功能納米材料的“瘦肉精”傳感檢測技術研究進展

趙 杰，梁 剛，李 安，滿 燕，靳欣欣，潘立剛

功能納米材料的“瘦肉精”傳感檢測技術研究進展

趙 杰，梁 剛，李 安，滿 燕，靳欣欣，潘立剛※

（1. 北京市農林科學院，北京農業質量標準與檢測技術研究中心，北京 100097；2. 農業部農產品質量安全風險評估實驗室（北京），北京 100097）

“瘦肉精”系一類具有相似結構的-腎上腺素受體激動劑化合物，曾被濫用作為動物生長促進劑，以提高胴體瘦肉率。中國雖自2010年起禁止其應用于動物養殖環節，但當前，“瘦肉精”類物質非法添加現象仍時有發生，且其替代品多、隱蔽性不斷增強對畜產品安全和人類健康仍構成極大威脅。功能納米材料所具有的特殊結構及性質，極大地提升了現有傳感檢測技術的性能，使得現有傳感檢測技術不斷朝著靈敏、高效、簡便、低成本及抗干擾能力不斷增強等方向發展。該文分別從金納米材料、碳質納米材料、量子點以及其他新型納米材料角度出發，總結了以上納米材料與傳感檢測技術相結合在“瘦肉精”檢測方面的研究進展，分析了各種檢測方法的優缺點，并提出了未來功能納米材料與傳感檢測技術相結合需要提升的地方，為下一步開發更靈敏準確、簡便易行、高通量及低成本的檢測方法提供參考。

傳感器；納米技術；無損檢測；功能納米材料；瘦肉精

0 引 言

“瘦肉精”是一類具有腎上腺素功能的苯乙醇胺類物質，臨床上用于擴張支氣管和增加肺通氣量，治療哮喘和肺炎等疾病[1]。當其使用劑量是臨床治療劑量的5～10倍時，可促進動物體內脂肪分解代謝，加快蛋白質合成速率，顯著增加胴體瘦肉率、增質量和提高飼料轉化率[2]。但是，由于其用量大、使用時間長、代謝慢，可長期存在于動物肌肉及肝臟中，人們食用被“瘦肉精”污染的食品會引起心悸、肌肉疼痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，造成腎臟損害，甚至危及生命[3]。因此，世界許多國家，包括歐盟和中國均已明令禁止其作為生長促進劑應用于動物養殖環節[4]。然而，受經濟利益驅使，動物養殖過程中非法使用“瘦肉精”的現象仍屢禁不止，且不斷推陳出新以逃避監管[5]，另外其應用范圍也有所擴大[6]。為對動物及其產品實施更嚴格的監管，確保相應法律法規的有效實施，更加快速、靈敏及適于現場檢測的方法仍為市場所急需。

目前，常見的“瘦肉精”類藥物包括：克倫特羅（CLE）、萊克多巴胺（RAC）、沙丁胺醇（SAL）、苯乙醇胺A、賽庚啶、可樂定等。現有已開發出多種用于“瘦肉精”的檢測方法，包括傳統的基于大型儀器設備的檢測方法，如高效液相色譜法[7-8]、氣相色譜-質譜法[9-11]、液相色譜-串聯質譜法[12-14]、毛細管電泳技術[15-17]；基于免疫分析的相關技術，如酶聯免疫相關方法[18-19]、免疫側流層析法[20]、表面增強拉曼免疫法[21]；以及分子印記聚合物法[22-23]等其他相關方法。盡管這些方法擁有檢測靈敏度高、特異性理想，應用也最為廣泛，但是由于對設備要求高、操作難度大、樣本制備復雜耗時、需要專業的操作人員等原因還很難滿足多種應用場景的要求。基于各種原理的傳感檢測技術是目前極具潛力的快速檢測技術，具有簡單快速、專一性高、選擇性好、成本低、便攜式及可實現實時分析等特點，目前在“瘦肉精”檢測方面有許多報道。如，Wong等[24]開發了一種基于一次性絲網印刷碳電極的檢測CLE的傳感器，通過將絲網印刷電極預陽極化及利用射頻氧等離子體進行處理，在不借助任何生物識別原件的情況下，實現對目標物的選擇性檢測，該傳感器的線性響應范圍為7～1 000 ng/mL，檢測限為0.51 ng/mL，并在豬牛肉等實際樣品中回收率介于94.92%～105.89%，而且該傳感器分析時間短、成本低，重現性良好，有利于傳感器的一次性的制造和使用。Feng等[25]將分子印跡技術與石英晶體微天平傳感器陣列結合，實現了克倫特羅及其代謝產物的同時檢測，該方法的檢測限為3.0 ng/mL，低于食品法典委員會規定10g/L的殘留限量。傳感檢測技術的快速發展，為“瘦肉精”更加高效、便捷的檢測提供了可能。

