金纳米粒子在食品检测领域中的研究进展

郭筱兵，李忠海，黎继烈，耿 美，黄闪闪

(中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙410004)

在纳米材料中，金纳米粒子由于具有独特的物理性质、化学性质和较好的生物相容性，在诸多领域如生物催化、生物传感器、表面电化学分析、DNA分析与检测等方面都有着广阔的应用前景。金纳米粒子是直径在1～100nm的超细金微粒，在水溶液中金纳米粒子以胶体金的形态存在，此时金纳米颗粒由处于核心部分的金颗粒(金核)和包围在外的双离子层构成，AuCl2－紧连在金核表面构成金纳米粒子次外层，H+则构成金纳米粒子的最外层分散在胶体间溶液中，以维持金纳米粒子的稳定状态。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，消费者对食品的生产、加工、保藏、检测等相关技术的要求也越来越高，这就使得食品安全问题日益突出。在当今各学科不断引进新方法、新技术的前提下，金纳米粒子以其独特的热、磁、电、光、熔点、密度等各方面性质引起科研工作者的广泛关注和研究［1］。将金纳米粒子引入食品检测领域，必将极大地促进食品检测技术的发展和完善［2－4］。

1 金纳米粒子的制备和表征

1.1 金纳米粒子的制备

由于金纳米粒子的大小和形状对它的各种性质(如光学特性、催化活性和化学稳定性等)有很大影响，因此，掌握金纳米粒子大小和形状的可控合成对于金纳米粒子的应用具有非常重要的意义。金纳米粒子的合成大致分为物理法和化学法两类。物理法中最常见的是真空蒸镀法、软着陆法、激光消融法等;化学法则主要有溶胶法、晶种生长法、反胶束法、模板法、相转移法等。其中溶胶法是制备金纳米粒子最常用的化学方法，它具有快速、易操作和无污染等优点。而溶胶法中又以柠檬酸钠作为保护剂和还原剂的Frens法最为经典，通过控制柠檬酸钠盐的浓度，可以合成大小不同的金纳米粒子。

1.2 金纳米粒子的表征

金纳米粒子的表征方法主要有原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描隧道显微镜(STM)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)、表面增强的拉曼散射(SERS)、电子自旋共振(ESR)、紫外可见光谱(UV)和荧光光谱等。所有表征方法中以透射电子显微镜、原子力显微镜和紫外可见吸收光谱最为普及，透射电子显微镜和原子力显微镜是表征金纳米粒子大小和形状的最常用表征手段，紫外可见吸收光谱则是表征金纳米粒子光学性质、尺寸和形状的常规方法。

2 金纳米粒子的物理性质

2.1 小尺寸效应

当微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体的周期性边界条件被破坏，非晶态纳米微粒表面附近的原子密度减小，导致纳米粒子在声、光、电、磁、热、力学等性质方面的变化就称为小尺寸效应。金纳米粒子的小尺寸效应使得它在超导性、声学性、介电性和化学性能等方面与传统金属金相比都有了很大变化［5－6］。

2.2 量子尺寸效应

当微粒的尺寸下降到一定值时，金属费米面附近的电子能级由准连续变为离散的现象以及纳米微粒的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级之间的能隙变宽现象，都称为量子尺寸效应。量子尺寸效应使得原有的一些宏观规律将不再适用。例如:由于量子尺寸效应，金纳米颗粒的能级间距会随着纳米粒子尺寸的减小而增大并引起其吸收光谱的蓝移［7－8］。金纳米粒子这种光学性质的变化，为纳米金的比色法检测提供了理论依据［9－10］。

2.3 表面效应

粒子的比表面积与其直径成反比，即随着颗粒粒径的减小，比表面积呈现增大的趋势。随着纳米粒子比表面积的增大和纳米粒子的表面原子数增多，纳米粒子就具有很高的表面能。高表面能使得金纳米粒子很容易和其他外来原子结合形成稳定结构并表现出独特的化学活性。例如，金属金的催化活性很低，但是金纳米粒子却有很高的催化活性。基于这种高表面能的特性，金纳米粒子成了高效催化剂的理想材料［10］。

2.4 宏观量子隧道效应

宏观量子隧道效应是指在纳米尺度下，微粒的一些宏观物理量如磁化强度、磁通量等表现出隧道效应。由于金纳米粒子的量子隧道效应使其可以被透射电镜和隧道扫描显微镜等表征技术观察到，因此金纳米粒子常被用作生物检测分析中的有效标记物［10－11］。

