荧光纳米材料在食品安全免疫检测中的应用

谢玉　王子雯　沈羽　徐英琴　王楚杰　李周敏

摘 要：纳米材料是指在微观结构中至少有一维处于纳米尺寸（0.1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的各种固体超细材料。近年来，伴随着免疫荧光的发展，纳米材料借助其优越的物理特性，被越来越广泛的应用于食品安全检测等领域。目前，常用的荧光纳米材料主要有：纳米金、量子点（Quantum Dots，QDs）、高分子荧光纳米微球、核壳型荧光纳米颗粒和稀土金属荧光微球等。本文旨在介绍不同种类纳米材料的特点及制备方法，并对其在食品安全荧光免疫检测中的应用作一综述。

关键词：纳米材料;食品安全;荧光免疫检测

Abstract：Nanomaterials refer to all kinds of solid ultra-fine materials with at least one dimension in nano size （0.1～100 nm） or composed of them as basic units. In recent years， with the rapid development of immunofluorescence， nanomaterials have been widely used in food safety detection and other fields because of their superior physical properties. At present， the commonly used fluorescent nanomaterials include gold nanoparticles， quantum dots （QDs）， polymer fluorescent nanoparticles， core-shell fluorescent nanoparticles and rare earth metal fluorescent microspheres. The purpose of this paper is to introduced the characteristics and preparation methods of different kinds of nanomaterials， and to summarized their application in food safety fluorescent immunoassay.

Key words：Nanometer material（NM）; Food safety; Fluorescenceimmunoassay

中图分类号：O657.3

荧光免疫检测技术是以荧光物质标记的特异性抗体或抗原作为检测试剂，用于相应抗原或抗体的分析鉴定和定量测定，具有专一性强、灵敏度高、实用性好等优点。纳米材料的介入为荧光免疫检测的发展提供了无穷的想象空间，进一步提高了分析方法的性能，这不仅体现在检测的速度、精度、可靠性上，更实现了多功能化和选择性检测[1]。

1 纳米材料的制备及其在荧光免疫檢测中的应用

1.1 纳米金

纳米金也称胶体金或金溶胶，是金盐被还原成金原子后形成的金颗粒悬浮水溶液[2]。其直径大多在

1～40 nm，具有制备简单、密度高、介电常数大和生物亲和性好等特点，能够与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性。

1.1.1 纳米金在食品安全荧光免疫检测中的应用

与传统检测方法相比，纳米金由于其独特的优势，在食品的荧光免疫检测方面有着更为广阔的应用潜力。

纳米金可用于食源性致病菌的检测。大肠杆菌O157：H7（Escherichia coliO157：H7）是最常见的食源性致病菌之一，其检测可利用制备金纳米簇（AuNCs）填充的壳聚糖（CS）纳米胶囊作为荧光信号放大系统来实现。在AuNCs存在时，通过触发CS自沉积来制备AuNCs@CS纳米胶囊，确保每一个纳米胶囊中均封装了大量的AuNCs[3]。金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus）也是一种常见的食源性致病微生物。Cheng[4]等将适配体-磁分离技术和金纳米@万古霉素荧光标记技术联用，建立了金黄色葡萄球菌的定量检测方法，检测限可达70 CFU·mL-1。

1.2 量子点

量子点（quantum dot，QD）又称人造原子，是一种由半导体材料组成的、直径常在2～20 nm的纳米晶体。常见的量子点由Ⅳ、Ⅱ-Ⅵ，Ⅳ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ族元素组成，一般为球形或类球形。它具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，光化学稳定性高，荧光寿命长等荧光特性，是一种理想的荧光探针。

1.2.1 量子点的制备

量子点的制备从宏观角度可以分为“自上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）两大类[5]，

前者主要是通过对晶体表面进行刻蚀制备，多适用于器件组装;后者则是采用化学制备的方法，通过控制反应条件来调控量子点的尺寸和形态。就目前研究进展而言，人们多采用“自下而上”的化学方法制备用于生物标记的量子点。

1.2.2 量子点在食品安全荧光免疫检测中的应用

近年来，随着量子点相关技术领域研究的不断深入，量子点在荧光免疫分析中的应用范围也逐渐拓宽，被国内外越来越多的研究者关注。量子点标记的荧光免疫层析试纸在食源性致病菌的检测上已有了较深入的研究。

