量子点印迹传感体系在食品检测中的研究进展

刘慧琳，穆琳，陈晓默，王静，王硕

（1.北京工商大学食品学院，北京100048；2.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457）

量子点印迹传感体系在食品检测中的研究进展

刘慧琳1，穆琳1，陈晓默1，王静1，王硕2

（1.北京工商大学食品学院，北京100048；2.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457）

近年来分子印迹技术以其较好的选择识别性、易制性、重现性和稳定性成为研究领域的热点。荧光纳米材料量子点具有独特的光学特性。基于量子点的分子印迹光学传感体系，以分子印迹聚合物为识别元件，量子点为响应元件，快速、准确的定量检测食品中痕量危害物。介绍量子点和分子印迹技术的特性及光学传感体系的构建，并对其在食品安全检测领域中的应用进行评述。

量子点；分子印迹技术；光学传感体系；食品安全检测

“民以食为天，食以安为先”，食品安全是关系国计民生的重大问题。近年来，食品安全事件频发，引发了人们对于食品安全的广泛关注。建立快速、准确、高灵敏的检测方法以保障我国食品安全已成为当务之急。基于纳米材料量子点的分子印迹光学传感检测技术可以实现对目标分析物快速、高灵敏地定量检测，已经运用到食品、生物、医学、药学等各个方面。在我国卫星发射技术中，光学传感检测技术也被“神州五号”卫星应用于检测太空中的温度场和引力场。

量子点（quantum dots，QDs），又名半导体纳米晶体，是一种准零维的纳米材料，其3个维度的尺寸都在1 nm～100 nm之间。由于其尺寸较小，量子点内部电子在各方向的运动都受到明显的局部限制，所以量子点的量子局限效应特别明显[1]。当其尺寸下降到某一个值时，量子点中因存在不连续的最低未被占据和最高被占据分子轨道能级，从而使其带隙变宽。量子点，作为一种新型的荧光纳米材料有其独特的优势。量子点具有发射峰可调且带隙狭窄、吸收谱宽、光稳定性强以及发光效率高等特点。这么多优异的光学性质决定了量子点在化学、生物、医学和分析检测等领域具有广泛的应用前景[1-9]。

分子印迹技术（molecular imprinting technique，MIT），被形容为制造特异识别“分子钥匙”的“人工锁”的新技术。上世纪40年代初，诺贝尔奖获得者Pauling提出了分子印迹技术的基本思想：以抗原为模板合成抗体的理论，即所谓的键合位点和空间匹配的观点。1949年，科研工作者Dickey[10]第一次提出“分子印迹”这个概念，但是并没有立刻引起人们重视。一直到1973年，Wulff研究小组第一次报道了人工合成的分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIPs），分子印迹技术才逐渐被人们所认识。随后，Mosbach等人在1993年于《Nature》杂志上发表了茶碱印迹聚合物的报道[11]，该技术在近几年内逐渐被人们所重视，并得到了飞速的发展。

通过对不同的基于量子点的分子印迹荧光传感体系的构建及在食品安全检测中的应用进行总结，以期获得高精准、高灵敏的快速检测方法，为开展污染控制和形成机制研究提供了理论基础和技术支持，对我国食品的食用安全提供了技术保障。

1 纳米材料量子点的性质

量子点通常是由 II-VI族（如 CdTe、CdS、CdSe、ZnSe等）或是III-V族元素（如InAs、InP等）组成的，也可以由两种或两种以上的复合材料组成核壳包裹结构（core-shell）的纳米颗粒（如 CdSe/ZnS[12]、CdS/ZnS[13]、CdSe/CdS[14]、CdS/HgS/CdS[15]等），一般为球形或类球形，能够接受激发光产生荧光或是磷光的半导体纳米颗粒。

