納米金-羅丹明B協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 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學 藥學院，重慶，400715) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心，重慶，400715)

食品安全問題是全球公共性衛生安全問題，與民生直接相關。近年來，我國在食品安全方面不斷進步，食品工業產值也逐漸增長，但仍有較多的食品安全惡性事件發生。這不僅造成了嚴重的經濟損失，并且危害了人們的身心健康，食品安全問題也持續成為社會焦點問題[1-2]。因此，研究快速、準確地檢測食品中有毒有害物質的方法，以預防和控制危害事件的發生，具有重要的現實意義和社會價值[3]。目前食品安全檢測中常用的分析方法有化學分析法(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雜，耗時長，成本高，并且需要專業知識和操作技能。常見的快速檢測方法有酶抑制法[8]，聚合酶鏈式反應法(polymerase chain reaction, PCR)[9]和酶聯免疫吸附測定(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定因素的影響，PCR對實驗條件和操作要求較高，不能實現現場檢測。

隨著納米技術的逐步成熟，納米材料得到了越來越多的關注。金納米粒子(gold nanoparticles, GNPs)是一種應用廣泛的光學納米材料，其制備方法簡單成熟，對實驗設備要求低，催化活性高且生物相容性好，在諸多領域如生物催化、生物傳感器、表面電化學分析、DNA分析與檢測等方面都有著廣闊的應用前景[11]，利用GNPs作為傳感平臺設計分子探針在熒光[12]、電分析[13]、表面等離子共振[14]等研究領域已經得到了初步應用。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、較高的消光系數和量子產率[15]，可作為性能優良的熒光探針。

GNPs的表面有大量的高活性位點，很容易與其他原子結合[16]，帶正電荷的RB分子可以通過靜電作用吸附到帶負電荷的GNPs表面[17]。一方面，RB的發射光譜與GNPs的吸收光譜明顯重疊，因此RB與GNPs之間能發生有效的熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)[18]使得RB的熒光信號發生改變；另一方面，RB對GNPs的吸附和解離會影響GNPs的分散和聚集狀態，從而導致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發光強度和電化學信號的變化。因此，GNPs-RB協同作用被廣泛應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、農獸藥、非法添加物和外源性化學污染物等有毒有害物質檢測中的應用，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相互作用可導致RB熒光增強或淬滅的原理，建立熒光信號強度與靶標物質濃度的線性關系[20]，通過觀測熒光強度的變化從而對靶標物質進行定量檢測的方法，該方法具有較高的靈敏度、專一性，并且操作簡便。

XU等[21]基于未結合和結合的適配體對GNPs親和力的不同來調節RB和GNPs之間信號轉導的FRET效率，從而達到檢測多巴胺的目的。當不存在靶標時，適配體可以與GNPs結合保護GNPs不受鹽離子誘導的聚集，同時RB的熒光保持淬滅。當多巴胺存在時，適配體與多巴胺特異性結合使適配體失去了穩定GNPs的能力，鹽離子誘導GNPs聚集，同時降低了其淬滅RB熒光的能力，熒光恢復。該方法的檢測線性范圍可達到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，其回收率為91.4%～103.5%，變異系數(coefficient of variation, CV)為0.9%～2.3%，表明該方法對于實際樣品中多巴胺的篩選具有高重現性和準確性。ZHAN等[22]利用無規則卷曲的適配體與Ag+結合時導致GNPs聚集狀態發生變化，同時影響RB的熒光強度，從而達到檢測銀離子的目的。RB的熒光強度與Ag+的濃度在2.73～1 500 μg/L線性相關，LOD為2.73 μg/L。使用該方法檢測水樣中的Ag+時平均回收率為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，重現性好等優點，且不需進行復雜的偶聯反應，實驗操作性強，耗時短。

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，Zn2+與GNPs更強的作用力使RB從GNPs上釋放得到熒光的恢復，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的水溶性和穩定性進一步提高，通過FRET淬滅RB的熒光，而Hg2+的濃度與RB熒光強度的恢復成正比，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CV為1.2%。該方法可通過調整RB-GNPs傳感器的濃度改變線性范圍，適應不同的檢測需要。

