納米金對(duì)食品安全檢測的作用范文
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食品安全檢測中的檢測對(duì)象主要包括重金屬離子、食品添加劑、生物毒素、致病菌、農(nóng)藥殘留、動(dòng)物性食品中獸藥和違禁藥物殘留等。與傳統(tǒng)檢測方法相比較，利用納米金檢測有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用潛力，在國內(nèi)外研究已取得了較大的進(jìn)展。現(xiàn)結(jié)合其特性，將其在食品安全檢測中的應(yīng)用進(jìn)行如下綜述。
1.1利用膠體金聚集狀態(tài)引起顏色變化檢測這一類檢測方法主要依據(jù)納米金的表面等離子共振效應(yīng)。當(dāng)入射光電磁波照射到納米金時(shí)，會(huì)使納米金中的自由電子發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致納米金不同位置的電荷分布不均，因而在庫倫排斥力以及原子核引力的作用下，迫使電子朝向相反的方向運(yùn)動(dòng)，最終使電子在兩個(gè)不同方向的作用下形成振蕩。由于納米金的尺寸小于入射光的波長，因此會(huì)使電子的振蕩主要表現(xiàn)在納米金粒子的表面。當(dāng)納米金表面電子的振蕩頻率與入射光電磁波的振蕩頻率相同時(shí)，這一現(xiàn)象即為表面等離子共振效應(yīng)。照射在納米金粒子上的光波，一部分被納米金粒子吸收掉，并轉(zhuǎn)化為共振的能量，即為表面等離子共振吸收效應(yīng)；還有一部分被散射掉，即為表面等離子共振散射效應(yīng)。在對(duì)光的吸收和散射兩種效應(yīng)共同作用下，會(huì)使膠體金溶液在宏觀上表現(xiàn)出不同的顏色，其顏色與納米金的尺寸、形狀及納米金之間的距離有關(guān)。通過在納米金表面修飾特定物質(zhì)，當(dāng)待測物質(zhì)存在時(shí)，會(huì)與納米金表面的配體作用，使納米金發(fā)生聚集而顯示出溶液顏色變化。通過肉眼即可實(shí)現(xiàn)可視化檢測，利用分光光度計(jì)也可進(jìn)行定量分析。此檢測方法簡便、快速，具有極高的靈敏度和選擇性，檢測成本低，適合于現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測。利用該方法檢測食品中重金屬離子方面已取得較大進(jìn)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，將巰基丙酸、4-巰基丁醇、三甘醇、肽、寡聚核苷酸、DNA或DNAzymes、氨基吡唑的衍生物、Hg2＋的核酸適體[15]等分子修飾在納米金表面，根據(jù)膠體金溶液顏色變化即可檢測Hg2+。2010年，DingNan等提出一種檢測Pb2+的方法，以鞣酸（tannicacid，GA）作為還原劑和穩(wěn)定劑一步法合成納米金，而Pb2+的存在會(huì)導(dǎo)致Pb-GA復(fù)合物的形成，致使納米金發(fā)生聚集，溶液顏色由酒紅色變?yōu)樽仙罱K變?yōu)樗{(lán)色，檢測限為5.8μg/L。該方法的優(yōu)勢(shì)在于無需在納米金粒子表面修飾配體，在合成納米金的過程中即可完成對(duì)Pb2+的檢測。在檢測食源性致病菌方面，2012年SuHaichao等提出一種檢測大腸桿菌O157∶H7的方法。巰基乙胺（mercaptoethylamine，MEA）能通過巰基結(jié)合到納米金上，同時(shí)MEA能通過靜電吸附作用和大腸桿菌O157∶H7結(jié)合。因此以MEA修飾的納米金檢測大腸桿菌O157∶H7，當(dāng)大腸桿菌O157:H7存在時(shí)MEA-AuNP會(huì)聚合到一起，溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色。MEA-AuNP的A625nm/A520nm與大腸桿菌的濃度呈線性相關(guān)。