功能化纳米材料的制备及在食品安全检测中的应用研究进展百度文.docx

1、功能化纳米材料的制备及在食品安全检测中的应用研究进展XX文DOI :10.3724/SP.J.1096.2010.00442功能化纳米材料的制备及在食品安全检测中的应用研究进展楚华琴1卢云峰*21(上海师范大学,上海2002342(University of California Los Angeles ,Los Angeles ,90095USA 摘要纳米材料研究的飞速发展为解决食品安全检测所面临的问题提供了很好的理论基础和技术支持。功能化纳米材料与传统检测方法的结合,衍生出具有高灵敏、高通量、快速检测的方法,在食品中有毒有害微生物、化学残留物以及毒素的检测方面的应用正逐渐引起人们的重视。本

2、文对基于免疫方法的常见功能化纳米材料在食品安全检测中的应用的研究近况进行了综述。关键词纳米材料;食品安全;检测方法;综述2009-09-16收稿;2009-11-10接受本文系国家自然基金国际合作项目(No.20911120035-B05资助*E-mail :chenweishnu1引言食品安全是关系国计民生、社会和谐发展的大问题。食品安全检测包括食品中各种致病微生物的检测、各种农兽药残留的检测、各种有毒有害毒素的检测等。根据世界卫生组织(WHO 的定义,食品安全是指对食品按其原定用途进行制作和食用时不会使消费者受害的一种担保,主要集中在农业化学控制物质、农药残留、动植物天然毒素、食品添加剂、

3、食源性致病菌和病毒等方面1。然而,近些年发生的二 英、瘦肉精、苏丹红、孔雀石绿、三聚氰胺等食品安全事件,极大地提高了公众对食品安全问题的关注程度。强化检测、严格保证检测结果的可靠性是确保食品安全的重要手段。然而,目前我国食品安全检测所依赖的方法还主要是一些传统的方法,如标准方法化学分析法(CA 、酶联免疫法(ELISA 、薄层层析法(TLC 、气相色谱法(GC 、高效液相色谱法(HPLC 及气质联用法(GC-MS 等2 13,这些方法受检测时间、灵敏度、选择性、样品前处理技术及样品基质干扰等因素的制约,往往不能满足实际需要。纳米技术的飞速发展极大地促进了以材料学为基础的相关学科的发展。将高速发

4、展的纳米技术和纳米材料应用到已有的食品安全的检测方法中,改进或研究出全新的具有高灵敏、高通量的快速简易的检测方法,是食品安全检测领域发展的重要方向。近年来,这方面的研究取得了一定进展。本文就食品安全检测领域内经常应用的几类重要的纳米材料的相关研究进展做出评述。2功能化纳米材料的制备及性能纳米材料的制备根据不同的分类原则有不同的分类方法。可根据制备过程分为物理方法和化学方法;根据制备状态可分为气相法、液相法和固相法。因此,不同的纳米材料在制备方法上显著不同。本文总结了食品安全领域应用较多的几种纳米材料的制备方法。2.1磁性纳米材料的制备方法磁性纳米材料由于其在外加磁场下具有可控运动的特点,使得磁

5、性纳米材料成为分析科学中分离富集及生物分子固定的首选材料。磁性材料按物质组成可以分为有机磁性材料和无机磁性材料。在生物医学及分析检测应用的主要是无机磁性材料。无机磁性材料的制备方法可以分为物理法、生物法和化学法。物理法制备的粒子粒径分布很宽,而生物法制备的粒径可控范围受到限制,所以化学法成为磁性纳米粒子的主要制备方法。共沉淀法是制备磁性纳米粒子的经典方法之一,在实际制备中一般具体采用3种反应方式:(1以Fe ?为原料,在氧化剂的作用下氧化成Fe ?,得到磁性Fe 3O 4纳米粒子14;(2以Fe ?为原料,在还原剂的作用下部分还原成Fe ?,得到磁性纳米粒子15;(3同时水解按一定比第38卷2

