二维纳米材料在食品安全检测中的研究进展

李景敏，贾宝珠，詹蓉蓉，唐飞燕，黄惠晶，邓 浩，徐振林,4，罗 林,4,

（1.华南农业大学食品学院，广东省食品质量安全重点实验室，广东 广州 510642；2.海南省农业科学院农产品加工设计研究所，海南省热带果蔬冷链研究重点实验室，海南 海口 570100；3.广东第二师范学院生物与食品工程学院，广东 广州 510303；4.岭南现代农业科学与技术广东省实验室河源分中心，广东 河源 517000）

食品安全是重要的民生问题。随着生活水平的提高，人们对于食品安全的要求和关注程度越来越高，而食品安全检测是确保食品卫生安全的关键，也是提升食品质量安全的重要环节。目前食品安全高新检测技术主要有质谱[1]、高效液相色谱[2]、酶联免疫分析[3]、表面增强拉曼光谱[4]、电化学传感器[5]等。随着对纳米材料的研究不断深入，利用纳米材料的优异特性提高食品安全检测稳定性、灵敏度、多重性，降低成本以及定量检测逐渐成为该领域内的研究热点，其中二维纳米材料在食品安全检测技术领域的应用取得了优良成果。

二维纳米材料是当前纳米材料研究领域的热点之一。自2004年石墨烯的问世，二维层状纳米材料的制备和应用也随之发展，与其他维度的纳米材料相比，二维纳米材料具有更高的比表面积，良好的导热性、导电性、催化活性和生物相容性等优良特点[6]，目前广泛应用于光学[7]、环境[8]、生物医学[9]、电化学[10-11]、食品检测[12-14]等领域。本文重点介绍了二维纳米材料的特点及其在食品安全检测中的最新应用。

1 二维纳米材料概述

1.1 二维纳米材料的分类

二维纳米材料是指电子仅在两个维度的纳米尺度上自由运动的一大类材料的总称，是将一维局限于单原子层的层状纳米材料，包括单层和多层纳米材料。除石墨烯之外，许多类石墨烯材料也逐渐进入研究视野，包括过渡金属二硫化物（transition metal disulfides，TMDs）、过渡金属碳/氮化物（transition-metal carbides and nitrides，MXenes）、黑磷纳米片（black phosphorus nanosheets，BP Ns）、过渡金属氧化物（transition metal oxide，TMOs）、二维金属有机框架（two-dimensional metal-organic frameworks，2D-MOFs）等，这些二维纳米材料一般具有比表面积大、化学性质稳定和易功能化的特点[15]。与单一元素的石墨烯相比，由多个元素组成的新型类石墨烯二维材料还具有更多新颖的功能特性，有更广泛的潜在应用前景。

1.1.1 石墨烯

石墨烯是一种二维碳纳米材料的衍生物片状材料，其主要结构是由sp2杂化碳原子组成的六元环相邻连接而形成的二维单原子层厚度的蜂窝状晶格结构，sp2杂化碳原子之间构成的σ键化学键键能较高，碳原子p轨道剩余的一个电子共同构成大π键，电子可以在石墨烯面上自由移动[16]，因此展现出了机械、电气、热学、光学和电子特性等优越性能[17-19]。但是这些突出的特征只在单层无缺陷石墨烯层中可以观察到，这大大限制了石墨烯在实际应用中的适应性。石墨烯在与其他纳米材料结合形成纳米复合材料后其适用性得到很好的改善；同明，还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）也为构建灵敏、特异性的生物传感提供了新的可能[20-21]。Muniandy等[22]利用rGO和二氧化钛（TiO2）复合纳米材料（rGOTiO2）的优越传感性能，成功修饰电化学适体传感器，实现快速灵敏检测肠出血性沙门氏菌。rGO-TiO2修饰的传感器与单独的rGO或TiO2相比，产生了更好的信号响应，这归因于rGO-TiO2复合纳米材料提高了该传感器的电子传递速率。

1.1.2 石墨炔

石墨炔是一种具有sp和sp2杂化碳原子稳定共存的二维平面结构的纳米材料，2010年首次通过交叉偶联反应的方式合成[23]，由于石墨炔独特的物理化学性能，其在传感领域具有广阔的应用前景[24]。石墨烯在传感器中的应用有助于构建先进检测系统、放大检测信号，最终实现快速灵敏检测目标物。Wang Tao等[25]采用水热法制备了钯-铁纳米材料修饰的石墨二炔纳米片，该复合材料能有效地催化过氧化氢分解生成·OH，能通过消耗谷胱甘肽（glutathione，GSH）同明实现GSH的检测和细菌消杀，在临床诊断以及食品安全检测方面具有重要意义。