該法在5min內(nèi)通過肉眼觀察顏色變化即可完成檢測，適合于現(xiàn)場即時(shí)檢測。檢測食品添加劑方面，2009年，Weston等合成由苯胺納米金和萘納米金兩種金納米粒子組成的膠體金溶液來檢測飲用水中亞硝酸鹽的含量。由于此膠體金溶液在520nm波長處具有強(qiáng)烈的表面等離子共振吸收而顯現(xiàn)出紅色。酸性條件下，當(dāng)亞硝酸鹽存在時(shí)，兩種納米金顆粒緊密的結(jié)合在一起并快速沉淀，膠體金溶液顏色由紅色變?yōu)闊o色。當(dāng)溶液中存在質(zhì)量濃度超過1μg/mL的亞硝酸鹽時(shí)，就可觀察到顏色變化，硝酸鹽的質(zhì)量濃度在1.86μg/mL時(shí)溶液幾乎透明。2012年ZhangJia等合成由三聚氰胺修飾的膠體金溶液來檢測亞硫酸鹽，在Tris-HCl緩沖液中，碳酸鹽會(huì)導(dǎo)致納米金聚集，而亞硫酸鹽的存在會(huì)抑制納米金的聚集，使納米金的顏色由藍(lán)色變?yōu)樽仙罱K變?yōu)榧t色。根據(jù)此機(jī)理來檢測亞硫酸鹽，當(dāng)亞硫酸鹽質(zhì)量濃度為24μg/L時(shí)既可觀察到明顯的顏色變化，檢測時(shí)間僅為5min。該方法也可檢測瘦肉精，如：HePingli等在2011年，報(bào)道了一種比色法來檢測β-興奮劑，并成功的在豬的體液中檢測到β-興奮劑，其原理是β-興奮劑能直接還原氯金酸到金原子并自發(fā)的形成紅色納米金溶液，肉眼可直接分辨，這個(gè)方法可通過檢測血清、尿液等液體樣品檢測β-興奮劑及其類似物，具有較大的應(yīng)用潛力。
1.2利用納米金的熒光特性檢測由于納米金是一種較強(qiáng)的能量受體，與作為能量給體的熒光團(tuán)的激發(fā)光譜發(fā)生重疊時(shí)，會(huì)發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致供體熒光分子自身的熒光強(qiáng)度衰減。當(dāng)熒光團(tuán)吸附在納米金上時(shí)，會(huì)使熒光團(tuán)的發(fā)光發(fā)生猝滅，即為納米金的熒光猝滅效應(yīng)；另一方面，納米金表面覆蓋有大量的陰離子，當(dāng)在其表面修飾某些物質(zhì)時(shí)，也會(huì)使其表面的電子分布發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)影響納米金和所修飾物質(zhì)的熒光特性。因此可以應(yīng)用熒光分析法用于食品安全檢測中，該方法具有靈敏度高，選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。Huang等利用羅丹明B（rhodamineB，RB）標(biāo)記的膠體金溶液來檢測Hg2+。RB具有較強(qiáng)的熒光特性，但吸附在納米金表面后會(huì)發(fā)生熒光猝滅，而Hg2+的存在使RB從納米金表面脫落而恢復(fù)熒光特性。通過在納米金表面修飾巰基丙酸和2,6-二吡啶羧酸來提高該方法對(duì)Hg2+檢測的選擇性，該法對(duì)水體的檢測限為2.0μg/L。WeiHui等利用溶菌酶作為還原劑和穩(wěn)定劑制備尺寸為1nm的金團(tuán)簇，當(dāng)激發(fā)波長為360nm時(shí)，在657nm波長處具有較強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，而Hg2+會(huì)專一性地猝滅此發(fā)射峰，以此為依據(jù)來檢測Hg2+，檢測限為2.0μg/L，該方法具有較高的選擇性和靈敏度。LiuDingbin等在2012年提出一種基于RB標(biāo)記的納米金（RB-AuNP）的分析法，通過熒光和比色兩種分析手段來檢測有機(jī)磷和氨基甲酸酯農(nóng)藥殘留。