金納米粒子在食品檢測領(lǐng)域中的研究進展

郭筱兵，李忠海，黎繼烈，耿 美，黃閃閃

(中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410004)

在納米材料中，金納米粒子由于具有獨特的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和較好的生物相容性，在諸多領(lǐng)域如生物催化、生物傳感器、表面電化學(xué)分析、DNA分析與檢測等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。金納米粒子是直徑在1～100nm的超細金微粒，在水溶液中金納米粒子以膠體金的形態(tài)存在，此時金納米顆粒由處于核心部分的金顆粒(金核)和包圍在外的雙離子層構(gòu)成，AuCl2－緊連在金核表面構(gòu)成金納米粒子次外層，H+則構(gòu)成金納米粒子的最外層分散在膠體間溶液中，以維持金納米粒子的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，消費者對食品的生產(chǎn)、加工、保藏、檢測等相關(guān)技術(shù)的要求也越來越高，這就使得食品安全問題日益突出。在當今各學(xué)科不斷引進新方法、新技術(shù)的前提下，金納米粒子以其獨特的熱、磁、電、光、熔點、密度等各方面性質(zhì)引起科研工作者的廣泛關(guān)注和研究［1］。將金納米粒子引入食品檢測領(lǐng)域，必將極大地促進食品檢測技術(shù)的發(fā)展和完善［2－4］。

1 金納米粒子的制備和表征

1.1 金納米粒子的制備

由于金納米粒子的大小和形狀對它的各種性質(zhì)(如光學(xué)特性、催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性等)有很大影響，因此，掌握金納米粒子大小和形狀的可控合成對于金納米粒子的應(yīng)用具有非常重要的意義。金納米粒子的合成大致分為物理法和化學(xué)法兩類。物理法中最常見的是真空蒸鍍法、軟著陸法、激光消融法等;化學(xué)法則主要有溶膠法、晶種生長法、反膠束法、模板法、相轉(zhuǎn)移法等。其中溶膠法是制備金納米粒子最常用的化學(xué)方法，它具有快速、易操作和無污染等優(yōu)點。而溶膠法中又以檸檬酸鈉作為保護劑和還原劑的Frens法最為經(jīng)典，通過控制檸檬酸鈉鹽的濃度，可以合成大小不同的金納米粒子。

1.2 金納米粒子的表征

金納米粒子的表征方法主要有原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)、核磁共振(NMR)、表面增強的拉曼散射(SERS)、電子自旋共振(ESR)、紫外可見光譜(UV)和熒光光譜等。所有表征方法中以透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡和紫外可見吸收光譜最為普及，透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡是表征金納米粒子大小和形狀的最常用表征手段，紫外可見吸收光譜則是表征金納米粒子光學(xué)性質(zhì)、尺寸和形狀的常規(guī)方法。

2 金納米粒子的物理性質(zhì)

2.1 小尺寸效應(yīng)

當微粒的尺寸與光波的波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理尺寸相當或更小時，晶體的周期性邊界條件被破壞，非晶態(tài)納米微粒表面附近的原子密度減小，導(dǎo)致納米粒子在聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)方面的變化就稱為小尺寸效應(yīng)。金納米粒子的小尺寸效應(yīng)使得它在超導(dǎo)性、聲學(xué)性、介電性和化學(xué)性能等方面與傳統(tǒng)金屬金相比都有了很大變化［5－6］。

2.2 量子尺寸效應(yīng)

當微粒的尺寸下降到一定值時，金屬費米面附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象以及納米微粒的最高被占據(jù)的分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級之間的能隙變寬現(xiàn)象，都稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)使得原有的一些宏觀規(guī)律將不再適用。例如:由于量子尺寸效應(yīng)，金納米顆粒的能級間距會隨著納米粒子尺寸的減小而增大并引起其吸收光譜的藍移［7－8］。金納米粒子這種光學(xué)性質(zhì)的變化，為納米金的比色法檢測提供了理論依據(jù)［9－10］。

2.3 表面效應(yīng)

粒子的比表面積與其直徑成反比，即隨著顆粒粒徑的減小，比表面積呈現(xiàn)增大的趨勢。隨著納米粒子比表面積的增大和納米粒子的表面原子數(shù)增多，納米粒子就具有很高的表面能。高表面能使得金納米粒子很容易和其他外來原子結(jié)合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出獨特的化學(xué)活性。例如，金屬金的催化活性很低，但是金納米粒子卻有很高的催化活性?；谶@種高表面能的特性，金納米粒子成了高效催化劑的理想材料［10］。

2.4 宏觀量子隧道效應(yīng)

宏觀量子隧道效應(yīng)是指在納米尺度下，微粒的一些宏觀物理量如磁化強度、磁通量等表現(xiàn)出隧道效應(yīng)。由于金納米粒子的量子隧道效應(yīng)使其可以被透射電鏡和隧道掃描顯微鏡等表征技術(shù)觀察到，因此金納米粒子常被用作生物檢測分析中的有效標記物［10－11］。

