平 藝,劉廣洋,張耀偉,戚晨雨,呂 軍,徐東輝*
(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所,北京 100081)
隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大量污染物通過食品攝入對(duì)人類健康造成威脅,因此食品安全問題越來越引起人們的重視。常見的食品安全問題有化學(xué)污染、微生物污染和物理污染等。化學(xué)污染物有農(nóng)藥、重金屬、獸藥等,微生物污染物主要有食源性病菌、毒素等[1]。目前,食品安全檢測(cè)方法仍以傳統(tǒng)的色譜、光譜檢測(cè)為主,如農(nóng)藥常用的檢測(cè)技術(shù)包括液相色譜法、氣相色譜法、色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)等[2];重金屬檢測(cè)方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法等[3]。傳統(tǒng)檢測(cè)方法目前使用較為廣泛,但存在操作方法煩瑣、預(yù)處理要求高、成本較高、耗時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為了解決這一問題,有必要開發(fā)易操作、靈敏度高、檢測(cè)快速、特異性強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)高效的檢測(cè)方法[4]。
光學(xué)傳感器是近些年發(fā)展起來的新興檢測(cè)技術(shù),可對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行快速、靈敏、特異性識(shí)別。目前光學(xué)傳感器已經(jīng)與納米材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、生物學(xué)等相互滲透和交叉[5]。金銀納米材料因其具有高催化活性、良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于催化、燃料電池和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。由于金銀納米材料制備成本較高,合理設(shè)計(jì)金銀納米材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺寸、成分等物理參數(shù),是有效獲得特定性能、實(shí)現(xiàn)金銀納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著納米技術(shù)與生物學(xué)的結(jié)合,金銀納米材料已被應(yīng)用于各種不同的傳感器上,其中光學(xué)傳感器是目前最具前景和適應(yīng)性的研究技術(shù),已被應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、生物診斷、食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域[6]。
本文主要對(duì)近些年來金銀納米材料和金-銀復(fù)合納米材料的制備方法,以及基于金銀納米材料的光學(xué)傳感器的構(gòu)建原理和策略進(jìn)行了概述,并基于光學(xué)傳感器響應(yīng)速度快、靈敏度高、特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),重點(diǎn)闡述了其在快速檢測(cè)農(nóng)藥殘留、重金屬殘留、獸藥殘留、食源性病菌殘留中的應(yīng)用,并分析了光學(xué)傳感器存在的問題和發(fā)展趨勢(shì),以期為光學(xué)傳感器在未來食品安全檢測(cè)中提供一個(gè)新的思路和理論依據(jù)。
金銀納米材料具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性(耐腐蝕性和高溫抗氧化性)、高導(dǎo)電性、良好的生物相容性,被廣泛應(yīng)用于電子、催化、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域[7]。由于人們對(duì)金銀納米材料需求的不斷增長(zhǎng),目前已發(fā)展出多種高效的制備方法,包括物理(機(jī)械球磨法)、化學(xué)(化學(xué)還原法)和生物方法(微生物和植物介導(dǎo)法)[8]。
