Fe3O4磁性纳米材料在食品安全检测中的研究进展

王会娟，李忠海，黎继烈，郑 磊

（中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙410000）

Fe3O4磁性纳米材料作为一种新型的功能材料在近几十年来得到了充分的发展，它具有许多不同于常规材料的独特效应，如量子效应、宏观量子隧道效应、表面效应、小尺寸效应等。这些效应使得磁性纳米粒子具备特殊的光、电、热特性，而广泛应用于生物医学和分离检测[1-3]。除此之外，磁性纳米粒子特异性的类酶活性和超顺磁性也逐渐得到发展和应用[4-5]。食品安全关系到广大人民群众的切身利益，关系国民经济的发展以及社会的和谐稳定，近年来国内外频繁发生的各种食品安全事件已经引起对食品安全监控和检测技术的挑战。Fe3O4纳米材料由于具有大比表面积、高吸附性能、类催化活性、磁分离性以及安全无毒副作用，成为近年来在食品安全检测领域发展迅速的纳米材料。文章综述了Fe3O4磁性纳米材料在食品安全检测领域的应用情况，并对该领域面临的挑战及研究趋势做一论述。

1 Fe3O4磁性纳米材料的制备和表面修饰

1.1 Fe3O4磁性纳米材料的制备

Fe3O4的制备方法可分为化学法、物理法、生物法，物理法和生物法制备的粒子粒径范围不易控制。用于食品安全检测的Fe3O4纳米粒子常用制备方法是化学法，主要包括共沉淀法、乳液法、水热法、热分解、超声合成法[6]等，化学法可弥补物理法和生物法的不足，形成粒径可控、纯度较高的Fe3O4磁性纳米粒子。在诸多制备方法中，共沉淀法以其产率高、成本低、分散性好、粒径易控的特点成为最常用并且已经工业化的生产方法，其反应式如下：

由反应式可看出，理论上，混合反应液中铁盐应以Fe2+∶Fe3+=1∶2的摩尔比进行，但由于二价铁离子容易氧化成三价铁离子，所以实际操作中一般适当加入过量的二价铁盐。

1.2 Fe3O4磁性纳米材料的表面修饰

Fe3O4磁性纳米材料因其独特的超顺磁性，在食品安全检测领域有着广泛的应用前景。但是由于Fe3O4磁性纳米粒子具有高的表面能，极易发生团聚影响后续使用，并且食品中的污染物往往都不具有磁性，难以直接对其进行分离和检测，因此，一般在使用前对Fe3O4磁性纳米进行表面修饰。在已有的研究报道中，常用的表面修饰物有主要有非聚合物、聚合物、无机物、目标配体等[7]。修饰物可通过表面聚合、表面化学连接、吸附沉积、包埋等方法与磁性粒子复合，达到降低粒子表面能、调节粒子分散性和生物亲和性、提高与目标检测物质结合性的目的。

2 Fe3O4磁性纳米材料在食品安全检测中的应用

传统的食品安全检测技术和方法受到检测时间、选择性、样品前处理技术以及样品复杂基质的干扰等因素的影响，已经不能满足快速特异性检测的要求[8]。随着纳米材料的快速发展，纳米材料在食品安全检测领域的应用越来越多，利用磁性纳米材料对检测物的预分离和富集浓缩作用，再结合传统的检测技术，能够获得高灵敏度、高通量、快速的食品安全检测方法，具体表现在以下几个方面。

