纳米技术在添加剂安全检测中的应用进展

王言之，吕梦琪，王思蓉，张静姝，3

（1.南京医科大学第一临床医学院，南京 211166；2.南京医科大学公共卫生学院，南京 211166；3.江苏省医药农药兽药安全性评价与研究中心，南京 211166）

食品添加剂，指出于提升食物色香味或防腐保鲜抗氧化等目的添加到食品当中的天然或人工合成化合物[1]，可分为增稠剂、乳化剂、被膜剂等多个类型。我国最早自20世纪五十年代起就对添加剂实施监管[2]，后于1997年和2007年颁发了《食品添加剂使用卫生标准》并进行修订。而国外FAO 和WHO 于1956年建立了国际食品添加剂法典委员会（CCFA）进行添加剂的安全评估，国际食品添加剂法典委员会（CCFA）则负责通用标准的制定。

在限制添加剂用量和适用范围的基础上，规范生产行为、保障人民健康的社会需求对检测技术提出了较高要求。早在20世纪60年代末，高效液相色谱法得到发展并被用于食品与药品检测，随后离子色谱法、分子光谱法、色质联用法等相继被提出和实践。但在对检测水平的要求不断提升的背景下，传统的检测方法暴露出检测限度有限、操作流程复杂、易受环境干扰的缺点[3]。随着纳米技术被广泛应用于生物医药、机械工程等领域[4]，结合纳米材料的新型食品添加安全检测技术被提出并得到良好实践。

1 食品添加剂的违规行为

目前使用食品添加剂的违规操作主要包括以下类型：（1）超限量使用；（2）超范围使用；（3）未经许可使用不在国家标准名录的添加剂；（4）产品标识中对添加剂使用情况未清楚说明。近年来，用工业级化工产品伪冒食品添加剂亦成为卫生监管的重点问题[5]。合理合法地选用添加剂可在提升食品的稳定性及营养价值的同时减低生产加工转运成本，实现生产方和食用者的互利共赢，而不规范不合法的食品添加行为或掩盖食品的质量缺陷[6]，对食用者产生显在或潜在的健康危害。

2 纳米粒子的分类与性质

纳米量级颗粒指在至少一个测量维度上小于100 nm 的微观颗粒[7]，目前对纳米材料的研究与开发集中在几个方向：（1）碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料；（2）纳米金、纳米银等贵金属纳米材料；（3）磁铁矿、磁赤铁矿等磁性纳米材料。不同种属的纳米材料经适当改性可获得稳定性好、生物相容性好[8]的共性优势，同时也具备各自的特有属性。碳纳米管电位窗口宽[9]，原子内P 电子形成多个π 键而使碳纳米管具备显著的共轭效应，基于碳纳米管构架的网络模型随长度不均匀性的上升出现导电性能的加强。贵金属材料中尤以纳米银生物催化活性较好，Grosser Anna 等[10]以污泥为反应模型验证了纳米银对厌氧发酵动力学参数的正向影响，而国内方艳等[11]报道纳米银可通过与巯基反应灭活病原蛋白起到抗菌作用。

3 结合纳米技术的检测方法

3.1 磁固相萃取技术

样品前处理是对食品分析过程中不可或缺的一环，不仅耗时占比长，且易因操作不当带来数据误差。考虑到纳米材料具有良好的化学稳定性以及优越的比表面积[12]，以纳米级材料代替普通材料用于样品分析已成为新趋势，基于磁性纳米材料的磁固相萃取技术随之得到发展以解决纳米材料质量过轻难以回收的问题。

实际条件下，以磁铁矿（Fe3O4）、磁赤铁矿为典型的磁性纳米颗粒易团聚[13]，萃取效率低，故而往往制备及选用衍生化磁性纳米颗粒或碳纳米管、石墨烯等用作磁固相萃取中的吸附剂。Xiao 等[14]将制备的磁性氧化石墨烯（GO@Fe3O4）复合材料作为磁固相萃取吸附剂对食品样品中香精类添加剂进行富集，通过对吸附时间、酸碱度、吸附剂质量等萃取条件进行优化，建立了一种较为高效的MSPE-HPLC法，在拟定的最佳实验条件下加标回收率可达到71.5%～112.4%。张晓婷[15]采用一步溶剂热法对磁性石墨烯用聚乙烯亚胺修饰，解决了Fe3O4纳米颗粒易从石墨烯表面脱落的问题，基于这种新型磁性纳米合成材料建立的MSPE-HPLC 法在对饮料中柠檬黄等合成色素的定量检测中展现出高精密度。目前从整体而言，我国磁固相萃取技术刚刚起步，在磁核包覆材料的种类、用量的选择等方面仍然存在优化空间[16]，磁性氧化石墨烯表面接枝的氨基链数及结合位点数或可进一步扩大以提高富集效果。

3.2 表面增强拉曼散射技术

传统的拉曼光谱存在灵敏度偏低的不足[17]，而表面增强拉曼散射（SERS）技术可通过增强样品（近）表面的电磁场诱导激发区域内吸附分子的拉曼散射信号出现数量级的增强[18]，从而获得常规条件下难以精确的结构信息（低达单分子水平）[19]。SERS 增强基底中最常采用的为金[20]、银[21]等贵金属纳米粒子，不仅制备工艺简单且表面增强拉曼散射活性高，已在对倍硫磷[22]、多菌灵[23]等农药残留物及各类添加剂的分析中得到良好应用。夏美晶等[24]制备了一种光纤球结构表面包覆银纳米颗粒的高灵敏便携式表面增强拉曼散射信号检测探针，实现了对辣椒、瓜子等常规食品中甲基橙、结晶紫等添加剂的检测，以光学透明聚合物包覆银纳米颗粒的设计，充分考虑了金属银易被氧化的化学特征，延长了探针的使用寿命。