納米材料主要是指結構單元在納米尺寸范圍（1～100 nm）內的一類材料，自上世紀80年代初期被發現以來，其在光學、電學、磁學及力學等方面較普通材料更加優越的性能使其在諸多領域得到了廣泛的研究和應用。因其結構的特殊性，在界面、表面效應、小尺寸效應上與傳統材料具有明顯差別，使其在光、電、熱、磁、機械等各方面具有更加優越的性能，這些性能可以大大提高電子、光學和光電化學生物傳感對識別事件的響應能力，以及提高生物傳感接口的分析性能，如功能納米材料在電化學傳感領域的引入較傳統分析方法在多種途徑上促進了檢測信號的放大，極大地提高了檢測方法的性能[26]。納米材料與各種原理的傳感檢測技術相結合，近年來在醫藥、食品安全、環境等領域研究應用廣泛。目前，基于多種納米材料的“瘦肉精”傳感檢測方法層出不窮，本文主要從金納米材料、碳納米材料、量子點以及其他新型納米材料幾個角度進行綜述，以期為下一步開發更加簡便、高效的檢測方法提供參考。

1 基于金納米材料的傳感檢測技術

金納米材料是納米科學和納米技術研究的熱點之一[27]，也是當前研究較為深入和應用較為廣泛的納米材料之一。金納米材料具有獨特的光學、電學和催化性能以及良好的生物相容性。在物理、化學、催化、生物醫學、材料科學以及電化學傳感器等領域得到了廣泛的應用。依賴于其獨特的性質，使其成為晶體生長、電子轉移機制、催化、DNA檢測、生物成像及治療等研究領域的理想候選材料[28]。同時，金納米材料在研究光電化學性能、構建生物傳感器、研究電化學催化等方面具有廣闊的應用前景[29-30]。常見的金納米材料依據其不同的形貌特征，包括球形[31]、棒形[32]、三角形[33]、鏈形[34]以及多態形[35]等。

在電化學傳感領域，金納米顆粒（AuNPs）獨特的光學特征，其顏色受尺寸、形狀、配體結合及聚集狀態等因素影響[36]。當AuNPs參與物質檢測時，利用其的不同聚集程度，其光吸收峰變寬，導致顏色發生改變[37]，從而實現目標物的可視化檢測。如圖1所示，Wang等[38]利用適配體對飼料中的RAC進行檢測，當體系中不含目標物時，適配體包覆在金納米粒子表面阻止氯化鈉溶液作用導致的聚集，而當目標物存在時，適配體與目標物作用，金納米粒子失去了適配體的保護后隨即發生聚集，溶液的顏色也由紅色變成藍色，通過肉眼或借助分光光度計進行結果判斷，操作十分簡便。該方法的有效線性范圍為10～400 ng/mL，檢測限為10 ng/mL。在實際樣品動物飼料和牛肉檢測中，加標回收率分別為72.7%～87.3% 和78.2%～86.5%。Simon等[39]利用谷氨酸（Glu）和聚乙烯亞胺（PE）來修飾金納米粒子，制備了在室溫下極穩定的含有雙官能團的PE-Glu-AuNPs復合物，利用AuNPs顏色的變化實現了對人尿樣中CLE和RAC的可視化檢測，其中CLE的線性檢測范圍為0～600 nmol/L，檢測限為0.93 nmol/L，RAC的線性檢測范圍為0～1 000 nmol/L，檢測限為0.98 nmol/L，二者在實際樣品人體尿液中的加標回收率為91%～98.6%和87.5%～100.7%。該檢測方法操作更加簡便，成本更低，為更適于現場樣品的檢測。Peng等[40]開發了基于金納米簇的多路并行的免疫側流層傳感器，通過合成高亮度的綠色發射金納米簇實現CLE和RAC的同時檢測，二者的可視檢測限均為0.24 ng/mL，若借助便攜式熒光檢測器，二者的檢測限分別為0.003 ng/mL和0.023 ng/mL，用于實際樣品豬尿的檢測，二者的添加回收率分別為89.2%～111.4%和93.3%～105.6%。該方法與LC-MS/MS方法相比，顯示出良好的一致性，同時該方法在對30個樣本進行分析時僅需18 min，為實際樣品的檢測提供了更加高效便捷的方法。另外，該方法中制備的納米粒子粒徑更小、水溶性及生物相容性更好，這就為其進一步的開發應用奠定了基礎。

圖1 基于金納米粒子的比色傳感器檢測原理[38]