3 金纳米粒子在食品检测分析中的应用

近年来食品安全问题频发，对广大消费者的健康构成很大威胁，食品安全已成为国民关注的焦点问题。因此大力发展快速、灵敏的食品中有害物质检测器材和方法成为解决当前食品安全问题的关键所在。金纳米粒子由于特殊的物理化学性质和良好生物兼容性，越来越多的被应用于食品检测领域［12－13］。

3.1 基于金纳米粒子光学性质的检测

金纳米粒子由于表面等离子体共振效应，具有强烈的与距离相关的光学性质。当金纳米粒子相互靠近时，其表面等离子体共振发生改变，从而导致样品颜色和吸附光谱的变化［14－17］。据此，Ai K L等［18］通过在金纳米粒子表面修饰三聚氰酸的巯基衍生物，检测三聚氰胺。将修饰了三聚氰酸的巯基衍生物的纳米金粒子溶液中加入三聚氰胺后，由于三聚氰酸和三聚氰胺的氢键结合，引起金纳米粒子团聚，从而通过颜色变化达到快速检测三聚氰胺的目的。此方法快速简便可操作性强，可以用于三聚氰胺的快速定性检测，但如果还要进行精确的定量分析，那就还需对实验方法进一步进行优化。孙春燕等［19］以金纳米粒子作为比色探针直接测定经三氯乙酸和氯仿提取、离心分离后的样品，对牛奶和蛋清溶液中的三聚氰胺实现了快速检测。此方法虽然灵敏度相对较低，但是干扰物质少，样品前处理简单，成本低，有望应用于样品的现场快速检测。Lisha K P等［20］通过实验提出了基于硫酸钠增强的金纳米粒子比色法，并用此方法在数秒内检测了常见的农药马拉硫磷和毒死蜱，检测限分别达到100、20ppb。此外基于表面等离子体共振的表面增强拉曼光谱在食品检测中也有很大应用。Strickland等［21］通过在金纳米棒上修饰特定的基团(环糊精内包复合)，利用金纳米粒子对特定基团的表面增强拉曼光谱检测杀菌剂多菌灵，并结合特定的数学方法(偏最小二乘法)进行定量分析，结果表明这种基于金纳米粒的光学传感器能准确检测50μmol/L的多菌灵。Jean等［22］用金纳米杆和银纳米立方作为检测农药的高性能衬底，对10－7mol/L的2，4－D－敌百虫、莠灭净都有良好的检测信号。黄玉坤等［23］以金纳米粒子作为表面增强拉曼光谱的基底，通过分析不同细菌样品的表面增强拉曼光谱，初步建立了金黄色葡萄球菌表面增强拉曼光谱的快速检测方法。

胶体金免疫层析法的原理是将特异性的抗原(抗体)先固定于硝酸纤维膜的某一区域，胶体金标记抗体(抗原)，然后将干燥的硝酸纤维素膜一端浸入样品后，由于毛细管作用，样品将沿着膜向前移动，当移动至固定有抗原(抗体)的区域时，样品中相应的抗体(抗原)即与该抗原(抗体)发生特异性结合，用免疫胶体金可使该区域显示一定的颜色，从而实现特异性的免疫诊断。Wang等［24］建立了快速检测鸡肉和鸡蛋中磺胺嘧啶的胶体金免疫层析法，该方法检测限可达5ng/g，检测时间低于15m in。

金纳米粒子同荧光物质作用时会显示出其特殊的光学性质，例如金纳米粒子在一定情况下能够发生荧光淬灭。王周平等［25］人首先以羊抗人免疫球蛋白(IgG)标记的异硫氰酸荧光素(FITC)为核材料成功制备了FITC－IgG@SiO2核壳荧光纳米粒子，然后以制备的荧光纳米粒子和纳米金分别标记单核细胞增生李斯特菌序列特异性分子信标探针5'端和3'端，构建分子信标。由于纳米金能近距离吸收5'端荧光基团发射的能量，从而导致荧光淬灭。而在加入目标分子后，分子信标可与完全互补靶序列形成异源双链杂交体，相对刚性的杂交体使荧光基团与淬灭基团间的空间距离增大，荧光恢复，根据荧光强度对目标DNA进行快速、高效的检测，且具有很强的特异性。

虽然目前人们对金纳米粒子各种光学性质的研究已经取得了一定进展，但是如何更好的控制金纳米粒子对光学信号的放大作用，以及不同形状和大小的金纳米粒子对光学信号放大程度的差异和如何根据实际情况选择不同大小和形状的金纳米粒子等方面还需我们进一步研究。