3 金納米粒子在食品檢測分析中的應(yīng)用

近年來食品安全問題頻發(fā)，對廣大消費者的健康構(gòu)成很大威脅，食品安全已成為國民關(guān)注的焦點問題。因此大力發(fā)展快速、靈敏的食品中有害物質(zhì)檢測器材和方法成為解決當前食品安全問題的關(guān)鍵所在。金納米粒子由于特殊的物理化學(xué)性質(zhì)和良好生物兼容性，越來越多的被應(yīng)用于食品檢測領(lǐng)域［12－13］。

3.1 基于金納米粒子光學(xué)性質(zhì)的檢測

金納米粒子由于表面等離子體共振效應(yīng)，具有強烈的與距離相關(guān)的光學(xué)性質(zhì)。當金納米粒子相互靠近時，其表面等離子體共振發(fā)生改變，從而導(dǎo)致樣品顏色和吸附光譜的變化［14－17］。據(jù)此，Ai K L等［18］通過在金納米粒子表面修飾三聚氰酸的巰基衍生物，檢測三聚氰胺。將修飾了三聚氰酸的巰基衍生物的納米金粒子溶液中加入三聚氰胺后，由于三聚氰酸和三聚氰胺的氫鍵結(jié)合，引起金納米粒子團聚，從而通過顏色變化達到快速檢測三聚氰胺的目的。此方法快速簡便可操作性強，可以用于三聚氰胺的快速定性檢測，但如果還要進行精確的定量分析，那就還需對實驗方法進一步進行優(yōu)化。孫春燕等［19］以金納米粒子作為比色探針直接測定經(jīng)三氯乙酸和氯仿提取、離心分離后的樣品，對牛奶和蛋清溶液中的三聚氰胺實現(xiàn)了快速檢測。此方法雖然靈敏度相對較低，但是干擾物質(zhì)少，樣品前處理簡單，成本低，有望應(yīng)用于樣品的現(xiàn)場快速檢測。Lisha K P等［20］通過實驗提出了基于硫酸鈉增強的金納米粒子比色法，并用此方法在數(shù)秒內(nèi)檢測了常見的農(nóng)藥馬拉硫磷和毒死蜱，檢測限分別達到100、20ppb。此外基于表面等離子體共振的表面增強拉曼光譜在食品檢測中也有很大應(yīng)用。Strickland等［21］通過在金納米棒上修飾特定的基團(環(huán)糊精內(nèi)包復(fù)合)，利用金納米粒子對特定基團的表面增強拉曼光譜檢測殺菌劑多菌靈，并結(jié)合特定的數(shù)學(xué)方法(偏最小二乘法)進行定量分析，結(jié)果表明這種基于金納米粒的光學(xué)傳感器能準確檢測50μmol/L的多菌靈。Jean等［22］用金納米桿和銀納米立方作為檢測農(nóng)藥的高性能襯底，對10－7mol/L的2，4－D－敵百蟲、莠滅凈都有良好的檢測信號。黃玉坤等［23］以金納米粒子作為表面增強拉曼光譜的基底，通過分析不同細菌樣品的表面增強拉曼光譜，初步建立了金黃色葡萄球菌表面增強拉曼光譜的快速檢測方法。

膠體金免疫層析法的原理是將特異性的抗原(抗體)先固定于硝酸纖維膜的某一區(qū)域，膠體金標記抗體(抗原)，然后將干燥的硝酸纖維素膜一端浸入樣品后，由于毛細管作用，樣品將沿著膜向前移動，當移動至固定有抗原(抗體)的區(qū)域時，樣品中相應(yīng)的抗體(抗原)即與該抗原(抗體)發(fā)生特異性結(jié)合，用免疫膠體金可使該區(qū)域顯示一定的顏色，從而實現(xiàn)特異性的免疫診斷。Wang等［24］建立了快速檢測雞肉和雞蛋中磺胺嘧啶的膠體金免疫層析法，該方法檢測限可達5ng/g，檢測時間低于15m in。

金納米粒子同熒光物質(zhì)作用時會顯示出其特殊的光學(xué)性質(zhì)，例如金納米粒子在一定情況下能夠發(fā)生熒光淬滅。王周平等［25］人首先以羊抗人免疫球蛋白(IgG)標記的異硫氰酸熒光素(FITC)為核材料成功制備了FITC－IgG@SiO2核殼熒光納米粒子，然后以制備的熒光納米粒子和納米金分別標記單核細胞增生李斯特菌序列特異性分子信標探針5'端和3'端，構(gòu)建分子信標。由于納米金能近距離吸收5'端熒光基團發(fā)射的能量，從而導(dǎo)致熒光淬滅。而在加入目標分子后，分子信標可與完全互補靶序列形成異源雙鏈雜交體，相對剛性的雜交體使熒光基團與淬滅基團間的空間距離增大，熒光恢復(fù)，根據(jù)熒光強度對目標DNA進行快速、高效的檢測，且具有很強的特異性。

