有機胺蒸汽壓力具有線性關(guān)系，檢出限低至2.02 Pa，可用于肉類腐敗監(jiān)測(圖6(a))。其分子設(shè)計的策略是通過改變羧基的位置以調(diào)節(jié)偶極子間的方向，從而進一步控制自組裝體系結(jié)構(gòu)，使其形態(tài)實現(xiàn)從一維納米線到二維微片甚至三維微立方體的轉(zhuǎn)變。AIE異構(gòu)體的苯甲酸部分對胺具有很強的親和力，而胺與AIEgens間的不同相互作用會導致AIEgens熒光發(fā)生變化從而實現(xiàn)檢測。同樣地，Hou等[91]基于該原理開發(fā)的基于HMBA-4的胺傳感器也可以用于快速檢測變質(zhì)的豬肉樣品。此外，Han等[92]使用2,3,5,6-四氟苯硫酚(TFTP)作為還原劑和保護配體開發(fā)了一種能夠快速、靈敏和高選擇性檢測組胺的強發(fā)光自組裝銅納米團簇(Cu NCs)。當存在組胺時，由于銅原子和組胺間的強相互作用和RIM機制，Cu NCs的熒光會被猝滅。Cu NCs在0.1～10 μmol·L-1的組胺濃度范圍內(nèi)具有良好線性關(guān)系，檢出限為60 nmol·L-1，遠低于美國食品藥品安全局規(guī)定的最大殘留限(450 μmol·L-1)?；贑u NCs的發(fā)光測試條對組胺含量顯示出明顯的顏色梯度變化，可用于視覺檢測鯉魚、蝦、紅酒中的組胺含量。

另一方面，食品的粘度變化是反映流質(zhì)食品變質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一[93]。Xu等[38]開發(fā)了對粘度敏感的AIE熒光探針TPAEQ，可用于檢測飲料中食品增稠劑含量以及飲料的變質(zhì)情況(圖6(b))。隨著粘度的增加，TPAEQ中可旋轉(zhuǎn)的三苯胺和甲基醚單元旋轉(zhuǎn)受到抑制，從而導致強烈的熒光發(fā)射。并且TPAEQ的熒光強度與食物增稠劑質(zhì)量濃度間存在線性關(guān)系。因此，TPAEQ可通過熒光粘度響應(yīng)來檢測評估液態(tài)飲料的變質(zhì)情況和定量分析食品增稠劑的含量。

圖6 AIE探針的化學結(jié)構(gòu)及對食物品質(zhì)的評估。(a)m-DB的化學結(jié)構(gòu)式及其與有機胺的作用機理圖[90]；(b)TPAEQ的化學結(jié)構(gòu)式及對粘度的熒光響應(yīng)示意圖[38]；(c)QM-TPA的化學結(jié)構(gòu)式[96]；(d)CPA-TPA的化學結(jié)構(gòu)式[97]。

食品的加工方法也同樣會影響食品的營養(yǎng)成分。例如，油炸食品因其酥脆可口、香氣撲鼻，深受人們喜愛，但長期食用油炸食品對身體健康極為不利，容易提高肥胖癥、高血脂癥和冠心病等的患病率。油炸是一個復雜的化學過程，會發(fā)生氧化、水解、聚合等反應(yīng)，產(chǎn)生多種有害化合物，例如丙烯酰胺、三酰基甘油(Triacylglycerol，TAG)和總極性材料(Total polar materials，TPM)。其中，TPM包含了煎炸過程中產(chǎn)生的不飽和脂肪酸、甘油單酸酯、甘油二酸酯和許多氧化物(醛或酮)。特別地，隨炸油循環(huán)使用次數(shù)增多，其中的有害物質(zhì)會逐漸增加。因此，煎炸油的質(zhì)量已成為消費者最重點關(guān)注的食品安全問題之一。為此，許多國家已經(jīng)制定了限制煎炸油濫用的法規(guī)，TAG和TPM的含量是評估煎炸油安全性的重要指標[94]，其中TPM的含量限制為24%～30%[95]。