与传统的有机荧光染料相比[16]，量子点作为一种新型的荧光纳米材料，具有其独特的光学特性。量子点与有机染料的不同，主要体现在以下13个方面。（1）量子点从吸收边带至紫外区逐渐增加，对激发波长的选择范围宽[17-18]，第一激子吸收峰为 105m-1～106m-1；不同有机染料之间吸收带不连续，半峰宽35nm或80nm～100 nm。（2）量子点的摩尔吸光系数随着波长降低而增加，尺寸较大的量子点摩尔吸光系数较大；有机染料的摩尔吸光系数为 2.5×104m-1～2.5×105cm-1。（3）量子点的发射光谱对称，呈高斯分布，半峰宽30 nm～90 nm；有机染料的发射光谱不对称，在长波处有拖尾，半峰宽70 nm～100 nm。（4）对于可见区发射的量子点，其斯托克斯位移大于50 nm；一般情况下有机染料的斯托克斯位移小于50 nm。（5）可见区量子点的量子产率为0.1～0.8，近红外区的量子点为 0.2～0.7；可见区有机染料的量子产率为0.5～1.0，近红外区为0.05～0.25。（6）量子点的荧光寿命为10 ns～100 ns，呈现多指数衰减；有机染料的荧光寿命为1 ns～10 ns，呈现单指数衰减[9]。（7）量子点的双光子吸收截面为2×10-47cm4s photo-1～4.7×10-46cm4s photo-1；有机染料的双光子吸收截面为1×10-52cm4s photo-1～5×10-48cm4s photo-1（通常为1×10-49cm4s photo-1）。（8）量子点由其表面配体的性质决定其水溶剂及分散性；有机染料则由取代基性质决定。（9）量子点通过表面配体与生物分子偶联，一个量子点标记若干个生物分子，这个标记方法研究的较少，标记过程对量子点光学性质影响的研究也不多；有机染料通过官能团与生物分子偶联，通常情况下若干个染料分子标记一个生物分子，这个标记方法较成熟，标记过程对染料光学性质影响的研究也比较成熟。（10）量子点是胶体状的，其半径为6 nm～60 nm；有机染料是分子级的，大小为0.5 nm。（11）量子点光学稳定性较好[19]，其稳定性与壳层和配体有关；有机染料的稳定性因类型而定，但近红外发射染料极不稳定。据报道CdSe/ZnS量子点连续光照14 h，其量子点的荧光强度不会发生任何变化，而且比有机染料罗丹明6G稳定性高100倍，光亮是罗丹明6G的200倍[20]。（12）量子点的单分子检测能力较好，但要防止光闪烁现象；有机染料的单分子检测能力一般，需考虑光漂白的问题。（13）量子点是多色标记的理想材料，已经证明可以实现同时标记5色检测；有机染料最多可标记3色。

2 分子印迹聚合物制备原理和过程

分子印迹技术的基本原理是模板分子（目标物）与聚合物单体相互作用，在交联剂存在的前提下会形成聚合物，即整个聚合过程会被记忆，当去除模板分子后，就制备得到了与模板分子空间构型相匹配的特异性的识别位点。因此，分子印迹聚合物具有高选择性、特异性等优点。分子印迹聚合物的制备过程主要包括：模板分子与单体的键合、单体与交联剂共聚和模板分子的洗脱3部分。其次，通过功能单体与交联剂的共聚，形成分子印迹预聚合物。最后，是模板分子的洗脱，要选择适当的溶剂，破坏已形成的分子印迹预聚合物中模板分子和功能单体之间的键合，从而成功地将模板分子从预聚物中去除，形成分子印迹聚合物。

3 基于量子点的分子印迹荧光传感体系的研究现状

量子点与传统的有机染料相比具有独特的光学特性，然而量子点不具有选择识别分子的能力，因此其特异性识别目标物的能力较差，干扰物的存在会对检测结果造成较大的困扰，易导致出现假阳性结果。然而分子印迹聚合物最大的优势在于其的高选择性，因此量子点以其独特的光电特性与分子印迹聚合物的特异性相结合，制备形成各种不同的光学传感体系，利用量子点的光学响应信号从而实现对目标物的定量检测。