由于金屬顆粒體系具有不尋常的拉曼散射電磁增強現象，AuNPs及金納米簇經可見光激發后表現出表面等離子激元共振（LSPR）的特性，特別是金納米粒子具有可調諧的縱向LSPR特性和對激發極化高度敏感特性[41]，基于這一性質，AuNPs在表面增強拉曼散射傳感器中有較多的報道。如圖2所示，Zhu等[42]將AuNPs標記上4,4′-聯吡啶和CLE抗體，作為表面增強拉曼散射探針，建立了競爭性表面增強拉曼散射免疫傳感器實現了對CLE高靈敏的檢測，該方法的線性范圍為0.1～100 pg/mL，檢測限為0.1 pg/mL。該方法用于豬尿樣本的檢測，回收率介于76.7%～135.8%。該方法的特別之處在于將CLE的人工抗原而不是CLE抗體固定在底物上，這樣可以極大地降低檢測成本，該方法在食品安全和激動劑控制方面具有廣闊的應用前景。Cheng等[43]利用石墨烯的氧化產物和AuNPs作為表面增強拉曼基底實現了動物尿液中克羅特羅的表面增強拉曼光譜檢測，該方法的線性范圍為1～20 ng/mL，檢測限和定量限分別為0.5和1 ng/mL。利用該方法對30份動物尿液進行檢測，其檢測結果與LC-MS/MS結果100%一致，而檢測時間僅需8 min/個樣品。該方法操作簡單，特別適用于定期監測在畜牧業中CLE的非法使用。

金納米粒子還具有優異的電子傳遞效能，同時較大的比表面積使其可以負載更多的目標捕獲分子，同電化學檢測技術相結合，既可發揮電化學檢測方法的儀器設備簡單、方法特異性和靈敏度高，且試驗操作簡單、成本低廉等特點[44]，也可將生物反應的特異性同電化學分析方法的靈敏性結合在一起，進一步提高傳感器的檢測性能，也拓展了電化學傳感技術的應用領域[45]。Yan等[46]將AuNPs作為反應基底和電子傳遞加速器，以克倫特羅的多克隆抗體為目標物的識別原件，借助于量子點構建了競爭性的電化學發光免疫傳感器，實現了對鹽酸克倫特羅的超靈敏檢測，方法有效線性范圍為0.02～50 ng/mL，檢測限為0.008 4 ng/mL。該傳感器表現出良好的穩定性、特異性和重現性。并將該傳感器用于豬肉和豬肝樣品的檢測，其添加回收率為76%～122%，進一步證明了免疫傳感器在實際樣品中的適用性較好。如圖3所示，Yang等[47]利用AuNPs/PPDA/GR復合材料修飾玻碳電極，以此來增加電極表面固定的RAC適配體的量，并提高生物傳感器的信號傳導性能，采用示差脈沖伏安法（）檢測適配體與靶標的結合前后電流信號變化，從而實現了對RAC的超靈敏檢測。該傳感器的線性范圍為1.0×10-12～1.0×10-8mol/L，檢測限為5.0×10-13mol/L。在動物尿液檢測中表現出良好的穩定性和重現性。同樣，Zhu等[48]采用AuNPs/PDA/GR復合材料作為信號放大器，同時增大抗原和抗體負載量，并結合量子點電化學發光法來檢測RAC，該方法的線性范圍為0.01～1 000 ng/mL，最低檢測限為2.6 pg/mL。Li等[49]將AuNPs、殼聚糖（Chitosan）及抗原溶液按1:1:1比例固定在陣列絲網印刷工作電極上，利用自制的單孔四擲開關，實現了針對多種“瘦肉精”成分近同時的電化學發光檢測，以RAC和SAL為檢測對象，二者的檢測限分別為8.5和17 pg/mL。該方法由于采用低成本的絲網印刷電極，成本低廉，適合大量樣本的快速篩查，應用前景廣闊。表1整理了以上基于金納米材料的“瘦肉精”檢測方法的相關文獻。

圖2 基于金納米粒子的競爭性表面增強拉曼散射免疫傳感器檢測克倫特羅原理圖[42]

圖3 基于金納米粒子的電化學適配體傳感器檢測萊克多巴胺原理圖[47]

表1 基于金納米材料的“瘦肉精”檢測方法對比

2 基于碳納米材料的傳感檢測技術

在功能納米材料中，碳納米材料也是研究及應用最廣泛的納米材料之一。依據不同的維度，碳納米材料可劃分為：零維結構的富勒烯、碳點；一維結構的碳納米管、碳納米纖維；二維結構的石墨烯等[50-52]。碳納米材料具有獨特的化學/物理穩定性、高耐熱性和耐腐蝕性、大的比表面積、超高的導電性、催化活性、光學性能、強機械強度和良好的生物相容性等優異性能，自問世以來就被認為是開發高性能傳感器的良好候選材料[53-54]。

碳基納米材料，尤其是碳納米管（CNTs）、石墨烯（GR）、有序介孔碳（OMCs）等，由于具有高表面積、可接受的生物相容性、化學和電化學穩定性以及良好的導電性，在電極設計的生物分析領域極具吸引力，基于碳納米材料的傳感器通常具有比傳統傳感器更高的靈敏度和更低的檢測限[55]。近年碳納米材料在“瘦肉精”的傳感檢測中應用也十分廣泛。如圖4所示，Liu等[56]借助多壁碳納米管（MWNTs）建立了一種新的蛋白傳感層的方法，首先利用MWNTs將羊抗鼠二抗固定于電極表面，然后通過抗體間的特異性識別作用將CLB的單抗組裝于電極表面，利用辣根過氧化物酶（HRP）-CLB復合物與樣品中游離的CLB競爭結合該單克隆抗體，測定HRP催化底物產生的電流信號變化來實現對目標物的檢測，線性范圍為0～10 ng/mL，檢測限為0.1 ng/mL。該蛋白的組裝方法與化學共軛法相比，具有較高的靈敏度和較好的重現性，響應時間短，且由于該傳感裝置攜帶了一次性絲網印刷電極，可滿足現場快速檢測的要求。

