光子晶體在食品有害物檢測(cè)中的應(yīng)用及展望

宋艷秋，彭媛，高志賢，何厚羅，徐天依，王明林

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所，天津300050）

光子晶體是由至少兩種及以上介電常數(shù)不同的材料周期性排列所形成的，它具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)（布拉格衍射定律）及天然的結(jié)構(gòu)色，可實(shí)現(xiàn)對(duì)響應(yīng)信號(hào)的自表達(dá)。當(dāng)光子晶體與響應(yīng)性材料結(jié)合后，在外界環(huán)境刺激（物理、化學(xué)刺激等）的作用下會(huì)出現(xiàn)晶格間距的改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色的變化，因此成為一種新型可視化檢測(cè)材料。近年來(lái)，食品安全形勢(shì)嚴(yán)峻，食品安全問(wèn)題日益突出，有害物殘留等問(wèn)題屢屢發(fā)生。光子晶體檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)快速并且結(jié)果直觀，在食品有害物的檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要內(nèi)容是光子晶體的定義，光子晶體的具體檢測(cè)原理，光子晶體的主要制備方法以及光子晶體技術(shù)在食品有害物（真菌毒素殘留問(wèn)題、農(nóng)獸藥殘留問(wèn)題、抗生素殘留問(wèn)題、重金屬殘留及非法添加物等）中的檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀。同時(shí)對(duì)光子晶體在食品有害物檢測(cè)中未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展方向和前景進(jìn)行展望，擬為光子晶體技術(shù)在食品有害物檢測(cè)中的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 光子晶體技術(shù)

光子晶體是由至少兩種介電常數(shù)不同的材料周期性排列所形成的，它具有周期性的光子禁帶，能夠周期性的調(diào)制光波，符合布拉格衍射定律，因此具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)及天然的結(jié)構(gòu)色，應(yīng)用前景廣泛。光子晶體是1987由Yablonovitch[1]和John[2]幾乎同時(shí)在PhysicalReview Letters上發(fā)表論文提出的概念。從此以后，光子晶體由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，人們開(kāi)始關(guān)注其在生化、物理、新型材料及傳感器方向的應(yīng)用前景。然而，光子晶體引起人們更廣泛和深入研究是在1991年Yablonovitch首次提出其具有光子禁帶后。值得一提的是1999年光子晶體被美國(guó)雜志《Science》列為未來(lái)的六大研究熱點(diǎn)之一及1999年十大科學(xué)進(jìn)展之一，因此光子晶體廣闊的發(fā)展前景不言而喻。下面具體介紹光子晶體。

1.1 光子晶體定義

眾所周知，由于光子晶體中不同介電常數(shù)的材料周期性排列成有序的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其產(chǎn)生能帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)光波進(jìn)入材料中后，周期性介電結(jié)構(gòu)調(diào)控光波，使其傳播途徑發(fā)生改變，軌跡變?yōu)閹钅軒ЫY(jié)構(gòu)，當(dāng)光波的傳播頻率與光子能帶重合時(shí)，則該方向的光波無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳播，因此這種能帶結(jié)構(gòu)被稱為“光子禁帶”[3-4]。那么帶有這種周期性光子禁帶的材料被稱為光子晶體。根據(jù)這種光子禁帶的空間分布情況，光子晶體分為一維光子晶體、二維光子晶體及三維光子晶體3種。

1.2 光子晶體檢測(cè)原理

光子晶體對(duì)光波的調(diào)制符合布拉格衍射原理，即：mλ=2nd sinθ，其中λ為衍射波長(zhǎng)、d為晶格間距、n為材料的折射系數(shù)、m為布拉格衍射級(jí)數(shù)及θ為衍射角。由于介質(zhì)材料的平均折射率n及晶格間距d發(fā)生改變都會(huì)引起衍射峰波長(zhǎng)的改變。當(dāng)光子晶體收到外界環(huán)境刺激時(shí)，例如溫度變化[5]、電場(chǎng)變化[6-7]、磁場(chǎng)變化[8]、pH 值變化[9]或與物質(zhì)特異性結(jié)合[10-20]，均會(huì)引起折射率的改變或晶格間距的改變，從而導(dǎo)致衍射峰波長(zhǎng)的改變，最后反映在結(jié)構(gòu)色的改變上，這是一種肉眼可識(shí)別的顏色變化，因此實(shí)現(xiàn)了可視化檢測(cè)。

