荧光传感分析法在抗生素残留检测中的应用研究进展

岳晓月，李妍，周子君，白艳红

郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001

0 引言

动物源性食品中的抗生素残留问题是目前全社会共同关注的公共卫生问题[1]。抗生素作为常用的一类抗菌药物，既可用于预防和治疗畜禽疾病，又可作为饲料添加剂以促进动物生长，因此，抗生素在畜牧业生产中应用广泛[2-3]。然而，由于不良商家对抗生素的滥用，如今抗生素残留问题日益突出，严重威胁人类健康[4-5]。长期食用含抗生素药物残留的动物源性食品会对人体肝、肾功能造成一定损伤，且易引起体内耐药菌增加和肠道菌群失调[4]。抗生素类兽药残留超标限制了我国畜产品的出口，给我国农产品进出口贸易带来了巨大的经济损失，不利于养殖业的健康发展。此外，过量的抗生素残留也会给土壤、水体、空气等带来一定的危害，其引起的环境效应不容忽视。为了加强对抗生素残留的监管，我国对抗生素类药物的使用做了严格规定，并出台了多项针对不同类型动物源性食品中抗生素残留量检测标准的法律[6]。建立准确、快速、灵敏的抗生素残留检测方法对于保障我国动物源性食品的安全、破除由抗生素残留问题产生的贸易壁垒具有重要意义。本文拟在抗生素残留检测方法的基础上，对基于碳量子点(CDs)、半导体量子点(QDs)、多孔金属有机骨架材料(MOFs)、上转换纳米材料(UCNPs)等荧光纳米材料的荧光传感分析法在抗生素残留检测中的应用研究进展进行综述，以期为荧光传感分析法在食品质量与安全控制领域的广泛应用提供参考。

1 抗生素残留检测方法

目前，抗生素残留检测方法主要包括仪器确证类方法和快速检测类方法，其中仪器确证类方法相对成熟，具有较好的准确性和重现性，为抗生素残留的检测提供了强有力的技术支撑。

1.1 仪器确证类方法

目前，用于测定抗生素残留的仪器确证类方法主要包括高效液相色谱(HPLC)[7]、液相色谱-质谱联用(LC-MS)[8]、毛细管电泳(CE)[9]等方法。其中，HPLC是以液体为流动相，采用高压输液系统，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱进行成分分离，再进入检测器进行检测的一种仪器确证类方法。与其他仪器确证类方法相比，HPLC具有进样量少、分离效率高、检测灵敏度高、重复性好、应用范围广等特点，在食品抗生素残留检测中发挥了重要作用。葛云芝等[10]利用HPLC同时测定鸡肉组织中的四环素(TC)、土霉素、金霉素，发现这3种四环素类抗生素在0.01～10.00 μg/mL质量浓度范围内均具有较好的线性关系(R2均大于0.99)，样品在500 μg/kg水平的添加回收率为86.0%～89.3%，相对标准差为0.854%～1.213%(n=10)；该方法的定量检出限为10 μg/kg，灵敏度高、重复性好，适用于鸡肉组织中TC、土霉素、金霉素残留的检测。LC-MS是利用质谱作为液相色谱的检测器，可对被分析目标物质进行定性和定量分析的一种仪器确证类方法。与传统液相色谱方法相比，LC-MS具有更高的灵敏度、更快的分析速度和更低的检出限[11]。X.C.Guo等[12]采用分子印迹固相萃取结合高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)法，以2-甲基-5-硝基咪唑为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，采用本体聚合法制备NMZs分子印迹聚合物以检测蜂蜜中7种硝基咪唑类化合物的含量，发现所制备的分子印迹聚合物与模板分子具有较高的亲和力，可作为选择性吸附剂同时从蜂蜜基质中提取7种硝基咪唑类化合物，定量检出限为 1.0 μg/kg。Z.L.Z.Lu等[13]通过固相萃取净化方法对鸡肉和鸡蛋进行处理，利用UPLC-MS/MS对样品中11种喹诺酮类抗生素进行高灵敏度检测和确证，发现11种喹诺酮类抗生素在鸡肉中的回收率为70.4%～98.4%，在鸡蛋中则为66.9%～99.0%，检出限为 0.10～0.16 μg/kg，且该方法已成功应用于当地市场60份鸡肉和110份鸡蛋样品中11种喹诺酮类抗生素残留的检测。

上述仪器确证类方法在灵敏度和选择性方面均具有较大优势，在一定程度上推动了抗生素残留检测方法的发展。然而，仪器确证类方法存在样品前处理步骤繁琐、仪器昂贵等问题，且在实际检测过程中通常需要借助第三方检测机构，消耗大量的人力物力，这限制了其在抗生素残留现场检测中的应用。因此，快速检测类方法应运而生。

