納米金-羅丹明B協(xié)同作用在食品安全快速檢測中的研究概述

常曉曦，王佳，宋楊，陶曉奇,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué) 藥學(xué)院，重慶，400715) 3(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

食品安全問題是全球公共性衛(wèi)生安全問題，與民生直接相關(guān)。近年來，我國在食品安全方面不斷進(jìn)步，食品工業(yè)產(chǎn)值也逐漸增長，但仍有較多的食品安全惡性事件發(fā)生。這不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并且危害了人們的身心健康，食品安全問題也持續(xù)成為社會(huì)焦點(diǎn)問題[1-2]。因此，研究快速、準(zhǔn)確地檢測食品中有毒有害物質(zhì)的方法，以預(yù)防和控制危害事件的發(fā)生，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值[3]。目前食品安全檢測中常用的分析方法有化學(xué)分析法(chemical method of analysis, CA)，薄層層析法(thin layer chromatography, TLC)[4]，氣相色譜法(gas chromatography, GC)[5]，質(zhì)譜法(mass spectrometry, MS)[6]，高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)[7]等。前2種方法靈敏度較低，后者儀器方法前處理復(fù)雜，耗時(shí)長，成本高，并且需要專業(yè)知識(shí)和操作技能。常見的快速檢測方法有酶抑制法[8]，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法(polymerase chain reaction, PCR)[9]和酶聯(lián)免疫吸附測定(enzyme linked immunosorbent assay, ELISA)[10]等，這些方法均存在各自的局限性，酶抑制法和ELISA易受生物酶活性不穩(wěn)定因素的影響，PCR對實(shí)驗(yàn)條件和操作要求較高，不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測。

隨著納米技術(shù)的逐步成熟，納米材料得到了越來越多的關(guān)注。金納米粒子(gold nanoparticles, GNPs)是一種應(yīng)用廣泛的光學(xué)納米材料，其制備方法簡單成熟，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求低，催化活性高且生物相容性好，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[11]，利用GNPs作為傳感平臺(tái)設(shè)計(jì)分子探針在熒光[12]、電分析[13]、表面等離子共振[14]等研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。羅丹明B(rhodamine B, RB)是一種無毒的熒光染料，具有較好的水溶性、較高的消光系數(shù)和量子產(chǎn)率[15]，可作為性能優(yōu)良的熒光探針。

GNPs的表面有大量的高活性位點(diǎn)，很容易與其他原子結(jié)合[16]，帶正電荷的RB分子可以通過靜電作用吸附到帶負(fù)電荷的GNPs表面[17]。一方面，RB的發(fā)射光譜與GNPs的吸收光譜明顯重疊，因此RB與GNPs之間能發(fā)生有效的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)[18]使得RB的熒光信號發(fā)生改變；另一方面，RB對GNPs的吸附和解離會(huì)影響GNPs的分散和聚集狀態(tài)，從而導(dǎo)致RB-GNPs溶液顏色的變化[19]。此外，兩者的相互作用還能引起化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和電化學(xué)信號的變化。因此，GNPs-RB協(xié)同作用被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測中，本文主要介紹了其基于幾種不同的原理和信號在重金屬粒子、農(nóng)獸藥、非法添加物和外源性化學(xué)污染物等有毒有害物質(zhì)檢測中的應(yīng)用，均具有較好專一性和高效性。

1 基于熒光分析法和分光光度法的檢測

1.1 基于熒光分析法的檢測

熒光分析法是基于GNPs與RB相互作用可導(dǎo)致RB熒光增強(qiáng)或淬滅的原理，建立熒光信號強(qiáng)度與靶標(biāo)物質(zhì)濃度的線性關(guān)系[20]，通過觀測熒光強(qiáng)度的變化從而對靶標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行定量檢測的方法，該方法具有較高的靈敏度、專一性，并且操作簡便。

XU等[21]基于未結(jié)合和結(jié)合的適配體對GNPs親和力的不同來調(diào)節(jié)RB和GNPs之間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的FRET效率，從而達(dá)到檢測多巴胺的目的。當(dāng)不存在靶標(biāo)時(shí)，適配體可以與GNPs結(jié)合保護(hù)GNPs不受鹽離子誘導(dǎo)的聚集，同時(shí)RB的熒光保持淬滅。當(dāng)多巴胺存在時(shí)，適配體與多巴胺特異性結(jié)合使適配體失去了穩(wěn)定GNPs的能力，鹽離子誘導(dǎo)GNPs聚集，同時(shí)降低了其淬滅RB熒光的能力，熒光恢復(fù)。該方法的檢測線性范圍可達(dá)到26～2.9×103nmol/L，檢測限(limit of detection, LOD)為2 nmol/L，該方法線性范圍較寬，且與基于適配體的比色法相比，靈敏度提高了30倍。將該方法用于雞肝樣品中的多巴胺的檢測時(shí)，其回收率為91.4%～103.5%，變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)為0.9%～2.3%，表明該方法對于實(shí)際樣品中多巴胺的篩選具有高重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性。ZHAN等[22]利用無規(guī)則卷曲的適配體與Ag+結(jié)合時(shí)導(dǎo)致GNPs聚集狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)影響RB的熒光強(qiáng)度，從而達(dá)到檢測銀離子的目的。RB的熒光強(qiáng)度與Ag+的濃度在2.73～1 500 μg/L線性相關(guān)，LOD為2.73 μg/L。使用該方法檢測水樣中的Ag+時(shí)平均回收率為99.9%～102.7%，CV為3.49%～5.21%。呂晶等[23]用同樣的傳感裝置檢測水樣中的氨芐青霉素，該方法的檢測范圍為0.494～2 000 nmol/L，LOD為0.494 nmol/L，回收率為89.84%～114.51%，CV為1.19%～3.79%。這些方法均具有線性范圍寬，靈敏度高，重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，且不需進(jìn)行復(fù)雜的偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)操作性強(qiáng)，耗時(shí)短。