采用表面增强拉曼散射技术进行添加剂的检测主要分为两种操作方法，一是从食品样品表面提取待测物质转移到表面增强拉曼散射衬底上进行检测；二是用SERS 衬底直接对样品进行吸附，将所测的光谱数据与标准曲线进行比对。二者均对SERS 衬底的选择提出了较高要求，相较于以导电玻璃为代表的传统刚性材料，纳米材料与具备弯折性承载物的结合在衬底的适用性上展现出更优越的前景。纤维素纤维[25]、胶带[26]、静电纺丝[27]等柔性材料易于获取且便于加工，可与受检样品的凹凸表面形成良好接触，高效提取待测成分。目前SERS 技术的优化方向主要是提高灵敏度、稳定性、选择性几个方面。花瓣状[28]、海绵状[29]材料的设计与使用增大了传感器/探针的表面积，通过调控形貌可提供更高效、丰富的表面增强拉曼散射热点。

3.3 纳米电化学传感技术

采用电化学传感器进行定性/定量分析的原理是由感应器识别待测物的反应信号，传达至信号转换器，将初始的信号（通常为化学或生物）转化为电信号，经放大后投递至显示器，从而对待测物的浓度进行量化分析[30]。基于纳米材料有良好的生物相容性及特殊的导电导热性质，电化学传感器与纳米材料的有机结合使活性位点明显增多[31]，增强了电信号的可检测性，在食品添加剂及农药残留检测中得到良好运 用。

酶电流传感器[32]和无酶型电化学传感器[33]目前应用较多，设计原理分别为酶活性抑制及电化学氧化还原反应，各有其适用范围。Dou 等[34]将多壁碳纳米管用于丝网印刷电极的修饰，构建了一种新型电化学免疫传感器，可将端口与电子设备相连，对克伦特罗进行6 min 快检。除克伦特罗、三聚氰胺等有害添加物外，电化学传感器对以日落黄[35-37]为代表的合成色素以及以香兰素[38]为典型的食品用香料也展示出高效的检测能力。戈钰[39]构建了快速检测特布他林（TRA）的电化学纳米传感电极，较宽TRA 线性检测范围为0.44～43.37 μm，和高效液相色谱法相比，灵敏度更高，在肉类及饲料中瘦肉精的检测方面取得了显著成效。随着工艺的优化与改进，纳米电化学传感器有望进一步降低生产成本、简化操作步骤，实现家庭层面的普及。

3.4 其他

除电化学传感器外，对纳米材料的深入研究也带来了荧光传感器[40]、比色传感器[41]的技术突破。李贞相等[42]通过金纳米团簇和碳点杂化搭建了一种双发射的比率荧光探针，对亮蓝的线性检测范围为0.2～15 μm，检出限为0.06 μm，在紫外灯下有优越的比色效果。Kashani 等[43]报道，纳米金在加入不同制剂后表现出不同的聚合及显色行为，提示纳米比色传感器或可应用于混合制剂的检测。此外，基于纳米材料和适配体搭建荧光生物传感器亦是近年来国内外的研究热点，Jiao 等[44]开发了一种基于核酸适配体介导的新型生物传感器，对啶虫脒的检测限为0.04 ng/L，与碳点聚集导致的荧光猝灭行为有关。纳米材料与不同识别元件的结合在丰富荧光传感器类型的同时，扩大了适用范畴，突出了荧光传感器响应快[45]、重现度好[46]的优势。而对于比色传感器而言，纳米材料尺寸依赖的光吸收性质[47]为食品添加剂的快速检测提供了新的可能。

4 问题与展望

虽然基于纳米材料的几种新型检测方法已被证明有效，但在食品添加安全检测中进一步推广其使用仍需解决材料制备及实验过程中暴露出的种种不足。以表面增强拉曼散射技术为例，食品样品实际所在的复杂环境会对拉曼光谱产生干扰[48]，影响特征峰的识别，SERS 分析因为精确度难以把握而局限在半定量水平[49]，突破到定量尚需排除干扰因素并厘清特征峰强度与待测物浓度间的数学关系。此外，考虑到纳米材料本身分散度较大[50]，实验人员在检测过程中需做好个人防护，警惕纳米颗粒通过经皮及吸入途径对人体产生毒性损伤[51]。目前我国对于相关检测流程并未确立明确指南，有待积累更多的实践经验以建立严格规范的操作标准。

总体而言，纳米特性是一把双刃剑。一方面，纳米量级微粒具备良好的稳定性、生物相容性及独特的导电导热性质，和传统方法相比，基于纳米技术构设的检测方法在灵敏度、耗样量、操作难度方面展露出显著优越性；另一方面，纳米颗粒比表面积大、表面活性强，常规的试验条件下或易受各类因素干扰造成误差，影响检测结果。目前纳米技术未能大面积推广的原因主要在于对相关理论的研究尚存在空白，可以肯定的是，随着纳米技术被进一步探索和解析，与纳米材料配套的实验步骤得到完善和补充，纳米技术在添加剂安全检测方面必能取得更好效果。