1.2 快速检测类方法

目前，已开发的抗生素残留快速检测类方法主要包括电化学分析法[14]、表面增强拉曼光谱(SERS)分析法[15]、表面等离子体共振(SPR)分析法[16]、荧光传感分析法[17]、太赫兹光谱分析法[3]等，它们在一定程度上推动了抗生素残留快速检测技术的发展。表1列出了几种常用快速检测类方法在抗生素残留检测中的应用。

表1 常用快速检测类方法在抗生素残留检测中的应用

电化学分析法是通过测量发生在电极表面电化学反应过程中产生的电流、电位、电导等一系列物理参数及这些物理参数与其他化学量间的相互作用关系，以实现目标物质分析的一种快速检测类方法，具有设备简单、灵敏度高、分析速度快等优点，在食品、环境、卫生等领域具有较大的优越性和潜力[14]。S.Jafari等[18]通过基于分子印迹聚合物和石墨烯氧化金纳米复合材料的电化学传感器，对牛奶样品中的邻氯青霉素进行无标签电化学检测，发现在最佳检测条件下，邻氯青霉素的检出限为36 nmol/L。T.W.Chen等[19]利用功能化多壁碳纳米管(f-MWCNTs)修饰电极表面氧化铜纳米球(CuO NPs)作为氟硝安定超敏检测的电化学传感平台，将其应用于氟硝安定的检测，取得了良好的分析性能和令人满意的回收率，并显示出生物传感器应用的巨大潜力。SERS分析法作为一种快速、无损的现代分析方法，具有灵敏度高、与水溶液相容、样品制备量最小、无标签监测复杂基质中的特定分析物等特点，广泛应用于食品安全、环境、生物诊断、医药、化学等领域[16]。W.Ji等[20]采用SERS与金胶体纳米颗粒相结合的方法快速检测分析CAP残留，在最佳检测条件下将CAP检出限确定为0.1 μg/mL；该方法具有灵敏度高、稳定性好等优势，适用于多种食品中CAP残留的快速检测分析。F.W.Meng等[15]建立了基于金纳米颗粒(AuNPs)的超敏SERS适配体传感器检测水产品鱼粉中OTC的方法，在最佳检测条件下，SERS信号与OTC质量浓度呈正相关，当OTC质量浓度范围为4.60×10-2～4.60×102fg/mL时，OTC的检出限低至4.35×10-3fg/mL，鱼粉中OTC回收率为91.29%～110.98%，该传感器具有较好的选择性。SPR是一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象，对附着在金属表面的电介质折射率非常敏感，可以实时确定介质的折射率变化，从而检测出现不同折射率的相应目标物质[21]。SPR分析法具有高灵敏度、无标签、实时检测等特点，已广泛应用于环境监测、食品安全、毒品检测等领域[22]。S.Kim等[16]利用金纳米星增强SPR技术，建立了一种新的TC夹心检测方法，使用金纳米星-TC抗体可以检测浓度低至10 nmol/L的目标物质，其性能比仅使用TC抗体时高1000倍。

上述快速检测类方法的发展在一定程度上提高了抗生素残留检测的灵敏度和选择性，并进一步拓展了快速检测类方法在食品领域的实际应用，然而，这些方法依然难以实现抗生素的现场检测。此外，食品的多样性和食品基质的复杂性也影响了这些快速检测类方法的稳定性和重现性。而同样属于快速检测类方法的荧光传感分析法因具有灵敏度高、输出荧光信号丰富、可成像、可视化等优点，极大激发了科研工作者的兴趣，成为前景广阔的抗生素残留快速检测方法。

2 荧光传感分析法

荧光传感分析法作为一种快速检测类方法，其分析性能很大程度上依赖于荧光探针。目前，根据不同的荧光探针类型，用于抗生素快速检测的荧光传感分析法主要分为基于荧光染料和基于荧光纳米材料的荧光传感分析法两大类[23-25]。近年来，随着纳米技术的快速发展，基于荧光纳米材料的荧光传感分析法在抗生素残留快速检测中的应用日益受到研究者的广泛关注。以纳米材料为荧光探针检测抗生素残留的检测机理主要包括荧光共振能量转移效应(FRET)[26]、荧光内滤效应(IFE)[27]、光诱导电子转移(PET)[28]、聚集诱导荧光猝灭(ACQ)[29]、结合免疫学反应诱导荧光信号改变等[25,30]。目前，应用于抗生素残留检测的荧光纳米材料主要包括CDs、QDs、MOFs、UCNPs等，基于以上纳米材料的荧光传感分析法在抗生素残留检测中的应用见表2。

