鑭系配位聚合物在食品風(fēng)險(xiǎn)因子檢測(cè)中的研究進(jìn)展

黃現(xiàn)青,付雅娜,郭倚成,李一波,李天歌,王田林

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州,450000)

“民以食為天,食以安為先”。食物的安全性涉及千家萬戶,關(guān)系人民群眾的身體健康和生命安全,是衡量人民生活質(zhì)量、國家法制建設(shè)和社會(huì)管理水平的一個(gè)重要指標(biāo)。近年來,隨著現(xiàn)代工業(yè)科技的發(fā)展和生活水平的提高,食品安全問題層出不窮,已經(jīng)成為了世界性難題[1]。大體上,影響食品安全的風(fēng)險(xiǎn)因子可分為食品添加劑、農(nóng)獸藥、食源性致病菌、生物毒素、重金屬離子五大類。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要利用大型儀器檢測(cè),包括氣相色譜法、液相色譜法、原子吸收光譜法等,這些方法具有較高的精準(zhǔn)度和靈敏度,因此也主要是國家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中首要推薦的方法[2-3]。隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展,以“可視化快速檢測(cè)”為主的新檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生,利用該方法檢測(cè)的結(jié)果不再是專業(yè)人員使用專業(yè)儀器分析計(jì)算出來,而是以短時(shí)間內(nèi)就能用肉眼觀察到的顏色變化作為檢測(cè)的信號(hào)。這種方法大大增加了普適性,使普通老百姓能及時(shí)知曉入口食物的安全性,也起到了對(duì)食品相關(guān)企業(yè)的全民監(jiān)督作用。相比之下,傳統(tǒng)檢測(cè)方法操作復(fù)雜、便攜性低且耗時(shí)耗力等弊端明顯不符合可視化快速檢測(cè)的需求。近來,以熒光法為主的檢測(cè)技術(shù)因具有快速便捷、操作簡單、可視化、成本低廉等優(yōu)勢(shì)使其在食品安全快速檢測(cè)中展現(xiàn)出了巨大的潛力[4-6]。熒光探針是快檢技術(shù)中最重要的技術(shù)之一,探針通過識(shí)別特定風(fēng)險(xiǎn)因子,從而將識(shí)別過程轉(zhuǎn)化為熒光信號(hào)[7-9]。常見的熒光探針包括碳量子點(diǎn)熒光探針、金屬簇?zé)晒馓结?、金屬配位聚合物熒光探針[10-12]。

本文主要介紹了以鑭系配位聚合物(lanthanide coordination polymers,Ln-CPs)為主的熒光探針的熒光特性及檢測(cè)性能,歸納了其近年來在食品風(fēng)險(xiǎn)因子檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展,并探討了在食品分析應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 鑭系配位聚合物配位特性

Ln-CPs是由鑭系金屬離子與有機(jī)橋聯(lián)配體組裝形成具有尺寸可調(diào)、多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米材料[13-14]。相對(duì)于其他金屬離子配位形成的聚合物,鑭系金屬離子獨(dú)特的[Xe]4fn電子構(gòu)型和類似梯形能態(tài)使Ln-CPs具有窄發(fā)射帶、大斯托克斯位移、長激發(fā)態(tài)壽命及高量子產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。因此,Ln-CPs廣泛應(yīng)用于氣體貯存、吸附分離、異相催化、磁學(xué)材料、生物成像及光學(xué)傳感等領(lǐng)域[15-20]。

