磁弛豫時間在食品安全檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

馬舒義, 鄭亦舟, 王 杰, 楊仕平*, 趙 渝*

(1.上海師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,上海 200234; 2.上海師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

0 引 言

核磁共振(NMR)是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象[1-2].依據(jù)磁場強(qiáng)度不同,核磁共振技術(shù)可分為高場、中場和低場3類[3-4].其中低場核磁共振 (LF-NMR) 技術(shù)是一種正在興起的快速無損檢測技術(shù),它具有檢測速度快、靈敏度高、無損及綠色等優(yōu)點(diǎn)[5-6].已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品摻假、食品保鮮、化學(xué)污染物、微生物等領(lǐng)域的檢測[7-8].

根據(jù)物理學(xué)原理,當(dāng)外加射場頻率(RF)與原子核自旋進(jìn)動的頻率相同時,射場的能量能有效地被原子核吸收,為能級躍遷提供助力[9-10].因此,原子核在給定的外加磁場中,吸收某一特定頻率射場提供的能量,就能形成核磁共振信號[11-12].迄今為止,只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核核磁共振信號能夠被利用,經(jīng)常為人們所利用的原子核有:1H,11B,13C,17O,19F,31P[13-14],在核磁共振技術(shù)中,應(yīng)用最為廣泛的檢測物是水中的氫質(zhì)子[13,15-16].在食品檢測中,LF-NMR主要通過測量自旋-晶格縱向弛豫時間T1和自旋-自旋橫向弛豫時間T2來描述待測物信號,弛豫時間的變化會導(dǎo)致核磁共振圖譜的差異,滿足檢測的需求[17-18].利用T1時間變化呈現(xiàn)信號的為T1檢測,利用T2時間變化呈現(xiàn)信號的為T2檢測.

1 T1檢測、T2檢測的定義及特點(diǎn)

在核磁共振中存在兩種組織磁性:1)縱向磁性,它與主磁場Bo平行,涉及T1;2)橫向磁性,它與主磁場Bo垂直,涉及T2[4,19].給予射頻脈沖(RFP)激勵,使兩個能級上的自旋等量化,造成Bo偏離縱軸的改變,縱向磁矩減小,橫向磁矩出現(xiàn)[14,20].

縱向弛豫指質(zhì)子從低能級El躍遷到高能級Eh和從Eh回到El的狀態(tài)[18,21].由于質(zhì)子從Eh到El,通過與周圍分子晶格的相互作用,產(chǎn)生熱交換釋放出能量,縱向弛豫也叫自旋-晶格弛豫.縱向弛豫過程中,縱向磁矩恢復(fù)到(原)最大值的63%,所需的時間即為縱向弛豫時間T1.

橫向弛豫指質(zhì)子自旋相位的重聚和相散.在RFP作用下Bo偏離縱軸的再逐漸恢復(fù)的過程稱為橫向弛豫,其所需的時間為橫向弛豫時間T2[18].從微觀角度分析:RFP通過質(zhì)子的相位重聚,造成了組織的橫向分量磁矩的出現(xiàn);當(dāng)RFP終止后,系統(tǒng)將發(fā)生相反的現(xiàn)象(質(zhì)子的快速相散),橫向磁矩快速減少,最后相互抵消,不涉及能量交換,是質(zhì)子自旋間的相互作用,又稱自旋-自旋弛豫.橫向磁矩的消失過程可描述為一個快速下降的指數(shù)函數(shù),把垂直于磁場平面中的磁化矢量減少到 37% 的凈信號值所需的時間定義為橫向弛豫時間T2.

測量T1與T2的檢測稱為T1檢測與T2檢測,T2檢測與T1檢測相比,響應(yīng)速度快,檢測時間短,因而在食品檢測領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[22-23](表1).

表1 T1檢測與 T2檢測的特點(diǎn)

2 T2檢測的應(yīng)用

由表1可知,T2檢測所需要的時間約為T1檢測的1/10,因而更能滿足快速檢測的需求,廣泛應(yīng)用于檢測食品摻假、食品保鮮、化學(xué)污染物、微生物等[24-25].