1.3 光子晶體的制備

自然界中存在許多天然的光子晶體，例如蝴蝶的翅膀[21]、孔雀的羽毛、蛇的鱗片、海老鼠的毛發(fā)及蛋白石[22-23]等。這些斑斕的顏色并不是色素的原因，而是由不同材料周期性排列所導(dǎo)致的。但是天然的光子晶體畢竟是少數(shù)的，要想充分利用光子晶體這種具有獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)的材料，還需要人工制備光子晶體[24]才能滿足人們的需求。近年來(lái)，各種各樣的光子晶體制備方法涌現(xiàn)而出，但大致可以分為以下幾類：

1）垂直沉降自組裝法[25]即利用單分散的微球（二氧化硅微球、聚苯乙烯微球、甲基丙烯酸甲酯微球等）自身的重力，垂直沉降自組裝機(jī)制，緊密堆積形成三維有序的光子晶體結(jié)構(gòu)。該技術(shù)目前相對(duì)成熟，主要制備蛋白石光子晶體，并且可以控制光子晶體的尺寸。

2）模板法[26-27]即以蛋白石光子晶體為模板，向微球間的縫隙中填充預(yù)聚合液，反應(yīng)完成后再刻蝕掉原來(lái)的蛋白石光子晶體模板，形成三維有序的聚合物骨架，所以這類光子晶體也成為反蛋白石光子晶體。

3）微電子加工法[28]這種方法主要是通過(guò)電子束刻蝕、光刻等方法獲得光子晶體。

4）激光全息法[29]這種方法是利用激光束的干涉，從而形成3D全息投影，然后將該投影透射到玻璃體或感光樹(shù)脂上，再利用強(qiáng)光引發(fā)該物質(zhì)聚合，反應(yīng)完成后即制備出呈周期性結(jié)構(gòu)的高度有序的光子晶體。

2 光子晶體技術(shù)在食品有害物檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 光子晶體技術(shù)在食品中真菌毒素檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

真菌毒素是由真菌物種產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，當(dāng)谷物、飼料和食品在有利的溫度和濕度條件下存儲(chǔ)或加工時(shí)利于真菌生長(zhǎng)。一旦真菌毒素污染谷物或飼料，就可能進(jìn)入食物鏈，造成人類和動(dòng)物疾病。例如，美國(guó)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)將黃曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）列為第 I類致癌物[30]。約有 20 000～30 000 種獨(dú)特的真菌毒素，至少數(shù)百種真菌毒素已被鑒定為有毒有害物質(zhì)[31]。常見(jiàn)的危害性最大的真菌毒素主要有黃曲霉毒素B1、伏馬菌素、赭曲霉毒素和柑橘素等[32]。因此，發(fā)展簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效、準(zhǔn)確、高靈敏度和特異性的多重真菌毒素篩選技術(shù)對(duì)食品安全監(jiān)測(cè)具有重要意義。

Li等[33]通過(guò)光子晶體微芯片技術(shù)檢測(cè)食品中黃曲霉毒素B1（AFB1），伏馬菌素B1（Fumonisin FB1，F(xiàn)B1）和柑橘素（Citrus，CIT）。將真菌毒素的人造抗原（Antigens，Ags）固定在3種二氧化硅光子晶體微球（Silica photonic crystalmicrospheres，SPCMs）懸浮陣列的表面上，建立了一種新穎，靈敏和高通量的多重真菌毒素競(jìng)爭(zhēng)性免疫測(cè)定法。SPCMs由其反射峰位置編碼。提取摻入谷物中的黃曲霉毒素B1（AFB1），伏馬菌素B1（FB1）和柑橘素（CIT），將這些霉菌毒素的異硫氰酸熒光素標(biāo)記抗體（Antibodies，Abs）加入到含有SPCMs修飾的人造抗原（Ags）。通過(guò)陣列熒光掃描儀收集熒光信號(hào)。檢測(cè)限（Limitofdetection，LOD）分別為 0.5、1、0.8 pg/mL。新方法分別為AFB1，F(xiàn)B1和CIT提供了0.001 ng/mL至10 ng/mL，0.001 ng/mL 至 10 ng/mL，0.001 ng/mL 至1 ng/mL的寬線性檢測(cè)范圍。玉米，花生和小麥中3種真菌毒素的平均回收率分別為（74.7±4.0）%～（127.9±4.4）%。開(kāi)發(fā)的霉菌毒素方法用于測(cè)定10種天然污染的谷物樣品中的AFB1，F(xiàn)B1和CIT水平，檢測(cè)結(jié)果與經(jīng)典的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（Enzyme linked immunosorbentassay，ELISA）方法一致。該方法可以節(jié)省大量試劑（10μL體積）和檢測(cè)時(shí)間（＜3 h），用于多重霉菌毒素測(cè)定。