2.1 对重金属的检测

重金属易被鱼类等生物富集，不但污染水域，而且可经过食物链污染食品，另外食品加工过程中与机械、管道的摩擦接触以及包装材料中金属的迁移也是食品中重金属的来源[9-10]。Fe3O4粒子达到纳米级别时就会产生特殊的表面效应，如比表面积显著增大，暴露出的原子增多使表面能增高从而具有强烈的吸附性，可直接用于金属离子的去除。为了优化吸附性能，提高吸附选择性和吸附容量，越来越多的研究致力于在磁性粒子表面涂层吸附剂或者将Fe3O4嵌入到高介孔性物质中形成复合粒子，如：Pang等[11]将聚乙烯亚胺（PEI）接枝到Fe3O4/SiO2粒子表面形成了磁性多孔吸附剂，通过测试表明，该吸附剂在10min内就可以达到吸附平衡，吸附过程符合拟二级动力学模型，对Cu2+、Zn2+、Cd2+最大吸附量分别达到157.8、138.8、105.2mg/g。但是聚合物的修饰对复合粒子磁性有影响，并且在经过酸处理之后对部分金属的吸附作用下降，原因可能是由于复合粒子的多孔性导致酸进入溶解了磁性粒子，另外PEI本身易溶于酸而流失，可造成吸附性能的下降。庞晋山[12]制备的碳包铁纳米粒子平均粒径30nm，通过对不锈钢食具在醋酸介质中迁移物质的检测，得出对迁移物Cr、Ni、Cd、Pb、As的检出限分别为5.1、4.9、1.3、11.2、56μg/L，回收率达到90%，复合粒子在碱性条件下吸附检测物，在酸性条件下脱附，由于非晶态碳层的保护，Fe3O4粒子不会受酸性条件的腐蚀或溶解，可重复使用。

除此之外，通过强疏水作用和静电作用将离子交换剂包覆在磁性微球表面，可实现对金属离子的吸附分离。黄文[13]制备的Fe3O4/SDS磁性纳米颗粒在一定浓度范围内，对Cd2+和Zn2+的吸附符合Langmuir吸附等温方程，饱和吸附量分别为22.42mg/g和13.95mg/g。SDS修饰之后的磁性纳米粒子，表面形成大量的混合胶束，为吸附作用提供了更多的结合位点，同时也降低了磁性粒子的表面能，提高了复合粒子的分散性和吸附稳定性。但由于吸附过程对溶液的酸碱性要求高，在实际应用中要预处理以达到最适的反应条件。

螯合剂与重金属粒子之间强烈地螯合作用也可用于金属离子的分离。Ali Reza Mahdavian等[14]制备了以Fe3O4为核的m-PAA-Na金属粒子螯合剂，考查了对Cu2+、Pb2+、Ni2+和Cd2+的移除作用，测试表明对金属离子的选择性吸附强度为Pb2+＞Cu2+＞Ni2+＞Cd2+。M Reza Shishehbore等[15]以Fe3O4作为磁性载体，包覆上亲和性的SiO2之后，表面修饰了水杨酸，制备的水杨酸型金属离子螯合剂实现了对水体、食品样品等基质中痕量金属离子的吸附去除。此方法对金属离子具有高吸附性、灵敏性和选择性，但水杨酸性吸附剂在食品基质中是否存在二次污染并没有提到。Minsung Park等[16]将具备生物亲和性的Fe3O4/SiO2纳米粒子作为荧光材料的固相载体，制备了化学荧光传感器，对饮用水中Hg2+和CH3Hg+进行分离和检测，此方法中磁性纳米粒子具备生物相容性、不易降解和容易再生的特点，是一种高选择性和分离性吸附剂。

2.2 对微生物的检测

食品中的微生物来源于食品原料本身、加工过程中的污染及储藏时污染等，常见的微生物致病菌有大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌等[17]。免疫磁分离技术普遍应用于致病菌检测研究上游分离阶段，其筛选结果可联用显色反应、酶联免疫吸附测定（ELISA）、聚合酶链式反应（PCR）、生物传感器技术。其中Fe3O4纳米粒子作为核壳结构磁珠的内核，在检测前对微生物进行分离与富集，可提高检测的灵敏度和高效性。Susana Liebana等[18]用免疫磁株将牛奶样品中的沙门氏菌分离出来之后，与标记了氢过氧化物酶的多克隆抗体溶液混合，结合电化学方法制备出IMS/m-GEC电化学免疫传感器，测试表明，在肉汤培养基和牛奶样品中沙门氏菌的检测限分别为5×103CFU/mL和7.5×103CFU/mL，此方法能特异性识别沙门氏菌，实现了在复杂食品样品基质中致病菌的检测，但是检测限有待提高。支援等[19]在pH7.2的磷酸盐溶液中，将氨基修饰过的Fe3O4/SiO2粒子交联偶联上阪崎肠杆菌多克隆抗体，通过对人工污染的乳制品采用量子点荧光标记法（QDs）检测，得出制备的免疫磁性微球对阪崎肠杆菌具有检测特异性，灵敏度高达102CFU/mL，由于QDs发光效率高、光化学稳定好、产生高强度信号可提高检测的灵敏度。

