磁弛豫開關(guān)納米傳感器在食品安全檢測中的研究進(jìn)展

汪 榮，許 宙，陳艷秋，陳茂龍，朱穎越，丁 利，程云輝,*

（1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院，湖南 長沙 410114;2.菲鵬生物股份有限公司，廣東 東莞 523808;3.常熟理工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

重金屬離子、違禁添加物以及農(nóng)獸藥、毒素等有機(jī)污染物會(huì)在食物鏈的頂端累積，嚴(yán)重危害著公眾健康[1-4]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)和電化學(xué)傳感器作為一種可實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)檢測的方法而被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域，已成為食品安全快速檢測的發(fā)展方向之一[5-7]。然而，由于受介質(zhì)干擾，光學(xué)和電化學(xué)傳感器均需要復(fù)雜的前處理步驟。相比起來，基于磁弛豫開關(guān)的傳感器不僅不需要復(fù)雜而繁瑣的純化步驟，而且由于實(shí)際樣品的磁學(xué)性質(zhì)可忽略不計(jì)，因此還可以實(shí)現(xiàn)無背景干擾檢測[8]。磁納米顆粒由聚集變?yōu)榉稚顟B(tài)可引起周圍水環(huán)境發(fā)生改變，從而可通過監(jiān)測磁納米顆粒周圍水質(zhì)子橫向弛豫時(shí)間的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子[9-10]、農(nóng)獸藥殘留[11]、小分子有害物[12]、致病菌[13-16]等食品危害因子的檢測。本文主要介紹了磁弛豫傳感器的檢測原理以及在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。

1 磁弛豫開關(guān)納米傳感器檢測機(jī)理

在外部磁場B0存在的情況下，一小部分氫核與B0平行排列，水質(zhì)子氫核開始產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)。當(dāng)射頻脈沖垂直作用于B0時(shí)，平行的氫核會(huì)吸收能量并被激發(fā)到不平行的狀態(tài)。移除了射頻脈沖后，被激發(fā)的氫核又能逐漸回到平行狀態(tài)。弛豫過程有兩種，分別為縱向弛豫和橫向弛豫?？v向弛豫時(shí)間T1被認(rèn)為是沿Z軸方向從零磁化開始逐漸增加到最大值（M0）63%的時(shí)間;橫向弛豫時(shí)間T2則被定義為橫向磁化率降至初始值37%的時(shí)間。水溶液中磁納米粒子的加入會(huì)縮短水質(zhì)子核的T1和T2，這是因?yàn)榇判栽煊安牧系募尤霑?huì)導(dǎo)致磁場的不均一性，從而加速水質(zhì)子的弛豫速率，改變相應(yīng)的弛豫時(shí)間。磁納米粒子縮短T1和T2的能力分別用縱向弛豫率（r1）和橫向弛豫率（r2）來定義。通常來說，磁納米粒子的r2大于r1。除此以外，磁性造影材料由分散狀態(tài)改變?yōu)榫奂癄顟B(tài)時(shí)會(huì)導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間T2發(fā)生改變。因此，磁弛豫開關(guān)納米傳感器常常通過檢測T2的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物濃度的定量檢測。

磁納米顆粒在水溶液中由分散狀態(tài)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁場的不均一性，從而加速水質(zhì)子的弛豫速率，進(jìn)一步導(dǎo)致其周圍水質(zhì)子的橫向弛豫時(shí)間（T2）發(fā)生顯著變化。其表面經(jīng)過特異性適配體/互補(bǔ)鏈、抗原/抗體等生物識(shí)別單元特定修飾后，功能化的磁納米顆?？赏ㄟ^生物識(shí)別作用使體系中聚集（或分散）的磁納米顆粒變?yōu)榉稚ⅲɑ蚓奂顟B(tài)。隨著體系中目標(biāo)物濃度的增加，聚集或分散狀態(tài)的磁納米顆粒相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間改變。因此，可通過橫向弛豫時(shí)間的變化與目標(biāo)物濃度之間的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)危害因子的檢測[17-18]（圖1）。

圖 1 磁弛豫開關(guān)傳感原理[17-18]Fig. 1 Schematic diagram of magnetic relaxation switch sensing[17-18]