Zheng等[34]基于適配體熒光信號(hào)恢復(fù)，在谷物樣品中設(shè)計(jì)了一種新型高通量光子晶體微球（Highthroughputphotonic crystalmicrospheres，PHCMs） 懸浮陣列，用于檢測(cè)食品中黃曲霉毒素（AFB1）、赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）、伏馬菌素B1（FB1）。分別用熒光染料和猝滅劑標(biāo)記的真菌毒素適配體和適配體互補(bǔ)鏈固定在羧基化的PHCM表面。當(dāng)相應(yīng)的霉菌毒素靶標(biāo)與其適配體結(jié)合時(shí)，PHCMs的熒光恢復(fù)信號(hào)強(qiáng)度報(bào)告了霉菌毒素的濃度。不同種類的霉菌毒素被PHCM的結(jié)構(gòu)顏色區(qū)分開(kāi)來(lái)。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)AFB1、OTA及FB1的線性檢測(cè)范圍分別為0.1 ng/mL～10 ng/mL、0.1 ng/mL～10 ng/mL 及 0.1 pg/mL～0.1 ng/mL，檢出限（LOD）分別為 15.96、3.96 fg/mL和11.04 pg/mL。該方法對(duì)AFB1，OTA和FB1的加標(biāo)谷物樣品的回收率與傳統(tǒng)ELISA的回收率一致。對(duì)多重霉菌毒素具有超靈敏，高選擇性和小體積的試劑需求等優(yōu)點(diǎn)。

Xu[35]等開(kāi)發(fā)了一種基于化學(xué)發(fā)光酶免疫測(cè)定（Chemiluminescent enzyme immunoassay assay，CLIA）的硅膠-水凝膠光子晶體微球（Silica-hydrogelphotonic crystalmicrospheres，SHPCM）懸浮陣列進(jìn)行食品中多重真菌毒素檢測(cè)。SHPCM的間隙被水凝膠材料占據(jù)，保留了二氧化硅光子晶體（Silica-hydrogel photonic crystalmicrosphere，SPCM）的結(jié)構(gòu)顏色，不僅可以用反射峰或結(jié)構(gòu)顏色的位置編碼微球載體，而且可以減少非特異性蛋白質(zhì)吸附，導(dǎo)致低背景信號(hào)。與SPCM和玻璃珠比較，SHPCM可以提供更寬的動(dòng)態(tài)檢測(cè)線性范圍和較低的背景信號(hào)。AFB1、FB1和OTA的線性檢測(cè)范圍分別為 0.000 1 ng/mL～1 ng/mL、0.001 ng/mL～10 ng/mL、0.000 1 ng/mL～1 ng/mL。AFB1、FB1和 OTA 的水稻，玉米和小麥樣品的回收率分別為（74.96±5.82）%～（104.87±5.77）%。通過(guò)高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（High Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry-Mass Spectrometry，HPLC-MS/MS）證實(shí)了該方法在20個(gè)實(shí)際谷物樣品中檢測(cè)到的陽(yáng)性結(jié)果。結(jié)果表明，SHPCM懸浮液陣列可用于谷物樣品中多種真菌毒素的高通量和敏感篩選。

2.2 光子晶體技術(shù)在食品中農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，世界各地對(duì)農(nóng)產(chǎn)品使用農(nóng)藥去除真菌等害蟲(chóng)已成為常見(jiàn)的做法，但過(guò)度使用和不正確使用導(dǎo)致食品農(nóng)藥殘留超標(biāo)，嚴(yán)重影響人體健康[36-37]。由于農(nóng)藥廣泛使用，監(jiān)督不力，食品安全問(wèn)題成為世界各地公眾關(guān)注的重大問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，使用農(nóng)藥總量的 70%左右是有機(jī)磷（Organic phosphorus，OP）農(nóng)藥和氨基甲酸酯（Carbamate，CM）農(nóng)藥[38]。因?yàn)樗鼈冊(cè)谧匀粭l件下的持久性相對(duì)較低，而且對(duì)消滅昆蟲(chóng)有效性很高，因此成為農(nóng)業(yè)中廣泛使用的農(nóng)藥。政府機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織制定了規(guī)定，確保食品中的農(nóng)藥濃度低于最大殘留限量（Maximum residue limits，MRLs）[39]。因此，需要開(kāi)發(fā)適合的分析方法來(lái)支持這些MRLs。因此，對(duì)農(nóng)藥的快速，靈敏，可靠的定量分析方法是非常重要的。