化學(xué)法一般指化學(xué)還原法?;瘜W(xué)還原法是指通過氧化還原反應(yīng),將金銀納米材料從鹽溶液或有機(jī)體系中還原出來,隨后通過洗滌、干燥獲得粉末狀金銀納米材料的方法[9],是目前應(yīng)用最為廣泛的方法。但是化學(xué)法存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易對(duì)環(huán)境造成污染等問題。因此,利用植物介導(dǎo)合成金銀納米材料應(yīng)運(yùn)而生,植物介導(dǎo)合成納米材料具有成本低、快速、操作簡(jiǎn)便和對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)[10]。LUKMAN等[11]在非光照條件下,將AgNO3水溶液與苜蓿種子滲出液反應(yīng),合成了AgNPs并觀察到Ag+在1 min內(nèi)迅速還原,AgNPs的形成率在50 min內(nèi)達(dá)到90%。
隨著科技的發(fā)展,單金屬納米材料難以滿足科研需求,具有更高化學(xué)穩(wěn)定性的金-銀復(fù)合納米材料(Au-AgBNPs)引起了廣泛關(guān)注[12]。該復(fù)合材料常用的制備方法有種子生長(zhǎng)法、微波輔助法和生物合成法。種子生長(zhǎng)法是指首先制備一種元素的納米材料將其作為種子,在還原劑的作用下,使另一種元素在種子表面成核和生長(zhǎng),然后形成具有核殼或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙金屬納米材料。目前種子生長(zhǎng)法是制備Au-AgBNPs最常用的方法,可以獲得尺寸可控、性質(zhì)穩(wěn)定的Au-AgBNPs。YANG等[13]利用PVP作為穩(wěn)定劑,合成了Au-AgBNPs,通過調(diào)整金、銀兩種元素所占比例和銀殼厚度來提高其抗菌活性和生物相容性,并首次研究了Au-AgBNPs對(duì)革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的抑菌活性。結(jié)果表明,5 nm厚度的Au-AgBNPs或Au∶Ag為1∶1時(shí),Au-AgBNPs具有最高的抑菌活性和良好的生物相容性。
由于金銀納米材料具有獨(dú)特的尺寸依賴性和光學(xué)性能,金銀納米材料常被用于構(gòu)建光學(xué)傳感器,其高表面積與體積比使其具有響應(yīng)快速和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)[14]。光學(xué)傳感器由識(shí)別原件和信號(hào)傳輸元件兩部分組成,主要是通過目標(biāo)物與識(shí)別元件的特異性識(shí)別,然后通過比色、熒光和電化學(xué)發(fā)光等方法生成光信號(hào)轉(zhuǎn)換放大成可讀的數(shù)據(jù),從而對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定量檢測(cè)與定性分析[15]。根據(jù)獲得信號(hào)的不同,光學(xué)傳感器可分為比色傳感器、熒光傳感器、電化學(xué)傳感器、表面增強(qiáng)拉曼散射傳感器等(圖1)?;诮疸y納米材料構(gòu)建光學(xué)傳感器可以使光學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)策略得到優(yōu)化,推動(dòng)了光學(xué)傳感器在食品安全檢測(cè)中的發(fā)展。
馬翾等[16]利用陽離子聚合物PDDA誘導(dǎo)芘基分子HPTS自組裝,基于熒光猝滅的原理構(gòu)建了硫酸軟骨素(Chondroitin Sulfate,CS)熒光傳感器。結(jié)果表明,在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下,加入CS可以恢復(fù)傳感器在510 nm處的熒光,基于此構(gòu)建了實(shí)際樣品中CS的快速分析方法。熒光強(qiáng)度與CS濃度在0~5 μmol·L-1呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,檢出限為2.8 μmol·L-1,樣品回收率在104%~121%。該傳感器具有水溶性好、特異性強(qiáng)、可視化等優(yōu)點(diǎn)。
KHAJVAND等[17]以AuNPs為催化劑,基于魯米諾(Luminol)-H2O2體系中噻螨酮(Hexythiazox,HXTZ)的猝滅效應(yīng),提出了一種化學(xué)發(fā)光方法來檢測(cè)HXTZ,同時(shí)研究pH、魯米諾和H2O2濃度對(duì)反應(yīng)體系的影響。在最佳條件下,化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度在0.017~0.42l g·mL-1與HXTZ濃度呈線性關(guān)系,檢出限為0.011 μg·mL-1。該策略已成功應(yīng)用于柑橘中HXTZ殘留量的檢測(cè),結(jié)果表明平均回收率在84.0%~95.3%,精度小于6%。該方法具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。