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同時具有GNPs和染料的特定吸收，因此GNPs-染料復合物可用作光譜檢測的傳感器。GNPs吸附染料后，表面電荷被中和導致部分發生凝聚。當金屬離子存在時，若金屬離子如Hg2+和染料的相互作用強于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等不同染料結合，構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—可見分光光度計測定實現了對水中Hg2+的識別，LOD為0.2 μmol/L(1%)。

1.3 基于熒光和分光光度雙讀數法的檢測

待測物影響RB對GNPs的吸附和解離，不僅可以導致RB熒光的變化，還會影響RB-GNPs溶液顏色的變化，可以通過比色和熒光雙讀數達到對靶標更靈敏和專一性的檢測。LIU等[27]使用比色和熒光雙讀數法檢測了有機磷和氨基甲酸酯類農藥。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能更強地結合到GNPs表面，使RB從GNPs上解離，導致熒光恢復，同時GNPs發生聚集，溶液變為藍色。不同濃度有機磷農藥的存在會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溶液顏色呈現線性變化，使用熒光分光光度計和紫外—可見分光光度計可進行定量檢測。作者用這種雙讀數機制檢測了西維因，二嗪農，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樣本的檢測，得到了很好的響應。DONG等[28]基于熒光和比色雙讀數機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存在時會誘導GNPs聚集，溶液顏色從紅色變為藍色，同時RB的熒光得到恢復。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，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的機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，當三聚氰胺的濃度為5、20、1 000 μg/L時，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，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，線性范圍廣等優點；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可以結合兩者的優點，結果更可靠，靈敏度高，肉眼可觀察到變化，操作簡便，線性范圍較廣，有著良好的推廣應用潛能。

2 基于化學發光分析法的檢測

化學發光分析法有較好的靈敏度和選擇性，檢測線性范圍較廣，但是變異較大導致重復性較差。以上兩種方法分別通過淬滅型(turn off)和增強型(turn on)[33]反應模式來表征化學發光信號的變化。“turn off”模式下，探針本身具有較強的化學發光信號，與待測物作用后導致化學發光減弱甚至消失；“turn on”模式下，探針本身沒有或僅有很弱的化學發光信號，與被測物作用后導致化學發光信號的增強。相比之下，“turn on”模式優于“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發光可以降低背景信號，增強探針的靈敏度。

3 基于電化學分析法的檢測

GNPs與RB之間電化學信號的變化也作為傳感信號來檢測食品中的有害物質殘留[35-36]。PENG等[37]通過羅丹明B酰肼(RBH)的氨基與GNPs之間的強作用力將其包被在GNPs表面，在Cu2+存在時，RBH中的芘基團在RBH釋放過程中與Cu2+發生配位作用，產生電化學信號的變化。該方法實現了對水中Cu2+的定量檢測，檢測限達到12.5 fmol/L，并在0.1 pmol/L～1 nmol/L具有良好的線性關系，添加回收率為89%～110%。電化學分析法靈敏度高，穩定性好，再生性強，有很好的選擇性和較寬的線性范圍，電化學生物傳感器的自動化、微型化和集成化使其具有很大的發展潛力[38]。

4 展望

食品安全隱患不容小覷，對食品質量的監控更是社會關注的焦點，因此開發快速檢測食品中有毒有害物質的研究是非常必要的。食品快速檢測技術的發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一直是國際分析科學領域研究的前沿，利用納米材料來進行相關的食品檢測，相比于傳統的方法有操作簡便，檢驗周期短，成本低和適用性廣等優點。GNPs-RB協同作用是一種高效，快速且準確的檢測方法，可通過多種信號實現檢測的目的，目前在熒光法和比色法上的應用較為廣泛。GNPs作為一種性能優良的信號探針，還有很多方面值得探索發現，例如如何制備尺寸小、粒徑均一、高度分散、穩定性好和易于分離回收的GNPs[40-42]以得到更簡單、穩定、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對樣品進行準確定量的分析[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]等的應用潛力也被不斷挖掘出來，并且已經在一些領域發揮著獨特的作用。相信隨著納米技術研究的逐步深入，食品快速檢測能得到更好的發展，滿足多元檢測、大量篩查的需求，進而食品安全得到有效的監管。