3.2 金纳米粒子在电化学生物传感器中的应用

金纳米粒子由于其独特的物理化学性质和生物兼容性，越来越多地被应用于电化学/生物传感器领域，从而为食品中危害因子检测提供新的思路和方法。

干宁等［26］通过同时固定四羧基酞菁钴Ⅲ(CoPc)、HRP酶标记黄曲霉毒素B1抗体(HRP－Ab－AFBl)以及纳米金粒子在玻碳电极表面的Nafion膜上，制备了可用于快速测定黄曲霉毒素B1(AFBI)的新型电化学传感器(GCE|Nafion/CoPc/Au/HRPAb－AFBl)。CoPc对H202的还原具有催化作用;当该传感器在含AFBl样品的溶液中反应20min后，黄曲霉毒素与相应抗体的免疫结合导致HRP的活性中心与CoPc之间的电子传递被部分阻碍，使HRP对H2O2的电催化氧化电流降低。变化的电催化氧化电流与AFBl浓度在1.0～200ng/m L呈线性关系，检测限为0.5ng/m L。该方法实现了对黄曲霉毒素的快速检测，并且可重复使用，为我们提供了检测黄曲霉毒素的新思路，但是金纳米粒子对传感器检测能力的具体提升作用并没有进行深入的研究。Chu等［27］利用在纳米金标记的抗体表面进行酶催化银沉积，并结合阳极溶出伏安法构建的电化学免疫传感器，对黄曲霉毒素具有较低检测下限。Liu等［28］通过在微梳状电极上自组装纳米金、黄曲霉毒素B1抗体和辣根过氧化物酶，构建用于检测黄曲霉毒素的电化学传感器。

除此之外，Geng等［29］首先在金纳米粒子修饰的电极表面组装16－琉基十六酸，然后通过使用碳二亚酰胺法把大肠杆菌0157∶H7抗体固定在金电极表面，构建新型的压电免疫生物传感器，此方法的检测范围为103～108CFU/m L，检测时间30～50m in，实现了对大肠杆菌0157∶H7的快速检测。Medyantseva等［30］依据抗原抗体的特异性反应，构建出检测致病真菌抗原的电流型免疫生物传感器。Ying等［31］将巯基乙胺固定到金电极表面，进而化学吸附纳米金粒子，然后将免疫球蛋白抗体吸附在纳米金粒子表面，从而制得高灵敏度的电化学免疫生物传感器［29］。Shulga等［32］用电沉积的方法在金电极上电沉积一层金纳米粒子，然后将乙酰胆碱酯酶固定在电极上制成了有机磷单酶生物传感器。实验表明，金纳米粒子可以极大提高固定化酶的催化活性，增大响应电流。张春梅等［33］通过构建纳米金(Au)－石墨烯(GS)－辣根过氧化物酶(HRP)－Nafion纳米复合物修饰丝网印刷电极的电化学生物传感器，完成了对食品中痕量H2O2残留的快速检测。薛瑞等［34］通过带正电荷的高分子聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵将乙酰胆碱酯酶和金纳米粒子通过静电力逐层固定到玻碳电极表面，然后采用交流阻抗和微分脉冲伏安法对蔬菜样品中的甲基对硫磷含量进行了检测，检测限为7.6×10－6mol/L。

金纳米粒子目前已被广泛的应用于生物传感器领域，并且在食品检测和医疗诊断中已发挥出重大作用，但是如何利用金纳米粒子修饰的生物传感器对复杂样品进行更准确的定量分析，以及更好的控制金纳米粒子在生物传感器中的催化活性将是下一步研究的重点。

4 展望

随着纳米技术的快速发展，金纳米粒子以其独特的物理和化学性质以及良好的生物兼容性，在食品检测领域中已经发挥着重大作用，并为食品危害因子的快速准确检测开辟出全新的方法和思路，有力地推动着食品检测技术的快速发展。虽然当前我们在金纳米粒子的制备和应用等方面都取得了很大进展，但金纳米粒子的很多性质还需要我们继续深入研究。例如，如何在检测中使金纳米粒子信号可控放大，如何更有效控制金纳米粒子催化活性，如何利用金纳米粒子对样品进行更准确的定量分析等等。随着科研工作者对金纳米粒子性质的深入研究，金纳米粒子将会在食品安全与检测领域发挥更大的作用。

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