2004年，Lin等首次将量子点运用到分子印迹技术领域，他们在4-乙烯基吡啶修饰的量子点表面制备了咖啡因分子印迹聚合物薄膜，将其作为光学传感材料分析识别咖啡因、可可碱和茶碱。在此基础上，进一步研究制备了基于量子点的尿酸、雌三醇和L-半胱氨酸分子印迹聚合物[21-22]。随后研究者们对量子点与分子印迹联用技术产生了浓厚的兴趣，进而进行了大量的报道，其研究对象主要分为有机小分子和生物大分子两大类。其中对于有机小分子的研究主要为农兽药残留类，对于生物大分子的研究主要为蛋白质类，最近也有报道量子点与分子印迹聚合物运用于毒素物质的检测。

3.1 检测小分子

基于分子印迹聚合物包裹量子点的核-壳型光学传感材料的构建及应用较为广泛，包括室温磷光、荧光及电化学发光等。Wang等建立了基于Mn掺杂的ZnS量子点分子印迹聚合物的室温磷光传感体系，将其用于水中五氯苯酚的检测[23]。Liu等制备了基于Mn掺杂的ZnS量子点的分子印迹聚合物，将其用于化学发光传感体系，通过量子点荧光淬灭光学传感检测水中的4-硝基苯酚[24]。Stringer等首次将氨基功能化的CdSe量子点嫁接在分子印迹聚合物表面，通过荧光传感检测水中硝基芳烃[25]。Ge等通过层层自组装法制备了基于CdTe量子点的分子印迹聚合物，将其用于化学发光传感体系，检测溴氰菊酯[26]。Xu等使用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为功能单体，四乙氧基硅烷作为交联剂，三硝基苯酚作为假模板，制备基于CdTe量子点的分子印迹聚合物，将其作为荧光传感材料检测2，4，6-三硝基甲苯[27]。Wei等制备了巯基丁二酸修饰的CdTe量子点的分子印迹纳米硅球，通过目标物对量子点荧光淬灭的作用，选择性识别λ-三氟氯氰菊酯。这个荧光淬灭过程符合Stern-Volmer方程的浓度依赖方式[28]。Huy等使用溶胶凝胶法制备了基于CdTe量子点的分子印迹聚合物，通过目标物与量子点荧光强度的淬灭作用，将其用于瘦肉精（盐酸克洛特罗）和三聚氰胺的识别检测[29]。

Li等使用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为功能单体，四乙氧基硅烷作为交联剂通过表面印迹过程，制备了基于CdSe量子点的分子印迹聚合物。比较了分子印迹聚合物对于四种拟除虫菊酯包括氯氰菊酯，氯菊酯，溴氰菊酯和高效氯氟氰菊酯标品的吸附能力，结果表明所制备的高效氯氟氰菊酯分子印迹聚合物对其的吸附明显优于其它三种竞争物。并将其用于实际样品水中高效氯氟氰菊酯的检测[30]。

Liu等[31]以实现猪肉样品中莱克多巴胺的快速、精确检测为宗旨，通过功能单体与模板分子的合理组装，使用溶胶凝胶一步聚合法在荧光纳米材料量子点表面构建新型的分子印迹荧光传感体系，实现对莱克多巴胺靶向性和快速荧光传感检测，并探索分子印迹荧光传感体系的分子识别机理。该研究不仅为莱克多巴胺的快速检测提供了新的思路，促进分子印迹荧光传感体系在食品科学领域的应用和发展，而且提供一种现场快速分析方法。在此基础上，Liu等[32]研究通过何种最优方式将量子点与分子印迹聚合物连接，既不影响分子印迹聚合物的靶向性吸附，也不会导致量子点荧光性能的衰减、迁移。通过反相微乳液合成法，将分子印迹聚合物包裹在油溶性量子点表面，不需要经过量子点配体的交换过程，从而最大限度保证了量子点荧光性能不受损失。这种方法不仅可以有效阻止量子点的光氧化、其本身毒性的扩散，还可以增加量子点荧光的稳定性。将分子印迹聚合物印迹在量子点的表面，更有利于整个材料对目标分子的选择性识别。