對(duì)于基于磁弛豫開關(guān)的傳感器而言，T2的變化是由一定濃度的目標(biāo)分析物存在時(shí)體系中磁性納米顆粒的聚集程度和分離程度決定的。早些年前，Koh等[19]提出了下述兩個(gè)理論來解釋這一機(jī)理：1）隨著磁性納米材料聚集程度的增加，橫向弛豫時(shí)間T2減小;2）隨著磁性納米材料聚集程度的增加，橫向弛豫時(shí)間T2增加。磁性納米材料隨著粒徑（10～100 nm）的增加可能會(huì)產(chǎn)生更高的磁矩和更大的磁場不均勻性，從而改變相鄰水質(zhì)子的自旋-自旋速率，導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間T2隨磁性粒子的聚集而減小。然而，當(dāng)磁性納米粒子的大小達(dá)到微米級(jí)時(shí)，粒子的數(shù)量相對(duì)較少，而聚集物數(shù)量則增大了很多，使得磁性納米粒子周圍的水質(zhì)子沒有“經(jīng)歷”磁場的不均勻性，因而測得的橫向弛豫時(shí)間T2隨著磁性粒子的聚集而增加[19]。但研究者發(fā)現(xiàn)除了受磁性納米粒子的粒徑影響外，目標(biāo)物的大小對(duì)系統(tǒng)的弛豫反應(yīng)也有重要影響。當(dāng)納米粒子與一個(gè)8 nm大小的小粒徑目標(biāo)物結(jié)合時(shí)，橫向弛豫時(shí)間T2降低，而與900 nm大小的大粒徑目標(biāo)物結(jié)合后，橫向弛豫時(shí)間T2反而會(huì)增加。在此基礎(chǔ)上，Min等[20]根據(jù)聚集物的大小又提出了兩種類型。當(dāng)材料中鐵濃度固定時(shí)，如果團(tuán)簇尺寸小于100 nm，T2隨團(tuán)簇尺寸的增加而減小，此時(shí)稱之為運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài);如果聚集物的粒徑在100～1 000 nm范圍內(nèi)，橫向弛豫時(shí)間T2將隨聚集物粒徑的增大而增加，此時(shí)稱之為靜態(tài)相散狀態(tài)。但當(dāng)聚集物的粒徑仍然繼續(xù)增大時(shí)，T2也增加，此時(shí)為有限重復(fù)狀態(tài)。這種理論較之前更為系統(tǒng)全面，但通用性不高。目前，人們普遍認(rèn)為Brooks等[21-22]提出的強(qiáng)磁化的化學(xué)交換模型更適合用于解釋磁弛豫開關(guān)原理，根據(jù)超順磁納米粒子的理論，將超順磁納米粒子分為強(qiáng)磁化粒子和弱磁化粒子。為了更好地理解化學(xué)交換模型，τD和ΔWr這兩個(gè)參數(shù)尤其重要。τD是水分子在納米粒子周圍的平移擴(kuò)散時(shí)間（τD=Ra2/D，Ra為納米粒子半徑，D為水?dāng)U散系數(shù)）。ΔWr是從納米粒子表面結(jié)合位點(diǎn)到磁中心距離為r的角頻率的變化值。當(dāng)滿足ΔWr×τD＜1時(shí)，適用于動(dòng)態(tài)平衡模型，橫向弛豫時(shí)間T2隨聚集物尺寸的增加而減小。然而，磁納米顆粒不再進(jìn)一步聚集時(shí)（ΔWr×τD＞1），在這種情況下T2反而呈增加趨勢。因此，在目標(biāo)物存在的情況下，磁納米粒子聚集會(huì)導(dǎo)致磁場不均勻，從而影響質(zhì)子弛豫，導(dǎo)致橫向弛豫時(shí)間T2發(fā)生改變。因此可根據(jù)加入目標(biāo)物前后水分子橫向弛豫時(shí)間的變化，通過目標(biāo)物濃度和橫向弛豫時(shí)間之間的相關(guān)關(guān)系，采用擬合函數(shù)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，從而得到目標(biāo)物的含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的定量檢測。

2 影響磁性納米顆粒弛豫性能的因素

磁弛豫開關(guān)傳感器的靈敏度與磁性納米材料的橫向弛豫率（r2）呈正相關(guān)，據(jù)報(bào)道，影響磁性納米材料的橫向弛豫率的因素主要有：材料粒徑[23]、元素組成[24]、材料結(jié)構(gòu)等[25]。