Yin等[40]開(kāi)發(fā)了基于二氧化硅-水凝膠雜交微珠（Silica-hydrogelhybridmicrobeads，SHHM）的懸浮陣列的有機(jī)磷農(nóng)藥和氨基甲酸酯農(nóng)藥的多重檢測(cè)技術(shù)。由二氧化硅和水凝膠材料組成的SHHM的主要優(yōu)點(diǎn)是它們不僅可以通過(guò)其來(lái)自光子晶體的阻帶的特征反射峰來(lái)區(qū)分，而且還具有低的非特異性吸附蛋白質(zhì)。使用熒光免疫分析法測(cè)定了滅蟲(chóng)劑、毒死蜱、對(duì)硫磷、甲萘威及美托洛爾。它們的最低檢出限分別為0.02、0.012、0.04、0.05、0.1 ng/mL，如歐盟農(nóng)藥數(shù)據(jù)庫(kù)所報(bào)告的那樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大殘留限量。所有這5種農(nóng)藥的測(cè)定系數(shù)均大于0.99，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。懸浮液陣列是特異性的，與其他化學(xué)物質(zhì)沒(méi)有顯著的交叉反應(yīng)性。使用該方法從農(nóng)業(yè)樣品中檢測(cè)農(nóng)藥殘留的結(jié)果與液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法的結(jié)果一致。研究結(jié)果表明，這種簡(jiǎn)單的方法適合同時(shí)檢測(cè)這5種水果和蔬菜中的農(nóng)藥殘留。

Wang等[41]將膠體晶體模板法和分子印跡技術(shù)組合開(kāi)發(fā)了一種用于快速無(wú)標(biāo)記檢測(cè)吡蟲(chóng)啉的傳感技術(shù)。分子印跡光子晶體水凝膠膜（Molecular imprinted photonic hydrogels，MIPH）由甲基丙烯酸作為單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯作為交聯(lián)劑和吡蟲(chóng)啉作為印跡模板分子制備。當(dāng)去除膠體晶體模板和分子印跡模板時(shí)，所得到的MIPH膜具有納米空間和高度有序的三維結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)可讀的布拉格衍射紅移來(lái)檢測(cè)MIPH膜對(duì)水溶液中吡蟲(chóng)啉的反應(yīng)。當(dāng)吡蟲(chóng)啉的濃度從10-13g/mL增加到10-7g/mL時(shí)，布拉格衍射峰從551 nm偏移到589 nm，而噻蟲(chóng)嗪和啶蟲(chóng)脒沒(méi)有明顯的峰值偏移。該傳感器由無(wú)標(biāo)簽技術(shù)和昂貴儀器組成，具有檢測(cè)痕量吡蟲(chóng)啉的潛力。

Li等[42]基于膠體晶體模板和分子印跡技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了在水溶液中有效檢測(cè)阿特拉津的傳感器平臺(tái)。傳感器的特征在于三維有序的互連大孔結(jié)構(gòu)，其中源自阿特拉津印跡的許多納米腔分布在形成的反聚合蛋白石的薄壁中。由于特殊的分層多孔結(jié)構(gòu)，分子印跡的聚合蛋白石（或分子印跡光子聚合物；Molecularlyimprinted photonic polymer，MIPP）允許目標(biāo)分析物的快速和超靈敏檢測(cè)?；ミB的大孔有利于阿特拉津在聚合物膜中的快速傳輸，而分散在薄聚合物壁中的納米孔穴的固有的高親和力使得MIPP以高特異性識(shí)別阿特拉津。更重要的是，通過(guò)MIPP的有序大孔陣列的布拉格衍射峰位置的變化，可以將分子印跡對(duì)阿特拉津的識(shí)別轉(zhuǎn)移（無(wú)標(biāo)記）到可讀光信號(hào)中，從而引起肉眼可見(jiàn)的顏色變化。使用這種新穎的感官系統(tǒng)，在水性介質(zhì)中，直接，超敏感（低至10-8ng/mL），快速（少于30 s）和選擇性檢測(cè)濃度范圍為10-16μmol/L至10-6μmol/L的阿特拉津在不使用標(biāo)簽技術(shù)和昂貴的儀器的情況下實(shí)現(xiàn)。