將硫代乙酰膽堿（acetylthiocholine，ATC）和乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）加入到RB-AuNP溶液中，AChE催化ATC水解產(chǎn)生硫代膽堿，硫代膽堿與RB相比更易結(jié)合到納米金表面，將部分RB從納米金表面取代，RB進(jìn)入到溶液中后恢復(fù)熒光特性，同時(shí)納米金在硫代膽堿和RB的靜電作用下發(fā)生聚集，溶液顏色由紅色迅速變?yōu)樽仙６藘深悮⑾x劑均能抑制AChE的活性，因此阻礙了硫代膽堿的產(chǎn)生，RB-AuNP溶液的顏色仍然為紅色，同時(shí)RB的熒光性被猝滅。該檢測具有較高的靈敏度和選擇性，西維因、二嗪農(nóng)、馬拉硫磷、甲拌磷幾種農(nóng)藥的最低檢測質(zhì)量濃度分別為0.1、0.1、0.3、1μg/L。
1.3利用納米金的表面增強(qiáng)拉曼散射特性檢測光通過介質(zhì)時(shí)，與介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)相互作用引起光的頻率發(fā)生變化，即為拉曼散射。通過測試樣品的拉曼散射光譜是對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析的常用方法，但是由于樣品拉曼散射的現(xiàn)象較弱，因此該方法的精確度較低，應(yīng)用范圍有一定的局限。由于納米金有著較強(qiáng)的表面局域電場，尺寸較小、較大的比表面積、較粗糙的表面，因此當(dāng)納米金表面吸附化合物時(shí)，會(huì)引起化合物的拉曼散射發(fā)生顯著的增強(qiáng)，即為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)。利用納米金的此效應(yīng)可以有效地增強(qiáng)納米金表面待測物的拉曼散射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測物質(zhì)的高精度的檢測[27-28]。ZhuGuichi等在2011年，報(bào)道了一種通過競爭性表面增強(qiáng)拉曼散射免疫分析法來檢測克倫特羅，在膠體金溶液中納米金表面修飾4,4’-聯(lián)吡啶（4,4’-dipyridyl，DP）和克倫特羅抗體，DP作為標(biāo)記分子，將這種納米金作為增強(qiáng)拉曼散射探針，克倫特羅和固定在基底表面上的克倫特羅-牛血清白蛋白競爭結(jié)合克倫特羅抗體，經(jīng)洗滌后，通過測試DP的拉曼光譜信號(hào)強(qiáng)度就可檢測克倫特羅質(zhì)量濃度，檢測限為0.1pg/mL。同年，LouTingting等利用4-巰基吡啶（4-mercaptopyridine，MPY）修飾的納米金建立的表面增強(qiáng)拉曼散射分析法檢測奶粉中的三聚氰胺，由于三聚氰胺誘導(dǎo)MPY標(biāo)記的納米金發(fā)生聚集，導(dǎo)致MPY的SERS信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)使溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)灰色。利用該方法檢測快速，靈敏度高，專一性好，檢測限低至0.1ng/mL。
1.4利用納米金為免疫標(biāo)記物的檢測技術(shù)1971年，F(xiàn)aulk等首次采用免疫金染色將兔抗沙門氏菌抗血清與納米金顆粒結(jié)合來檢測沙門氏菌的表面抗原，把膠體金引入免疫化學(xué)，由此開創(chuàng)了免疫膠體金技術(shù)。免疫膠體金（immunecolloidalgold，ICG）技術(shù)是以膠體金為標(biāo)記物，利用特異性抗原抗體反應(yīng)，在光鏡電鏡下對(duì)抗原或抗體物質(zhì)進(jìn)行定位、定性乃至定量研究的標(biāo)記技術(shù)。利用該技術(shù)制成的膠體金免疫層析試紙，以條狀纖維層析材料為固相載體，樣品溶液通過毛細(xì)作用在層析材料上向前移動(dòng)，樣品中待測物與包被在層析材料上針對(duì)待測物的經(jīng)膠體金標(biāo)記的受體（通常是一些抗原或抗體）結(jié)合后移動(dòng)至特異性的抗原或抗體區(qū)域，結(jié)合物與抗原或抗體發(fā)生特異結(jié)合而被截留在固定的位置，富集在檢測帶上，并通過膠體金的顏色而顯現(xiàn)出來。