2 鑭系配位聚合物熒光特性及檢測(cè)性能分析

眾所周知,單獨(dú)的Ln3+由于自身f-f的禁帶性質(zhì)和振動(dòng)較弱特性,無法實(shí)現(xiàn)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)4f的躍遷[21-22]。當(dāng)Ln3+和配體配位形成聚合物后,由配體吸收能量后敏化Ln3+發(fā)出其特有的熒光,這一過程也稱為“天線敏化”效應(yīng)[23-24]。具體過程如圖1所示:配體吸收紫外光被激發(fā),由單重態(tài)S0躍遷到單重激發(fā)態(tài)S1,激發(fā)態(tài)的壽命很短,通過非輻射系間竄躍(intersystem crossing,ISC)到三重態(tài)T1,再由T1將能量傳遞給鑭系離子的各振動(dòng)能級(jí),此時(shí),鑭系離子的基態(tài)電子受激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài),當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí),便發(fā)射鑭系金屬的特征熒光[25-26]。以鑭系配位聚合物作為熒光探針檢測(cè)目標(biāo)物時(shí),目標(biāo)物分子可引起鑭系配位聚合物熒光的猝滅(turn-off)或增強(qiáng)(turn-on)。熒光響應(yīng)機(jī)制主要包括內(nèi)濾效應(yīng)(internal filtration effect,IFE)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)制(fluorescence resonance energy transfer,FRET)、光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(photoinduced electron transfer,PET)、聚集誘導(dǎo)發(fā)光(aggregation-induced luminescence,AIE)等[27-30]。在特異性識(shí)別目標(biāo)物時(shí),配體與目標(biāo)物之間的相互作用改變配位聚合物分子內(nèi)的能量傳遞過程,從而影響配位聚合物的熒光,達(dá)到檢測(cè)的目的[31-32]。鑭系配位聚合物具有成本低、易制備、優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性以及低毒性等優(yōu)點(diǎn),逐漸被人們所關(guān)注并應(yīng)用到食品分析檢測(cè)領(lǐng)域。

圖1 鑭系配位聚合物分子內(nèi)能量傳遞過程示意圖[25-26]

2.1 IFE熒光檢測(cè)

待檢目標(biāo)物的吸收光譜與鑭系配位聚合物熒光探針的激發(fā)或發(fā)射光譜重疊時(shí),產(chǎn)生非輻照能量躍遷,導(dǎo)致鑭系配位聚合物熒光猝滅的過程稱為IFE[33]。LI等[34]將銪(Eu3+)和石墨烯量子點(diǎn)(Graphene quantum dots,GQDs)的羧基配位,建立鑭系配位聚合物復(fù)合石墨烯量子點(diǎn)的熒光探針GQDs-Eu用于檢測(cè)四環(huán)素(tetracyc line,TC)。TC由于IFE將探針中GQDs的藍(lán)色熒光猝滅,同時(shí)TC與GQDs中羧基偶聯(lián)顯著增強(qiáng)了Eu3+的紅色熒光,結(jié)果觀察到熒光顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色,實(shí)現(xiàn)了對(duì)TC的比率熒光檢測(cè)。

2.2 PET熒光檢測(cè)

待檢目標(biāo)物作為電子供體被激發(fā),激發(fā)態(tài)的電子供體與鑭系配位聚合物電子受體之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致熒光猝滅的過程叫做PET[35]。HE等[36]使用2,6-吡啶二羧酸(2,6-pyridinedicarboxylic acid,DPA)和鋱(Tb3+)與氮摻雜碳點(diǎn)(N-CDs)表面的—NH2和—COOH配位,N-CDs為藍(lán)色熒光,DPA與Tb3+配位結(jié)合形成的Tb-DPA呈現(xiàn)綠色熒光,以此獲得的具有雙熒光的鑭系配位聚合物摻雜碳點(diǎn)的納米探針N-CDs-Tb-DPA用于檢測(cè)海產(chǎn)品中汞離子(Hg2+)。Hg2+與N-CDs表面含氧官能團(tuán)之間的PET效應(yīng)導(dǎo)致N-CDs的熒光猝滅,探針中綠色熒光隨著Hg2+濃度的增加逐漸顯著,實(shí)現(xiàn)了對(duì)海產(chǎn)品中Hg2+的高靈敏檢測(cè)。

2.3 FRET熒光檢測(cè)

待檢目標(biāo)物作為熒光受體的吸收光譜,與鑭系配位聚合物作為熒光供體的激發(fā)光譜重疊,且兩者距離小于10 nm時(shí),導(dǎo)致鑭系配位聚合物能量轉(zhuǎn)移到目標(biāo)物的過程叫做FRET[37]。FU等[38]利用多金屬氧酸鹽與Eu3+配位結(jié)合,制備了鑭系配位聚合物K13Eu(SiMoW10O39)2·28H2O(Eu-SiMoW)熒光探針用于抗壞血酸(ascorbic acid,AA)和亞硝酸鈉(NaNO2)的檢測(cè)?；贓u-SiMoW中變色成分SiMoW與Eu3+之間的FRET過程,淡黃色的Eu-SiMo被AA還原生成藍(lán)色的Eu-SiMoW,并伴隨紅色熒光猝滅,還原后的EuSiMoW再被NaNO2氧化后恢復(fù)到原來的淡黃色,同時(shí)紅色熒光恢復(fù),通過熒光探針顏色的可逆變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)AA和NaNO2的檢測(cè)。

