磁弛豫时间在食品安全检测中的应用研究进展

马舒义, 郑亦舟, 王 杰, 杨仕平*, 赵 渝*

(1.上海师范大学 化学与材料科学学院,上海 200234; 2.上海师范大学 生命科学学院,上海 200234)

0 引 言

核磁共振(NMR)是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象[1-2].依据磁场强度不同,核磁共振技术可分为高场、中场和低场3类[3-4].其中低场核磁共振 (LF-NMR) 技术是一种正在兴起的快速无损检测技术,它具有检测速度快、灵敏度高、无损及绿色等优点[5-6].已经广泛应用于食品掺假、食品保鲜、化学污染物、微生物等领域的检测[7-8].

根据物理学原理,当外加射场频率(RF)与原子核自旋进动的频率相同时,射场的能量能有效地被原子核吸收,为能级跃迁提供助力[9-10].因此,原子核在给定的外加磁场中,吸收某一特定频率射场提供的能量,就能形成核磁共振信号[11-12].迄今为止,只有自旋量子数等于1/2的原子核核磁共振信号能够被利用,经常为人们所利用的原子核有:1H,11B,13C,17O,19F,31P[13-14],在核磁共振技术中,应用最为广泛的检测物是水中的氢质子[13,15-16].在食品检测中,LF-NMR主要通过测量自旋-晶格纵向弛豫时间T1和自旋-自旋横向弛豫时间T2来描述待测物信号,弛豫时间的变化会导致核磁共振图谱的差异,满足检测的需求[17-18].利用T1时间变化呈现信号的为T1检测,利用T2时间变化呈现信号的为T2检测.

1 T1检测、T2检测的定义及特点

在核磁共振中存在两种组织磁性:1)纵向磁性,它与主磁场Bo平行,涉及T1;2)横向磁性,它与主磁场Bo垂直,涉及T2[4,19].给予射频脉冲(RFP)激励,使两个能级上的自旋等量化,造成Bo偏离纵轴的改变,纵向磁矩减小,横向磁矩出现[14,20].

纵向弛豫指质子从低能级El跃迁到高能级Eh和从Eh回到El的状态[18,21].由于质子从Eh到El,通过与周围分子晶格的相互作用,产生热交换释放出能量,纵向弛豫也叫自旋-晶格弛豫.纵向弛豫过程中,纵向磁矩恢复到(原)最大值的63%,所需的时间即为纵向弛豫时间T1.

横向弛豫指质子自旋相位的重聚和相散.在RFP作用下Bo偏离纵轴的再逐渐恢复的过程称为横向弛豫,其所需的时间为横向弛豫时间T2[18].从微观角度分析:RFP通过质子的相位重聚,造成了组织的横向分量磁矩的出现;当RFP终止后,系统将发生相反的现象(质子的快速相散),横向磁矩快速减少,最后相互抵消,不涉及能量交换,是质子自旋间的相互作用,又称自旋-自旋弛豫.横向磁矩的消失过程可描述为一个快速下降的指数函数,把垂直于磁场平面中的磁化矢量减少到 37% 的净信号值所需的时间定义为横向弛豫时间T2.

测量T1与T2的检测称为T1检测与T2检测,T2检测与T1检测相比,响应速度快,检测时间短,因而在食品检测领域中应用广泛[22-23](表1).

表1 T1检测与 T2检测的特点

2 T2检测的应用

由表1可知,T2检测所需要的时间约为T1检测的1/10,因而更能满足快速检测的需求,广泛应用于检测食品掺假、食品保鲜、化学污染物、微生物等[24-25].

2.1 T2检测在食品掺假鉴别中的应用

T2检测无损检测的特点,使得其在食品掺假鉴别中得到应用[24,26].牛乳掺假现象是严重的食品安全问题.通过T2检测对乳制品的脂固液比、脂肪结晶温度、持水量、水分结合状态、蛋白质变性、蛋白质聚集状态等方面进行分析测试,能达到鉴别真伪的效果.SANTOS等[27]发现利用核磁共振弛豫衰减的离散指数分析法及T2单变量方法所获得的回归模型能很好地区分纯牛乳和掺入不同物质(乳清、尿素、过氧化氢、合成尿和合成乳)的掺假牛乳,检测的标准误差率为3.79%,灵敏度和特异性范围均为0.66～1.00,表明T2检测可以作为快速定量检测牛奶掺假的替代方法.