此法具有操作簡便、檢測快速、現(xiàn)象明顯和經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，適合于現(xiàn)場快速檢測。膠體金免疫層析試紙?jiān)谑称钒踩珯z測方面的應(yīng)用已有較深入的研究。2008年，楊挺等根據(jù)競爭式膠體金免疫層析實(shí)驗(yàn)原理，研制了檢測氯霉素的免疫試紙條。該金標(biāo)試紙條適用于動(dòng)物源食品中氯霉素殘留的快速檢測，對(duì)蝦肉、蜂蜜樣品的最低檢出限為1.5�g/L，對(duì)鮮奶的最低檢出限為3�g/L，檢測時(shí)間只需5～8min。Liu等在2013年，制備了山羊抗兔IgG-納米金探針，并以此為基礎(chǔ)制成了檢測黃曲霉毒素B1（aflatoxinB1，AFB1）的金標(biāo)記抗體的免疫層析試紙，在食品和飼料中成功的檢測出了AFB1，檢測限為2.0ng/mL，10min內(nèi)即可完成檢測。與傳統(tǒng)的直接競爭酶聯(lián)免疫吸附劑測定（cdELISA）相比，有著現(xiàn)象更明顯，條件更簡單，適用性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用膠體金免疫層析技術(shù)檢測玉米赤霉烯酮[35]、赭曲霉素A、黃曲霉毒素M1也有很多報(bào)道。2010年LiFeng等[39]結(jié)合膠體金標(biāo)記技術(shù)和電感耦合等離子質(zhì)譜（inductivelycoupledplasma-massspectrometry，ICP-MS）來檢測食品中的大腸桿菌。首先在納米金表面修飾大腸桿菌O157∶H7的單克隆抗體，制成金標(biāo)探針，然后將其加入到待測溶液中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，離心、酸解后，利用ICP-MS測定Au的強(qiáng)度就可得知大腸桿菌O157∶H7的濃度。該方法充分利用納米金放大信號(hào)的特性以及ICP-MS高靈敏度的特性，使檢測限低至500CFU/mL。在檢測農(nóng)藥殘留方面，該方法已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用化的階段，已有多種基于該方法檢測農(nóng)藥殘留的儀器在市面上出現(xiàn)，如克百威農(nóng)殘速測試紙條等。Kaur等在2007年制作了一種通過色層分析法檢測莠去津除草劑殘留的免疫層析試紙及其組件。這種試紙以蛋白質(zhì)-半抗原結(jié)合物標(biāo)記的納米金為基礎(chǔ)制備試紙條，納米金提高了試紙條的靈敏度，使在水樣中的檢測限低至1.0�g/mL。
1.5利用納米金的電化學(xué)特性檢測納米金擁有較大的比表面積，優(yōu)良的導(dǎo)電性和電催化特性，優(yōu)異的生物相容性，這些特性使納米金有著較好的電化學(xué)性質(zhì)，用來提高電化學(xué)法分析生物分子的檢測限。將納米金修飾在電極表面，可以顯著增加電極的表面積，加速電子的轉(zhuǎn)移，加快響應(yīng)速度，增強(qiáng)檢測的選擇性。金納米顆粒較大的比表面積能夠提高生物分子的固載量，使電流信號(hào)響應(yīng)增強(qiáng)，提高傳感器的靈敏度。同時(shí)，納米金具有與生物分子相似的尺寸，組裝到電化學(xué)傳感器后，其活性中心更容易接近電極表面進(jìn)行電子傳遞。改變納米金表面修飾的分子，可以對(duì)不同的樣品進(jìn)行檢測。該方法具有經(jīng)濟(jì)、操作簡便和結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。