圖4 基于多壁碳納米管的電化學免疫傳感器檢測克倫特羅原理圖[54]

陳昌云等[57]建立了一種基于碳納米管和離子液體復合物修飾電極的免疫傳感器檢測萊克多巴胺的方法，將MWNTs與室溫離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM]BF4）復合物同偶聯了牛血清蛋白（BSA）的RAC抗原，使用Nafion一同修飾在玻碳電極表面，利用RAC抗體和抗原之間特定反應的競爭模式，以K3Fe(CN)6為探針, 通過循環伏安法和差分脈沖伏安法監測反應信號，實現對溶液中RAC的濃度的檢測.，該方法的線性范圍1～1 500 ng/mL，檢測限為0.3 ng/mL，對豬飼料樣本進行檢測，回收率在85%～99%之間，該免疫傳感器的重復性、穩定性和再生良好。張媛媛等[58]利用改性的殼聚糖來包埋固定羧基化的MWNTs和RAC抗體，同樣以K3Fe(CN)6為探針，構建了RAC的免疫傳感檢測方法，該方法的線性范圍0.05～4.05 ng/mL，最低檢測限為0.08 ng/mL。該法用于豬肉、羊肉等樣品的檢測，其結果與采用高效液相色譜法的國標方法一致，效果良好。由于MWNTs具有較小的粒徑、大的比表面積以及表面的功能基團，它的應用一方面可以顯著的提高特異性識別分子（如抗體、適配體等）的固載量；另一方面，多孔結構的碳納米管良好的三維微環境也不會破壞抗體等的免疫活性；同時，適當的分子間的間隔也有助于提高抗體對目標物的選擇性，最終提高了傳感器的信噪比。但是，碳納米管的自組裝性能有時不夠理想，穩定性還有待提高。

近年，單原子厚度的二維石墨烯因其機械強度高、光學性能可調、比表面積大、高電導性等特點引起了人們的廣泛關注。石墨烯家族還包括結構和化學衍生物，如多層石墨烯、氧化石墨烯（GO）及還原石墨烯（rGO）等[59]。由于GO和rGO更易于表面修飾和可調節的導電性能，在生物傳感領域應用更多[60-61]。Wu等[62]通過對比發現在玻碳、石墨烯、還原石墨烯及氧化石墨烯中，氧化石墨烯表現出更強的信號增強效應，可以大大提高RAC和CLE的氧化信號，進而利用GO建立了對RAC和CLE的電化學檢測方法，通過檢測脈沖伏安（DPV）信號獲知目標物的濃度，二者的線性范圍25～1 000 ng/mL，對應的檢測限分別為17和15 ng/mL。該方法用于豬肉樣本的檢測，其添加回收介于90.1%～98.6%之間，效果較好。Lin等[63]在修飾有石墨烯-Nafion膜的玻碳電極上電聚合酸性鉻蘭K，實現了8種“瘦肉精”成分的高靈敏檢測，方法的檢測范圍為1.0～36.0 ng/mL，檢測限為0.58～1.46 ng/mL，對實際樣品豬肉添加CLE進行檢測，添加水平為0.01和0.02g/g，對應的回收率為89.2%和91.3%。結果表明，該方法能較好地測定豬肉中克倫特羅的含量。Wang等[64]制備了異丙醇-Nafion膜-4-乙烯苯磺酸鈉-石墨烯納米復合材料用以修飾玻碳電極，構建了用于豬肉中CLE檢測的靈敏伏安傳感器，該方法的線性范圍為7.5×10-8～2.5×10-5mol/L，檢測限為2.2×10-8mol/L。該方法中制備的修飾電極，穩定性和重現性良好，4 ℃條件下可以保存一周，這在實際應用過程中將提供極大便利。如圖5所示，Wang等[65]報道了一種利用競爭策略快速同時分析RAC、CLE和SALSAL的多路電化學生物傳感器。試驗首先將rGO固定在絲網印刷工作電極表面，然后將3種物質的人工抗原分別固定在3個電極表面，采用銀鈀合金來標記RAC、CLE和SAL的對應抗體，利用競爭策略，同時檢測RAC、SAL和CLE，相鄰電極之間不存在干擾，實現了對豬肉中3種物質的同時檢測，三者的檢測范圍介于0.01～100 ng/mL之間，對應的檢測限分別為1.52、1.44及1.38 pg/mL。該方法消除了酶和介質可能帶來的負面影響，降低了檢測成本。此外，絲網印刷電極價格低廉，易于實現商業化，有望成為一種新的食品安全快速檢測方法。Bai等[66]制備了分散性良好的石墨烯，并將金納米棒自組裝在石墨烯表面，將二者的復合物修飾在玻碳電極表面，構建了RAC電化學傳感器，該傳感器檢測RAC的線性檢測范圍為1×10-9～2.7×10-6mol/L，檢測限為5.1×10-10mol/L。該方法靈敏度高，操作簡便，對豬尿樣本進行檢測其回收率介于99.2%～107.3%之間，效果良好。Jin等[67]將rGO電沉積在玻碳電極上，借助上轉化納米粒子（UCNPs），構建了超靈敏的分子印跡電化學發光傳感器檢測克倫特羅，該傳感器具有良好的靈敏度、選擇性和穩定性，方法的線性范圍為10～100mol/L，最低檢測限6.3 nmol/L。在對實際樣本豬肉，肝和腎的檢測中，其回收率介于89.0%～100.4%，在食品安全檢測領域具有廣闊的應用前景。同時，在該研究中，rGO不僅作為固定UCNPs的載體，而且由于其高導電性、優越的電子傳輸速率和較大的比表面積，對提高UCNPs的電化學發光響應具有顯著的影響。Li等[68]開發了基于納米金修飾的Fe3O4/GR分子印跡聚合物電化學傳感器，用于水中痕量RAC的高選擇性、高靈敏的檢測，該方法的線性檢測范圍為0.002～0.1mol/L，最低檢測限可達 0.02 nmol/L。Zhai等[69]將GR與MWNTs聯合應用，采用水分散磺化石墨烯片（SGSs）和氧功能化多壁碳納米管（MWCNS-COOH）組成的復合納米材料修飾玻璃碳電極，制備了一種新型靈敏的電化學傳感器檢測肝組織樣本中的克倫特羅，該傳感器的線性檢測范圍為0.01～5.0mol/L，檢測限為4.6 nmol/L。基于以上研究表明，rGO和GO是理想的石墨烯類似物，可用于生物傳感器的制備，并且研究發現由于石墨烯的表面官能團能夠參與生物識別元素的共價固定，還可用于ssDNA、適配體和抗體的優良載體[70]。