2.4 AIE熒光檢測(cè)

待檢目標(biāo)物由于鑭系配位聚合物配位結(jié)合,導(dǎo)致其距離拉進(jìn)形成聚集態(tài),由此產(chǎn)生的熒光現(xiàn)象稱為AIE[39]。TONG等[40]利用配體鳥苷酸單磷酸鹽(guanosine monophosphate,GMP)和魯米諾(Luminol)與Tb3+配位,GMP由于“天線效應(yīng)”敏化Tb3+發(fā)出綠色熒光,而Luminol與Tb3+配位結(jié)合后導(dǎo)致了Luminol的聚集產(chǎn)生了綠色熒光。獲得了具有雙熒光的鑭系配位聚合物L(fēng)uminol-Tb-GMP用于銅離子(Cu2+)的檢測(cè),Cu2+與Luminol和GMP螯合作用既阻斷了GMP的敏化作用同時(shí)維持了Luminol的AIE效應(yīng),因此可以觀察到熒光從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色,實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅離子的比率型可視化檢測(cè)。

3 鑭系配位聚合物在食品中風(fēng)險(xiǎn)因子檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 在食品添加劑檢測(cè)中的應(yīng)用

食品添加劑是用于增強(qiáng)食物色澤飽和度、香味以及改善食物口感的人工合成或天然產(chǎn)生的一種物質(zhì)[41],如漂白劑、抗氧化劑、發(fā)色劑等。而添加劑的過量或違規(guī)使用不僅影響食品質(zhì)量且會(huì)誘發(fā)某些疾病[42]。ZENG等[43]使用腺苷三磷酸分子(ATP)作為三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸(Tris-HCl)溶液中鈰離子(Ce3+)的生物相容性配體,制備新型鈰基配位聚合物納米顆粒ATP-Ce-Tris用于過氧化氫(H2O2)的檢測(cè)(圖2-a)。H2O2將熒光ATP-Ce(III)-Tris氧化為非熒光ATP-Ce(IV)-Tris CPNs,表現(xiàn)出高靈敏的響應(yīng),檢測(cè)限低至0.6 nmol/L。LI等[44]將鑭系離子鋱(Tb)偶聯(lián)到磁性納米材料二氧化硅包裹的四氧化三鐵(Fe3O4@SiO2)上,合成一種新型水分散性綠色熒光探針Fe3O4@SiO2-Tb-DPA,用于亞硝酸鹽(NO2-)的檢測(cè)(圖2-b)。在NO2-的存在下,探針的綠色熒光被猝滅,根據(jù)淬滅的強(qiáng)度可計(jì)算出NO2-的檢測(cè)限為1.03 μmol/L。

a-ATP-Ce/Tb-Tris 探針檢測(cè)H2O2和葡萄糖[43];b-Fe3O4@SiO2-Tb DPA探針檢測(cè)NO2-[44]

3.2 在農(nóng)獸藥殘留檢測(cè)中的應(yīng)用

現(xiàn)代畜牧業(yè)中廣泛使用農(nóng)獸藥是為預(yù)防和控制有害生物、昆蟲、雜草等對(duì)農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)的危害[45]。然而,農(nóng)獸藥的過量使用會(huì)導(dǎo)致其在環(huán)境和食品中殘留,進(jìn)而導(dǎo)致人體內(nèi)分泌系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂,甚至引起癌變[46]。

