納米材料在食品檢測中的應(yīng)用

黃棟，潘曄，聶小娟，裘宋琳，喬森，呂鵬*

江蘇大學生命科學學院（鎮(zhèn)江 212013）

依據(jù)維度，可將納米材料分為納米顆粒（零維）、納米纖維（一維）、納米膜（二維）、納米塊（三維）4類[1]，現(xiàn)在研究最多的是納米顆粒。納米材料的尺寸極小，屬于非常典型的介觀領(lǐng)域，其能夠在電學、力學、化學、光學、生物學等專業(yè)方面展現(xiàn)出許多優(yōu)良的性質(zhì)和功能[2]。納米材料現(xiàn)成為可用于檢測的有力工具，它們與分子染料相比，不會通過細胞生物大分子與非特異性結(jié)合的待檢測物產(chǎn)生負面反應(yīng)。此外，它們在熒光團的裝載和標記方面簡單易行，許多可通過商業(yè)購買獲得，并且可提供一種同時檢測或處理多個靶點的檢測方式。通過將納米材料進行改造或與適配體或抗體結(jié)合，構(gòu)建新型的現(xiàn)場快速檢測方法，可用于生產(chǎn)快速檢測設(shè)備。另外，生物傳感器、納米抗菌材料等在食品病原菌檢測、疾病診斷、治療以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均有著光明的前景[3-5]。但同時，它們也有一些缺點限制其應(yīng)用，比如銀納米顆粒抗氧化效果不好，使用壽命和穩(wěn)定性有待提高，金納米顆粒只能實現(xiàn)非常有限的熒光增強，對于利用熒光信號進行檢測的方法不是非常適用。為解決類似問題，近些年復(fù)合型納米材料的研究逐漸增多，通過對納米材料進行改造或使之與其他材料或檢測方法結(jié)合以達到較好的檢測效果。

介紹研究較為深入的納米材料，闡述單獨使用納米材料進行食品病原菌檢測及經(jīng)改造和結(jié)合后的復(fù)合材料的應(yīng)用，分析總結(jié)其優(yōu)缺點，并對其應(yīng)用于食品檢測中存在的問題及其潛在應(yīng)用方向進行討論。

1 單一型納米材料應(yīng)用

1.1 金屬納米材料

金屬納米材料因形狀、間距，以及特殊的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，與分子化合物或塊狀金屬相比，呈現(xiàn)出不同的光學、電磁學及化學等特性。液相合成法由于成本低、操作簡便、制備的顆粒單分散性好且產(chǎn)量高等優(yōu)點，成為金屬納米顆粒應(yīng)用最廣泛的合成方法。

金原子和巰基之間獨特的相互作用有助于用寡核苷酸和其他化合物修飾納米材料[6]。Li等[7]報道首例利用未修飾的AuNPs探測溶液中目標DNA的研究，這些物理性質(zhì)可以進行修飾以滿足功能性DNA探針的要求。貴金屬納米顆粒偶聯(lián)寡核苷酸可用于生物成像和分子識別。依據(jù)其納米顆粒的尺寸、形狀、含量以及光散射特性，制作一種光學探針，它是銀納米顆粒的適配體，可用于單個納米顆粒的光譜分析和細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的同步成像。這種應(yīng)用有兩個好處：一是產(chǎn)品成本低，容易制作；二是無需使用其他試劑，即可獲得非常明亮的散射光。金屬納米顆粒光學性能優(yōu)良，體系顏色在金屬納米顆粒發(fā)生粒子團聚時發(fā)生相應(yīng)變化，利用這一特性，使其在病原性致病菌的半定量檢測方面具有廣泛應(yīng)用價值，可用于現(xiàn)場快速檢測。Chai等[8]利用紫外照射L-半胱氨酸功能化的金納米顆粒，通過顏色的變化檢測金屬汞的含量。

