量子點(diǎn)及基于量子點(diǎn)的分子印跡熒光傳感體系在食品中的應(yīng)用

□ 王青華 齊善厚 衡水學(xué)院 耿春輝 范桂強(qiáng) 衡水市食品藥品檢驗(yàn)檢測中心

食品基質(zhì)復(fù)雜多樣，在加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和銷售過程中，食品會(huì)產(chǎn)生或累積對人體健康不利的物質(zhì)，如農(nóng)藥殘留、重金屬、激素以及非法添加的物質(zhì)等。這些物質(zhì)即使是微量甚至是痕量也會(huì)對人體造成嚴(yán)重的危害。近年來，食品安全事件頻頻發(fā)生，引發(fā)了人們對于食品安全問題的廣泛關(guān)注。食品安全是關(guān)系國計(jì)民生的重大問題，食品安全檢測越來越重要，因此，需要在食品檢測方面建立高效、快速、高靈敏度的檢測方法以保障國家的食品安全。

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多具有特異識(shí)別性能的新型納米材料，提高和改進(jìn)了許多物質(zhì)的分析檢測方法和水平。基于納米材料量子點(diǎn)的分子印跡熒光傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對食品中微量甚至是痕量目標(biāo)分析物的快速、高靈敏、特異性檢測?；诹孔狱c(diǎn)構(gòu)建的傳感系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的一種新型食品安全檢測方法，具有很大的應(yīng)用潛力。

量子點(diǎn)（Quantum dots，QDs）是準(zhǔn)零 維（Quasi-zero-dimensional）的 熒 光納米晶體，在三個(gè)維度上的尺寸均在1～100 nm，量子點(diǎn)一般是由元素周期表中Ⅱ—Ⅵ族（CdS、ZnSe、CdTe、CdSe、HgS等）或者Ⅲ—Ⅴ（如InP、InAs等）族元素組成的半導(dǎo)體材料，又叫半導(dǎo)體納米晶體（Nanocrystals，NCs）。又由于其物理尺寸小于其自身激子的波爾半徑（原子旋轉(zhuǎn)軌道的第一圈半徑），因此將量子點(diǎn)界定為顆粒[1]。量子點(diǎn)具有優(yōu)良的光學(xué)性能，如發(fā)射峰可調(diào)且?guī)遁^窄、光穩(wěn)定性優(yōu)良、熒光量子產(chǎn)率高和生物相容性良好[2]等，被廣泛應(yīng)用于食品、環(huán)境以及醫(yī)藥等分析檢測領(lǐng)域。

分子印跡聚合物（Molecule imprinting polymers，MIP）是一種根據(jù)鎖鑰原理人工合成的具有強(qiáng)特異性的新型高分子材料，也被稱為“分子烙印”。抗原和抗體組成的特異性的天然生物識(shí)別體系中，抗原和抗體都是蛋白，具有穩(wěn)定性差，成本高，易受外界物理化學(xué)條件影響等缺點(diǎn)，在應(yīng)用上具有很大的局限性，為了改進(jìn)這些弊端，根據(jù)抗原抗體特異識(shí)別的原理而發(fā)明了分子印跡技術(shù)。分子印跡聚合物具有不受外界條件的影響、穩(wěn)定性強(qiáng)、制備簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來在物質(zhì)分離和分析檢測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3]。

近些年來，許多研究者們將分子印跡的特異識(shí)別性與熒光檢測的高靈敏度相結(jié)合制備了分子印跡熒光傳感器。該傳感器與傳統(tǒng)的生物傳感器相比，除了具有良好的選擇性和識(shí)別性、高的靈敏性，還具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和檢測成本低、檢測時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此將分子印跡技術(shù)和量子點(diǎn)聯(lián)用構(gòu)建分子印跡熒光傳感體系已成為食品安全、環(huán)境檢測和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

本研究將對量子點(diǎn)在食品方面的應(yīng)用及將量子點(diǎn)和分子印跡技術(shù)聯(lián)用在食品中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 量子點(diǎn)在食品科學(xué)方面的應(yīng)用

量子點(diǎn)在生物科學(xué)方面的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟和完善，近年來科學(xué)家們開始研究量子點(diǎn)在食品科學(xué)方面的應(yīng)用，量子點(diǎn)在食品科學(xué)方面將具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.1 食源性病原菌的監(jiān)測

量子點(diǎn)在食品科學(xué)方面的重要應(yīng)用是檢測食源性致病菌（如大腸桿菌和李斯特菌屬）。研究者探索了利用量子點(diǎn)作為熒光標(biāo)記物，同時(shí)檢測大腸桿菌O157:H7和鼠傷寒沙門氏菌[4]的方法。后來Wang 等[5]報(bào)道了可用量子點(diǎn)檢測多種屬細(xì)菌（大腸桿菌屬和李斯特菌屬），在3類病原菌中，利用量子點(diǎn)可以分離和檢出85%以上的病原菌。