TIRA等[24]以包被了RB的GNPs為探針建立了熒光傳感器以檢測飲用水中的Zn2+，RB通過靜電作用吸附在GNPs的表面，Zn2+存在時(shí)，Zn2+與GNPs更強(qiáng)的作用力使RB從GNPs上釋放得到熒光的恢復(fù)，該方法的LOD為0.05 mg/L，線性范圍為0.01～0.1 mg/L。ZHENG等[25]使用巰基乙酸(TGA)修飾分散的GNPs，使GNPs的水溶性和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，通過FRET淬滅RB的熒光，而Hg2+的濃度與RB熒光強(qiáng)度的恢復(fù)成正比，以此原理檢測水中的Hg2+。該方法的LOD為4.0×10-10mol/L，線性范圍為1.0×10-9～3.1×10-8mol/L，回收率為98%～104%， Hg2+濃度為5.0×10-9mol/L時(shí)CV為1.2%。該方法可通過調(diào)整RB-GNPs傳感器的濃度改變線性范圍，適應(yīng)不同的檢測需要。

1.2 基于分光光度法的檢測

GNPs表面可吸附染料后在可見光譜區(qū)同時(shí)具有GNPs和染料的特定吸收，因此GNPs-染料復(fù)合物可用作光譜檢測的傳感器。GNPs吸附染料后，表面電荷被中和導(dǎo)致部分發(fā)生凝聚。當(dāng)金屬離子存在時(shí)，若金屬離子如Hg2+和染料的相互作用強(qiáng)于GNPs和染料的相互作用，則Hg2+能奪取GNPs表面的染料分子，使凝聚的GNPs重新分散；反之，如Pb2+，Cd2+，Mn2+，Zn2+，它們與染料的相互作用弱于GNPs和染料之間的相互作用，則加劇GNPs的凝聚。裴智明等[26]研究了在不同pH下將GNPs與RB等不同染料結(jié)合，構(gòu)建具有一系列特征光譜的GNPs-染料傳感器陣列，該方法通過紫外—可見分光光度計(jì)測定實(shí)現(xiàn)了對水中Hg2+的識(shí)別，LOD為0.2 μmol/L(1%)。

1.3 基于熒光和分光光度雙讀數(shù)法的檢測

待測物影響RB對GNPs的吸附和解離，不僅可以導(dǎo)致RB熒光的變化，還會(huì)影響RB-GNPs溶液顏色的變化，可以通過比色和熒光雙讀數(shù)達(dá)到對靶標(biāo)更靈敏和專一性的檢測。LIU等[27]使用比色和熒光雙讀數(shù)法檢測了有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥。RB吸附在GNPs上，RB與GNPs之間的作用力使RB的熒光淬滅，乙酰膽堿酯酶水解硫代乙酰膽堿生成乙酰膽堿，相比RB能更強(qiáng)地結(jié)合到GNPs表面，使RB從GNPs上解離，導(dǎo)致熒光恢復(fù)，同時(shí)GNPs發(fā)生聚集，溶液變?yōu)樗{(lán)色。不同濃度有機(jī)磷農(nóng)藥的存在會(huì)不同程度地抑制乙酰膽堿酯酶的水解作用，使RB的熒光和RB-GNPs溶液顏色呈現(xiàn)線性變化，使用熒光分光光度計(jì)和紫外—可見分光光度計(jì)可進(jìn)行定量檢測。作者用這種雙讀數(shù)機(jī)制檢測了西維因，二嗪農(nóng)，馬拉硫磷和甲拌磷，LOD分別為0.1、0.1、0.3、1 μg/ L，將此方法用于蘋果汁、黃瓜和西紅柿等真實(shí)樣本的檢測，得到了很好的響應(yīng)。DONG等[28]基于熒光和比色雙讀數(shù)機(jī)制檢測了卡塔普殘留物(cartap)，RB的熒光通過FRET被GNPs淬滅，而cartap與GNPs有良好的親和力，cartap存在時(shí)會(huì)誘導(dǎo)GNPs聚集，溶液顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色，同時(shí)RB的熒光得到恢復(fù)。用該方法檢測cartap的線性范圍為1～180 nmol/L，LOD為0.88 nmol/L。將此方法用于自來水、河水和卷心菜等樣品中時(shí)，平均回收率為96.75%～100.37%，CV為2.46%。CAO等[29]同樣用熒光和比色雙讀數(shù)的機(jī)制建立了檢測三聚氰胺的方法，比色法的線性范圍為1.3×102～1.3×103μg/L，LOD為20 μg/L。相比之下熒光法的線性范圍較好，為5～1 000 μg/L，LOD低至0.18 μg/L，CV為2.1%。使用該方法檢測牛奶和奶粉等樣本，當(dāng)三聚氰胺的濃度為5、20、1 000 μg/L時(shí)，回收率為95.9%～102.2%，CV為0.8% ～3.0%，三聚氰胺的濃度為50 μg/L時(shí)，CV為3.4%。