2.1 T2檢測在食品摻假鑒別中的應(yīng)用

T2檢測無損檢測的特點(diǎn),使得其在食品摻假鑒別中得到應(yīng)用[24,26].牛乳摻假現(xiàn)象是嚴(yán)重的食品安全問題.通過T2檢測對乳制品的脂固液比、脂肪結(jié)晶溫度、持水量、水分結(jié)合狀態(tài)、蛋白質(zhì)變性、蛋白質(zhì)聚集狀態(tài)等方面進(jìn)行分析測試,能達(dá)到鑒別真?zhèn)蔚男Ч?SANTOS等[27]發(fā)現(xiàn)利用核磁共振弛豫衰減的離散指數(shù)分析法及T2單變量方法所獲得的回歸模型能很好地區(qū)分純牛乳和摻入不同物質(zhì)(乳清、尿素、過氧化氫、合成尿和合成乳)的摻假牛乳,檢測的標(biāo)準(zhǔn)誤差率為3.79%,靈敏度和特異性范圍均為0.66～1.00,表明T2檢測可以作為快速定量檢測牛奶摻假的替代方法.

利用核磁共振技術(shù)能夠檢測食用油脂固體中的脂肪含量.SANTOS等[28]提出了使用LF-NMR光譜儀鑒別純橄欖油、純大豆油和摻假樣品混合物, 結(jié)果顯示T2檢測結(jié)果出現(xiàn)不同的弛豫時間譜,顯示了良好的區(qū)分性.邵小龍等[29]用T2檢測結(jié)合主成分分析方法區(qū)分大豆油和3種工藝(精煉、冷榨、熱榨)生產(chǎn)的芝麻油樣品,用偏最小二乘法分析不同摻兌比例的模擬摻假樣品數(shù)據(jù),結(jié)果表明:芝麻油中摻入大豆油的最低檢測限為5%～10%(體積分?jǐn)?shù)),精煉芝麻油中摻入冷榨或熱榨芝麻油的最低檢測限為10%～20%(體積分?jǐn)?shù)).張亞飛等[30]用脈沖核磁共振鑒別法檢測餐飲廢油脂(地溝油、泔水油)及3種食用油在10 ℃和0 ℃下的固體脂肪含量(SFC),結(jié)果表明地溝油和泔水油中的SFC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于食用油.食用油在0 ℃下的SFC為0,只要其中摻混餐飲廢油脂的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%以上,就可以被鑒別出來.花生油在10 ℃下的SFC雖達(dá)到了1.52%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),但摻入地溝油或泔水油體積分?jǐn)?shù)超過1%后,其SFC明顯變高,即可被檢測出來.另外,張亞飛對正常食用油脂和地溝油分別做了弛豫譜反演,結(jié)果表明兩者有顯著區(qū)別,地溝油的弛豫譜反演有明顯特征峰出現(xiàn),且穩(wěn)定性很高.對于同一種地溝油,其特征峰不會隨著地溝油的過濾、脫膠、脫嗅、脫色等加工過程而消失.T2檢測在食用油摻假鑒別檢測中優(yōu)勢明顯,成為衛(wèi)生部公布的4種食用油摻假鑒別的方法之一.