2.3 光子晶體技術(shù)在食品中抗生素殘留檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

抗生素是用于治療各種非病毒感染的藥物，由于其價(jià)格便宜并且藥效好，所以被廣泛使用，甚至出現(xiàn)反復(fù)超量使用的情況[43-44]。雖然抗生素在醫(yī)學(xué)及養(yǎng)殖業(yè)等中的益處很明顯，但有些抗生素例如環(huán)丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）已被證明是干擾生物系統(tǒng)，即使在低濃度下也會(huì)對(duì)細(xì)胞，器官，生物和群體表現(xiàn)出毒性作用[45]?？股貧埩艨赡芡ㄟ^(guò)誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性的增殖而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[46]。因此，在各種樣品中仔細(xì)監(jiān)測(cè)抗生素，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速且靈敏有效的方法至關(guān)重要。

Song等[47]將分子印跡光子晶體（Molecularly Imprinted Photonic Crystal，MIP-PC）比色傳感器與濃縮過(guò)程結(jié)合起來(lái)，首次制造了具有親水疏水圖案的高靈敏度比色傳感器，以提高四環(huán)素（Tetracycline，TC）檢測(cè)的靈敏度，這在食品檢測(cè)中具有實(shí)際應(yīng)用。這種MIP-PC比色傳感器可以實(shí)現(xiàn)從青色到紅色（大于200nm）的比色過(guò)渡，這是肉眼可以清楚地識(shí)別出來(lái)的。此外，通過(guò)將檢測(cè)區(qū)域（MIP-PC點(diǎn)）的直徑從1.35mm改變?yōu)?.79 mm，該傳感器的檢測(cè)范圍可以從10×10-9mol/L～60×10-9mol/L 到 10×10-9mol/L～150×10-9mol/L。通過(guò)將10μL液滴富集到直徑為1.35mm的MIP-PC點(diǎn)，檢測(cè)限低到2×10-9mol/L。該結(jié)果比傳統(tǒng)的MIP-PC膜低一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，系統(tǒng)地研究了檢測(cè)區(qū)域與檢測(cè)范圍之間的關(guān)系，并將其作為扇形標(biāo)準(zhǔn)色卡。該結(jié)論對(duì)于在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)具有合適尺寸的檢測(cè)區(qū)域和檢測(cè)范圍的傳感器是非常重要的。

Yu等[48]通過(guò)將三元復(fù)合物整合到響應(yīng)光子晶體（Responsive photonic crystal，RPC）中，開(kāi)發(fā)了環(huán)丙沙星特異性和超靈敏測(cè)量的新方法，可用于食品中環(huán)丙沙星殘留的檢測(cè)。首先將色氨酸固定在RPC的聚丙烯酰胺水凝膠底物內(nèi)。環(huán)丙沙星的測(cè)定是通過(guò)存在鋅（II）離子，其作為“橋”，逐步形成特定的色氨酸-鋅（II）-環(huán)丙沙星復(fù)合物，導(dǎo)致衍射波長(zhǎng)的逐步紅移。當(dāng)RPC膜浸漬在10-4mol/L環(huán)丙沙星中時(shí)，觀察到環(huán)丙沙星從798 nm至870 nm的最大波長(zhǎng)偏移。目前工作中最低可檢測(cè)濃度約為5×10-11mol/L，線性范圍為10-10mol/L到10-4mol/L。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的三元基于復(fù)合物的RPC傳感器表現(xiàn)出高靈敏度，令人滿意的特異性，并通過(guò)檢測(cè)多種食品中環(huán)丙沙星進(jìn)行了驗(yàn)證。