在碳納米材料中，孔徑在2～50 nm的有序介孔碳（OMCs）具有比表面積高、顆粒外形豐富、孔徑均一可調，化學穩定性好、以及導電性良好在生物傳感器、電容器電極、催化載體及吸附材料等方面有著良好的應用前景[71-72]。Yang等[73]利用OMCs修飾玻璃碳電極，研制了一種靈敏的電化學傳感器來檢測RAC。試驗結果表明OMCs可以顯著提高電催化活性，使峰值電流顯著增加，進而實現對RAC的檢測，該方法的線性檢測范圍為0.085～8.0mol/L，檢測限為0.06mol/L，且對RAC具有良好的靈敏度和選擇性。對實際樣品豬肉進行檢測，回收率在96.6%～104.5%之間，對傳感器的進一步開發具有重要的實用價值。Ma等[74]利用OMCs和AuNPs修飾絲網印刷電極，并結合免疫印跡技術制備了一次性電化學傳感器，用于RAC的測定，該方法的線性檢測范圍為5.0×10-11～1.0×10-9mol/L，檢測限為4.23×10-11mol/L。試驗結果表明，該傳感器具有快速的平衡孵育時間（100 s），對RAC有高親和力以及選擇性，實際樣品豬尿的回收率介于95.7%～99.3%。表2整理了以上基于碳納米材料的“瘦肉精”檢測方法的相關文獻。

圖5 基于還原氧化石墨烯的電化學生物傳感器同時檢測RAC、克倫特羅和沙丁胺醇原理圖[63]