2.2 T2檢測在食品冷藏、保鮮水分分析中的應(yīng)用

食品中水分的遷移變化影響著食品的品質(zhì)和風(fēng)味,因此檢測食品中的水分對食品加工儲藏及食品安全有重要意義.ZHOU等[31]利用T2檢測研究了不同儲存溫度下(4 ℃和25 ℃)金秀黃桃中的水含量、果實(shí)硬度和乙烯產(chǎn)量,結(jié)果表明T2檢測可檢出金秀黃桃儲存過程中的質(zhì)量問題.LI等[32]通過T2檢測獲得雞胸肉干中與水流動性有關(guān)的指標(biāo),并測量其主要相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)剪切力,結(jié)果表明T2檢測能夠評估雞肉干的干燥程度和質(zhì)量.QIN等[33]利用T2檢測測量了草魚體內(nèi)3種不同水(結(jié)合水、不易流動水和自由水)的狀態(tài)變化,評估了超級冷藏期間草魚體內(nèi)的水分遷移率,證明了T2檢測能夠監(jiān)測無鹽魚的質(zhì)量惡化情況.原琦等[34]利用T2檢測測量凍融過程中犢牛肉中不易流動水的變化,證明T2可作為解凍犢牛肉品質(zhì)的一個參考指標(biāo).T2的積分面積和反應(yīng)食品水分含量的變化,為食品品質(zhì)監(jiān)管與檢測提供了一種切實(shí)可行的方法.

2.3 T2檢測在化學(xué)污染物檢驗(yàn)中的應(yīng)用

GOSSUIN等[35]利用T2檢測對水中重金屬Cu2+、Mn2+、Cr3+進(jìn)行了動力學(xué)研究,檢測了活性氧化鋁(Al2O3)上Cu2+的吸附,確定最大Cu2+吸附質(zhì)量濃度為624.3262 mg·g-1,平衡吸附常數(shù)K62=620.6162 mmoL·L-1.PAUDEL等[36]對草甘膦農(nóng)藥進(jìn)行T2檢測,確定了水鈉錳礦催化降解草甘膦農(nóng)藥的機(jī)理和反應(yīng)途徑.T2檢測在化學(xué)污染物以及有害物檢測中具有廣泛的應(yīng)用.

2.4 T2檢測在食品微生物定量檢測中的應(yīng)用

食品微生物檢測是食品檢測中的常規(guī)項(xiàng)目.針對食品中的病原微生物(細(xì)菌、真菌、病毒等)以及其他有害生物(如寄生蟲),傳統(tǒng)的檢測方法耗時長,勞動強(qiáng)度大,且往往不能及時快速地評價微生物的安全性.LF-NMR作為一種新型快速檢測技術(shù)得到認(rèn)可.HUANG等[37]運(yùn)用羧基包被的Fe3O4納米顆粒(MNPs)檢測大腸桿菌O157∶H7,為了提高靈敏度,使用抗體功能化的MNPs從樣品溶液中富集O157∶H7,檢測靈敏度為1.04×104CFU·mL-1.ZHAO等[38]運(yùn)用Fe / Fe3O4納米顆粒檢測單核細(xì)胞增生性李斯特氏菌(簡稱單增李斯特菌),檢測限為103CFU·mL-1,可在40 min內(nèi)完成所有測試.賈飛等[39]利用酰胺反應(yīng)將銅綠假單胞菌適配體結(jié)合在超順磁性納米材料表面實(shí)現(xiàn)了對銅綠假單胞菌的定量檢測,T2隨銅綠假單胞菌菌液生物量濃度線性變化,檢測范圍為102～106CFU·mL-1.李云霞[40]將單增李斯特菌抗體與Fe/Fe3O4和 Fe3O4磁性納米粒子連接制成納米傳感器,其快速檢測的線性檢測范圍為1～103CFU·mL-1.ZHANG等[41]構(gòu)建了一個基于Fe3O4納米粒子簇(NPC)催化的檢測單增李斯特菌的信號放大生物傳感器,單增李斯特菌檢測線性范圍為5.4×103～1×108CFU·mL-1,檢測限為5.4×103CFU·mL-1.表2為食品微生物定量檢測相關(guān)參數(shù).核磁共振技術(shù)檢測微生物不需要增菌,整個檢測時間不到1 h,在食品微生物檢測領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景.

表2 食品微生T2定量檢測相關(guān)參數(shù)

3 T1檢測的應(yīng)用

T2測量速度快但存在靈敏度低,檢測濃度范圍窄的問題.T1檢測由于耗時長而無法應(yīng)用于快速檢測,但從物理機(jī)理上看,通過T1檢測所獲得的有用信息比T2檢測更豐富.T1檢測具有較深的組織穿透能力和較高的空間分辨能力,多用于醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域[42].KINDVALL等[43]利用T1檢測研究年齡和性別對肺健康的影響.RAUHALAMMI等[44]使用核磁共振成像的T1來評估不同性別和不同年齡成人的心肌健康.而在最近的研究中發(fā)現(xiàn)T1檢測也可用于對微生物的檢測.