将磁分离技术与PCR技术结合起来应用最多，效果也最好，已经广泛应用于食品中微生物的检测[20-22]，E G Taha等[23]通过对比免疫磁分离技术分别与CHROMager显色、ELISA、PCR检测技术结合测定鸡肉中沙门氏菌，结果表明磁分离技术与PCR结合的方法灵敏度最高，且检测时间大大减少。利用磁性Fe3O4纳米粒子对食品中微生物的分离检测避免了传统方法需要长时间的微生物培养和扩增过程，也克服了快速检验方法中假阳性高、食品成分对检测结果的影响等局限性，是一种发展可观的微生物检测方法。

2.3 对农药、兽药残留的检测

传统农业模式下大量的除草剂、除虫剂的使用以及动物产品中抗生素类药物的残留严重危害人们的身体机能甚至造成机体损伤。传感器是一种能将化学反应造成的物质浓度变化转换为电信号的装置。将Fe3O4纳米粒子与传感器技术结合制备化学传感器可用于对农药、兽药残留检测。

杨欣等[24]将乙酰胆碱酯酶（AcHE）偶联到Fe3O4/Au粒子上再吸附到电极表面，制备出一次性酶抑制性有机磷传感器，通过对白菜中的有机磷残留检测，得出检测限为5.6×10-7mg/L，实际样品白菜检测添加回收率在88%～105%之间，此方法无法排除协同作用的存在，且测试过程为一次性，传感器不能重复使用，检测成本较高。基于ZrO2和有机磷之间的强吸附性作用而制备的Fe3O4-ZrO2复合粒子，对OPs的富集倍数达到20～50倍[25]，且可再生重复使用。胡寅[26]建立了基于Fe3O4磁性纳米粒子类催化活性的有机磷农药的免疫分析技术，对蔬菜样品添加有机磷农药实验的测定，收到比传统ELISA方法更好的效果。基于竞争性免疫吸附法与传感器技术结合制备的氯霉素免疫传感器，测试时间为10min，对氯霉素检测下限可达到0.11ng/mL[27]，Fe3O4的存在不仅扩增了电极比表面积，又提高了灵敏度和检测范围，大大缩短了检测时间。

Kee-Shyuan Loh[28]制备出除草剂2-4D的电化学传感器，将磷酸酯酶固定在Fe3O4粒子上，通过实验确定Fe3O4存在对酶的稳定性和活性无影响之后，利用2-4D抑制磷酸酯酶催化反应而引起电化学信号改变实现对2-4D的检测，实验证明，Fe3O4的存在使多重电化学催化作用显著放大了相应电流信号。

2.4 对食品中其他污染物的检测

食品包装材料中有毒有害物质的迁移以及人为追求利益添加的有毒有害物质是食品安全的潜在性危害，近几年发生的“瘦肉精”、“三聚氰胺”等事件引起了国民的高度注视，寻求一种能够及时、准确的检测食品中有毒有害物质的方法成为当前食品安全检测重要问题。磁性纳米粒子对被检测物质的分离作用和富集作用能够有效的简化前处理流程，大大缩短检测时间，提高检测效率，为大量的探索和研究提供了方向，Xu等[29]以磁性粒子为核，以双酚A为模板，制备出双酚A（BPA）的磁性印记聚合物，通过对罐头食品和牛奶包装材料中迁移物质BPA的检测，结果表明：最低检测限小于0.3ng/mL，加标回收率分别为83%～107%和72%～113%，磁分离技术与分子印迹技术的结合使得分离检测更具有特异性和灵敏性。Zhu等[30]利用Fe3O4纳米粒子的类催化活性，通过检测食品中的瘦肉精，得出在温度40℃、pH为4的条件下，Fe3O4磁性纳米可以达到最高的催化活性，直接竞争ELISA法对加标样品检测回收率达88%～105%，线性检测范围0.377～14.07mg/L，实现了分离和检测一体化，考虑磁性粒子在酸性条件下易流失，检测前需要对粒子表面处理以防止被酸溶解。干宁等[31]在Fe3O4/Au复合粒子表面包覆三聚氰胺抗体，将其固定在电极上制备三聚氰胺安培免疫传感器，检测时加入标有氢过氧化物酶的二抗，与电极上的抗体形成三元免疫复合物，测试结果表明，检测电流与三聚氰胺浓度呈良好的线性关系，检测限0.25μg/mL，检测时间小于20min，高于ELISA测定法，可实现现场分离和检测。