光學(xué)傳感器被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測(cè),因?yàn)槠渚哂锌梢暬?、特異性?qiáng)、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),是目前實(shí)現(xiàn)食品安全現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的重要工具。但是由于其自身熱穩(wěn)定性差及食品基質(zhì)的干擾,光學(xué)傳感器可能會(huì)輸出假陽性結(jié)果,因此目前光學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步提高。
噴施農(nóng)藥是防治病蟲害和提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量的重要途徑,但農(nóng)藥使用量過高所引發(fā)的環(huán)境污染和食品安全問題也愈發(fā)嚴(yán)峻,對(duì)人體健康造成了嚴(yán)重威脅[18]。農(nóng)藥殘留在人體內(nèi)長(zhǎng)期積累會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)造成不同程度的損害[19],并增加患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)[20]。農(nóng)藥殘留對(duì)孕婦危害更大,可能導(dǎo)致胎兒畸形和基因突變[21]。農(nóng)藥殘留的傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在操作要求高、成本較高等缺點(diǎn)。因此,開發(fā)高效的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法是目前亟待解決的一個(gè)重要問題。
LI等[22]使用三磷酸腺苷(Adenosine Triphophate,ATP)和羅丹明B(Rhodamine B)修飾的金納米粒子(RB-AuNPs)成功制造了一種用于檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的雙模式(比色和熒光)傳感器(圖2)。在最優(yōu)試驗(yàn)條件下,其線性檢測(cè)范圍為4.0~15.0 μmol·L-1,檢出限為37.0 nmol·L-1。這種檢測(cè)方法成功應(yīng)用于自來水樣品中的有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè),具有很高的準(zhǔn)確性和適用性,在實(shí)際樣品中的應(yīng)用效果顯著。
圖2 RB-AuNPs比色法和熒光法檢測(cè)乙丙磷的機(jī)制
SUN等[23]以谷胱甘肽和間苯二胺為原料合成青色熒光碳點(diǎn)(G-CDs)。合成的G-CDs被許多官能團(tuán)修飾,可以將Au3+還原為AuNPs。由于內(nèi)部過濾效應(yīng),AuNPs會(huì)使G-CDs的熒光猝滅,同時(shí)在所制備的G-CDs中加入Au3+后,G-CDs的顏色逐漸從淺黃色變?yōu)榫萍t色。根據(jù)此效應(yīng),SUN構(gòu)建了一種基于GCDs/AuNPs的熒光比色雙模式傳感器,用于L-半胱氨酸(L-cysteine,L-cys)和噻唑鋅(Zincthiazole,ZTH)的檢測(cè)。雙模式傳感器對(duì)L-cys和ZTH具有較高的靈敏度和選擇性。L-cys的熒光檢出限為0.01 μmol·L-1,吸光度檢出限為0.10 μmol·L-1,ZTH的熒光檢出限為0.035 mg·L-1,吸光度檢出限為0.050 mg·L-1。G-CDs/AuNPs傳感器已成功應(yīng)用于牛奶、生菜等實(shí)際樣品中L-cys和ZTH的檢測(cè),具有潛在的應(yīng)用前景。
JIMENEZ-LOPEZ等[24]利用石墨烯量子點(diǎn)(Graphene Quantum Dot,GQD)和半胱氨酸修飾的AgNPs構(gòu)建熒光傳感器可對(duì)草甘膦(Glyphosate,Gly)殘留進(jìn)行檢測(cè)。Gly猝滅了GQDs-AgNPs系統(tǒng)的熒光,檢出限為9 ng·mL-1。將此方法應(yīng)用于豌豆和羽扇豆的Gly檢測(cè),結(jié)果表明在兩種實(shí)際樣品中的回收率接近100%,相對(duì)偏差低于4%。由于操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)迅速,該方法已成為目前食品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)的重要方法。
重金屬離子具有高毒性,如鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、鎘(Cd)等[25],可通過食物鏈的富集進(jìn)入人體而危害人體健康[26]。如Pb和Hg會(huì)危害人體的神經(jīng)系統(tǒng),As慢性中毒會(huì)導(dǎo)致皮膚病變[27],Cd可在人身體中累積造成急、慢性中毒,從而導(dǎo)致腹脹,損壞腎臟甚至癱瘓,因此實(shí)現(xiàn)重金屬離子的快速檢測(cè)是目前科研任務(wù)的重中之重[28]。