目前，絕大多數(shù)的研究是將量子點(diǎn)與抗體結(jié)合作為識(shí)別原件，對抗原進(jìn)行特異性識(shí)別。近幾年科學(xué)家又研發(fā)出一種新的方法，將寡核苷酸微陣列與量子點(diǎn)結(jié)合作為熒光標(biāo)記物，根據(jù)核苷酸的配對原則，成功區(qū)分和檢測微生物，此方法具有很強(qiáng)的特異性、穩(wěn)定性和靈敏性[6]。

1.2 蛋白追蹤

蛋白質(zhì)是食品的重要組成部分，它在保持食品營養(yǎng)和食品結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著巨大的作用。面筋決定面團(tuán)的彈性和粘性，從而決定整個(gè)面團(tuán)的質(zhì)量。要使面團(tuán)具有良好的彈性，需要對面團(tuán)中的面筋進(jìn)行研究和控制，傳統(tǒng)的研究面筋的方法是從面團(tuán)里提取出面筋后再研究測定，但這樣的研究方法存在一定的局限性，因?yàn)槊娼蠲撾x了本來的組織狀態(tài)，很難做到實(shí)質(zhì)性的研究，因此研究者提出了用量子點(diǎn)追蹤蛋白質(zhì)，這樣可以在固有組織中研究面筋的存在狀態(tài)和分布情況[7—9]，在此方面的研究應(yīng)用將是食品科學(xué)領(lǐng)域的一大研究主題，將具有很大的發(fā)展空間。

1.3 其他應(yīng)用

1.3.1 風(fēng)味化合物—香草醛的檢測

科學(xué)家們正在不斷開拓量子點(diǎn)新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如用β—環(huán)糊精（β—CD）修飾的CdSe/ZnS量子點(diǎn)構(gòu)建檢測食品中香草醛的光學(xué)傳感器[10]。在本研究中，香草醛傳感器是基于香草醛和β—環(huán)糊精主客體間選擇性相互作用的原理發(fā)明的。β—環(huán)糊精結(jié)合到CdSe/ZnS量子點(diǎn)上，使量子點(diǎn)表面有大量的結(jié)合位點(diǎn)，從而可以很好地與香草醛結(jié)合。

1.3.2 三聚氰胺的檢測—三聚氰胺傳感器

三聚氰胺的檢測，除了傳統(tǒng)的方法外，科學(xué)家們研發(fā)了一種新的方法，該方法基于第二代抗體耦合量子點(diǎn)，又稱為快速靈敏的間接競爭性熒光—結(jié)合免疫吸附測定（iCFLISA），這種方法有更低的檢出限（3.88 ng·mL—1），普通的 ELISA 方法的檢出限為 ng·mL—1[11]。

1.3.3 過氧化氫H2O2的檢測

近年來，有研究者用由羧甲基纖維素包覆的量子點(diǎn)作為熒光探針鑒定過氧化氫是否存在?？梢杂糜诖_定和保持牛奶和鈣片中過氧化氫的量[12]。

1.3.4 檢測農(nóng)藥和殺蟲劑

量子點(diǎn)也可用來檢測蔬菜中殘留的有機(jī)磷農(nóng)藥，有文獻(xiàn)報(bào)道了[13]基于核殼型的水溶性量子點(diǎn)CdTe/CdS，建立了一種選擇性和靈敏性都很高的毛細(xì)管電泳法，該方法可用于檢測有機(jī)磷農(nóng)藥（比如速滅磷、伏殺硫磷、甲巰咪唑和二嗪磷等）。

2 基于量子點(diǎn)的分子印跡熒光傳感體系在食品安全檢測方面的應(yīng)用

自1998年Alivisatos等人[14]和Nie等人[15]進(jìn)行開創(chuàng)性研究以來，基于QDs的熒光化學(xué)傳感體系的構(gòu)建激發(fā)了各方面研究者的極大興趣。當(dāng)前，將QDs的光學(xué)特性與分子印跡聚合物的特異識(shí)別性相結(jié)合制備分子印跡熒光傳感材料，可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境條件下對目標(biāo)物的高靈敏度和高選擇性的分析檢測，成為時(shí)下熱門的研究方向。

2.1 檢測小分子物質(zhì)

研究者們利用量子點(diǎn)和分子印跡聯(lián)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對爆炸物、農(nóng)獸藥殘留及環(huán)境污染物等方面的檢測。

Xu[16]課題組選用三硝基酚（TNP）作為假模板，通過溶膠—凝膠過程合成了用CdTe量子點(diǎn)包裹的分子印跡聚合物（DMIP@QDs），構(gòu)建了熒光傳感體系，基于電荷轉(zhuǎn)移熒光猝滅機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對2，4，6—三硝基甲苯（TNT）的檢測。