3 结论

Fe3O4磁性纳米粒子在食品安全检测方面已经有了广泛的应用，促进了食品检测技术的完善和发展，实现了快速、灵敏、特异性检测的要求，但是在今后的研究中也面临着挑战：首先，磁性纳米粒子大多应用于食品安全检测样品前处理阶段，应当注重与其他样品前处理技术之间融合渗透，形成优势互补，提高检测效率。其次，利用Fe3O4纳米粒子构建出可以在复杂食品基质中高选择性识别目标物的多功能复合物，加强实际应用研究，降低制备成本，实现工业化生产，提高应用普遍性和重复使用的高效性。再次，磁性纳米粒子与生物学技术、电化学方法、以及分子印迹技术等的结合用于食品安全检测还不是很普遍，需要进一步根据被测食品污染物的特点和性质建立快速、灵敏、特异性的实时在线检测技术。最后，对Fe3O4磁性纳米材料的开发利用还不是很全面，很有必要摸索和研究将Fe3O4磁性纳米材料的磁分离性和类酶活性结合起来用于食品安全检测的技术和方法，以实现分离和检测一体化。这些问题同时也是今后Fe3O4磁性纳米粒子在食品安全检测领域应用研究的重点和热点。

[1]Banerjee R，Katsenovich Y，Lagos L，et al.Nanomedicine：Magnetic Nanoparticles and their Biomedical Applications[J].Current Medicinal Chemistry，2010，17（27）：3120-3141.

[2]Gai qingqing，Qu feng，Liu jianzong，et al.Superparamagnetic lysozyme surface-imprinted polymer prepared by atom transfer radical polymerization and its application for protein separation[J].Journal of Chromatography A，2010，1217：5035-5042.

[3]Goya GF，Berquo TS，Fonseca FC.Static and dynamic magnetic properties of spherical magnetite nanoparticles[J].Appl Phys，2003，94（5）：3520-3528.

[4]中国技术科学技术协会学会学术部.第十届中国科学年会论文集（三）[C].北京：2008.

[5]Amyn S Teja，Pei-Yoong Koh.Synthesis，properties，and applications of magnetic iron oxide nanoparticles[J].Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials，2009，55：22-45.

[6]Wu Wei，He Quanguo，Jiang Changzhong.Magnetic Iron Oxide Nanoparticles：Synthesis and Surface Functionalization Strategies[J].Nanoscale Res Lett，2008（3）：397-415.

[7]Ajay Kumar Gupta，Mona Gupta.Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications[J].Biomaterials，2005，26：3995-4021.

[8]楚华琴，卢云峰.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[J].分析化学评述与进展，2010，38（3）：442-448.

[9]王明强.重金属污染对食品安全的影响及其对策[J].中国调味品，2009，34（11）：32-37.

[10]Afkhami A，Saber-Tehrani M，Bagheri H，et al.Flame atomic absorption spectrometric determination of trace amounts of Pb（II） and Cr（III） in biological，food and environmental samples after preconcentration by modified nano-alumina[J].Microchim Acta，2011，172：125-136.

[11]Pang ya，zeng guangming，tang lin，et al.PEI-grafted magnetic porous powder for highly effective adsorption of heavy metal ions[J].Desalination，2011，281：278-284.

[12]庞晋山，邓爱华，陈进，等.磁性纳米粒子富集-电感耦合等离子体发射光谱法测定食具中铬、镍、镉、铅、砷的迁移量[J].分析化学，2011，39（9）：1363-1367.

[13]黄文，周酶芳.Fe3O4/SDS磁性纳米颗粒吸附水体中的Cd2+和Zn2+[J].环境工程学报，2012，6（4）：1251-1255.