2008年，Jena等在金電極表面固載3-（巰基丙基）三甲氧基硅烷（（3-mercaptopropyl）trimethoxysilane，MPTS）溶膠，再將納米金結(jié)合在該溶膠上，將電極浸在待測溶液中，通過對(duì)電流的測量來檢測Cr6+，檢測限為0.1�g/mL。用此電極檢測水體中超痕量的Hg2+，檢測限低至0.2�g/mL。2009年YangGongjun等[45]設(shè)計(jì)制作一種電容型免疫傳感器檢測沙門氏菌。將乙二胺修飾在玻璃碳電極上，通過納米金將沙門氏菌的單克隆抗體（monoclonalantibody，McAbs）固定在電極上，由于沙門氏菌和McAbs相互作用，利用電化學(xué)阻抗譜（electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS）技術(shù)可以直接檢測沙門氏菌，當(dāng)沙門氏菌的濃度在1.0×102～1.0×105CFU/mL范圍內(nèi)，電容的相對(duì)變化與沙門氏菌濃度的對(duì)數(shù)值成正比，檢測限為1.0×102CFU/mL。2012年，SunXiulan等基于阻抗滴定電化學(xué)技術(shù)，將寄生曲霉產(chǎn)生的細(xì)胞外抗原的多克隆抗體標(biāo)記在納米金表面，并將這些納米金修飾在L-半胱氨酸涂層電極上，制成免疫傳感器，在制備醬油的發(fā)酵過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)黃曲霉毒素的檢測，結(jié)果表明這種免疫傳感器具有極高的靈敏度，檢測時(shí)間僅為30min，比傳統(tǒng)的基于培養(yǎng)基技術(shù)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerasechainreaction，PCR）檢測方法更快速。此免疫傳感器長期穩(wěn)定、專一性強(qiáng)、靈敏度高、重現(xiàn)性好。XiaoFei等在2007年，制作出一種新型的玻璃碳電極，利用電化學(xué)法來檢測食物中的獸藥殘留——氯霉素。該電極由單壁碳納米管、納米金和離子液體共同組成，對(duì)氯霉素有著較準(zhǔn)確和靈敏的檢測能力，檢測限為1.6�g/L，檢測時(shí)間僅為150s，該電極再現(xiàn)性好，具有較高的靈敏度，因此檢測氯霉素殘留有潛在的應(yīng)用前景。
2結(jié)語
食品安全問題是目前社會(huì)上的熱點(diǎn)問題，有關(guān)食品質(zhì)量監(jiān)督檢測引起了全社會(huì)的廣泛重視，因此對(duì)食品中各種有毒有害物質(zhì)的檢測有著較高的要求。雖然GC、HPLC及GC-MS聯(lián)用法等有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，但也有著儀器設(shè)備體積大、操作復(fù)雜、檢驗(yàn)周期長、檢測成本高和適用性差等缺點(diǎn)。相比較用納米金進(jìn)行食品相關(guān)檢測，則避免了這些問題，同時(shí)展現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)。因此納米金在食品安全領(lǐng)域有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。雖然納米金在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了較多的進(jìn)展，很多已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用的層面，但相對(duì)于納米金的應(yīng)用潛力來看，仍有較多的研究工作要做。可以預(yù)見，納米金在未來的食品安全領(lǐng)域，將會(huì)有著突出而又重要的地位。
作者：陳丹丹辛嘉英張?zhí)m軒張帥王艷單位：哈爾濱商業(yè)大學(xué)黑龍江省高校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