Zou[6]等基于竞争免疫技术成功开发了一种便携式、快速、灵敏的量子点标记的荧光免疫试纸条，可对血浆中的有机磷农药代谢产物三氯吡啶进行便捷灵敏的检测，在15 min内检测出标准分析物含量为1 ng·mL-1。

Duan H[7]等采用量子点微球免疫层析技术实现了玉米提取物中玉米烯酮毒素的检测。Zhou[8]等通过量子点荧光微球标记赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）单克隆抗体，并建立OTA高灵敏荧光免疫层析检测方法（FICGA），15 min即可实现对农产品中OTA污染的快速定量检测。

1.3 二氧化硅复合荧光纳米材料

二氧化硅复合荧光纳米材料具有明显的核壳结构，外壳为二氧化硅纳米材料，可进行生物修饰，内核材料则可以是纳米金、量子点、稀土发光材料与有机荧光染料等，可明显放大信号[9]。二氧化硅纳米材料具有良好的生物相容性、高的化学稳定性、低的生物毒性和表面易功能化等优点，倍受科研人员青睐。

1.3.1 二氧化硅复合荧光纳米材料的制备

目前，二氧化硅复合纳米材料主要有金属/SiO2、无机/SiO2、聚合物/SiO2纳米复合材料等，且制备方法有所不同。例如，Cu/SiO2纳米材料多采用粉末冶金法，NiFe2O4/SiO2、CoFe2O4/SiO2纳米材料采用溶胶-凝胶法，聚丙烯/二氧化硅纳米复合材料则采用热乳液溶胶-凝胶法制得等等。

1.3.2 二氧化硅复合荧光纳米材料的应用

近年来，不少研究人员通过对SiO2纳米材料的改性、优化升级，制备出了多种二氧化硅荧光复合型先进材料—二氧化硅复合荧光纳米材料。

Shangguan等利用金黄色葡萄球菌特异性适配体与经过氯丙基功能化的二氧化硅荧光纳米颗粒结合，实现了双向电泳法对金黄色葡萄球菌的检测，检测限可低至93 CFU·mL-1。黄曲霉毒素B1（AFB1）的检测基于介孔二氧化硅纳米材料（MSN）的控制释放系统与AFB1特定适配体的结合，构建一个适配体传感器（适配体被用作分子识别探针和“门控分子”），通过荧光强度的增强实现AFB1的定量检测。Song C[10]等采用SiO2包裹Eu（Ⅲ）-BHHCT制备SiO2荧光纳米复合材料，建立免疫层析法检测β-兴奋剂，其LOD为0.037 ng·mL-1。赵兵洁等将BHHCT-Eu3+@SiO2与卡那霉素抗体（Kana-ab）通过醛基化葡聚糖交联，合成了荧光标记抗体Eu3+-Kana-ab，结合定量侧向层析读数仪，建立了牛奶中Kana残留的快速定量检测方法，对Kana的检出限（IC10）为0.85 ng·mL-1。

1.4 高分子荧光纳米微球

高分子荧光纳米微球是负载有机荧光染料分子的无机纳米颗粒或多聚生物大分子包被纳米颗粒，以聚苯乙烯、聚丙烯酰胺类等为主体。由于单个纳米微粒可以键合多个荧光分子，高分子纳米微球的荧光强度较强。由于高分子基体具有耐腐蚀、易加工等良好性能，且能够抑制纳米单元的氧化和团聚，在增加体系长效稳定性的同时，充分发挥纳米单元的特异性能，尤受广大研究人员的重视。

1.4.1 高分子荧光纳米微球的组成

高分子荧光纳米微球是以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类、聚丙烯酰胺类为微粒主体，表面键合或吸附荧光素（Fluorescein，如FITC等）、罗丹明（Rhodamine，如 Rhodamine 6G）、菁色素（Cy染料）等荧光物质的纳米荧光微粒。