Huang等[49]采用自交聯(lián)壓印蛋白石（Close-packed opal，CPO）作為識(shí)別元件，開(kāi)發(fā)了一種新型的光電傳感器，用于檢測(cè)氯霉素（Chloramphenicol，CAP）。自交聯(lián)壓印CPO膜由具有自組裝和自交聯(lián)性能的單分散的N-羥甲基丙烯酰胺顆粒（Molecular imprinted-N-hydroxymethylacrylamide particles，MI-HAM 顆粒）組成。這些顆粒自組裝形成高度有序的CPO結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)相鄰顆粒反應(yīng)形成共價(jià)鍵以在空氣/分散體下形成穩(wěn)定CPO結(jié)構(gòu)。因此，所獲得的自交聯(lián)壓印CPO的特征在于高度穩(wěn)定的三維（3D）CPO結(jié)構(gòu)而且沒(méi)有本體水凝膠基質(zhì)的干擾，其中許多CAP識(shí)別位點(diǎn)通過(guò)分子印跡方法分散。識(shí)別位點(diǎn)固有的高親和力允許自交聯(lián)印記CPO以高特異性識(shí)別CAP，并且周期性結(jié)構(gòu)的變化使得自交聯(lián)印跡CPO將識(shí)別原件轉(zhuǎn)移到可讀光信號(hào)中。發(fā)現(xiàn)衍射強(qiáng)度降低和CAP濃度之間的線性關(guān)系在2 ng/mL至512 ng/mL的范圍內(nèi)，而CAP類似物沒(méi)有明顯的光學(xué)變化，因此表明傳感器對(duì)CAP分子具有選擇性和敏感反應(yīng)。此外，該傳感器被成功應(yīng)用于檢測(cè)飲用水樣品中的CAP。因此，開(kāi)發(fā)的傳感器由于其便利性，低成本，可重復(fù)使用性，高靈敏度以及選擇性可在食品中氯霉素殘留的常規(guī)監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 光子晶體技術(shù)在食品中重金屬殘留檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

積累在自然資源中的重金屬通過(guò)生物轉(zhuǎn)化為有毒化學(xué)物質(zhì)，如活生物體中的甲基汞，特別是海洋生物，對(duì)生物和環(huán)境造成不利影響，以不同形式進(jìn)入食物鏈后嚴(yán)重影響人類健康[50-52]。部分重金屬是生物有毒物質(zhì)，不可生物降解，在環(huán)境中容易積聚，甚至在非常低的濃度下也會(huì)產(chǎn)生毒性作用。例如汞離子（Hg2+）以含水介質(zhì)中甲基汞的形式進(jìn)入食物鏈。甲基汞引起許多疾病，包括人體的感覺(jué)和神經(jīng)損傷。人的心臟，腎臟，胃和腸也可能被汞離子嚴(yán)重?fù)p壞。重金屬殘留問(wèn)題形勢(shì)嚴(yán)峻，并在上個(gè)世紀(jì)引起了極大的關(guān)注[53-58]。因此，建立一種快速靈敏，簡(jiǎn)單有效的重金屬檢測(cè)方法至關(guān)重要。

Jana等[59]開(kāi)發(fā)了一種用于感測(cè)水中高毒性汞離子（Hg2+）的新型水凝膠光子晶體。這種新的傳感材料通過(guò)衍射來(lái)自聚合晶體膠體陣列（Polymerized crystalline colloidalarray，PCCA）的可見(jiàn)光來(lái)監(jiān)測(cè)水中的Hg2+濃度。PCCA由高度單分散帶電的聚苯乙烯顆粒的光衍射晶體膠體陣列（Crystalline colloidal array，CCA）組成，它們?cè)诰郾０匪z內(nèi)聚合。水凝膠環(huán)境的變化觸發(fā)了水凝膠的體積變化，改變了CCA的晶格間距，從而使光的衍射波長(zhǎng)發(fā)生變化。偶聯(lián)在PCCA表面的尿素酶（Urease on polymerized crystalline colloidal array，UPCCA）水解尿素并產(chǎn)生HCO3-，其和水凝膠內(nèi)的NH4+離子產(chǎn)生離子響應(yīng)。這些離子通過(guò)降低羧酸鹽和聚丙烯酰胺骨架之間的靜電排斥松弛而引起聚丙烯酰胺羧酸鹽的電荷篩選，導(dǎo)致水凝膠的收縮。因此，UPCCA呈現(xiàn)衍射波長(zhǎng)的藍(lán)移。當(dāng)UPCCA與尿素一起暴露于Hg2+并因此抑制離子的產(chǎn)生時(shí)，Hg2+作為尿素酶水解尿素的主要抑制劑，擾亂UPCCA水解尿素，這干擾了水凝膠的收縮。因此，與僅尿素相比，在Hg2+存在下，PCCA凈藍(lán)移減少。這種水凝膠體積變化的程度是Hg2+濃度的函數(shù)。這種UPCCA光子晶體傳感器在水中能夠檢測(cè)到超低（1μg/L）濃度的Hg2+，表現(xiàn)出可逆性，并顯示出對(duì)Hg2+的非常高的選擇性。