上述检测体系均是以量子点为荧光核心，在其表面构建分子印迹聚合物，形成均匀的核-壳结构纳米材料。这种制备的方法对印迹聚合物层要求较高，一旦分子印迹聚合物层较厚，便会阻碍量子点的荧光特性，影响精准、灵敏地检测。为了避免这个问题Liu等[33]使用3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷修饰CdSe/ZnS量子点，通过共价键相互作用将量子点修饰于分子印迹聚合物的表面，构建了基于双氰胺的分子印迹荧光传感体系，可以有效地提高分子印迹荧光传感材料的荧光量子产率，该实验表明其荧光量子产率为33%，与分子印迹聚合物包裹的量子点传感体系相比有了大幅度提高。该方法成功的应用于婴幼儿配方奶粉中双氰胺的快速检测。

3.2 检测生物大分子

Zhang课题组应用量子点和分子印迹联用技术检测了多种蛋白质，他们通过溶胶凝胶法制备了基于CdTe量子点的分子印迹聚合物，将其用于细胞色素C的检测[34]。将3种不同的分子印迹聚合物固定在改性牛血清蛋白修饰的量子点表面，将其作为荧光人工受体，特异性识别对应的3种模板分子，分别是溶菌酶、细胞色素C和甲基化牛血清蛋白。结果显示，这种新型的光学传感材料可以较好地识别其对应的目标物，进一步研究其用于鸡蛋白实际样品中溶菌酶的测定，测试结果令人满意。这种将分子印迹聚合物作为荧光受体从复杂样品中分离检测目标蛋白的方法，最大的优势在于可以有效地避免昂贵的抗体和繁琐的样品前处理过程[35]。

3.3 检测毒素

Fang等首次将量子点分子印迹聚合物荧光传感体系用于玉米赤霉烯酮毒素的检测，使用本体聚合法制备了基于CdSe/ZnS量子点的分子印迹聚合物，以环十二烷基-2，4-二羟基苯为假模板，甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，将其作为荧光传感材料用于谷物样品中霉菌毒素玉米赤霉烯酮的检测[36]。

4 结论

近年来，随着广大科研工作者的大量研究，基于量子点的分子印迹光学传感体系的构建及应用已具备一定的基础。通过量子点与分子印迹聚合物相结合，将模板分子与聚合物单体相互作用，在交联剂存在的前提下会形成聚合物，即整个聚合过程会被记忆，当去除模板分子后，就制备得到了与模板分子空间构型相匹配的特异性的识别位点。采用Stern-Volmer，Scarchard，Langmuir adsorption 等方程对待测物在分子印迹荧光传感体系中的数量和相互作用进行理论计算，在分子层面对分子印迹荧光传感体系的分子识别机理进行深入的研究，从而揭示待测物的分子识别机理。分子印迹荧光传感体系集量子点的独特荧光特性和分子印迹聚合物优异的特异性于一体，实现对目标分析物的快速、准确的定量检测。快速检测方法的构建为食品安全检测领域的相关研究工作的开展提供了坚实的基础和平台，为保障食品安全和实现可持续发展具有重要的意义。

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The Research Progress of Quantum Dot-imprinting Sensing System in Food Detection

LIU Hui-lin1，MU Lin1，CHEN Xiao-mo1，WANG Jing1，WANG Shuo2
（1.Food College，Beijing Technology&Business University，Beijing 100048，China；2.College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

Molecular imprinting has

considerable attention recently due to its properties of selective recognition，easy preparation，good reproducibility and stability.Quantum dots as a fluorescent nanomaterial have unique optical properties.An optosensing system is prepared based on molecularly imprinted polymers and quantum dots，which are used as the recognition elements and response elements，respectively，for rapid and accurate detection of hazardous residues in foods.In this review，we summarized the characteristic of quantum dots and molecular imprinting，the preparation of optosensing system，as well as the application in the field of food safety.

quantum dots；molecular imprinting；optosensing system；food safety detection

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.14.043

国家自然科学基金（31501559）；北京市委组织部优秀人才项目（2014000020124G031）

刘慧琳（1987—），女（汉），讲师，博士，研究方向：食品安全检测。

2016-03-27