熒光法具有靈敏度高，檢測限低[30]，操作簡便，成本低廉，專一性強(qiáng)，線性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；分光光度法操作簡便，快速，但是靈敏度較低，并且檢測的線性范圍較窄。而熒光和分光光度法雙讀數(shù)可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)果更可靠，靈敏度高，肉眼可觀察到變化，操作簡便，線性范圍較廣，有著良好的推廣應(yīng)用潛能。

2 基于化學(xué)發(fā)光分析法的檢測

化學(xué)發(fā)光分析法有較好的靈敏度和選擇性，檢測線性范圍較廣，但是變異較大導(dǎo)致重復(fù)性較差。以上兩種方法分別通過淬滅型(turn off)和增強(qiáng)型(turn on)[33]反應(yīng)模式來表征化學(xué)發(fā)光信號的變化?！皌urn off”模式下，探針本身具有較強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光信號，與待測物作用后導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光減弱甚至消失；“turn on”模式下，探針本身沒有或僅有很弱的化學(xué)發(fā)光信號，與被測物作用后導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光信號的增強(qiáng)。相比之下，“turn on”模式優(yōu)于“turn off”模式[34]，“turn off”策略易被樣品中的其他成分干擾，造成假陽性，有一定的局限性，“turn on”策略的線性范圍更廣，而且探針本身弱的化學(xué)發(fā)光可以降低背景信號，增強(qiáng)探針的靈敏度。

3 基于電化學(xué)分析法的檢測

GNPs與RB之間電化學(xué)信號的變化也作為傳感信號來檢測食品中的有害物質(zhì)殘留[35-36]。PENG等[37]通過羅丹明B酰肼(RBH)的氨基與GNPs之間的強(qiáng)作用力將其包被在GNPs表面，在Cu2+存在時(shí)，RBH中的芘基團(tuán)在RBH釋放過程中與Cu2+發(fā)生配位作用，產(chǎn)生電化學(xué)信號的變化。該方法實(shí)現(xiàn)了對水中Cu2+的定量檢測，檢測限達(dá)到12.5 fmol/L，并在0.1 pmol/L～1 nmol/L具有良好的線性關(guān)系，添加回收率為89%～110%。電化學(xué)分析法靈敏度高，穩(wěn)定性好，再生性強(qiáng)，有很好的選擇性和較寬的線性范圍，電化學(xué)生物傳感器的自動(dòng)化、微型化和集成化使其具有很大的發(fā)展?jié)摿38]。

4 展望

食品安全隱患不容小覷，對食品質(zhì)量的監(jiān)控更是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，因此開發(fā)快速檢測食品中有毒有害物質(zhì)的研究是非常必要的。食品快速檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢將是高度靈敏、快速和集約化[39]。

納米尺寸上的生物分析化學(xué)一直是國際分析科學(xué)領(lǐng)域研究的前沿，利用納米材料來進(jìn)行相關(guān)的食品檢測，相比于傳統(tǒng)的方法有操作簡便，檢驗(yàn)周期短，成本低和適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。GNPs-RB協(xié)同作用是一種高效，快速且準(zhǔn)確的檢測方法，可通過多種信號實(shí)現(xiàn)檢測的目的，目前在熒光法和比色法上的應(yīng)用較為廣泛。GNPs作為一種性能優(yōu)良的信號探針，還有很多方面值得探索發(fā)現(xiàn)，例如如何制備尺寸小、粒徑均一、高度分散、穩(wěn)定性好和易于分離回收的GNPs[40-42]以得到更簡單、穩(wěn)定、靈敏性好的探針，微觀尺度上探針信號的放大以及如何利用GNPs對樣品進(jìn)行準(zhǔn)確定量的分析[43]。

除了金納米材料外，其他納米材料例如銀納米材料[44]、二氧化鈦納米材料和二氧化硅納米材料[45]等的應(yīng)用潛力也被不斷挖掘出來，并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的作用。相信隨著納米技術(shù)研究的逐步深入，食品快速檢測能得到更好的發(fā)展，滿足多元檢測、大量篩查的需求，進(jìn)而食品安全得到有效的監(jiān)管。