研究者提出在一定范圍內(nèi)，粒徑越大的磁納米粒子其質(zhì)量磁化值也會(huì)相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致了橫向弛豫率的增加。Jun等[26]研究了磁納米粒子的粒徑對(duì)橫向弛豫率的影響。隨著粒徑從4 nm分別增加到6、9、12 nm時(shí)，四氧化三鐵納米粒子的質(zhì)量磁化值也從25 emu/g增加到42、80、101 emu/g。Fe3O4納米粒子的質(zhì)量磁化程度越高，其橫向弛豫率也越大。結(jié)果表明，隨著質(zhì)量磁化值的增加，r2從78 L/（mmol·s）分別增加至106、130、218 L/（mmol·s）。MnFe2O4也表現(xiàn)出了同樣的粒徑效應(yīng)。

另一種提高磁化強(qiáng)度的策略是改變材料的元素組成，通過將具有較高磁矩的化學(xué)摻雜劑引入磁納米材料中，納米材料自身磁矩越高，其磁學(xué)性能更優(yōu)異。Lee等[27]報(bào)道了12 nm八面體的磁性氧化鐵納米粒子中Fe2+被Mn2+、Co2+和Ni2+所替代后，其自旋磁矩大小分別為5、3、2 μB，它們的質(zhì)量磁化值分別為110、99、85 emu/g。相應(yīng)地，由Ni-、Co-、Fe-和Mn-摻雜的納米粒子的r2也從152 L/（mmol·s）增大到了172、218、358 L/（mmol·s）。此外，Jang等[28]還調(diào)控了Zn2+和Mn2+在基于Fe2+的磁納米粒子中的摻雜比，在(ZnxM1-x)Fe2O4（M為Mn2+或 Fe2+）的納米粒子中，Zn2+占比為0.4時(shí)，質(zhì)量磁化值最大，為175 emu/g，r2達(dá)到676 L/（mmol·s）。

除了上述兩種方法外，材料的結(jié)構(gòu)也能影響磁性納米材料的磁學(xué)性能，研究者發(fā)現(xiàn)采用高質(zhì)量磁化值的核、殼材料制備核殼結(jié)構(gòu)的磁納米粒子也可增強(qiáng)其磁學(xué)特性[29-32]。比起多疇結(jié)構(gòu)，含F(xiàn)e、Co、Ni納米粒子單域結(jié)構(gòu)的自旋在沒有各向異性能量項(xiàng)和域壁移動(dòng)的情況下，會(huì)向同一個(gè)方向排列。因此，含F(xiàn)e、Co、Ni的納米粒子比傳統(tǒng)的釓等順磁性納米粒子具有更高的磁矩。然而，由于它們?cè)谒h(huán)境中不穩(wěn)定，因此不能被直接應(yīng)用[33-34]。當(dāng)修飾上其他金屬或氧化鐵外殼后，由于膠體穩(wěn)定性增加，核心的強(qiáng)磁矩才能得以保留。Lee等[35]報(bào)道了核/殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，保護(hù)鐵核免受氧化。通過改變殼層的組成，F(xiàn)e@Fe3O4、Fe@MnFe2O4以及Fe@CoFe2O4納米粒子均被成功制備。這些核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子的質(zhì)量磁化值均大于氧化鐵納米粒子，其中Fe@MnFe2O4納米粒子的質(zhì)量磁化值最大。

3 基于磁弛豫開關(guān)納米傳感器在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，研究者們通過將生物傳感器、納米技術(shù)與生物識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域方面的研究報(bào)道較多，基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器也已成功應(yīng)用于重金屬離子、小分子有害物以及致病菌等食品安全領(lǐng)域中多種危害因子的檢測。