6、010年3月分析化学(FENXI HUAXUE 评述与进展Chinese Journal of Analytical Chemistry第3期442 448例混合的Fe ?和Fe ?来制备磁性纳米粒子16,17。共沉淀法具有操作简便、反应条件温和等特点,但产物组成的控制是这类方法最重要的问题之一。高温分解法是通过在高沸点的有机溶剂中加热使有机金属化合物分解制备纳米粒子的一种方法。高温分解法制备的磁性纳米粒子具有粒径分布窄,尺寸形貌可控等优点18。微乳液法和反相胶束法是基于水、油和表面活性剂三元体系形成的微乳液和反相胶束为反应空间来制备纳米粒子的又一种方法。该类方法在粒子的尺寸分布及形貌控制方面

7、也体现了一定的优势,但与高温分解法相比较,所制备的粒子在结晶度和磁响应方面还有待进一步提高19。2.2金纳米粒子的制备方法金纳米粒子是由一个金核及包围在外层的双离子层构成。金纳米粒子的制备方法,总体上可以分为物理法和化学法。由于物理法制备的金纳米粒子的粒径和形貌都难以控制,通常采用化学方法制备。常见的化学法主要有:柠檬酸三钠还原法(8 60nm 、鞣酸-柠檬酸三钠还原法、抗坏血酸还原法、白磷还原法、硼氢化钠还原法及乙醇超声还原法等20,21,其中,Frens 等22建立的柠檬酸三钠还原法是目前金纳米粒子制备中普遍采用的方法。金纳米粒子的粒径与制备时柠檬酸三钠的加入量密切相关。改变柠檬酸三钠的加

8、入量,可得到不同特征紫外吸收峰的金纳米粒子,即不同粒径的金纳米粒子。纳米粒子的光学性质与粒径大小密切相关,产生肉眼可见的颜色变化,此特点为金纳米粒子用于免疫分析的基础。2.3量子点荧光纳米材料的制备方法半导体量子点,简称为量子点(Quantum dots ,是纳米尺度原子和分子的集合体,一般粒径范围为2 20nm 。荧光量子点是在受到光激发后或加上电压后会发出强荧光的一类纳米材料。作为新型荧光纳米材料,量子点具有以下优点:(1无机半导体荧光量子点的激发谱为连续光谱,用高于带隙能量的光均可以激发且发射谱较窄;(2荧光量子点的光稳定性远高于传统的有机染料分子,抗光漂白能力是有机染料的几十倍,通过进

9、一步的表面改性可以提高其光稳定性;(3可以通过调整粒子的尺寸得到不同荧光颜色的量子点。目前,根据所采用的原料和工艺的不同,荧光量子点的制备大致可以分为金属化合物-元素有机物合成路线和水相无机合成路线。Peng 等23 28在量子点的有机相合成方面做出了大量突出且细致的工作,为推动以量子点为基础的理论和应用研究做出了巨大贡献。他们主要是以CdO 取代Cd (CH 32形成配合物,作为Cd 的反应前体,从而得到高质量的单分散的CdSe 。他们对合成方法进行了改进,选取合适的镉盐和磷氧化物配体,通过一步法合成了单分散的CdSe 。该方法已经用于商业化II-VI 量子点的合成。然而,应用于分析领域量子

10、点必须是具有水溶性,所以水溶性量子点的制备方法显得更为重要。文献29 33以巯基乙酸、3-巯基丙酸等为纳米粒子稳定剂,巯基通过与粒子表面镉原子配位而控制粒子生长,同时在粒子表面提供稳定的电荷层保证分散体系的稳定性,选用不同的巯基化合物可方便地调节粒子表面的性质,得到用于不同用途的CdTe 荧光量子点。此外,巯基在量子点表面与镉原子配位在表面形成一层钝化保护层,形成自然的核壳结构,通过光氧化可以使这样的结构更完整,获得更高的荧光量子产率。最近,Pan 等34,35在湿法合成纳米晶方面取得了进展,合成了ZnS 和CuInS 2的合金纳米晶体,通过控制两者之间的不同比例从而调整半导体纳米晶的能级差,