MATHAWEESANSURN等[29]構(gòu)建了一種基于Au-AgBNPs的比色傳感器,可以靈敏和特異性地檢測(cè)水中的Hg2+(圖3)。這種基于Au-AgBNPs的比色傳感器能夠在Hg2+存在的條件下使Au-AgBNPs溶液的顏色從棕橙色變?yōu)樽仙?。紫?可見光譜的線性關(guān)系表明,此傳感器檢測(cè)Hg2+的線性范圍為0.5~80.0 mg·L-1,檢出限為0.526 mg·L-1。
圖3 Au-AgBNPs對(duì)Hg2+的比色響應(yīng)機(jī)制
WANG等[30]構(gòu)建了一種以DNA-AgNCs作為單個(gè)熒光團(tuán)的新型比率熒光傳感器,用于超靈敏和特異性檢測(cè)Pb2+。單鏈DNA模板銀納米團(tuán)簇呈現(xiàn)綠色熒光,通過與其互補(bǔ)DNA鏈(ds-DNA-AgNCs)形成雙鏈體,在接近特定DNA片段后可將其轉(zhuǎn)化為紅色熒光。ds-DNA-AgNCs含有Pb2+依賴性DNAzyme構(gòu)型的rA切割位點(diǎn)。在存在Pb2+的情況下,特定的DNA片段將從ds-DNA-AgNCs中釋放出來,導(dǎo)致DNA-AgNCs的熒光從紅色變?yōu)榫G色。Pb2+可以連續(xù)切割rA位點(diǎn),因此,從紅色熒光到綠色熒光的信號(hào)變化會(huì)被放大。熒光強(qiáng)度與濃度為0.001~10.000 nmol·L-1的Pb2+呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,Pb2+測(cè)定的檢出限為1.0 nmol·L-1,低于大多數(shù)Pb2+生物傳感器。此傳感器對(duì)湖水、自來水和人血清樣品等實(shí)際樣品中的Pb2+檢測(cè)具有良好的特異性。
獸藥可以及時(shí)、有效地預(yù)防、治療畜禽疾病,提高畜禽的抗病性,被廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)。獸藥主要包括激素、生長(zhǎng)促進(jìn)劑和抗生素等。人體長(zhǎng)期攝入獸藥殘留超標(biāo)的動(dòng)物源食品,會(huì)出現(xiàn)慢性中毒,最終引發(fā)多種疾病,如癌癥和激素功能紊亂等。因此,食品中獸藥的檢測(cè)至關(guān)重要[31]。
HOSSEINI等[32]基于DNA適體模板AgNCs的熒光猝滅,構(gòu)建了一種用于檢測(cè)土霉素(Oxytetracycline,OTC)的熒光傳感器。在構(gòu)建過程中,使用了具有兩種不同核苷酸片段的特定DNA支架:一種富含胞嘧啶序列片段(C12),另一種是可選擇性結(jié)合OTC抗生素的OTC適體片段。DNA-AgNCs的熒光強(qiáng)度與濃度為0.5~100.0 nmol·L-1的靶標(biāo)溶液呈線性關(guān)系,檢出限為0.1 nmol·L-1。此傳感器為快速測(cè)定蜂蜜和水樣中的OTC提供了一種可行的方案。
宋亞寧等[33]利用溶劑熱法合成具有時(shí)間分辨特性的熒光納米材料NaYF4:Ce/Tb,并基于分子對(duì)接輔助設(shè)計(jì)培氟沙星適配體的互補(bǔ)鏈。AuNPs與發(fā)光納米材料分別修飾在適配體、互補(bǔ)鏈上,通過堿基互補(bǔ)配對(duì)誘導(dǎo)2種納米材料間發(fā)生時(shí)間分辨熒光共振能量轉(zhuǎn)移(Time-Resolved Fluorescence Resonance Energy Transfer,TR-FRET)。在最優(yōu)條件下,測(cè)得此熒光傳感器檢測(cè)培氟沙星的線性濃度為0.2~20.0 μg·kg-1,檢出限為0.15 μg·kg-1,牛奶中獸藥殘留回收率為73.81%~99.86%。
食源性病菌是一類以食物鏈為傳播媒介引起食物中毒的致病性病原體,主要包括細(xì)菌、病毒和原生動(dòng)物,屬于全世界范圍內(nèi)的公共衛(wèi)生問題。致病菌種類繁多,且隨著抗生素的濫用,細(xì)菌耐藥性逐漸變強(qiáng),導(dǎo)致食品安全問題不斷加重。因此,實(shí)現(xiàn)食源性致病菌的即時(shí)檢測(cè),對(duì)預(yù)防食源性致病菌感染,降低由食源性病菌造成的損失至關(guān)重要[34-35]。
MA等[36]利用AuNPs的變色效應(yīng),研制了一種簡(jiǎn)單、快速、方便的鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium)比色傳感器(圖4)。鼠傷寒沙門氏菌是引起食品相關(guān)疾病的食源性病菌之一。將對(duì)鼠傷寒沙門氏菌具有特異性識(shí)別的適配體修飾到制備的AuNPs表面。適配體可以抑制AuNPs向高濃度NaCl聚集。隨著NaCl的加入,暴露的AuNPs在一定程度上會(huì)聚集,其顏色由紅色、紫色變成藍(lán)色。利用紫外-分光光度計(jì)表征AuNPs的吸收光譜,可以發(fā)現(xiàn)A700/A521的光強(qiáng)比有規(guī)律地變化。線性檢測(cè)范圍為102~107 CFU·mL-1,檢出限為56 CFU·mL-1。