Asher等[60]將能夠與Pb2+結(jié)合的材料和刺激性水凝膠體結(jié)合建模，并用作光子晶體化學(xué)傳感材料。該材料由含有冠醚分子識(shí)別基團(tuán)的聚合晶體膠體陣列（Polymerized colloidalarray，PCCA）水凝膠組成。PCCA是聚丙烯酰胺水凝膠，其嵌入約100 nm的單分散聚苯乙烯顆粒的光衍射晶體膠體陣列，陣列間距設(shè)置為在可見(jiàn)光譜區(qū)域衍射光范圍內(nèi)。由Pb2+結(jié)合引起的水凝膠體積的變化改變陣列間距并移動(dòng)衍射波長(zhǎng)。該系統(tǒng)由于冠醚螯合基團(tuán)固定Pb2+，Pb2+的結(jié)合固定其抗衡離子，導(dǎo)致Donnan電位產(chǎn)生滲透壓使水凝膠膨脹。Asher等繼續(xù)開(kāi)發(fā)基于Flory凝膠膨脹理論的水凝膠膨脹預(yù)測(cè)模型。該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效的檢測(cè)Pb2+在不同食物中的殘留。

Ward等[61]開(kāi)發(fā)了一種聚合的結(jié)晶膠體陣列光子材料（Polymerized crystalline colloidalarray photonicmaterial that sensesmetal cations in water at low concentrations，PCCACS），其以低濃度感測(cè)水中的金屬陽(yáng)離子。金屬陽(yáng)離子如 Cu2+，Co2+，Ni2+和 Zn2+與共價(jià)連接到 PCCACS上的8-羥基喹啉結(jié)合。在低金屬濃度（＜μmol/L）下，陽(yáng)離子形成與兩個(gè)8-羥基喹啉的雙重配位絡(luò)合物，其與水凝膠交聯(lián)并使其收縮，光子晶體衍射峰藍(lán)移。在較高的陽(yáng)離子濃度下，由于形成單配陽(yáng)離子絡(luò)合物，這些雙重配體交聯(lián)斷裂從而導(dǎo)致衍射峰紅移。Ward等已經(jīng)擴(kuò)展了水凝膠體積相變理論，以便對(duì)金屬濃度的衍射依賴性進(jìn)行定量建模。這些材料可用作劑量計(jì)，以感測(cè)極低的金屬陽(yáng)離子濃度，或作為濃度大于1μmol/L的傳感器材料?？梢詮难苌涔獾念伾_定金屬陽(yáng)離子濃度，或者可以使用分光光度計(jì)通過(guò)反射率測(cè)定來(lái)確定。該感測(cè)材料可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，將衍射色與金屬陽(yáng)離子濃度關(guān)系繪制色彩圖，以在視覺(jué)上確定飲用水中的金屬陽(yáng)離子濃度。

2.5 光子晶體技術(shù)在食品中其他有害物檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

食品中除了真菌毒素、農(nóng)藥殘留、抗生素殘留及重金屬殘留等問(wèn)題嚴(yán)重影響人類健康之外，還存在許多其他的有毒有害物質(zhì)對(duì)人類健康造成威脅。光子晶體技術(shù)在食品中其他有毒有害物質(zhì)檢測(cè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

Guo[62]提出了一種無(wú)需標(biāo)記檢測(cè)雙酚A（Bisphenol A，BPA）的新型蛋白石光子晶體傳感器（Opalphotonic crystalsensor，OPCS）。提出了基于組合光子晶體技術(shù)和分子印跡技術(shù)開(kāi)發(fā)光子晶體傳感器的概念。首先制備直徑為（220±5）nm的BPA印跡單分散聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）球，以BPA 為模板印跡，洗脫后，在PMMA球體中分布了許多源自BPA印跡的納米空間。將液體單分散微球制成聚合晶體膠體陣列（PCCA）蛋白石光子晶體傳感器。分布在球體中的納米空間的固有高親和力使得OPCS可以具體識(shí)別BPA。傳感器的特點(diǎn)是具有三維有序的互連晶格結(jié)構(gòu)。在單個(gè)微球之間，存在良好排列的孔，允許目標(biāo)分子嵌入和運(yùn)輸。結(jié)果，傳感器可以觀察到與BPA濃度有關(guān)的衍射峰強(qiáng)度的變化。OPCS的檢測(cè)范圍為1ng/mL～1μg/mL水平。新的傳感系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)分子的天然形態(tài)具有很高的選擇性，易于使用，成本低廉。總之，所提出的方法提供了一個(gè)通用的分析系統(tǒng)，用于建立一種檢測(cè)食品中BPA殘留的新型傳感器。