利用核磁共振技术能够检测食用油脂固体中的脂肪含量.SANTOS等[28]提出了使用LF-NMR光谱仪鉴别纯橄榄油、纯大豆油和掺假样品混合物, 结果显示T2检测结果出现不同的弛豫时间谱,显示了良好的区分性.邵小龙等[29]用T2检测结合主成分分析方法区分大豆油和3种工艺(精炼、冷榨、热榨)生产的芝麻油样品,用偏最小二乘法分析不同掺兑比例的模拟掺假样品数据,结果表明:芝麻油中掺入大豆油的最低检测限为5%～10%(体积分数),精炼芝麻油中掺入冷榨或热榨芝麻油的最低检测限为10%～20%(体积分数).张亚飞等[30]用脉冲核磁共振鉴别法检测餐饮废油脂(地沟油、泔水油)及3种食用油在10 ℃和0 ℃下的固体脂肪含量(SFC),结果表明地沟油和泔水油中的SFC远远大于食用油.食用油在0 ℃下的SFC为0,只要其中掺混餐饮废油脂的体积分数达到1%以上,就可以被鉴别出来.花生油在10 ℃下的SFC虽达到了1.52%(质量分数),但掺入地沟油或泔水油体积分数超过1%后,其SFC明显变高,即可被检测出来.另外,张亚飞对正常食用油脂和地沟油分别做了弛豫谱反演,结果表明两者有显著区别,地沟油的弛豫谱反演有明显特征峰出现,且稳定性很高.对于同一种地沟油,其特征峰不会随着地沟油的过滤、脱胶、脱嗅、脱色等加工过程而消失.T2检测在食用油掺假鉴别检测中优势明显,成为卫生部公布的4种食用油掺假鉴别的方法之一.

2.2 T2检测在食品冷藏、保鲜水分分析中的应用

食品中水分的迁移变化影响着食品的品质和风味,因此检测食品中的水分对食品加工储藏及食品安全有重要意义.ZHOU等[31]利用T2检测研究了不同储存温度下(4 ℃和25 ℃)金秀黄桃中的水含量、果实硬度和乙烯产量,结果表明T2检测可检出金秀黄桃储存过程中的质量问题.LI等[32]通过T2检测获得鸡胸肉干中与水流动性有关的指标,并测量其主要相关质量指标剪切力,结果表明T2检测能够评估鸡肉干的干燥程度和质量.QIN等[33]利用T2检测测量了草鱼体内3种不同水(结合水、不易流动水和自由水)的状态变化,评估了超级冷藏期间草鱼体内的水分迁移率,证明了T2检测能够监测无盐鱼的质量恶化情况.原琦等[34]利用T2检测测量冻融过程中犊牛肉中不易流动水的变化,证明T2可作为解冻犊牛肉品质的一个参考指标.T2的积分面积和反应食品水分含量的变化,为食品品质监管与检测提供了一种切实可行的方法.

2.3 T2检测在化学污染物检验中的应用

GOSSUIN等[35]利用T2检测对水中重金属Cu2+、Mn2+、Cr3+进行了动力学研究,检测了活性氧化铝(Al2O3)上Cu2+的吸附,确定最大Cu2+吸附质量浓度为624.3262 mg·g-1,平衡吸附常数K62=620.6162 mmoL·L-1.PAUDEL等[36]对草甘膦农药进行T2检测,确定了水钠锰矿催化降解草甘膦农药的机理和反应途径.T2检测在化学污染物以及有害物检测中具有广泛的应用.