圖4 基于AuNPs和適配體的鼠傷寒沙門氏菌比色檢測(cè)示意圖
樂莉等[37]利用QDs和AuNPs基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移構(gòu)建了DNA傳感器,利用單鏈DNA互補(bǔ)配對(duì)原則檢測(cè)非洲豬瘟(African Swine Fever,ASF)。在靶DNA缺失的情況下,ss-DNA-QDs(探針1)與ss’-DNA-AuNPs(探針2)雜交,供體QDs與受體AuNPs距離變近,引發(fā)熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng),QDs的熒光被AuNPs猝滅。在最優(yōu)條件下,該傳感器的檢出限為0.72 μmol·L-1,在火腿腸和豬肉餃子等食品中的回收率高達(dá)82%~108%。該研究提出了一種簡(jiǎn)單、快速的檢測(cè)食品中ASF基因片段的方法。此外,這種策略可以擴(kuò)展到其他DNA、病毒或蛋白質(zhì)的傳感應(yīng)用。
肝吸蟲(Opisthorchis Viverrine,OV)可誘發(fā)膽管慢性炎癥。目前常用的檢測(cè)方法無法靈敏地檢測(cè)出低濃度的OV抗原。TARON等[38]開發(fā)了一種新的熒光檢測(cè)方法來提高比色法AuNPs-LISA的靈敏度。將鄰苯二胺(O-phenylenediamine,OPD)代替比色方法中的四甲基聯(lián)苯胺(tetramethylbenzidine,TMB)用作顯色底物,并引入了表面活性劑Triton X-100,從而極大地增強(qiáng)OPD氧化產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)OV的熒光免疫測(cè)定。此方法對(duì)OV濃度的動(dòng)態(tài)線性檢測(cè)范圍為34.18~273.44 ng·mL-1,檢出限為36.97 ng·mL-1,與比色法相比,檢測(cè)靈敏度提高了約1 200倍。此方法在實(shí)際樣品檢測(cè)中具有很高的靈敏度和特異性。
光學(xué)傳感器的可視化、檢測(cè)迅速、操作簡(jiǎn)便、成本低、可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)大大提高了食品安全的檢測(cè)效率,目前光學(xué)傳感器在食品質(zhì)量與安全檢測(cè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,相關(guān)研究仍在不斷深入和拓展。食品安全檢測(cè)追求的目標(biāo)是靈敏、快速、定性、定量和多殘留檢測(cè)。但是現(xiàn)在光學(xué)傳感器定性分析的方法選擇性不夠,實(shí)現(xiàn)選擇性檢測(cè)仍是未來的發(fā)展方向。
為了直觀地對(duì)基于金銀納米材料構(gòu)建的光學(xué)傳感器進(jìn)行性能對(duì)比,將基于金銀納米構(gòu)建的光學(xué)傳感器應(yīng)用于農(nóng)藥、重金屬、獸藥、食源性病菌的檢測(cè)(表1),介紹了不同類型傳感器的構(gòu)建原理、檢出限、檢測(cè)范圍、回收率等。
表1 基于金銀納米材料構(gòu)建的光學(xué)傳感器的應(yīng)用總結(jié)
隨著人們生活水平的不斷提高,食品安全問題逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。食品安全檢測(cè)的目標(biāo)是快速、操作簡(jiǎn)便、成本低等。光學(xué)傳感器作為新型檢測(cè)技術(shù),在檢測(cè)傳感領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注。與一些傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)了靈敏度、選擇性、便攜性、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力和整體性能的提高。但由于其自身熱穩(wěn)定性差,檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待提高,金銀納米材料具有良好的熱穩(wěn)定性、光學(xué)特性和催化活性,且制備方法多種多樣。與傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器相比,基于金銀納米材料的光學(xué)傳感器具有靈敏度高、選擇性好、特異性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速等優(yōu)點(diǎn),但光學(xué)傳感器檢測(cè)的準(zhǔn)確性還有待提高。因此未來應(yīng)將研究重點(diǎn)放在降低金銀納米材料制備成本,減少對(duì)環(huán)境的污染,提高光學(xué)傳感器靈敏度、穩(wěn)定性等方向上。