3.1 檢測重金屬離子

土壤以及水體中重金屬離子粒子的污染間接導(dǎo)致了食物中重金屬超標(biāo)嚴(yán)重，進(jìn)一步通過食物鏈危害人體健康，因此對(duì)重金屬離子的監(jiān)測顯得尤為重要。Yang Yan等[36]成功制備了3-(3,4-二羥基苯基)丙酸（3-(3,4-dihydroxyphenyl)propionic acid，DHCA）修飾的Fe/Fe3O4納米顆粒并開發(fā)了用于檢測飲用水中Pb2+的磁傳感器（圖2）。DHCA的羧基對(duì)Pb2+的配位行為具有很強(qiáng)的親和力，從而誘導(dǎo)Fe/Fe3O4納米粒子從分散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)，在40～100 μmol/L和130～200 μmol/L的范圍內(nèi)均表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)。Xu Liguang等[37]也基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器對(duì)飲用水中的Pb2+進(jìn)行檢測，其線性范圍為0.1～20 ng/mL，檢測限低至0.055 ng/mL?；谛》肿优潴w與重金屬離子的特異性配體配合，Zhang Yang等[38]研制出了具有高選擇性的磁弛豫開關(guān)納米傳感器。利用Cd2+誘導(dǎo)的三唑衍生物共軛(Zn, Mn)Fe2O4納米粒子的聚集，通過測量T2的相應(yīng)變化，得到基于磁弛豫開關(guān)的檢測Cd2+的納米傳感器。除了上述重金屬離子，該方法還可以用于檢測Hg2+、Cu2+[39]，Ma Wenwei等[40]開發(fā)了一種易于應(yīng)用且靈敏的傳感器，基于磁性納米顆粒和寡核苷酸檢測飲用水中Hg2+殘留物。

圖 2 基于DHCA-Fe/Fe3O4納米粒子檢測鉛離子[36]Fig. 2 Detection of lead ions based on DHCA-Fe/Fe3O4 nanoparticles[36]

3.2 檢測小分子有害物

不法分子在食品中的非法添加以及高溫高壓造成的食品接觸材料中有害小分子的遷移等因素導(dǎo)致諸多安全質(zhì)量問題產(chǎn)生，因此食品監(jiān)控的嚴(yán)把關(guān)需要更為精確、快速的檢測技術(shù)。Chen Yiqiang等[41]使用金納米粒子-鏈霉抗生物素蛋白綴合物和磁性納米粒子開發(fā)了一種磁弛豫開關(guān)免疫傳感器，用于檢測豬尿樣本中的沙丁胺醇，其線性范圍為5～200 ng/mL，檢測限為10 pg/mL。與酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)相比，這種免疫傳感器能夠以更高的靈敏度實(shí)現(xiàn)更快的檢測，為快速檢測小分子提供了一個(gè)很有前景的平臺(tái)。考慮到三嗪與三聚氰胺之間的三氫鍵，Shen Jinchao等[12]合成了核殼Fe@Fe3O4納米粒子，基于三聚氰胺與(2,4,6-三氧代-1,3,5-三嗪-1-基)乙酸（(2,4,6-trioxo-1,3,5-triazin-1-yl) acetic acid，TTAA）之間特殊的三重氫鍵誘導(dǎo)TTAA-Fe/Fe3O4納米粒子的聚集，引起納米粒子周圍水質(zhì)子的自旋-自旋弛豫時(shí)間（T2）的增加。利用小分子配體對(duì)靶點(diǎn)的高特異性等，開發(fā)了一種基于磁弛豫開關(guān)原理檢測三聚氰胺的納米傳感器，檢測限低至2 μmol/L（圖3）。Chen Yiping等[11]開發(fā)了一種基于磁弛豫開關(guān)原理用于檢測牛奶中的卡那霉素的快速、靈敏、簡便的免疫傳感器。根據(jù)橫向弛豫時(shí)間的變化與目標(biāo)物質(zhì)量濃度之間的關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)對(duì)卡那霉素的靈敏檢測，檢測范圍為1.5～25.2 ng/mL，檢測限為0.1 ng/mL，其分析時(shí)間僅需45 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于需耗時(shí)6～8 h的酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)，大幅節(jié)約了時(shí)間成本。Ma Wei等[42]開發(fā)了一種基于核磁共振的免疫傳感器快速靈敏地檢測太湖水中的微囊毒素，其線性范圍為1～18 ng/g，檢測限為0.6 ng/g。由于該理論的簡單性和該方法的易操作性，它可能成為快速篩選水樣中毒素的潛在候選者，并且可能得到更廣泛的應(yīng)用。

圖 3 基于TTAA-Fe/Fe3O4納米粒子檢測三聚氰胺[12]Fig. 3 Detection of melamine based on TTAA-Fe/Fe3O4 nanoparticles[12]