圖1 L-半胱氨酸功能化金納米顆粒紫外比色法檢測Hg2+示意圖

1.2 石墨烯和氧化石墨烯

石墨烯是自然界發(fā)現(xiàn)的最薄材料，屬二維結(jié)構(gòu)，單層厚度0.335 4 nm[9-10]。它可與DNA堿基有很強的相互作用，能吸附DNA，其強度與DNA分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。另外，石墨烯是一種具有納米尺度能量傳遞特性的超級猝滅劑[11-12]。氧化石墨烯（GO）是下一代生物分析設(shè)備發(fā)展中最具潛力的材料之一。GO是一種水分散的石墨烯衍生物，通常是通過石墨在氧化劑和強酸的混合物中氧化得到的。石墨烯和GO被成功用于開發(fā)高效率的納米傳感器，用于各種蛋白質(zhì)的靈敏檢測。近年來，基于石墨烯作為能量受體的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器因其高效的能量傳遞和電子傳遞而得到很好發(fā)展[13-16]。

1.3 碳納米管

碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，由碳六元環(huán)構(gòu)成的類似石墨卷曲而成的納米級中空管[17]。碳原子通過sp2雜化與周圍3個碳原子發(fā)生鍵合，各單層管頂端由于形成封閉曲面的需要，存在一定數(shù)量的五元環(huán)。碳納米管（CNTs）按其形態(tài)分為2類：單壁碳納米管（SWNTs）和多壁碳納米管（MWNTs）。單壁碳納米管能夠在近紅外波段吸收光子并發(fā)出熒光[18]。碳納米管的優(yōu)點是具有巨大的內(nèi)外表面分離結(jié)構(gòu)。外表面和內(nèi)表面各有其特定的功能，外表面可以通過改變所需的性質(zhì)來實現(xiàn)功能化，而內(nèi)部空間可以由大的蛋白質(zhì)或小分子（多核苷酸）填充。碳納米管具有穿透任何細胞膜的能力，不需要任何運輸材料，在細胞水平上也表現(xiàn)出低毒。由于活體細胞具有特殊的內(nèi)吞作用，這些納米管在腫瘤納米技術(shù)中被廣泛用作藥物輸送、治療和分析功能的載體。現(xiàn)如今，碳納米管在食品檢測、電子材料、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[19]。

1.4 量子點

量子點（quantum dots，QDs）又稱人造原子，是一種三維受限的準零維納米材料。量子點的量子尺寸效應(yīng)和量子局限效應(yīng)使其具有獨特的發(fā)光特性和電子性質(zhì)，其可見光下的量子產(chǎn)率為0.1～0.8，且其近紅外光下的量子產(chǎn)率為0.2～0.7，在生物成像中極具優(yōu)勢[20]。其合成方法簡單，表面可作為支架結(jié)構(gòu)結(jié)合蛋白質(zhì)核酸等生物大分子，是一種理想的熒光探針。如量子點可以通過連接核苷酸以及各種生物大分子（包括蛋白質(zhì)、抗體）實現(xiàn)食源性致病菌的檢測。有利用熒光信號的變化進行如大腸埃希菌、沙門菌、志賀菌及其毒素（如葡萄球菌腸毒素B）的檢測[21]。這種結(jié)合方法有利于提高檢測的專一性及抗干擾能力。

如表1所述的單一型的納米材料因其部分性質(zhì)的局限性，難以廣泛應(yīng)用。為克服這些納米材料的缺點，近些年，復(fù)合納米材料的應(yīng)用研究逐漸得到發(fā)展。

表1 常見納米材料及其優(yōu)缺點

2 復(fù)合型納米材料的應(yīng)用

2.1 金屬納米簇

與金屬納米顆粒相比，金屬納米簇是由幾個至幾百個金屬原子組成的新型熒光納米材料，其核心尺寸一般小于3 nm。金屬納米簇具有尺寸小、無毒以及較高的穩(wěn)定性等優(yōu)點[22]。常見的金屬納米簇有金簇、銀簇、銅簇等[23-24]。金納米簇（Au nanoclusters，AuNCs）由于其超常的物理化學特性和出色的生物相容性，可進行疾病相關(guān)診斷（涉及生物學分析和生物學成像）及治療[25]。用DNA支架穩(wěn)定的銀納米簇具有出色的物理和化學特性，成為生物醫(yī)學系統(tǒng)中的通用工具。它們具有可調(diào)的發(fā)射熒光，適合多功能設(shè)計。在生物傳感、生物成像和治療方面有相應(yīng)應(yīng)用。銀納米團簇（AgNCs）結(jié)合熒光和表面增強拉曼散射（SERS）方法被成功應(yīng)用于食源性致病菌的檢測；AgNCs/DNA被用作熒光標記，用于檢測金屬離子（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），探測酶活性（例如酪氨酸酶或葡萄糖氧化酶），檢測適配體-底物復(fù)合物如用于檢測凝血酶或ATP，以及分析DNA或miRNA中的單核苷酸突變。Liu等[26]利用石墨烯做猝滅劑，構(gòu)建石墨烯銀納米簇復(fù)合材料傳感器，進行致病型DNA的多重分析。