表2 基于碳納米材料的“瘦肉精”檢測方法對比

3 基于量子點的傳感檢測技術

量子點（quantum dots, QDs），也稱半導體納米晶體，直徑約為2～10 nm，具有光穩定性好、寬激發譜和窄發射譜，以及生物相容性好、熒光壽命長等獨特的性質，在物理、化學、生物等諸多領域得到了廣泛的應用[75-76]。量子點組成元素在元素周期表中通常可以劃分為II-VI、III-V或IV-VI族，同時也可以由2種或2種以上的復合材料形成核殼結構，如CdTe、CdSe/ZnS以及CdSe/ZnSe/ZnS等[77-78]。目前，在“瘦肉精”檢測領域中與電化學發光方法聯合應用組成高靈敏度的量子點-電化學發光傳感器應用較多，建立了諸多基于CdSe量子點與其他納米材料聯合應用的傳感檢測技術。如圖6所示，Yao等[79]建立了基于CdSe QDs的鹽酸克倫特羅的ECL免疫傳感器。通過層層組裝的方式將量子點、人工抗原及抗體組裝至電極表面，進步一步結合酶的放大作用大大提高了傳感器的檢測靈敏度，方法的線性范圍介于0.05～1 000 ng/mL之間，最低檢出限為0.02 ng/mL。該傳感器具有良好的穩定性和重現性，應用于實際樣品豬肉和肝臟的檢測，回收率為82.6%～108.3%，表明該免疫傳感器在實際樣品的分析中具有一定的適用性。Yan等[46]以AuNPs作為反應基底，將CLE抗體固定于CdSe量子點上，通過競爭法實現對克倫特羅的超靈敏檢測，該方法線性范圍為0.02～50 ng/mL，檢測限為0.008 4 ng/mL。Dong等[80]同樣利用AuNPs和CdSe量子點，建立了檢測新型“瘦肉精”溴布特羅的電化學發光免疫傳感器，方法的線性范圍為0.01～1 000 ng/mL，檢測限為0.003 ng/mL。同時，該傳感器的特異性和穩定性良好，將其應用于實際樣品中豬肉和飼料的測定，回收率為87%～111%，結果令人滿意。Zhu等[48]將AuNPs、石墨烯復合同量子點CdSe進行組合，構建了電化學發光免疫傳感器實現RAC的檢測，該方法的線性范圍為0.01～1 000 ng/mL，最低檢測限為2.6 pg/mL。Raksawong等[81]利用雜交分子印跡聚合物（MIP）包覆CdTe量子點，開發了檢測SAL熒光免疫傳感器，實現了動物飼料和肉中SAL的高靈敏和特異性的檢測，方法的線性范圍為0.10～25.0g/L，檢測限為0.034g/L。在測試的3種動物飼料（豬、牛、禽）和2種肉類（豬肉和牛肉）的所有樣本的添加回收介于85.1%～98.0%，為復雜樣本中SAL的檢測提供了一種可靠的方法。Tang等[82]利用CdSe量子點，并借助HRP的放大作用，建立了苯乙醇胺A的電化學發光免疫檢測方法，該方法的線性范圍0.05～1 000 ng/mL，最低檢測限為15 pg/mL，在實際樣本豬肉和豬肝檢測中，加標回收率為85.6%～110.4%，并與HPLC的檢測結果進行了對比，結果表明兩者間的檢測結果無顯著差別，可以滿足實際樣本的檢測需求。Dong等[83]利用AuNPs及經SiO2包覆的CdSe量子點建立了雙重信號放大的電化學發光免疫傳感器實現了對豬肉和飼料中SAL的超靈敏檢測，方法的線性范圍是0.001～1 000 ng/mL，檢測限為0.17 pg/mL，在實際樣品豬肉和飼料中，回收率為83%～116%。該方法操作穩定，靈敏度高，選擇性好，同時為其他小分子的分析檢測提供了技術參考，具有更廣泛的應用價值。Hu等[84]將一種新型的鋅基有機框架（ZnMOFs）同rGO及CdTe量子點結合，將CdTe量子點固定于rGO上，用于提高反應信號，構建電化學發光傳感器實現了克倫特羅的高靈敏檢測，該方法的線性范圍為3.0×10-13～6.0×10-10mol/L，最低檢測限為1.0×10-13mol/L。該傳感器具有良好的重復性和穩定性，在豬肉樣本的檢測中，添加回收為94.0%～102%。同時，該研究中采用的ZnMOF-rGO-CdTe QDs雜化技術為CLB檢測提供了新的方法。表3整理了以上基于量子點納米材料的“瘦肉精”檢測方法的相關文獻。

圖6 基于量子點的電化學發光免疫傳感器檢測克倫特羅原理圖[77]

表3 基于量子點納米材料的“瘦肉精”檢測方法對比

4 其他新型納米材料

磷烯（Phosphorene）又稱黑磷烯或二維黑磷，是由塊體黑磷剝離成的具有原子層厚度的二維層狀新型半導體材料，具有能帶可調的直接帶隙結構和高載流子遷移率以及良好的導電導熱能力等獨特的性質，在電子和光電應用領域具有獨特的優勢，現已在晶體管、光通訊、能源、生物醫學等領域顯示出極大的應用潛力，自2014年出現以來就備受關注[85-88]。如圖7所示，Ge等[89]制備了磷烯-Nafion的納米復合材料，并將其修飾于玻碳電極表面，構建了檢測CLE伏安傳感器，方法的線性范圍為0.06～24mol/L，檢測限3.7 nmol/L，該傳感器應用于牛肉和牛血清中CLB的測定，當添加量為9mol時，二者的添加回收分別為102.22%和100.33%。該研究中制備的納米復合材料與以往報道的磷烯不同，該納米復合材料對水和氧具有很好的穩定性，使其可以成功地應用于電化學生物傳感器領域。

圖7 基于黑色磷烯納米復合材料的伏安傳感器檢測克倫特羅原理圖[89]