表2 基于纳米材料的荧光传感分析法在抗生素残留检测中的应用

2.1 基于CDs的荧光传感分析法

CDs是一类具有丰富表面功能和类石墨结构缺陷的新型零维荧光纳米材料，具有独特可调节的光致发光特性、优异的光稳定性、良好的生物相容性等优点，近年来备受业界关注[31]。CDs广泛应用于光学传感、生物成像、食品分析等领域[32-33]。Y.Z.Fu等[31]开发了一种基于CDs的荧光探针，并利用FRET机制检测OTC，发现基于CDs的荧光传感器对OTC具有高灵敏度和良好的选择性，最低检出限为0.41 μmol/L。N.Sharma等[32]以黑麦种子为原料，采用水热法合成了具有亮蓝色的荧光CDs，用于TC选择性定量检测，发现TC的加入导致CDs荧光强度猝灭，在0.01～40.00 μmol/L检测范围内，荧光强度猝灭与TC浓度呈线性关系，检出限为14 nmol/L；该方法对自来水、河水、尿液和奶粉中TC的检测回收率范围为95.2%～102.5%。J.Xue等[33]以吲哚-3-丁酸和L-色氨酸为原料，通过一步水热法合成了具有蓝色荧光的CDs，并利用CDs作为荧光传感器对水中TC进行比率荧光检测，检出限为0.33 μmol/L。基于CDs的荧光传感分析法具有分析速度快、灵敏度高、可视化等优点，在抗生素残留检测领域应用广泛。

2.2 基于QDs的荧光传感分析法

QDs是由元素周期表中Ⅱ—Ⅵ族或Ⅲ—Ⅴ族元素组装而成的半导体纳米晶体，其尺寸小于激子玻尔半径[42]。由于QDs具备独特的光学特性和电子特性，在基础研究和技术应用方面得到了极大发展。与其他发光材料相比，QDs具有亮度高、稳定性好、量子产率高、激发光谱宽、发射光谱窄、尺寸可调等特点，在传感器、催化、生物成像等方面应用广泛[42-43]。QDs的细微变化会导致其光学性质的急剧变化，这为检测各种特定的目标物质提供了机会。X.G.Xu等[34]将CdS0.75Se0.25量子点用于CAP的敏感无标签检测，发现该量子点具有良好的水溶性和优异的荧光性能，在3.13～500.00 μg/L线性范围内，静态荧光猝灭可直接提取QDs作为CAP探针，检出限为0.89 μg/L；该检测方法对CAP具有较高的选择性，且对其他抗生素干扰小，可用于牛奶样品中CAP的检测。B.Rezaei等[35]使用谷胱甘肽(GSH)包裹的CdTe量子点(GSH-CdTe)检测微量的阿莫西林，检出限为0.2 ng/mL，且该方法具有良好的选择性。S.Han等[36]将铕离子(Eu3+)螯合到碲化镉量子点(CdTe QDs)上制备双响应比率荧光传感器用于TC的可视化比色检测，发现Eu/CdTe量子点传感器的荧光强度比I616/I512与TC浓度在0～80 μmol/L范围内呈现良好的线性关系，检出限为2.2 nmol/L；此外，该传感器可直观检测实际样品中的TC(200 nmol/L)，低于安全标准的最大残留限量(MRL)。虽然基于QDs的荧光传感分析法在检测抗生素残留上具有检测速度快、操作简单等优点，但因在QDs合成中需要使用高毒性无机试剂，这就限制了其在复杂食品体系中的应用。

2.3 基于MOFs的荧光传感分析法

MOFs作为一类二维或三维多孔材料，是由金属中心离子或团簇与有机配体通过配位型连接而自组装成的晶体结构[43-44]，具有比表面积高、孔隙大小可调、表面功能可控等优异特性，在选择性催化、药物传递、传感等领域得到了广泛应用[43-46]。目前，研究者已合成多种MOFs荧光探针并将其应用于抗生素、化学爆炸物、有害重金属离子等的检测中。利用有机配体与金属离子的有效相互作用产生明显的荧光是合成基于MOFs荧光探针的有效策略。荧光信号可以通过结构坍塌、客体能量吸收、电子转移等过程使MOFs荧光探针呈现荧光猝灭或增强，从而实现对目标物质的识别与检测[35,38]。L.Yu等[2]以Zn2+为金属源制备了荧光有机金属框架(Zn-MOF)，并基于该框架为荧光探针设计了一种“关-开”型荧光传感器用于检测CTC，检出限低至28 nmol/L。Z.Y.Gan等[37]在室温下采用简便的合成路线，构建了一种新型红色荧光发射铕基金属有机框架(Eu-MOF)传感器用于TC的快速检测，并进一步研制了基于Eu-MOF的便携式测试条，其实验结果可通过肉眼即时识别，成为实时检测TC的理想选择。N.Xu等[38]以镁为金属源，4,4′-(4-氨基吡啶-3,5-二酰基)二苯甲酸(H2APDA)为配体，合成了一种新型荧光镁金属有机骨架(Mg-LMOF)，并以此为荧光探针检测硝基呋喃类抗生素，发现加入抗生素后，光诱导电子转移与共振能量转移的共同作用导致荧光猝灭，其中，呋喃西林的检出限为108 μg/L，呋喃妥因的检出限为126 μg/L，显示了Mg-LMOF对痕量抗生素检测的高灵敏度。虽然基于MOFs的荧光传感分析法具有检测时间短、操作简单、灵敏度高等优点而被广泛应用，但对于相对复杂的食品基质，MOFs的稳定性可能会受到一定影响。

