纳米材料在食品检测中的应用

黄栋，潘晔，聂小娟，裘宋琳，乔森，吕鹏*

江苏大学生命科学学院（镇江 212013）

依据维度，可将纳米材料分为纳米颗粒（零维）、纳米纤维（一维）、纳米膜（二维）、纳米块（三维）4类[1]，现在研究最多的是纳米颗粒。纳米材料的尺寸极小，属于非常典型的介观领域，其能够在电学、力学、化学、光学、生物学等专业方面展现出许多优良的性质和功能[2]。纳米材料现成为可用于检测的有力工具，它们与分子染料相比，不会通过细胞生物大分子与非特异性结合的待检测物产生负面反应。此外，它们在荧光团的装载和标记方面简单易行，许多可通过商业购买获得，并且可提供一种同时检测或处理多个靶点的检测方式。通过将纳米材料进行改造或与适配体或抗体结合，构建新型的现场快速检测方法，可用于生产快速检测设备。另外，生物传感器、纳米抗菌材料等在食品病原菌检测、疾病诊断、治疗以及环境监测等领域均有着光明的前景[3-5]。但同时，它们也有一些缺点限制其应用，比如银纳米颗粒抗氧化效果不好，使用寿命和稳定性有待提高，金纳米颗粒只能实现非常有限的荧光增强，对于利用荧光信号进行检测的方法不是非常适用。为解决类似问题，近些年复合型纳米材料的研究逐渐增多，通过对纳米材料进行改造或使之与其他材料或检测方法结合以达到较好的检测效果。

介绍研究较为深入的纳米材料，阐述单独使用纳米材料进行食品病原菌检测及经改造和结合后的复合材料的应用，分析总结其优缺点，并对其应用于食品检测中存在的问题及其潜在应用方向进行讨论。

1 单一型纳米材料应用

1.1 金属纳米材料

金属纳米材料因形状、间距，以及特殊的表面效应和量子尺寸效应，与分子化合物或块状金属相比，呈现出不同的光学、电磁学及化学等特性。液相合成法由于成本低、操作简便、制备的颗粒单分散性好且产量高等优点，成为金属纳米颗粒应用最广泛的合成方法。

金原子和巯基之间独特的相互作用有助于用寡核苷酸和其他化合物修饰纳米材料[6]。Li等[7]报道首例利用未修饰的AuNPs探测溶液中目标DNA的研究，这些物理性质可以进行修饰以满足功能性DNA探针的要求。贵金属纳米颗粒偶联寡核苷酸可用于生物成像和分子识别。依据其纳米颗粒的尺寸、形状、含量以及光散射特性，制作一种光学探针，它是银纳米颗粒的适配体，可用于单个纳米颗粒的光谱分析和细胞内蛋白质的同步成像。这种应用有两个好处：一是产品成本低，容易制作；二是无需使用其他试剂，即可获得非常明亮的散射光。金属纳米颗粒光学性能优良，体系颜色在金属纳米颗粒发生粒子团聚时发生相应变化，利用这一特性，使其在病原性致病菌的半定量检测方面具有广泛应用价值，可用于现场快速检测。Chai等[8]利用紫外照射L-半胱氨酸功能化的金纳米颗粒，通过颜色的变化检测金属汞的含量。

图1 L-半胱氨酸功能化金纳米颗粒紫外比色法检测Hg2+示意图

1.2 石墨烯和氧化石墨烯

石墨烯是自然界发现的最薄材料，属二维结构，单层厚度0.335 4 nm[9-10]。它可与DNA碱基有很强的相互作用，能吸附DNA，其强度与DNA分子结构密切相关。另外，石墨烯是一种具有纳米尺度能量传递特性的超级猝灭剂[11-12]。氧化石墨烯（GO）是下一代生物分析设备发展中最具潜力的材料之一。GO是一种水分散的石墨烯衍生物，通常是通过石墨在氧化剂和强酸的混合物中氧化得到的。石墨烯和GO被成功用于开发高效率的纳米传感器，用于各种蛋白质的灵敏检测。近年来，基于石墨烯作为能量受体的荧光共振能量转移（FRET）传感器因其高效的能量传递和电子传递而得到很好发展[13-16]。

1.3 碳纳米管

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，由碳六元环构成的类似石墨卷曲而成的纳米级中空管[17]。碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生键合，各单层管顶端由于形成封闭曲面的需要，存在一定数量的五元环。碳纳米管（CNTs）按其形态分为2类：单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）。单壁碳纳米管能够在近红外波段吸收光子并发出荧光[18]。碳纳米管的优点是具有巨大的内外表面分离结构。外表面和内表面各有其特定的功能，外表面可以通过改变所需的性质来实现功能化，而内部空间可以由大的蛋白质或小分子（多核苷酸）填充。碳纳米管具有穿透任何细胞膜的能力，不需要任何运输材料，在细胞水平上也表现出低毒。由于活体细胞具有特殊的内吞作用，这些纳米管在肿瘤纳米技术中被广泛用作药物输送、治疗和分析功能的载体。现如今，碳纳米管在食品检测、电子材料、生物医学、环境监测等领域有广泛应用[19]。