鑭系配位聚合物熒光探針優(yōu)良的熒光性能、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)可被用于食品中農(nóng)獸藥殘留的快速檢測(cè)。QU等[47]首先利用DPA和GMP雙配體,配體與Eu3+配位形成具有紅色熒光的GMP/Eu/DPA,進(jìn)一步與擁有藍(lán)色熒光的配位聚合物GMP/Tb混合,構(gòu)建了雙熒光探針GMP/Tb@GMP/Eu/DPA用于食品和水樣品中草甘膦的檢測(cè)(圖3-a)。堿性磷酸水解酶(alkaline phosphatase,ALP)的加入可破壞GMP的磷酸基團(tuán),迫使GMP/Tb的熒光淬滅,GMP/Eu/DPA的熒光增強(qiáng),通過草甘膦對(duì)ALP的抑制作用,實(shí)現(xiàn)該探針對(duì)草甘膦的熒光檢測(cè),檢測(cè)限低至0.007 μg/mL。LIU等[48]將刺激響應(yīng)發(fā)光和模擬氧化酶活性整合到基于鑭系金屬鈰的配位聚合物中,制備鈰基配位聚合物的探針Ce(Ⅳ)-ATP-Tris用于馬拉硫磷的檢測(cè)(圖3-b)。利用酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)水解抗壞血酸-2-磷酸(sodium-ascorbyl-2-phosphate,AAP),生成的AA可將Ce(Ⅳ)還原為Ce(III),探針?biāo){色熒光顯著增強(qiáng),當(dāng)馬拉硫磷存在時(shí),ACP的酶活性受到抑制,AAP水解成AA的過程被阻斷,Ce(Ⅳ)-ATP-Tris的熒光被抑制,實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)“關(guān)-開-關(guān)”檢測(cè),馬拉硫磷的檢出限為0.046 μg/mL。

a-GMP/Tb@GMP/Eu/DPA探針檢測(cè)草甘膦[47];b-Ce(Ⅳ)-ATP-Tris探針檢測(cè)馬拉硫磷[48]

3.3 在重金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用

重金屬離子具有高毒性、易積聚、難降解等特點(diǎn)[49],通過水介質(zhì)或食物鏈的方式在人體積累到一定含量時(shí),會(huì)引發(fā)一系列疾病,嚴(yán)重影響人們身體健康[50-51]。ALEEM等[52]制備含有Eu(Dbm)3Bipy配合物的水溶性多糖納米顆粒(EIAP 3),用于Cu2+和Fe3+的同時(shí)檢測(cè)(圖4-a)。Cu2+快速結(jié)合到EIAP 3表面,引起熒光快速猝滅,Fe3+與氧原子的相互作用改變了配體的電子能級(jí),配體與Eu3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移效率低下,進(jìn)一步導(dǎo)致EIAP 3熒光猝滅。該系統(tǒng)可快速識(shí)別檢測(cè)水中的Cu2+和Fe3+,檢測(cè)限低至1 mg/L。SHU等[53]以均苯三酸(H3BTC)為配體與Eu3+配位合成了紅色熒光鑭系配位聚合物Eu-BTC,與具有綠色熒光的鈣鈦礦量子點(diǎn)(CsPbBr3)混合,進(jìn)一步構(gòu)建CsPbBr3@Eu-BTC比率熒光體系檢測(cè)Hg2+(圖4-b)。通過CsPbBr3表面配體中的氮元素與Hg2+之間的高配位效應(yīng),導(dǎo)致CsPbBr3綠色熒光猝滅,Eu-BTC的紅色熒光保持不變,因此實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的比率熒光檢測(cè),檢測(cè)限為100 nmol/L。

a-EIAP探針檢測(cè)Cu2+和Fe3+[52];b-CsPbBr3@Eu-BTC探針檢測(cè)Hg2+[53]

3.4 在生物毒素檢測(cè)中的應(yīng)用

生物毒素是生物來源中不可自主復(fù)制的有毒化學(xué)物質(zhì),以食品為媒介進(jìn)入人體后會(huì)對(duì)人們健康造成極大危害[54-55],因此,開發(fā)對(duì)生物毒素的檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。白雪欣[56]將鑭系元素Eu3+填埋至納米微粒內(nèi),以鑭系紅色熒光微球作為能量供體,別藻藍(lán)蛋白作為能量受體,制備時(shí)間分辨熒光微球,研制出可定量檢測(cè)蓖麻毒素的鑭系免疫層析熒光試紙條(圖5-a)。目標(biāo)毒素與鑭系熒光微球標(biāo)記的檢測(cè)抗體結(jié)合,基于時(shí)間分辨熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理,微球的熒光被猝滅,接著毒素被捕獲抗體所捕獲,熒光恢復(fù),檢測(cè)限為1 ng/mL。TIAN等[57]分別以硝酸鈰與檸檬酸為前驅(qū)體,采用溶膠-凝膠法和熱解法分別制備膠體納米鈰(Nanoceria)和GQD,并構(gòu)建了用于檢測(cè)赭曲霉毒素的比率熒光探針DNA1@nanoceria-DNA2@GQD(圖5-b)。由于DNA1@nanoceria和DNA2@GQD與赭曲霉毒素適配體互補(bǔ),產(chǎn)生FRET效應(yīng)猝滅了GQD的熒光。而赭曲霉毒素與其適配體螯合后,阻止了FRET效應(yīng),GQD熒光恢復(fù),此方法檢測(cè)赭曲霉毒素的檢測(cè)限為2.5 pg/mL。