雖然目前人們對金納米粒子各種光學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)取得了一定進展，但是如何更好的控制金納米粒子對光學(xué)信號的放大作用，以及不同形狀和大小的金納米粒子對光學(xué)信號放大程度的差異和如何根據(jù)實際情況選擇不同大小和形狀的金納米粒子等方面還需我們進一步研究。

3.2 金納米粒子在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用

金納米粒子由于其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和生物兼容性，越來越多地被應(yīng)用于電化學(xué)/生物傳感器領(lǐng)域，從而為食品中危害因子檢測提供新的思路和方法。

干寧等［26］通過同時固定四羧基酞菁鈷Ⅲ(CoPc)、HRP酶標記黃曲霉毒素B1抗體(HRP－Ab－AFBl)以及納米金粒子在玻碳電極表面的Nafion膜上，制備了可用于快速測定黃曲霉毒素B1(AFBI)的新型電化學(xué)傳感器(GCE|Nafion/CoPc/Au/HRPAb－AFBl)。CoPc對H202的還原具有催化作用;當該傳感器在含AFBl樣品的溶液中反應(yīng)20min后，黃曲霉毒素與相應(yīng)抗體的免疫結(jié)合導(dǎo)致HRP的活性中心與CoPc之間的電子傳遞被部分阻礙，使HRP對H2O2的電催化氧化電流降低。變化的電催化氧化電流與AFBl濃度在1.0～200ng/m L呈線性關(guān)系，檢測限為0.5ng/m L。該方法實現(xiàn)了對黃曲霉毒素的快速檢測，并且可重復(fù)使用，為我們提供了檢測黃曲霉毒素的新思路，但是金納米粒子對傳感器檢測能力的具體提升作用并沒有進行深入的研究。Chu等［27］利用在納米金標記的抗體表面進行酶催化銀沉積，并結(jié)合陽極溶出伏安法構(gòu)建的電化學(xué)免疫傳感器，對黃曲霉毒素具有較低檢測下限。Liu等［28］通過在微梳狀電極上自組裝納米金、黃曲霉毒素B1抗體和辣根過氧化物酶，構(gòu)建用于檢測黃曲霉毒素的電化學(xué)傳感器。

除此之外，Geng等［29］首先在金納米粒子修飾的電極表面組裝16－琉基十六酸，然后通過使用碳二亞酰胺法把大腸桿菌0157∶H7抗體固定在金電極表面，構(gòu)建新型的壓電免疫生物傳感器，此方法的檢測范圍為103～108CFU/m L，檢測時間30～50m in，實現(xiàn)了對大腸桿菌0157∶H7的快速檢測。Medyantseva等［30］依據(jù)抗原抗體的特異性反應(yīng)，構(gòu)建出檢測致病真菌抗原的電流型免疫生物傳感器。Ying等［31］將巰基乙胺固定到金電極表面，進而化學(xué)吸附納米金粒子，然后將免疫球蛋白抗體吸附在納米金粒子表面，從而制得高靈敏度的電化學(xué)免疫生物傳感器［29］。Shulga等［32］用電沉積的方法在金電極上電沉積一層金納米粒子，然后將乙酰膽堿酯酶固定在電極上制成了有機磷單酶生物傳感器。實驗表明，金納米粒子可以極大提高固定化酶的催化活性，增大響應(yīng)電流。張春梅等［33］通過構(gòu)建納米金(Au)－石墨烯(GS)－辣根過氧化物酶(HRP)－Nafion納米復(fù)合物修飾絲網(wǎng)印刷電極的電化學(xué)生物傳感器，完成了對食品中痕量H2O2殘留的快速檢測。薛瑞等［34］通過帶正電荷的高分子聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨將乙酰膽堿酯酶和金納米粒子通過靜電力逐層固定到玻碳電極表面，然后采用交流阻抗和微分脈沖伏安法對蔬菜樣品中的甲基對硫磷含量進行了檢測，檢測限為7.6×10－6mol/L。

金納米粒子目前已被廣泛的應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域，并且在食品檢測和醫(yī)療診斷中已發(fā)揮出重大作用，但是如何利用金納米粒子修飾的生物傳感器對復(fù)雜樣品進行更準確的定量分析，以及更好的控制金納米粒子在生物傳感器中的催化活性將是下一步研究的重點。

4 展望

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，金納米粒子以其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)以及良好的生物兼容性，在食品檢測領(lǐng)域中已經(jīng)發(fā)揮著重大作用，并為食品危害因子的快速準確檢測開辟出全新的方法和思路，有力地推動著食品檢測技術(shù)的快速發(fā)展。雖然當前我們在金納米粒子的制備和應(yīng)用等方面都取得了很大進展，但金納米粒子的很多性質(zhì)還需要我們繼續(xù)深入研究。例如，如何在檢測中使金納米粒子信號可控放大，如何更有效控制金納米粒子催化活性，如何利用金納米粒子對樣品進行更準確的定量分析等等。隨著科研工作者對金納米粒子性質(zhì)的深入研究，金納米粒子將會在食品安全與檢測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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