1.4 量子点

量子点（quantum dots，QDs）又称人造原子，是一种三维受限的准零维纳米材料。量子点的量子尺寸效应和量子局限效应使其具有独特的发光特性和电子性质，其可见光下的量子产率为0.1～0.8，且其近红外光下的量子产率为0.2～0.7，在生物成像中极具优势[20]。其合成方法简单，表面可作为支架结构结合蛋白质核酸等生物大分子，是一种理想的荧光探针。如量子点可以通过连接核苷酸以及各种生物大分子（包括蛋白质、抗体）实现食源性致病菌的检测。有利用荧光信号的变化进行如大肠埃希菌、沙门菌、志贺菌及其毒素（如葡萄球菌肠毒素B）的检测[21]。这种结合方法有利于提高检测的专一性及抗干扰能力。

如表1所述的单一型的纳米材料因其部分性质的局限性，难以广泛应用。为克服这些纳米材料的缺点，近些年，复合纳米材料的应用研究逐渐得到发展。

表1 常见纳米材料及其优缺点

2 复合型纳米材料的应用

2.1 金属纳米簇

与金属纳米颗粒相比，金属纳米簇是由几个至几百个金属原子组成的新型荧光纳米材料，其核心尺寸一般小于3 nm。金属纳米簇具有尺寸小、无毒以及较高的稳定性等优点[22]。常见的金属纳米簇有金簇、银簇、铜簇等[23-24]。金纳米簇（Au nanoclusters，AuNCs）由于其超常的物理化学特性和出色的生物相容性，可进行疾病相关诊断（涉及生物学分析和生物学成像）及治疗[25]。用DNA支架稳定的银纳米簇具有出色的物理和化学特性，成为生物医学系统中的通用工具。它们具有可调的发射荧光，适合多功能设计。在生物传感、生物成像和治疗方面有相应应用。银纳米团簇（AgNCs）结合荧光和表面增强拉曼散射（SERS）方法被成功应用于食源性致病菌的检测；AgNCs/DNA被用作荧光标记，用于检测金属离子（如Hg2+或Cu2+），生物活性硫醇（如半胱氨酸，高半胱氨酸或谷胱甘肽），探测酶活性（例如酪氨酸酶或葡萄糖氧化酶），检测适配体-底物复合物如用于检测凝血酶或ATP，以及分析DNA或miRNA中的单核苷酸突变。Liu等[26]利用石墨烯做猝灭剂，构建石墨烯银纳米簇复合材料传感器，进行致病型DNA的多重分析。

铜纳米团簇（CuNC）与贵金属纳米材料相比，具有荧光强、尺寸超小、稳定性好、生物相容性好、毒性低、价格低廉等特点。近年来，CuNC在miRNA检测中引起广泛关注。这些纳米团簇有望替代普通的有机染料荧光团。

2.2 复合量子点

量子点一般由Ⅱ～Ⅵ族元素（如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS等）[27]、Ⅲ～Ⅴ族元素（如InP、InAs等）或Ⅳ～Ⅵ族元素（如PbS、PbSe）[28]的半导体材料构成。壳/核型量子点能够增强单独量子点的理化稳定性，使核免受外界环境的氧化，还可防止有毒离子的溶解和泄漏，同时，包被的壳还可作为支架结构共轭其他生物配体。以具有较高能带隙的半导体材料或聚合物作为壳时，量子点荧光量子产率会增加[29-30]。He等[31]利用微波辅助加热的方法，在含有巯基稳定剂（3-巯基丙酸，3-mercaptopropionic acid，MPA）的水相中合成CdTe/CdS/ZnS水溶性核/壳型量子点。该法合成的量子点荧光量子产率高、耐光性好且具有良好的生物相容性，不需再进行复杂的生物修饰。

近年来研究发现，在量子点中掺杂微量的金属元素可以使其发射中心的数量发生改变，依据这一特性，金属掺杂型量子点的研究开始逐渐深入。其中，锰掺杂型量子点的研究最为广泛。锰具有独特的磁性能和光学性能，能提供良好的掺杂系统[32]。金属掺杂型量子点在保留了量子点大部分优点的基础上，还可避免由斯托克斯位移引起的荧光自猝灭问题，从而使荧光寿命更长，应用范围更广[33]。