1.4.2 在食品安全免疫检测中的应用

高分子納米微球可保护包裹的荧光染料，避免环境对材料的影响。纳米颗粒内部包裹的荧光数量在一定程度上影响其检测信号与检测灵敏度。

Liu D[11]等采用高分子荧光纳米微球探针建立免疫分析方法，对酱油中黄曲霉毒素B1进行检测，检出限可达2.5 μg·L-1。Zhao Y[12]等基于荧光微球免疫层析技术对玉米中的黄曲霉毒素B1进行定量检测，其回收率在91%～118%。Deng S L[13]等利用聚苯乙烯掺杂的异硫氰酸荧光素作为探针，在20 min内有猪尿样本中瘦肉精的含量，检出限为0.01 ng·mL-1即可检测出。Zhang X[14]等选用羧酸盐修饰的聚苯乙烯荧光微球作为荧光标记物，在最优条件下，牛奶样本中AFM1检测限为4.4 ng·L-1，整个检测过程可在30 min

内完成。

1.5 稀土金属荧光微球

稀土材料是一种由镧系稀土元素或者其掺杂有惰性材料的纳米晶体粒子。与传统的荧光素标记物相比，Eu3+和Tb3+类鳌合标记物具有以下优势：①激发光谱带范围较宽，可以提高激发能。②发射光谱带范围窄，能够提高分辨率。③斯托克斯（Stokes）位移较大，有助于避免其他荧光信号的干扰。④荧光寿命长，可待背景荧光完全衰减后测定，从而消除蛋白质背景荧光的干扰。⑤标记物较稳定。

1.5.1 稀土金属荧光微球的制备

稀土金属荧光微球采用液相法制备，形式多样，操作简便，易于反应原料的充分混合，且反应可在较低温度和较温和的化学环境下进行，被越来越多的研究者关注。常见的液相法有水热法、微乳液法、溶胶-凝

胶法、燃烧法、电化学法与模板法等。

1.5.2 稀土金属荧光微球在食品安全荧光免疫检测中的应用

荧光免疫层析分析方法具有灵敏度高、稳定性好、受自然荧光干扰低等优点，成为食品质量安全快速检测分析研究的热点。

史咏梅[15]等建立了一种快速筛查金黄色葡萄球菌的荧光免疫层析检测方法。以荧光纳米颗粒作为示踪标记物，采用双抗体夹心法检测金黄色葡萄球菌A蛋白，制备了稀土离子标记的免疫层析试条，用该试条检测纯菌液和未经培养的粪便、呕吐物的灵敏度为

7.2×104 CFU·mL-1，经培养的模拟污染食物样本、粪便样本的检测线为7.2×102 CFU·mL-1，反应在15 min内完成。胡佳丽[16]等采用荧光免疫层析法结合现场检测仪建立牛奶中头孢氨苄残留的快速定量检测方法，其检测限为0.16 ng·mL-1。其中，以铕为代表的镧系元素离子由于在特异激发光下可发射荧光，近年来被发展为用于层析试纸条的一种新型荧光标记探针。Zhang W[17]

等以铕离子为标记物，成功检测出水稻及玉米中T-2 毒素的残留量;Wang[18]等成功检测了大豆酱中黄曲霉毒素B1的含量。

2 总结与展望

本文主要綜述了纳米金、量子点、二氧化硅复合纳米材料、高分子荧光纳米微球和稀土金属荧光微球的特点、制备方法及其在食品安全检测领域中的应用。

这些纳米材料因其纳米尺寸和独特的结构特点，表现出各自不同的物化特性，被应用在多样的荧光免疫标记中。由于这种标记方式具备特异性高、操作简单、性价比高以及可用于现场快速诊断等特点，被越来越广泛地应用于食品安全检测等领域，包括食源性致病菌的检测、农药残留检测和重金属检测等领域。与此同时，为了更好地提高纳米材料检测的灵敏度、稳定性及其他性能，尽可能发挥其优势，还需要相关学者从以下方面进行进一步的研究和努力。

①对于部分现有纳米材料制备技术不成熟等问题，还需要进行制备工艺优化研究，其收集、存放也是亟待解决的问题。②用于纳米材料工业化生产的设备有待进一步研究和改进，以提高微粒的产率，降低成本。③合成纳米颗粒的过程机理缺乏深入研究，对控制微粒的形状、分布、粒度等技术的研究还不够。

总而言之，荧光纳米材料要在免疫检测领域实现其更加广泛的应用仍需努力。

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