3.3 檢測致病菌

致病菌污染是食品安全領(lǐng)域最常見，也是涉及面最廣的問題[43]。為了提高基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器的靈敏度和重現(xiàn)性，Chen Yiqiang等[44]報(bào)道了一種與磁分離結(jié)合的磁弛豫開關(guān)納米傳感器用于一步檢測牛奶中的腸道沙門氏菌（圖4）。采用0.01 T的磁場將直徑為250 nm的抗體共軛磁珠（MB250）與直徑為30 nm的抗體共軛磁珠（MB30）分離，可通過MB30周圍的水分子T2的信號(hào)幅度反映。比起常規(guī)的磁弛豫傳感器，這種結(jié)合磁分離的磁弛豫傳感器的檢測限降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，檢測范圍增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。Zou Dengchao等[16]也開發(fā)了基于核磁共振的Fe3O4納米簇生物傳感器用于沙門氏菌檢測，其線性范圍為105～107CFU/mL，檢測限為105CFU/mL。此外，水分子的T2在MB30附近較穩(wěn)定也保證了這種的磁分離的磁弛豫納米傳感器的可重復(fù)性。Jia Fei等[13]報(bào)道了一種可用于快速靈敏測定雞肉樣品中食源性病原體銅綠假單胞菌的磁弛豫開關(guān)適配體傳感器。由于銅綠假單胞菌的特異性適體與超順磁性氧化鐵納米顆粒發(fā)生共價(jià)結(jié)合，與銅綠假單胞菌孵育時(shí)，它們將被適體特異性捕獲，從而形成超順磁性納米粒子聚集體，根據(jù)自旋-自旋弛豫時(shí)間的改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)銅綠假單胞菌的定量檢測，其線性范圍為102～106CFU/mL，檢測限為50 CFU/mL。Zhao Yu等[15]基于單核細(xì)胞增生李斯特菌和抗體修飾納米粒子之間特異性結(jié)合誘導(dǎo)的生物功能化磁性納米粒子的聚集，開發(fā)了一種準(zhǔn)確可靠的檢測奶粉、生菜樣品中單核細(xì)胞增生李斯特菌的方法。該方法的檢測限為3 MPN（使用最可能數(shù)測定法），并且功能化的Fe/Fe3O4納米顆粒對(duì)其他干擾細(xì)菌的存在表現(xiàn)出高特異性。表1為磁弛豫開關(guān)傳感器用于檢測部分食品中危害因子的總結(jié)。

圖 4 基于不同大小的磁納米粒子檢測檢測腸道沙門氏菌[44]Fig. 4 Detection of intestinal Salmonella based on magnetic nanoparticles of different sizes[44]

表 1 磁弛豫開關(guān)傳感器用于檢測部分食品中危害因子匯總Table 1 Magnetic relaxation switch sensors for detecting hazard factors in foods

3.4 檢測其他目標(biāo)物

除表1所歸納的檢測重金屬離子、小分子有害物以及致病菌以外，磁弛豫開關(guān)傳感器也被廣泛應(yīng)用于檢測蛋白質(zhì)[45-47]、細(xì)胞[48-49]、核酸[50-51]以及酶活力[52-53]等。由于其并不依賴于光學(xué)信號(hào)，而且生物樣本自身的磁學(xué)信號(hào)可忽略不計(jì)，可極大減少背景對(duì)樣品檢測帶來的干擾，因此基于磁弛豫開關(guān)原理的納米傳感器不僅在食品安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在醫(yī)學(xué)診斷及成像、生物環(huán)境等方面的應(yīng)用也備受研究者關(guān)注，隨著研究的繼續(xù)深入和不斷拓展，磁弛豫開關(guān)傳感器將在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

4 結(jié) 語

隨著核磁共振技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)理論研究的不斷深入，各種基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。具有高選擇性和高性能的磁性納米材料的深度開發(fā)[54]，使得基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器將能夠在更多復(fù)雜系統(tǒng)中適應(yīng)更廣泛的目標(biāo)，也為食品安全的質(zhì)量保障和控制提供了更多的可能性。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展以及多學(xué)科的交叉融合，基于磁弛豫開關(guān)的納米傳感器會(huì)朝著高通量、高靈敏、選擇性強(qiáng)以及原位實(shí)時(shí)檢測的方向不斷改進(jìn)，也將在眾多領(lǐng)域得到進(jìn)一步的拓展和深入。