2.4 基于UCNPs的荧光传感分析法

与传统的下转换有机发光材料相比，UCNPs具有反斯托克斯位移大、量子产率高、寿命长、化学稳定性高、细胞毒性低等独特优点，且UCNPs特殊的上转换发光特性使其能避免背景自荧光的干扰，提高检测灵敏度[39]。Y.W.Tang等[39]采用分子印迹聚合物包覆的上转换纳米颗粒NaYF4(Er, Yb)作为荧光探针检测恩诺沙星，发现该荧光探针能很好地捕获恩诺沙星。将该方法应用于带刺鱼类样品中恩诺沙星的检测，具有良好的选择性、高准确度和高灵敏度。H.Li等[40]利用基于上转换FRET的超灵敏卡那霉素均质适配体开发了一种用于检测卡那霉素的传感器。该传感器使用UCNPs作为能量供体、石墨烯作为能量受体，按照标准EDC-NHS偶联方案将胺修饰卡那霉素适配体(5′-NH2-AGATGGGGGTTGAGGCTAAGCCGA-3′)共价偶联到己二酸-UCNPs上。FRET过程会导致UCNPs荧光猝灭，而将卡那霉素加入UCNPs适配体石墨烯复合物后，适配体的构象改变会导致能量转移受阻，荧光恢复。该传感器对卡那霉素的检测线性范围为0.01～3.00 nmol/L，检出限为9 pmol/L。在不受其他抗生素干扰的情况下，该传感器对卡那霉素表现出良好的特异性和极高的灵敏度。UCNPs的上转换发光特性使基于UCNPs的荧光探针免受背景自荧光的干扰，因而检测灵敏度得到提高。

2.5 基于其他纳米材料的荧光传感分析法

除上述基于纳米材料的荧光探针外，金属纳米团簇由于致发光性强、荧光发射可调、反斯托克斯位移大、光稳定性好等优点成为一类检测目标物质的理想荧光探针。金属纳米团簇(如铂、金、银、铜)的发现极大地拓展了纳米材料的科学领域[47-48]。Y.Y.Li等[41]利用金属纳米团簇增强Eu3+的荧光比率法检测TC，TC与Eu3+结合形成一种稳定的Eu-TC复合物，在最佳检测条件下，TC的检测线性范围为10 nmol/L～60 μmol/L，检出限为4 nmol/L(信噪比为3)。该传感器平台具有制备简单、响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点。X.M.Yang等[49]利用金属纳米团簇增强荧光检测TC，通过引入金属纳米团簇，在Eu3+-TC复合物的基础上构建了增强荧光体系，TC的检测线性范围为0.01～5.00 μmol/L，检出限为4 nmol/L(信噪比为3)。该方法验证了金属纳米团簇检测人体尿液和牛奶样品TC的实用性。

3 结语与展望

本文结合动物源性食品中抗生素残留检测方法的研究现状，综述了基于CDs、QDs、MOFs、UCNPs等荧光纳米材料的荧光传感分析法在抗生素残留检测中的应用研究进展。认为荧光传感分析法具有灵敏度高、输出荧光信号丰富、可成像、可视化等优点，可为今后抗生素检测方法的设计提供新思路，进而为未来市场抗生素的安全监管提供新的有效手段。然而，由于食品的多样性和食品基质的复杂性，通常需要采用复杂的样品前处理步骤纯化和富集目标物质；另外，荧光检测时的光谱信号易受外界环境干扰。因此，未来的研究可致力于开发与荧光检测相适应的样品前处理技术或基质净化方法、新型荧光纳米材料及适用于现场检测的便携式荧光检测设备，并结合适配体、抗体及分子印迹等技术提高荧光检测的抗干扰性能，降低食品基质及非目标物的干扰。