銅納米團簇（CuNC）與貴金屬納米材料相比，具有熒光強、尺寸超小、穩(wěn)定性好、生物相容性好、毒性低、價格低廉等特點。近年來，CuNC在miRNA檢測中引起廣泛關(guān)注。這些納米團簇有望替代普通的有機染料熒光團。

2.2 復(fù)合量子點

量子點一般由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]的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。殼/核型量子點能夠增強單獨量子點的理化穩(wěn)定性，使核免受外界環(huán)境的氧化，還可防止有毒離子的溶解和泄漏，同時，包被的殼還可作為支架結(jié)構(gòu)共軛其他生物配體。以具有較高能帶隙的半導(dǎo)體材料或聚合物作為殼時，量子點熒光量子產(chǎn)率會增加[29-30]。He等[31]利用微波輔助加熱的方法，在含有巰基穩(wěn)定劑（3-巰基丙酸，3-mercaptopropionic acid，MPA）的水相中合成CdTe/CdS/ZnS水溶性核/殼型量子點。該法合成的量子點熒光量子產(chǎn)率高、耐光性好且具有良好的生物相容性，不需再進行復(fù)雜的生物修飾。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，在量子點中摻雜微量的金屬元素可以使其發(fā)射中心的數(shù)量發(fā)生改變，依據(jù)這一特性，金屬摻雜型量子點的研究開始逐漸深入。其中，錳摻雜型量子點的研究最為廣泛。錳具有獨特的磁性能和光學性能，能提供良好的摻雜系統(tǒng)[32]。金屬摻雜型量子點在保留了量子點大部分優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還可避免由斯托克斯位移引起的熒光自猝滅問題，從而使熒光壽命更長，應(yīng)用范圍更廣[33]。

長期以來，量子點的毒性和潛在毒性也是阻礙其進一步應(yīng)用的制約因素，現(xiàn)有以殼聚糖和聚乙二醇為起始原料，采用微波熱解法來制備具有熒光性質(zhì)的碳量子點。熒光光譜顯示所制備的樣品具有很好的熒光性質(zhì)，通過細胞毒性試驗證明所制備熒光碳量子點的生物安全性，在400 μg/mL的高濃度下，細胞培養(yǎng)48 h后，仍具有90%以上的存活率。最終將其應(yīng)用于Hela細胞的熒光成像。量子點還可與生物材料結(jié)合使用，在食源性致病菌檢測方面應(yīng)用較廣。Hu等[34]將量子點通過鏈霉親和素包被，與經(jīng)生物素標記的抗金黃色葡萄球菌抗體偶聯(lián)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)量子點免疫熒光復(fù)合物的熒光強度與金黃色葡萄球菌之間可以形成線性關(guān)系（r2=0.94），檢測限可達103CFU/mL。其利用量子點熒光復(fù)合物，實現(xiàn)金黃色葡萄球菌的定量分析。