Janus粒子是表面由2個或2個以上不同物理性質的成分構成的特殊類型的納米顆粒，可以將2種具有相反作用功能基團組裝于表面，如兩親性Janus粒子是在對立面分別含有親水基、疏水基2種不同化學基團[90]。Janus粒子獨特的結構和組成多樣性使其表現出特殊的性能，這種非對稱材料可以提高表面活性、催化或生物傳感器的性能，作為一種新型納米材料受到廣泛的關注[91]。如圖8所示，Zhou等[92]建立了基于適配體和Janus粒子的電化學傳感器，該傳感器首先將通過Janus粒子的疏水結構將其固定于玻碳電極表面，另一側的親水基團用于金納米粒子的組裝，進而與目標物的適配體連接，實現對RAC的檢測。在此過程中，Janus粒子可以增加電極上生物分子的負載量，從而放大電化學反應的信號。采用DPV法對RAC濃度進行定量分析，根據RAC的濃度建立起2條檢測曲線，其檢測范圍分別是1.0×10?13～1.0×10?11mol/L及1.0×10?11～1.0×10?7mol/L，方法的檢測限為3.3×10?14mol/L，與其他方法相比，該檢測限是目前報道的有關RAC功能化電極的最低檢測限。該方法用于人尿樣本的檢測，添加回收率為94.3%～103.0%，與LC-MS/MS的結果有很好的一致性，說明所建立的方法可用于測定人體尿液中RAC的含量。同時，該研究中對于Janus粒子的開發和應用也為其他分析檢測提供一種通用的思路參考。

圖8 基于Janus顆粒的電化學適配體傳感器檢測萊克多巴胺原理圖[90]

鈰（Ce）元素是稀土元素中含量最豐富的元素，二氧化鈰（CeO2）是鈰最穩定的氧化物。CeO2納米晶體為螢石狀結構，晶格內部的氧原子極易脫出形成氧空位，隨著氧空位的生成，與其相連的2個Ce+被還原成Ce3+[93]，因此，CeO2具有非常強大的儲氧和放氧能力，且在該過程中，其晶體結構保持不變，是一種非常理想的循環材料[94-95]。同時，CeO2超強的氧釋放能力也使其成為優秀的催化材料，在催化劑、新能源電池、傳感器、半導體等行業有著廣泛應用。Xiao等[96]采用熱處理方法合成了具有明顯電催化活性的多層結構的CeO2納米顆粒，該納米顆粒經nafion修飾后固定于玻碳電極表面，建立了克倫特羅的電化學傳感器，該方法的線性范圍0.39～2.79 mmol/L，檢測限為0.08 mmol/L，添加試驗結果表明，在豬尿樣本中回收為率91.59%～102.53%，適于實際樣本的檢測。同時，該傳感器具有良好的穩定性和重現性，在食品安全分析和藥物殘留微量分析領域具有廣闊的應用前景。表4整理了基于其他新型納米材料的“瘦肉精”檢測方法的相關文獻。

表4 基于其他新型納米材料的“瘦肉精”檢測方法對比

5 結論與展望

本文綜述了近年來基于納米材料的“瘦肉精”傳感器技術的研究進展，重點圍繞金納米材料、碳質納米材料、量子點以及其他新型納米材料進行了介紹。總體來說，通過納米材料及復合納米材料的使用，在作為反應基底、裝載特異性識別分子、提高導電性能、表面增強效應、信號傳導性能、催化性能及良好的生物相容性等方面對傳感器的靈敏度、重現性以及響應時間等方面具有巨大的提升作用。

未來，為使傳感檢測技術朝著更加靈敏、選擇性更好、操作更簡便、成本更低的方向發展，對于納米材料的種類及其應用方式還有待進一步提高：

1）現有納米材料性能需要提升，特別是對于無標簽的納米傳感器，其對目標物的特異性還有待提升，否則很難適應實際檢測的需要。

2）開發、篩選新的功能納米材料，一方面開發全新種類的新型納米材料，擴大傳感領域可供選擇納米材料的范圍，另一方面，對現有納米材料進行改進，合成包含2種或2種以上元素種類的納米材料以及具有特殊結構的納米材料，獲得具有優越性能的復合納米材料，以金納米粒子為例，如金-銀雙金屬納米粒子、金-金屬氧化物復合物，金-碳納米管納米復合材料，金-石墨烯/氧化石墨烯復合材料、核-殼金包覆磁性納米粒子（如Fe3O4-AuNPs）等，從而獲得具有全新性能的納米材料。

3）研究納米材料的增強機制，并對識別分子的修飾方法進行創新，現有已明晰的納米材料對信號的增強放大效應包括其良好的生物相容性、表面效應、宏觀量子隧道效應、高比表面積和高表面能等，未來不斷探索新的增強機制有利于納米材料性能的進一步提升，同時，新的具有潛力的修飾方法如層層自組裝法、等離子體聚合膜技術以及利用蛋白質工程技術直接實現抗體等的定向固定，這些方法的應用必將為傳感器的性能提升提供巨大的空間。

今后，隨著納米技術不斷取得新的進展，傳感器將朝著以下幾個方面發展：更加集成及微型化，便于攜帶，以利于現場和野外等場景的特殊需求；自動化程度更高，可以實現實時在線的檢測，及自動化分析；高通量及多組分并行檢測，以利于規模化的篩查應用。同時，將納米材料同新型檢測技術相結合，不斷滿足質檢領域的新要求。