11、最后得到了整个可见光区域的半导体纳米晶。与有机合成法相比较,水相合成有以下几个优点:采用水为合成介质,更接近绿色化学的标准;普通的盐为原料,制备成本为有机法的1/10;合成方法简单,无需特殊的无氧无水设备,一般的实验室都可以准备且可以批量生产;无需进一步的表面亲水修饰即可以应用于食品安全等检测研究36。3功能化纳米材料在食品安全检测中的应用研究3.1磁性纳米材料在食品安全分析中富集、分离、检测方面的应用磁性纳米粒子具有超顺磁性特性,即在有外界磁场的情况下能表现出很强的磁感应,而在没有外加磁场的情况下不表现磁感应的现象。基于磁性纳米材料的在食品安全分析中进行目标分析物的富集、分离等均是利用其超顺

12、磁性。Gu 37,38和Arnold 39等通过化学修饰的方法在磁性纳米粒子表面接上能够识别细菌的万古霉素,然后通过这样的功能化的磁性纳米粒子去识别复杂体系中的革兰氏阳性细菌。再在外界磁场的作用下将识别的细菌进行分离富集,通过其它的方法进行确证分离富集的纯度及效率。344第3期楚华琴等:功能化纳米材料的制备及在食品安全检测中的应用研究进展444分析化学第38卷Gao等40,41在合成磁性纳米粒子的同时将荧光物质包裹在其中,在磁性纳米粒子对目标分离物(如细菌进行分离纯化后,可以直接进行定量分析或其它作用。此外,利用磁性纳米粒子的磁学性质直接进行目标物分析的研究也在食品安全免疫分析中得到很好的应用

13、。在利用磁性纳米粒子直接进行定性与定量分析的依据主要是磁性纳米材料的一个重要的参数磁豫时间。处于单分散状态或聚集状态的磁性纳米粒子的磁豫时间是不同的。磁性纳米粒子聚集或分散程度是由分析体系中目标分析物的浓度决定的,因此,可以建立磁性纳米材料磁豫时间与目标分析物浓度之间的关系,从而应用于食品安全的免疫分析检测。基于磁豫时间改变的检测方法,对检测样品的前处理的要求不高,只需通过简单的过柱法除去样品中明显杂质后即可直接进行检测。在日常的医用核磁共振仪上进行检测时,由于仪器自身的特点,可同时进行检测的样品数量相当可观,且检测时间较短,检测效率高,为食品安全领域高通量的样品检测及筛选提供了一种有效的方法

14、。在此方面,美国哈佛大学医学院的Lee研究组利用磁性纳米粒子的磁豫时间的改变以及核磁共振造影技术进行了大量的检测研究42,43。他们利用抗体偶联的磁性纳米粒子进行了目标蛋白A的检测。该方法在平均每个粒子上有0.1到1个目标分子的分析条件下,都能够灵敏地检测出目标分子蛋白A42。此外他们还利用葡聚糖包裹的磁性纳米粒子作为开关型免疫传感器的材料,实现了对L-苯丙氨酸和D-苯丙氨酸的检测43。Ma等44在该检测原理的基础上对检测方法进行了改进,将免疫分析中的竞争免疫分析法与该检测原理相结合,实现了水资源中污染物蓝藻毒素的高灵敏检测(见图1,为基于磁性纳米材料的免疫定量分析提供了很好的理论支持。该方法