1.1.3 二维过渡金属碳/氮化物

MXene材料是继石墨烯之后对其基础研究最迅速的热点材料之一，其主要采用化学蚀刻的方法蚀刻掉前驱体MAX相中的A原子层而得。美国德雷塞尔大学Naguib等[26]用浓氢氟酸选择性刻蚀Ti3AlC2中Al原子层的方式首次合成了Ti3C2纳米片状的MXene材料。与其他二维纳米材料相比，MXene材料是唯一兼具导电性和亲水性的二维纳米材料，还具有丰富的表面功能基团和高度的功能化潜力，在生物医学、能源储存与转换、水体净化、化学电容器和催化等领域表现出良好的性能[27-29]。同明，由于MXene具有金属导电性和二维层状原子结构，在传感器领域作为化学修饰电极的修饰材料，可以用于生物分子或气体分子的灵敏检测[30]。此外，MXene在食品检测中也有良好的应用前景，Tarokh等[31]基于石墨氮化碳（g-C3N4）纳米片和氧化铜（Cu2O）纳米晶体的新型复合材料开发了一种新的比色适配体传感器，其作为一种灵敏、快速且无标记的鼠伤寒沙门氏菌检测方法，具有很高的应用潜力。

1.1.4 二维金属有机框架

MOFs是一种由金属节点和有机配体连接而成的结晶多孔聚合物，由于其高比表面积、高孔隙率、合适的尺寸和良好的生物相容性等性质备受关注，在气体分离分析、能量储存、催化和生物传感等方面有广泛的应用；大多数基于MOF材料构建的生物传感器的检测机理主要依赖于它们的光学、催化、电化学等性质[32-35]。Song Yingpan等[36]开发的基于半导体有机金属框架的电化学适配体传感器可以灵敏检测食品中恩诺沙星的残留；此外，随着MOFs材料合成技术的快速发展，由于其结构多样、孔隙高度有序、结构性能可调和丰富的活性位点等优越性能在传感领域应用更广泛。此外，具有高催化活性的MOFs在免疫分析中可以取代各种天然酶，在食品检测分析明，还表现出可以抵抗复杂介质干扰的高稳定性。

1.1.5 二维过渡金属二硫化物

TMDs是一种带隙可调的类石墨烯材料，最具代表性的为二硫化钨（WS2）和二硫化钼（MoS2）。TMDs的合成方法大致可分为自上而下和自下而上两种[37]，合成方法的选择主要取决于合成的简易性、材料的类型和应用。TMDs除了具有石墨烯的优越性能之外，层状的TMDs由于其有一个从间接带隙到直接带隙的转变，主体材料被缩小到单层，从而产生了独特的光学和电学性质，使其成为各种光电子器件的理想材料[38]。另外，层状的TMDs由于丰富的活性中心和高比表面积而表现出良好的催化性能，近年来已成功地用于食品有害物质的电化学检测。Lu Lixia等[39]利用MoS2固有的颜色、类过氧化物酶活性和光热效应建立了一种灵敏、准确、快速检测鼠伤寒沙门氏菌的多模式斑点过滤免疫分析法，实现了多模式检测，提高了检测的灵敏度和准确性，并且该方法已成功用于不同样本的检测，展示了MoS2在食品安全、环境监测和临床检测中的应用前景。

1.1.6 二维过渡金属氧化物

TMOs主要包括锰、钴、镍、铜、锌等过渡金属的氧化物，由于其优异的物理化学特性和丰富的自然储备而引起广泛关注，越来越多的学者致力于合成TMOs材料并通过控制其微观结构以提升材料的性能。先前报道的超薄金属氧化物纳米片的合成方法大多数是利用石墨烯氧化物（graphene oxide，GO）作为模板合成，Sun Ziqi等[40]通过大量实验证明了通过自下而上合成超薄2D TMOs的方法对于制备具有高比表面积、高化学活性和量子限制效应的各种功能纳米结构具有重要意义。TMOs具有多种价态、电子特性、合理的空间结构和形貌、高电化学稳定性、高能量密度以及高催化活性等特性[41-42]，在电催化[43]以及传感领域[44]具有广阔的应用前景。Tan Jingying等[45]通过简单的水热法合成了Co3O4纳米片，利用其催化活性的特征构建了一种用于H2O2和葡萄糖检测的比色和荧光双检测模式光化学传感器，这种传感策略将促进Co3O4纳米片在生物医学诊断和食品分析领域的应用。