长期以来，量子点的毒性和潜在毒性也是阻碍其进一步应用的制约因素，现有以壳聚糖和聚乙二醇为起始原料，采用微波热解法来制备具有荧光性质的碳量子点。荧光光谱显示所制备的样品具有很好的荧光性质，通过细胞毒性试验证明所制备荧光碳量子点的生物安全性，在400 μg/mL的高浓度下，细胞培养48 h后，仍具有90%以上的存活率。最终将其应用于Hela细胞的荧光成像。量子点还可与生物材料结合使用，在食源性致病菌检测方面应用较广。Hu等[34]将量子点通过链霉亲和素包被，与经生物素标记的抗金黄色葡萄球菌抗体偶联，结果发现量子点免疫荧光复合物的荧光强度与金黄色葡萄球菌之间可以形成线性关系（r2=0.94），检测限可达103CFU/mL。其利用量子点荧光复合物，实现金黄色葡萄球菌的定量分析。

图2 量子点荧光标记检测金黄色葡萄球菌示意图

2.3 硅纳米复合材料

硅纳米颗粒（SiNPs）是最早用于生物成像的纳米粒子，它们可以很容易地掺杂不同类型的金属有机物，如掺杂有发光镧系元素，可使其具有诸如衰变时间长等特征，这些特征可以用于提高荧光定量法的分辨效率和背景抑制效率。因此，各种维度的硅纳米材料被合成并功能化以用于不同的生物分析用途。如零维荧光硅纳米颗粒具有高亲水性、高光强、高光稳定性且成本低、合成简单、表面修饰方便等优点，被证明更适合于实时和长期条件下的活细胞跟踪及分析[35-36]，可用于快速发现处于急性期的白血病细胞。也可用于诊断和收集各种类型的癌细胞，具有极高的灵敏度和选择性。单个硅纳米颗粒中可以嵌入100～1 000 s的染料，这使得其有助于信号放大。利用这一特点，设计添加硅纳米颗粒的具有DNA光稳定性和强荧光的共轭染料用于生物检测[37-39]。再如，一维硅纳米线（SiNWs）和二维硅片纳米杂化材料被设计为一种通用的生物传感器，用于改进表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scatting，SERS）研究。硅基SERS传感器与基于游离金属纳米颗粒的SERS传感器相比，表现出更好的重复性和灵敏度。不同类型的功能性硅纳米材料传感器被开发，用于病原菌检测和诊断生物大分子，并且具有良好的重复性和可靠性。

在硅纳米复合材料应用中，二氧化硅复合荧光纳米材料的用途最广。其具有明显的核壳结构，外壳为二氧化硅纳米材料，可进行生物修饰，内核材料则可以是纳米金、量子点、稀土发光材料与有机荧光染料等，可明显放大信号[40]。

如通过将有机染料与亲水分子偶联，并改变合成环境的pH，可以增加染料分子与二氧化硅纳米颗粒之间的静电作用力，从而获得染料不易泄露的荧光二氧化硅纳米颗粒[41]。同一二氧化硅纳米颗粒内可以包载两种或多种不同的染料分子，不同染料分子间交叉覆盖的激发光谱和发射光谱使得各染料分子间存在荧光能量共振转移（fluorescent resonance energy transfer，FRET），能够起到放大荧光信号、增加荧光纳米颗粒斯托克斯位移的作用。改变纳米颗粒内包载的各染料分子比例时，纳米颗粒的发射波长会发生改变而显示不同颜色的荧光[42]。

具有良好分散性的二氧化硅纳米颗粒在体内会被肾脏快速清除，不产生累积效应[43]，不会达到毒性剂量，因此，一定浓度剂量范围的二氧化硅纳米粒子不会对人体的健康造成威胁。

3 结语和展望

纳米材料成为食品病原菌检测、诊断及生物传感器应用方面的有力工具，具有广阔的应用前景。单独使用纳米材料存在荧光强度弱、量子产率低或者与待检测物结合性差等问题，限制其发展和应用。如石墨烯具有优异的导电性能，且其能与DNA碱基有很强的相互作用，在核酸检测方面具有很好的应用前景。然而，制备和生产廉价且超纯净的原始石墨烯层仍然较为困难。同样，石墨烯及其衍生物在体内外条件下的时间依赖性和生物相容性依然是研究石墨烯不同方面的研究人员最具挑战性的任务之一。经过改造或同其他材料或其他检测方法结合，如二氧化硅纳米材料的包容性特别好，但是自身荧光十分弱，难以应用于荧光检测，通过和有机染料等相结合，使之既能用于荧光检测，又几乎无毒，可以用于活体细胞检测和追踪，既发挥其优势，也弥补其不足，使其在检测中的应用更加广泛。如PEG包覆的上转换纳米颗粒在食品检测方面已有相应的商品化产品，且较为成熟。但是，纳米材料在食品检测中的应用仍存在诸如检测时间长、灵敏度及准确度不够高等问题。部分检测方法依然需要依赖于大型设备，难以实现便携、快速的现场检测。这对于纳米材料在食品检测方面的应用又是一个考验。随着材料科学与生物技术的发展，两者进行优势互补，会实现更好的应用与发展。