15、为一步法反应,操作简单,有望成为免疫分析中高通量样品检测的一种最佳选择。3.2金纳米材料在食品安全分析中快速检测方面的应用基于金纳米材料的食品安全检测分析的原理主要是依据抗体或其它探针等通过静电吸附或化学反应连接到金纳米材料表面,然后通过抗体或探针的识别作用与目标分子结合。由于金纳米粒子具有高电子密度的特性,在与抗体等蛋白结合时,其结合处在显微镜下是清晰可见的。当连有抗体或其它生物探针的金纳米粒子在目标分子的作用下大量聚集后,金纳米材料由于其表面等离子吸收峰的改变而表现出与分散状态下明显不同的颜色,因此可以用于定性或半定量的快速免疫检测。基于金纳米粒子的定性与定量分析最主要是应用金标试纸条或金

16、纳米粒子的表面等离子吸收峰的变化来进行分析45 52。Jin等53用金标法检测动物血浆中和牛奶中残留的新霉素,其检测灵敏度达到了10g/L。刘见等54使用金标法进行盐酸克伦特罗的检测,检测时间很短,其检测灵敏度达到了40g/L。Wang等55通过金标试纸条的方法检测出虾白斑病毒,其检测灵敏度达到0.01mg/L。金标试纸条在食品中致病菌的检测方面也得到了很好的应用,与传统的细菌检测方法相比,金标试纸条只需在15min内即可得到较好的检测结果,其灵敏度高于90%。基于免疫金标记的快速检测也用于食品安全中致病菌的检测。Hasan等56以免疫磁性分离技术为基础,应用免疫胶体金技术进行霍乱弧菌(Vib

17、riocholerae的检测。Ma等57在银染色增强的基础上,首次利用氯金酸和羟胺的混合物溶液作为银染溶液对固定在NC膜上的金纳米粒子进行原位增强,从而实现了肉眼直接观测,并使检出限达到10g/L。Xu等58基于表面增强拉曼散色光谱检测抗体与抗原之间的特异性作用,利用银染色的办法提高检测灵敏度,为金标试纸的仪器检测开辟了道路。Wang等59用金纳米粒子标记抗体,并在标记抗体的金纳米粒子表面通过银染试剂沉积银,形成银包金的核壳结构。然后在酸性溶液中将银溶解成银粒子存在与溶液中。银粒子的量与金纳米粒子的量成正比,通过阳极溶出伏安法检测银离子的量从而达到检测待测目标物的目的。检测结果表明,目标检测物

18、浓度在0.5 100g/L范围内有较好的线性关系,检出限为0.2g/L。最近,Ai等60合成了一种新的有机物,将该有机物链接到金纳米粒子表面。由于合成的有机物能够特异性地识别牛奶中的三聚氰胺引起金纳米粒子的聚集,从而改变金纳米粒子的表面等离子吸收峰。根据金纳米粒子的表面等离子吸收峰的变化程度与三聚氰胺浓度的关系达到检测三聚氰胺的目的,从而实现了快速检测牛奶中非法添加物三聚氰胺的目的。由于金标试纸条技术相对成熟,因此各种商品化的试纸条产品在市场上也相对成熟,各种目标检测物都可以在较短的时间内得到准确的检测。3.3量子点荧光材料在食品安全分析超微量检测中的应用图1磁共振检测苯基丙氨酸对映体T2图谱

19、(A 和蓝藻毒素T2图谱(B 44Fig.1Magnetic resonance T2maps of D-,L -phenolalanine enantiomers (A and microcystin-LR (B 44.实验组(Experimental samples ;.对照组(Con-trol samples 。相对于传统的有机荧光材料,荧光量子点有着更好的荧光性能及荧光稳定性。因此荧光量子点在生命分析科学及定量分析方面都有着广泛的应用61,62。自1998年美国加州大学的Alivisatos 研究组和美国Emory Georgia 理工大学的Nie 研究组同时在Science 上发表关