[14]Ali Reza Mahdavian，Monir Al-Sadat Mirrahimi.Efficient separation of heavy metal cations by anchoring polyacrylic acid on superparamagnetic magnetite nanoparticles through surface modification[J].Chemical Engineering Journal，2010，159（1/3）：264-271.

[15]M Reza Shishehbore，Abbas Afkhami，Hasan Bagheri.Salicylic acid functionalized silica-coated magnetite nanoparticles for solid phase extraction and preconcentration of some heavy metal ions from various real samples[J].Chemistry Central Journal，2011，5（1）：1-10.

[16]Minsung Park，Sungmin Seo，In Su Lee，et al.Ultraefficient separation and sensing of mercury and methylmercury ions in drinking water by using aminonaphthalimide-functionalized Fe3O4@SiO2core/shell magnetic nanoparticles[J].ChemComm，2010，46：4478-4480.

[17]腾葳，李倩，柳亦博，等.食品中微生物危害控制与风险评估[M].北京：化学工业出版社，2012：353.

[18]S usana Liébana，Anabel Lermo，Susana Campoy，et al.Rapiddetection of Salmonella in milk by electrochemical magnetoimmunosensing[J].Biosensors and Bioelectronics，2009，25（2）：510-513.

[19]支援，孟瑾，郑小平，等.一种快速检测阪崎肠杆菌的新方法—免疫磁性分离荧光标记[J].乳业科学与技术，2010（5）：231-233，245.

[20]HY Hsih，HY Tsen.Combination of immunomagnetic separation and polymerase chain reaction for the simultaneous detection of Listeria monocytogenes and Salmonella spp.in food samples[J].Journal of Food Protection，2001，64（11）：1744-1750.

[21]Mercanog lu，Birce，Griffiths Mansel W.Combination of immunomagnetic separation with real-time PCR for rapid detection of Salmonella in milk，ground beef，and alfalfa sprouts[J].Journal of Food Protection 2005，68（3）：557-561.

[22]B Mercanoglu Taban，U Ben，SA Aytac.Rapid detection of Salmonella in milk by combined imunomagnetic separationpolymerase chain reaction assay[J].Journal of Dairy Science，2009，92（6）：2382-2388.

[23]EG Taha，A Mohamed，KK Srivastava，et al.Rapid Detection salmonella in chicken meat using immunomagnetic separation，CHORMager，ELISA and real-time polymerase chain reaction（RT-PCR）[J].International Journal of Poultry Science，2010，9（9）：831-835.

[24]杨欣，巫远招，谢东华，等.基于复合纳米微粒修饰和磁性分离富集的一次性有机磷农药酶传感器[J].农药学学报，2009，11（4）：441-448.

[25]巫远招，徐维莲，侯建国，等.基于Fe304/Zr02磁性纳米颗粒选择性富集一电感耦合等离子体发射光谱法检测蔬菜中痕量有机磷研究[J].农药学学报，2010，12（2）：178-184.

[26]胡寅.基于磁性纳米粒子的典型农兽药残留免疫分析技术[D].上海：上海交通大学，2011.

[27]杨欣，干宁，谢东华，等.基于复合纳米微粒修饰电极的氯霉素快速检测用磁场可控一次性安培免疫传感器研究[J].化学学报，2010，68（1）：75-82.

[28]Kee-Shyuan Loh，Yook Heng Lee，Ahmad Musa，et al.Use of Fe3O4Nanoparticles for Enhancement of Biosensor Response to the Herbicide 2，4-Dichlorophenoxyacetic Acid[J].Sensors，2008（8）：5775-5791.

[29]Xu zhou，Ding li，Long yanjiao，et al.Preparation and evaluation of superparamagnetic surface molecularly imprinted polymer nanoparticles for selective extraction of bisphenol A in packed food[J].Anal.Methods，2011（3）：1737-1744.

[30]Zhu honglin，Hu yin，Jiang guanxin，et al.Peroxidase-like activity ofaminopropyltriethoxysilane-modified iron oxide magnetic nanoparticles and its application to clenbuterol detection[J].European Food Research and Technology，2011，233：881-887.

[31]干宁，王峰，王鲁雁，等.基于纳米磁珠修饰印刷电极的牛奶中三聚氰胺检测安培免疫传感器[J].传感技术学报，2009，22（4）：456-460.