3.1 T1檢測的靈敏度和檢測范圍

圖1 MnO2-T1與Fe3O4-T2傳感器檢測PCT靈敏度與線性測量范圍對比圖[46]

陶珊珊[45]運(yùn)用MnO納米顆粒表面連接特異性抗體來檢測單增李斯特菌,檢測線性范圍為10～103CFU·mL-1.LIU等[46]用MnO2納米顆粒和抗壞血酸(AA)之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)釋放Mn2 +,增強(qiáng)T1信號,檢測限更低,線性范圍更大.MnO2-T1傳感器檢測降鈣素原(PCT)的檢測限質(zhì)量濃度(CPCT)為0.025 ng·mL-1.而傳統(tǒng)的Fe3O4-T2傳感器的檢測限為0.820 ng·mL-1,MnO2-T1傳感器與之相比檢測限提高了33倍.不但如此,其信號線性范圍也呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢.當(dāng)PCT質(zhì)量濃度達(dá)到2000 ng·mL-1時,過量的抗原導(dǎo)致T2響應(yīng)信號(ΔT2)減弱.MnO2-T1傳感器克服了這個缺陷,由于T1信號只與MnO2納米顆粒數(shù)量有關(guān),即使其質(zhì)量濃度達(dá)到2000 ng·mL-1,仍能出現(xiàn)檢測響應(yīng)信號(ΔT1),如圖1所示.

3.2 T1檢測提高靈敏度及擴(kuò)大檢測范圍的原理

LIU等[46]認(rèn)為MnO2納米結(jié)構(gòu)中含Mn的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Mn2 +,可以有效地放大磁輸出信號,從而提高納米磁傳感器的靈敏度,其轉(zhuǎn)化反應(yīng)式如圖2所示.

圖2 MnO2轉(zhuǎn)化為Mn2 +反應(yīng)式

圖3 點(diǎn)擊反應(yīng)(四嗪與環(huán)烯烴的反應(yīng))反應(yīng)式

MnO2釋放的Mn2+納米組裝具有較強(qiáng)產(chǎn)生T1信號的能力,一方面點(diǎn)擊反應(yīng)(四嗪與環(huán)烯烴的反應(yīng))可增加MnO2納米粒子與靶標(biāo)的結(jié)合免疫反應(yīng),反應(yīng)式如圖3所示.另一方面大量釋放Mn2+,增加了Mn的配位數(shù)與周圍的水分子.改進(jìn)后的T1檢測具有更高的靈敏度和更寬的檢測范圍,在食品安全定量檢測中有非常大的研究潛力和應(yīng)用前景.

4 結(jié) 語

LF-NMR技術(shù)在食品摻假、食品保鮮、化學(xué)污染物、微生物等方面的檢測中得到廣泛應(yīng)用,T2檢測速度快但靈敏度低,檢測濃度范圍窄;改進(jìn)后的T1檢測具有更高的靈敏度和更寬的檢測范圍.目前,磁納米粒子在制備過程中存在粒徑分布不均一、重復(fù)性差、親水性差、磁核的生物相容性差等缺點(diǎn),使磁傳感器的穩(wěn)定性變差.適當(dāng)?shù)男揎椏梢愿纳拼偶{米粒子的親水性和穩(wěn)定性,并提高磁納米粒子與目標(biāo)物的識別特異性,以及檢測效率和靈敏度.但修飾會導(dǎo)致磁性減弱,有待解決.此外,采用結(jié)合不同的物理特性(磁學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)信號等)的復(fù)合納米粒子可提高檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性,開發(fā)復(fù)合磁納米粒子的多模式檢測方法是未來發(fā)展的方向.