Zhou等[17]合成了基于石墨烯量子點(diǎn)（GODs）的分子印跡熒光傳感器，用于檢測水樣品中的硝基酚（4—NP）。采用水熱法合成了SiO2@GODs，然后加入功能單體APTES和交聯(lián)劑TEOS，在SiO2@GODs表面可以合成一層MIPs。測定基本原理為電子從GQDs（供體）到目標(biāo)分子4—NP（受體）時(shí)，發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移，當(dāng)4—NP分子重新回到印記空穴時(shí)，GQDs的熒光發(fā)生猝滅現(xiàn)象。用該分子印跡熒光傳感器檢測4—NP 時(shí)，在0.02～3.00 μg·mL—1的范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性，其檢測限為 9.00 ng·mL—1。

Liu等[18]對豬肉樣品中的萊克多巴胺進(jìn)行了快速、靈敏的檢測，通過功能單體與模板分子的合理組裝，在熒光納米材料量子點(diǎn)表面采用溶膠—凝膠一步聚合法構(gòu)建了新型分子印跡熒光傳感體系，成功實(shí)現(xiàn)了對萊克多巴胺的靶向性和快速熒光傳感檢測，并進(jìn)一步探索了分子印跡熒光傳感體系的分子識(shí)別機(jī)理。該研究不僅為萊克多巴胺的快速檢測提供了新的思路，促進(jìn)了分子印跡熒光傳感體系在食品科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，而且開發(fā)了一種快速的分析檢測方法，從而為食品中其他小分子的檢測方法的開發(fā)提供了一種思路。

QU等[19]研究了螨胺磷和啶蟲脒的檢測。原理如下：螨胺磷可選擇性猝滅游離的CdTe量子點(diǎn)，利用磺化杯芳烴在水溶液中可通過SO3－基團(tuán)連接到量子點(diǎn)表面的原理，將復(fù)合物逐漸吸收到量子點(diǎn)表面。啶蟲脒可選擇性地增強(qiáng)QDs的熒光強(qiáng)度，具有濃度依賴性。螨胺磷和啶蟲脒的檢出限分別1.2×10—8mol/L 和 3.4×10—8mol/L。

2.2 檢測蛋白等生物大分子

自20世紀(jì)90年代開始，熒光分子印跡傳感材料多用于小分子檢測方面，但在蛋白等大分子的檢測方面很少應(yīng)用，傳統(tǒng)的蛋白檢測是借助抗體來實(shí)現(xiàn)的，但此方法存在成本高、提取困難、受環(huán)境等條件因素的影響比較大的缺點(diǎn)，為了克服以上缺點(diǎn)，研究者們逐漸開發(fā)了合成蛋白質(zhì)分子印跡聚合物，非常適合代替抗體。將其連接到納米顆粒，如量子點(diǎn)、點(diǎn)等熒光納米材料上，可以實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)的快速檢測。

Zhang等[20]基于電子轉(zhuǎn)移的熒光猝滅機(jī)理，以CdTe量子點(diǎn)作為熒光材料，SiO2納米粒子為支撐體，通過溶膠—凝膠法在核殼型SiO2@QDs微球表面沉積合成一層MIPs，然后通過有機(jī)溶劑去除模板分子藻藍(lán)蛋白和致孔劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），從而制得具有核殼結(jié)構(gòu)的分子印記熒光傳感器，并成功進(jìn)行了藻藍(lán)蛋白的檢測。Zhang課題組還通過溶膠凝膠法制備了基于CdTe量子點(diǎn)的分子印跡聚合物，并將其用于細(xì)胞色素C的檢測[21]。

此外，有許多研究者將量子點(diǎn)和分子印跡技術(shù)用于毒素方面的研究，F(xiàn)ang等[22]首次將量子點(diǎn)分子印跡聚合物熒光傳感體系用于玉米赤霉烯酮毒素的檢測。

3 展望

國內(nèi)外研究者將量子點(diǎn)獨(dú)特的光學(xué)特性與分子印跡技術(shù)的高特異性相結(jié)合，并在食品安全及其他領(lǐng)域進(jìn)行目標(biāo)物的簡便快速檢測，奠定并提供了快速靈敏檢測食品中多種物質(zhì)的方法，但仍需要進(jìn)一步深入探討，如量子點(diǎn)與目標(biāo)物結(jié)合引起的熒光變化的機(jī)理目前還未進(jìn)行深入探討，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

①從分子角度研究不同單體和多單體對模板分子的作用機(jī)制，深入探討分子印跡傳感器對特定模板分子的選擇性，從而拓展分子印跡聚合物的種類和應(yīng)用。②進(jìn)一步深入研究分子印跡熒光傳感器與靶向分子之間的熒光作用機(jī)理，可運(yùn)用熒光光譜學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等相關(guān)輔助實(shí)驗(yàn)和原理，闡明熒光強(qiáng)度的變化與目標(biāo)分子濃度、作用時(shí)間、溫度等變量的關(guān)系。③開發(fā)更安全、環(huán)保且熒光性能優(yōu)異的量子點(diǎn)熒光納米材料作為傳感器的熒光元件，提高分子印跡傳感器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。