由于煎炸油系統(tǒng)的粘度隨TAG或TPM的增加而增大，因此對粘度具有超靈敏響應(yīng)的AIE熒光探針是評估煎炸油品質(zhì)的理想選擇。Wu等[96]報告了一種由喹啉腈(Quinoline-malononitrile，QM)和三苯胺組成的AIE探針QM-TPA，可以通過粘度調(diào)節(jié)機制直接定量檢測煎炸油中的TAG濃度(圖6(c))。在煎炸過程中，隨著TAG的產(chǎn)生煎炸油的粘度逐漸增大，限制AIEgen分子內(nèi)運動從而實現(xiàn)熒光響應(yīng)。在0，20，40，60，80，100次油炸條件下，測得TAG的濃度分別為3.5%、6.01%、7.59%、9.27%、11.75%和13.65%，與QM-TPA熒光強度呈線性相關(guān)。Cui等[97]基于對粘度高靈敏度的三苯胺衍生物(CPA-TPA)，建立了一種有效地定量測定煎炸油中TPM含量的方法(圖6(d))。當煎炸油的粘度增大時，熒光強度與TPM之間存在良好的線性關(guān)系，這表明CPA-TPA可以作為一種便攜式工具通過粘度傳感實現(xiàn)簡單、快速監(jiān)測煎炸油的TPM。與基于色譜的檢測方法相比，該類方法解決了儀器體積大、價格昂貴、預(yù)處理復雜和過程耗時等問題，實現(xiàn)了食品品質(zhì)的快速評估、實時感測和便攜式操作(表1)。

表1 AIE傳感器在食品安全檢測中的應(yīng)用

表1(續(xù))

3 總結(jié)與展望

AIEgens作為一種新型的熒光材料在食品安全檢測領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多創(chuàng)新性成果?；贏IEgens開發(fā)的熒光傳感器具有響應(yīng)快速、選擇性好、效率高等優(yōu)勢，實現(xiàn)了對農(nóng)藥、獸藥、重金屬、病原體和食品添加劑等的選擇性識別和檢測。但是，由于AIEgens單獨使用檢測時存在生物相容性差、檢測種類少、自發(fā)熒光干擾等問題，通常將AIEgens進一步修飾以提高生物相容性和熒光量子效率，或與噬菌體、肽、適配體、酶等靶向識別單元結(jié)合以提高檢測的靈敏度和準確性，甚至與其他檢測技術(shù)(如PCR技術(shù)、傳感器陣列等)聯(lián)用以拓展AIE熒光傳感器的應(yīng)用范圍。

盡管如此，設(shè)計更高效、更靈敏的AIE熒光傳感器仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，(1)RIM是聚集誘導發(fā)光的主要機制，但許多新型的AIEgens(如平面型AIEgens)[98]不能用RIM進行解釋，因此需要對AIE機理進行更深入系統(tǒng)的研究；(2)制備AIE納米顆粒是提高分子親水性和生物相容性的有效方法，并且可以有效提高熒光量子效率，但目前尚未有研究分析納米顆粒的修飾方法、尺寸和形狀與熒光傳感效率的關(guān)系，需要進一步優(yōu)化；(3)食品組成非常復雜，包含蛋白質(zhì)、糖、食品添加劑等多種物質(zhì)，因此提高選擇性是準確識別目標分析物的研究重點，需要將AIEgens與肽、適配體、分子印跡等結(jié)合以進一步提高靶向性；(4)由于AIEgens的信號采集主要依賴于一些大型儀器，開發(fā)便攜式、可視化的AIE熒光傳感器用于現(xiàn)場“免儀器”檢測對拓展應(yīng)用市場將具有良好的前景。

總而言之，AIEgens已成功應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域，但相關(guān)應(yīng)用研究還處于發(fā)展階段。雖然食品的多樣性與復雜性對AIE熒光傳感器的選擇性和靈敏度要求很高，但是基于AIEgens的優(yōu)異性能，我們相信其將會成為保障食品安全的一種有效工具。隨著對AIEgens的創(chuàng)新設(shè)計和深入研究，其將在食品安全檢測領(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用。