20、于量子点在生物生命科学领域的应用以来,量子点在生命分析领域已经得到了充分的发展63,64。同时利用量子点进行目标分析物的检测的研究也随着量子点的发展得到了深入。Li 等65用杯芳烃修饰的荧光量子点作为汞的离子传感器,该方法能够在0 310-5mol /L 范围特异性地识别Hg 2+,检出限为15nmol /L 。邹明强等66将磁性分离技术和荧光检测结合,进行大肠杆菌O157:H7的检测。与传统染料FITC 的检测结果相比,其检出限提高至少100倍,且在磁性分离富集的基础上整个分离过程不超过2h 。Chen 等67将荧光量子点通过化学偶联的方法将兽药残留物的抗体与量子点连接起来。通过免疫竞争法目

21、标检测物与包被原竞争荧光标记的抗体。免疫反应后的混合物,在微流控芯片泳道中电流的作用下进行分析和检测,从而实现目标兽药残留物的定量检测。他们还利用荧光量子点在生物素和亲和素的作用下制备了荧光量子团,并将制备的荧光量子团用于Western Blot 中的图2(a 荧光量子团的制备示意图;(b 基于荧光量子团目标蛋白的检测68Fig.2(a Sketch of preparation of POLY-quantum dots (QDs and (b the detection protocol by Western Boltbased on POLY-QDs 68蛋白检测。在制备的荧光量子团的荧光

22、增强的作用下,提高了目标蛋白的检测灵敏度到pg 水平(图268。Wang 等69用聚苯乙烯等高分子材料将多种不同发射波长的量子点进行包裹制的编码的荧光微球,然后将这些荧光微球与人IgG 偶联,用于抗体的检测。检测结果表明,该方法能够在2 15mol /L 范围内有效地检测出溶液中的抗体的浓度。在多色量子点同时应用方面,Zhao 70和Peng 71等分别利用不同发射波长的多色量子点分别实现了食品中多种致病菌和多种兽药残留的同时检测。实验结果表明,凭借荧光量子点特殊的荧光性能和稳定性,实现复杂分离体系中多组分的同时检测的技术可行性,为量子点材料在食品安全分析领域的进一步应用提供了很好的理论和实践

23、基础。由于量子点材料自身有一些缺点,在特定条件下的环境因素(如pH 值、氧气氛围等对量子点的荧光影响较大。因此,对合成的量子点材料进行进一步的改进,使其具有更加稳定的荧光性能,以保障检测方法的准确性和重复性,对于今后量子点材料在食品安全检测领域更广泛的研究显得尤为重要。3.4基于碳纳米管的应用型检测传感器在食品安全检测中的应用自1991年,日本科学家Iijima 发现碳纳米管以来,碳纳米管在各个学科都得到了广泛的应用72。碳纳米管材料具有完美的内在结构和较好的导电能力73。目前,基于碳纳米管材料进行的检测主要是将碳纳米与传统的电化学的电极结合进行的分析检测。如Tu 等74通过单壁碳纳米管制备的

24、薄膜中,碳纳米管可以增强薄膜中电子的传递,起到电催化作用,为新型分析传感器的建立提供了很好的基础。美国密西根大学的Kotov 小组利用碳纳米管与常见的棉线纤维结合,研究出能够特异性地识别目标蛋白的免疫传感器,该传感器能够在一定范围内高效灵敏地检测出目标蛋白,为今后利用碳纳米管研究新型的食品安544第3期楚华琴等:功能化纳米材料的制备及在食品安全检测中的应用研究进展 图3碳纳米管修饰的棉线用于蛋白检测75Fig.3Photographs of SWNT-cotton yarn75a.原始棉线与碳纳米管修饰棉线的比较(Comparison of theoriginal and surface mo