a-鑭系免疫層析試紙條檢測(cè)蓖麻毒素[56];b-DNA1@nanoceria和DNA2@GQD探針檢測(cè)赭曲霉毒素A[57]

3.5 在食源性致病菌檢測(cè)中的應(yīng)用

食源性致病菌是指以食品為傳播媒介的致病性細(xì)菌,不僅損害人們的身體健康還會(huì)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成損失,是影響食品安全的重要因素之一[58]。ZHOU等[59]以氧化鋅量子點(diǎn)(ZnO)為內(nèi)參熒光信號(hào),將Eu3+嫁接在ZnO表面,制備基于ZnO的雜化納米探針ZnO/Eu,用于炭疽芽孢桿菌孢子生物標(biāo)志物吡啶二甲酸(DPA)的比率熒光檢測(cè)(圖6-a)。DPA可通過“天線效應(yīng)”敏化Eu3+發(fā)出紅色熒光,而ZnO的熒光保持不變,通過熒光顏色的變化,可計(jì)算出DPA的檢出限低至3 nmol/L。LIU等[60]將鑭系離子Tb3+嫁接在碳量子點(diǎn)(CDs)表面,合成了具有雙熒光的探針Tb@CDs,用于檢測(cè)DPA(圖6-b)。DPA通過強(qiáng)螯合共軛作用與CDs表面的Tb3+結(jié)合敏化并發(fā)出明亮的綠色熒光,而CDs的熒光不變,熒光顏色實(shí)現(xiàn)從藍(lán)到綠的轉(zhuǎn)變,DPA的檢測(cè)限為100 pmol/L。

a-ZnO/Eu探針檢測(cè)DPA[59];b-CDs-Tb探針檢測(cè)DPA[60]

4 結(jié)論與展望

本文主要介紹了鑭系配位聚合物優(yōu)良的熒光特性和檢測(cè)性能,并綜述了以鑭系配位聚合物為主的熒光探針在食品風(fēng)險(xiǎn)因子檢測(cè)中的應(yīng)用研究。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比,鑭系配位聚合物探針具有合成簡單便捷,耗時(shí)短等優(yōu)勢(shì)。更為重要的是,該類探針實(shí)現(xiàn)了可視化檢測(cè),使人們用肉眼通過熒光顏色的變化就能辨別食品質(zhì)量的好壞,在一定程度上提高了實(shí)用性。因此,鑭系配位聚合物熒光探針在食品快速可視化分析檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,鑭系配位聚合物在食品分析檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中,還有許多問題需要解決:a)目前的檢測(cè)方法往往只能檢測(cè)一種目標(biāo)物,多目標(biāo)物的同時(shí)快速檢測(cè)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì);b)單熒光信號(hào)的響應(yīng)容易造成假陽性或假陰性的結(jié)果,2種及以上的熒光響應(yīng)檢測(cè)方法的開發(fā)能通過自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)精確度,且不同的熒光顏色更利于人眼的識(shí)別;c)大型檢測(cè)儀器的笨重,不便捷的弊端已經(jīng)嚴(yán)重凸顯,開發(fā)便攜式的檢測(cè)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可視化快速檢測(cè)的必要條件。總而言之,未來的研究應(yīng)是朝著更簡捷、更精準(zhǔn)、更靈敏、更經(jīng)濟(jì)、更高效、更智能的多重檢測(cè)手段集成發(fā)展,只有這樣才能在最大程度上緩解食品安全的壓力,從而保證食品行業(yè)健康發(fā)展,保證人們身體的健康。