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Review on sensing detection progress of “lean meat agent” based on functional nanomaterials

Zhao Jie, Liang Gang, Li An, Man Yan, Jin Xinxin, Pan Ligang※

(1.,100097,;2.(),100097)

The “lean meat agents” is a class of-agonists with a similar structure, which had been abused as an animal growth promoter to improve carcass lean meat rate. However, the drug residue accumulation in meat and body tissues would cause acute poisoning after eating, which gave rise to muscular pain, dizziness, cardiacpalpitation and vomiting, so China has banned its application for growth promotion in animal breeding processes since 2010. But the illegal abuse of “lean meat agents” still frequently occurs in some animal farms. Besides, the plenty of substitutes and increasingly concealing performance still pose a great threat to the safety of animal products and human health. The frequently abused ‘‘lean meat agents’’ include clenbuterol (CLE), ractopamine (RAC), salbutamol (SAL), terbutaline, cimaterol, phenylethanolamine A, etc. At present, various analytical methods have been developed to detect the drug residue, including high performance liquid chromatography (HPLC), gas chromatography mass spectrometry (GC-MS), liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS), capillary electrophoresis (CE) and enzyme-linked immunoassay (ELISA), lateral flow chromatography, surface-enhanced Raman immunity, and molecular imprinting polymers, and so on. While these chromatographic methods all require complicated sample pre-treatments, which is not only laborious and time consuming but also sophisticated and large apparatus. Thus, they are most often used as precise quantitative and confirmatory methods, and not fit to the rapid screening. The ELISA and lateral flow chromatography are suitable for field analysis and extensive screening, but the sensitivity is not unsatisfactory in most time. So the routine methods have been unable to meet the requirements of multiple application scenarios and the complex sample substrates. In the past decades, the nanotechnology has made great progress. The functional nanomaterials possess a lot of extraordinary property, such as large surface-to-volume ratio, excellent electrical conductivity, high chemical stability, good biological compatibility, etc. At the time, sensors have interdisciplinary applications in many fields, including chemistry, biology and electronics, industry, agriculture, clinical medicine, environmental protection, food safety jaince and the other fields. The special structure and properties of functional nanomaterials have greatly improved the performance of the existing sensing technologies, making the sensing technologies develop towards the direction of sensitivity, efficiency, simplicity, low cost and increasing anti-interference ability. In addition, the sensing instrument is easier to be miniaturized, portable and automatic, combining with the functional nanomaterials, which is expected to achieve real-time, online, simple, sensitive, high-flux and portable drug residue detection, having a promising application prospects. So far, the wide and common use functional nanomaterials in sensing detection include gold nanomaterials, carbon nanomaterials, quantum dots and other new nanomaterials (such as Phosphorene, Janus nanoparticles, CeO2nanoparticles), so the above-mentioned functional nanomaterials were summarized with the various detection principle of sensing test, such as colorimetric methods, surface enhanced Raman scattering, immunoassay, electrochemical and electrochemiluminescence methods in this review. In generally, functional nanomaterials and composite nanomaterials usually improve sensor performance from the following aspects, as a reaction substrate, load the specific molecular recognition, improve electrical conductivity, surface enhancement effect, signal conduction properties, catalytic properties and good biocompatibility, and so on. In the future, in order to improve the performance of sensor, the functional nanomaterials can be improved in the following aspects. Firstly, the specificity of the nanomaterials in free-label sensor should be enhanced to ensure the detection methods suitable to the needs of actual detection. Secondly, development and screening of new kind of functional nanomaterial, or synthesis the nanomaterial contains two or more elements or has special structure, to obtain the superior performance. Thirdly, make further study of the strengthening mechanism of nanomaterial, and innovate the modification methods for identifying molecules. With the rapid development in nanotechnology, the functional nanomaterials in sensing technology will make greater function to develop more sensitive, accurate, simple, high throughput and low-cost detection methods for drug residue detection.

sensors; nanotechnology; non destructive inspection; nanomaterials; lean meat agents

趙 杰，梁 剛，李 安，滿 燕，靳欣欣，潘立剛. 功能納米材料的“瘦肉精”傳感檢測技術研究進展[J]. 農業工程學報，2019，35(18)：255－266.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.031 http://www.tcsae.org

Zhao Jie, Liang Gang, Li An, Man Yan, Jin Xinxin, Pan Ligang. Review on sensing detection progress of “lean meat agent” based on functional nanomaterials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 255－266. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.031 http://www.tcsae.org

2019-05-25

2019-08-26

北京市農林科學院博士后科研基金（2018-ZZ-020）；北京市農林科學院科技創新能力建設專項（KJCX20170420）；北京市自然科學基金（6194038、L182031）

趙杰，博士，研究方向為農產品質量安全。Email：zhaojie20090127@126.com

潘立剛，博士，研究員。研究方向為農產品質量安全。Email：panlg@brcast.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.031

S879.2

A

1002-6819(2019)-18-0255-12