2.4 T2检测在食品微生物定量检测中的应用

食品微生物检测是食品检测中的常规项目.针对食品中的病原微生物(细菌、真菌、病毒等)以及其他有害生物(如寄生虫),传统的检测方法耗时长,劳动强度大,且往往不能及时快速地评价微生物的安全性.LF-NMR作为一种新型快速检测技术得到认可.HUANG等[37]运用羧基包被的Fe3O4纳米颗粒(MNPs)检测大肠杆菌O157∶H7,为了提高灵敏度,使用抗体功能化的MNPs从样品溶液中富集O157∶H7,检测灵敏度为1.04×104CFU·mL-1.ZHAO等[38]运用Fe / Fe3O4纳米颗粒检测单核细胞增生性李斯特氏菌(简称单增李斯特菌),检测限为103CFU·mL-1,可在40 min内完成所有测试.贾飞等[39]利用酰胺反应将铜绿假单胞菌适配体结合在超顺磁性纳米材料表面实现了对铜绿假单胞菌的定量检测,T2随铜绿假单胞菌菌液生物量浓度线性变化,检测范围为102～106CFU·mL-1.李云霞[40]将单增李斯特菌抗体与Fe/Fe3O4和 Fe3O4磁性纳米粒子连接制成纳米传感器,其快速检测的线性检测范围为1～103CFU·mL-1.ZHANG等[41]构建了一个基于Fe3O4纳米粒子簇(NPC)催化的检测单增李斯特菌的信号放大生物传感器,单增李斯特菌检测线性范围为5.4×103～1×108CFU·mL-1,检测限为5.4×103CFU·mL-1.表2为食品微生物定量检测相关参数.核磁共振技术检测微生物不需要增菌,整个检测时间不到1 h,在食品微生物检测领域有良好的应用前景.

表2 食品微生T2定量检测相关参数

3 T1检测的应用

T2测量速度快但存在灵敏度低,检测浓度范围窄的问题.T1检测由于耗时长而无法应用于快速检测,但从物理机理上看,通过T1检测所获得的有用信息比T2检测更丰富.T1检测具有较深的组织穿透能力和较高的空间分辨能力,多用于医学检测领域[42].KINDVALL等[43]利用T1检测研究年龄和性别对肺健康的影响.RAUHALAMMI等[44]使用核磁共振成像的T1来评估不同性别和不同年龄成人的心肌健康.而在最近的研究中发现T1检测也可用于对微生物的检测.

3.1 T1检测的灵敏度和检测范围

图1 MnO2-T1与Fe3O4-T2传感器检测PCT灵敏度与线性测量范围对比图[46]

陶珊珊[45]运用MnO纳米颗粒表面连接特异性抗体来检测单增李斯特菌,检测线性范围为10～103CFU·mL-1.LIU等[46]用MnO2纳米颗粒和抗坏血酸(AA)之间发生氧化还原反应释放Mn2 +,增强T1信号,检测限更低,线性范围更大.MnO2-T1传感器检测降钙素原(PCT)的检测限质量浓度(CPCT)为0.025 ng·mL-1.而传统的Fe3O4-T2传感器的检测限为0.820 ng·mL-1,MnO2-T1传感器与之相比检测限提高了33倍.不但如此,其信号线性范围也呈现扩大趋势.当PCT质量浓度达到2000 ng·mL-1时,过量的抗原导致T2响应信号(ΔT2)减弱.MnO2-T1传感器克服了这个缺陷,由于T1信号只与MnO2纳米颗粒数量有关,即使其质量浓度达到2000 ng·mL-1,仍能出现检测响应信号(ΔT1),如图1所示.

3.2 T1检测提高灵敏度及扩大检测范围的原理

LIU等[46]认为MnO2纳米结构中含Mn的纳米结构转化为Mn2 +,可以有效地放大磁输出信号,从而提高纳米磁传感器的灵敏度,其转化反应式如图2所示.

图2 MnO2转化为Mn2 +反应式

图3 点击反应(四嗪与环烯烃的反应)反应式

MnO2释放的Mn2+纳米组装具有较强产生T1信号的能力,一方面点击反应(四嗪与环烯烃的反应)可增加MnO2纳米粒子与靶标的结合免疫反应,反应式如图3所示.另一方面大量释放Mn2+,增加了Mn的配位数与周围的水分子.改进后的T1检测具有更高的灵敏度和更宽的检测范围,在食品安全定量检测中有非常大的研究潜力和应用前景.

4 结 语

LF-NMR技术在食品掺假、食品保鲜、化学污染物、微生物等方面的检测中得到广泛应用,T2检测速度快但灵敏度低,检测浓度范围窄;改进后的T1检测具有更高的灵敏度和更宽的检测范围.目前,磁纳米粒子在制备过程中存在粒径分布不均一、重复性差、亲水性差、磁核的生物相容性差等缺点,使磁传感器的稳定性变差.适当的修饰可以改善磁纳米粒子的亲水性和稳定性,并提高磁纳米粒子与目标物的识别特异性,以及检测效率和灵敏度.但修饰会导致磁性减弱,有待解决.此外,采用结合不同的物理特性(磁学、光学、电化学信号等)的复合纳米粒子可提高检测的灵敏度和准确性,开发复合磁纳米粒子的多模式检测方法是未来发展的方向.