Kennedy等[63]在芯片中制造了納米級(jí)的孔穴來(lái)構(gòu)建光子晶體，該光子晶體用于增強(qiáng)常見(jiàn)的食源性毒素葡萄球菌腸毒素B（StaphylococcusEnterotoxin B，SEB）的免疫測(cè)定。陣列中的光子晶體（Photonic crystal，PC）的納米結(jié)構(gòu)由于引導(dǎo)模式共振而增強(qiáng)了熒光信號(hào)。使用納米顆粒作為固體底物捕獲抗體，然后通過(guò)使用電泳顆粒捕獲系統(tǒng)（Electrophoretic particle entrapment system，EPES）將顆粒分離在芯片的各個(gè)孔中。從芯片產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)曲線由兩個(gè)對(duì)數(shù)線性區(qū)域組成：具有較高靈敏度的第一區(qū)域受抗體的Kd限制，類似于96孔板ELISA，另一個(gè)區(qū)域顯示大于6個(gè)數(shù)量級(jí)的線性范圍，這是這種器件所獨(dú)有的。溶解在磷酸鹽緩沖鹽水中的SEB被稀釋到低至35μmol/L的水平，與傳統(tǒng)的96孔板ELISA相比，檢測(cè)限超過(guò)106倍。測(cè)試了不同濃度的SEB摻入牛奶中以評(píng)估該裝置的可靠性以及擴(kuò)展對(duì)數(shù)線性方案在“真實(shí)”食品矩陣中的功效。牛奶的存在沒(méi)有顯著改變檢測(cè)限。以非常少量的樣品（小于10μL）和快速讀出時(shí)間，基于PC的系統(tǒng)對(duì)于具有接近單分子靈敏度水平的各種靶分子的檢測(cè)顯示出巨大的前景。

Chakravarty等[64]用芯片上的近紅外吸收光譜，通過(guò)復(fù)用光子晶體波導(dǎo)（Photonic crystal waveguides，PCWs）實(shí)驗(yàn)證明同時(shí)選擇性地檢測(cè)二甲苯和三氯乙烯（Trichloroethylene，TCE）?；诠庾泳w結(jié)構(gòu)的慢光子效應(yīng)，該器件的靈敏度在二甲苯中提高到1μg/L，在水中增加10μg/L。多模干擾功率分配器和Y組合器的結(jié)合使PCWs在絕緣體硅平臺(tái)上的硅芯片上實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用。同時(shí)使選擇性的檢測(cè)食品中二甲苯和三氯乙烯成為可能。

3 前景與展望

光子晶體技術(shù)雖然能夠簡(jiǎn)單快速、靈敏高效、實(shí)時(shí)快速可視化的檢測(cè)食品中有害物質(zhì)，但其在食品安全檢測(cè)應(yīng)用中仍存在一定的問(wèn)題。例如部分光子晶體傳感材料選擇性無(wú)法保證，樣品檢測(cè)時(shí)容易受樣品基質(zhì)中溶液極性及pH值影響；光子晶體傳感材料的識(shí)別原件大多以抗體、酶及適配體為主，而這些識(shí)別原件對(duì)于保存條件較為苛刻，不穩(wěn)定，使用壽命較短；光子晶體傳感技術(shù)的制備材料受限，這也限制了光子晶體技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題，光子晶體技術(shù)在食品有害物檢測(cè)中應(yīng)用應(yīng)主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

1）將相應(yīng)的樣品前處理技術(shù)與光子晶體技術(shù)結(jié)合，提高光子晶體的選擇性，從而更精確的檢測(cè)食品中有害物質(zhì)。

2）選擇易于保存、性質(zhì)穩(wěn)定且使用壽命長(zhǎng)的識(shí)別原件，例如化學(xué)鍵、分子印跡等，使光子晶體技術(shù)能夠長(zhǎng)期有效的檢測(cè)食品中有害物質(zhì)。

3）不斷嘗試新的光子晶體制備材料，或者將幾種現(xiàn)有材料組合開(kāi)發(fā)出新的材料，從而拓寬了光子晶體在食品有害物質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用，使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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