25、dified yarn ; b.规模化碳纳米管修饰棉线的制备(Long piece of made yarn ; c.碳纳米管修饰棉线的导电能力测试(Test of the conductivity of the SWNT-cotton yarn.。全检测方法提出了很好的想法和示例(见图375。4结论及展望社会的进步和人民生活水平的提高对食品安全检测技术提出了更高的要求,而传统的检测方法在一定的程度上已经不能够满足现有的检测要求。近年来,纳米技术的飞速发展,促进了纳米技术的进一步成熟。纳米技术与其它领域的相关技术的结合能够更好地解决相关领域里难以解决的问题。在这样的前提下,先进的纳米技术与传统

26、检测方法的结合,产生了许多具有检测时间短、检测灵敏度高的检测方法,在很大程度上改变了食品安全检测领域的研究现状。研究结果表明,利用先进的纳米材料结合先进的纳米技术研究出的新的快速、高灵敏、高通量的检测方法在食品安全检测方面已得到一定的应用。这些方法在检测灵敏度、检测时间、检测样品量等方面都能够很好地满足目前严峻的食品安全检测形势。可以相信,当前先进的纳米材料和纳米技术与传统的检测方法进一步结合,将研究出更多新型、简便、可行的检测方法,为食品安全检测与监控的进一步发展提供强有力的技术支持,从而充分保障人民群众日常生活中的食品安全。References1SHI Xian-Ming (史贤明.Foo

27、d Safety and Hygiene (食品安全与卫生学.Beijing (北京:China Agriculture Press (中国农业出版社,2003:12Weilin L S ,Nancy W S ,Milan F and Fernando R R.J.Agric.Food Chem.,2008,56(15:6609 66153Gaudin V ,Laurentie M.J.Chromatogr.B ,2009,877(23:2358 23624Li Z K ,Zhu Y Y ,Yin X G ,Peng C F ,Chen W ,Liu L Q ,Yin L M ,Xu C L.

28、Immunological Investigations ,2009,38(6:508 5235Kuang H ,Wu Y N ,Hou X L ,Miao H ,Zhang G ,Shen J Z.J.Evironmental Analytical Chemistry ,2009,89(6:423 4376Xu C L ,Peng C F ,Liu L Q ,Wang L Y ,Jin Z Y ,Chu X G.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis ,2006,41(3:1029 10367Xu C L ,Chu X G ,Pen

29、g C F ,Jin Z Y ,Wang L Y.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis ,2006,41(2:616 6218Jin Y ,Jang J W ,Lee M H ,Han C H.Clinica Chimica Acta ,2006,364(1-2:260 2669Xu C L ,Yu D H ,Chu X G ,Peng C F ,Jin Z Y.Analytical Letters ,2006,39(4-6:709 72710Peng C F ,Xu C L ,Jin Z Y ,Chu X G ,Wang L Y.

30、Journal of Food Science ,2006,71(1:44 5011Xu C L ,Peng C F ,Hao K ,Jin Z Y ,Chu X G.International Journal of Environmental Analytical Chemistry ,2006,86(11:819 83212Wang L Y ,Peng C F ,Chen W.Food and Agricultural Immunology ,2008,19(1:61 7513Tian Z ,Yu D H ,Zhang Y Y ,Guo J G ,Peng C F ,Chen Z X.Jo

31、urnal of Animal and Feed Sciences ,2008,17(2:253 26714Suginmoto T ,Matijevic E.J.Colloid Interface Sci.,1980,74(1-2:227 23115Qu S C ,Yang H B ,Rend W ,Kan S H ,Zou G T ,Li D M ,Li M H.J.Colloid Interface Sci.,1999,215(1:190 19516Sahoo Y ,Pizem H ,Frield T ,Golodnistky D ,Burstein L ,Sukenik C N ,Markovich G.Langmuir ,2001,17(25:7907 791117Kim D K ,Mikhaylova M ,Zhang Y ,Muhammed M.Chem.Mater.,2003,15(8:1617 162218Rockenberger J ,Scher E C ,Alivisatos A P.J.Am.Chem.Soc .,1999,121(49:11595 11596644分析化学第38卷第3 期 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 4