圖2 量子點熒光標記檢測金黃色葡萄球菌示意圖

2.3 硅納米復(fù)合材料

硅納米顆粒（SiNPs）是最早用于生物成像的納米粒子，它們可以很容易地摻雜不同類型的金屬有機物，如摻雜有發(fā)光鑭系元素，可使其具有諸如衰變時間長等特征，這些特征可以用于提高熒光定量法的分辨效率和背景抑制效率。因此，各種維度的硅納米材料被合成并功能化以用于不同的生物分析用途。如零維熒光硅納米顆粒具有高親水性、高光強、高光穩(wěn)定性且成本低、合成簡單、表面修飾方便等優(yōu)點，被證明更適合于實時和長期條件下的活細胞跟蹤及分析[35-36]，可用于快速發(fā)現(xiàn)處于急性期的白血病細胞。也可用于診斷和收集各種類型的癌細胞，具有極高的靈敏度和選擇性。單個硅納米顆粒中可以嵌入100～1 000 s的染料，這使得其有助于信號放大。利用這一特點，設(shè)計添加硅納米顆粒的具有DNA光穩(wěn)定性和強熒光的共軛染料用于生物檢測[37-39]。再如，一維硅納米線（SiNWs）和二維硅片納米雜化材料被設(shè)計為一種通用的生物傳感器，用于改進表面增強拉曼散射（surface-enhanced Raman scatting，SERS）研究。硅基SERS傳感器與基于游離金屬納米顆粒的SERS傳感器相比，表現(xiàn)出更好的重復(fù)性和靈敏度。不同類型的功能性硅納米材料傳感器被開發(fā)，用于病原菌檢測和診斷生物大分子，并且具有良好的重復(fù)性和可靠性。

在硅納米復(fù)合材料應(yīng)用中，二氧化硅復(fù)合熒光納米材料的用途最廣。其具有明顯的核殼結(jié)構(gòu)，外殼為二氧化硅納米材料，可進行生物修飾，內(nèi)核材料則可以是納米金、量子點、稀土發(fā)光材料與有機熒光染料等，可明顯放大信號[40]。

如通過將有機染料與親水分子偶聯(lián)，并改變合成環(huán)境的pH，可以增加染料分子與二氧化硅納米顆粒之間的靜電作用力，從而獲得染料不易泄露的熒光二氧化硅納米顆粒[41]。同一二氧化硅納米顆粒內(nèi)可以包載兩種或多種不同的染料分子，不同染料分子間交叉覆蓋的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜使得各染料分子間存在熒光能量共振轉(zhuǎn)移（fluorescent resonance energy transfer，F(xiàn)RET），能夠起到放大熒光信號、增加熒光納米顆粒斯托克斯位移的作用。改變納米顆粒內(nèi)包載的各染料分子比例時，納米顆粒的發(fā)射波長會發(fā)生改變而顯示不同顏色的熒光[42]。

具有良好分散性的二氧化硅納米顆粒在體內(nèi)會被腎臟快速清除，不產(chǎn)生累積效應(yīng)[43]，不會達到毒性劑量，因此，一定濃度劑量范圍的二氧化硅納米粒子不會對人體的健康造成威脅。

3 結(jié)語和展望

納米材料成為食品病原菌檢測、診斷及生物傳感器應(yīng)用方面的有力工具，具有廣闊的應(yīng)用前景。單獨使用納米材料存在熒光強度弱、量子產(chǎn)率低或者與待檢測物結(jié)合性差等問題，限制其發(fā)展和應(yīng)用。如石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，且其能與DNA堿基有很強的相互作用，在核酸檢測方面具有很好的應(yīng)用前景。然而，制備和生產(chǎn)廉價且超純凈的原始石墨烯層仍然較為困難。同樣，石墨烯及其衍生物在體內(nèi)外條件下的時間依賴性和生物相容性依然是研究石墨烯不同方面的研究人員最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。經(jīng)過改造或同其他材料或其他檢測方法結(jié)合，如二氧化硅納米材料的包容性特別好，但是自身熒光十分弱，難以應(yīng)用于熒光檢測，通過和有機染料等相結(jié)合，使之既能用于熒光檢測，又幾乎無毒，可以用于活體細胞檢測和追蹤，既發(fā)揮其優(yōu)勢，也彌補其不足，使其在檢測中的應(yīng)用更加廣泛。如PEG包覆的上轉(zhuǎn)換納米顆粒在食品檢測方面已有相應(yīng)的商品化產(chǎn)品，且較為成熟。但是，納米材料在食品檢測中的應(yīng)用仍存在諸如檢測時間長、靈敏度及準確度不夠高等問題。部分檢測方法依然需要依賴于大型設(shè)備，難以實現(xiàn)便攜、快速的現(xiàn)場檢測。這對于納米材料在食品檢測方面的應(yīng)用又是一個考驗。隨著材料科學與生物技術(shù)的發(fā)展，兩者進行優(yōu)勢互補，會實現(xiàn)更好的應(yīng)用與發(fā)展。