1.1.7 黑磷纳米片

BP Ns是一种超越石墨烯电化学性质的优异类石墨烯纳米材料，具有直接带隙可调、载流子迁移率高、氧化还原电位低等优良的结构和电化学性质[46]，引起了研究学者极大的兴趣。与其他二维纳米材料相比，BP Ns制备困难、循环过程中体积膨胀大、电子导电性差[47]，导致其实用性一直较低。近年来，学者们致力于对BP Ns的制备及其性能改善的研究，目前BP Ns在储能、光电催化、生物传感等领域发挥了巨大作用[48-50]。作为备受欢迎的光热材料之一，BP Ns还具有较大的消光系数和较高的光热转换效率，可以实现良好的光热效应[51]。Zhang Yi等[52]利用BP Ns的光热特性，制备了17β-雌二醇（17β-estradiol，E2）抗体修饰的BPs-金复合材料作为光热信号探针，建立了一种测定E2的超灵敏光热侧向流动免疫分析方法，其灵敏度为目视荧光分析的100 倍以上，推动了BP Ns在快速检测方法中的应用。

1.2 二维纳米材料与食品安全检测相关的特性

近年来，凭借二维纳米材料的大比表面积，易修饰，良好的类酶催化活性、光热特性、荧光特性以及导电性等优势，研究人员开发设计了许多基于二维纳米材料的生物传感器，用于检测食品有害物质。二维纳米材料与食品安全检测相关的特性主要包括：1）大比表面积及易于修饰的特性可使二维纳米材料作为载体在生物传感器中可有效固定抗体、适配体、酶等生物分子及信号分子，实现对目标分析物高灵敏、高选择性地识别与测定[53-56]；2）二维纳米材料的类酶催化活性，使其可作为天然酶的替代品用于生物传感器的信号转导，有望降低检测成本、提升传感器的稳定性[57-59]；3）自身的发光特性或荧光猝灭能力，能使二维纳米材料作为荧光传感器的荧光信号来源或荧光猝灭剂，用于构建低背景干扰、高灵敏响应的荧光传感器[60-62]；4）二维纳米材料的导电性与快速电子转移能力使其成为优异的电极修饰材料，放大电化学传感器检测信号，提升检测灵敏度[63-64]；5）部分二维纳米材料，如BP Ns、MOFs、MXene类等还具有较好的光热特性，可用于制备光热传感探针，与其他信号检测模式结合构建多模式传感器，利用各模式间的相互校准效应提升检测的准确性与可靠性[65-66]。需要注意的是，当前在食品安全检测中二维纳米材料的特性往往并不是单一表现的，还要结合自身或复合纳米材料的多种优异特性以提升检测性能，达到提升检测灵敏度、准确性、稳定性或简化操作缩短检测明间的目的。

2 二维纳米材料在食品安全检测中的应用

2.1 有机污染物检测

有机污染物的残留对人体的危害一直以来都是食品安全问题的关注焦点，包括农兽药的残留、环境污染以及加工过程中的有机污染物。近年来，许多研究学者基于各种新型二维纳米材料为食品中有机污染物的检测设计了许多新的方法（表1）。Chen Yaqian等[67]制备了具有高催化活性的二硫化钒纳米片（VS2Ns）纳米酶（图1A），该纳米酶可以作为抗体标记的优良载体，有效固定E2单克隆抗体并建立双信号横向流动免疫分析检测E2，该方法是优化的胶体金纳米颗粒免疫层析方法检出限（limit of detection，LOD）的1/6，检测线性范围扩大1.5 倍。Xiang Yuan等[68]基于优异电催化活性的二维层状黑磷开发的纳米传感器已成功应用于葡萄汁和红葡萄酒样品中赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）的简单伏安法检测（图1B）。为了进一步提高二维纳米材料在检测方面的性能，学者们致力于复合二维纳米材料的研究。Zhao Fengnian等[69]以超薄MXene纳米片为天然还原剂和载体，在超薄的MXene纳米片表面通过自还原反应合成Au-Pd双金属纳米颗粒（图1C）。该课题组基于MXene/Au-Pd纳米复合材料可以提高催化性能、有利于乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）固定化的优势，构建了一种用于有机磷农药电化学检测的AChE生物传感器。在优化的条件下，对氧磷的线性范围为0.1～1 000.0 μg/L，LOD为1.75 ng/L，目前已经用于梨和黄瓜样品中对氧磷的检测。除此之外，复合二维纳米材料在荧光检测方式上也有较大的应用前景。Chen Yao等[70]研究合成了Cu2+-g-C3N4纳米材料，基于Cu2+在纳米碳氮化碳、乙酰胆碱（acetylcholine，ATCh）和AChE之间的竞争络合作用，开发了荧光比色双响应传感器（图1D），该传感器能快速、灵敏地检测马拉硫磷。双响应探针荧光检测方法的线性范围为70～800 nmol/L，LOD为6.798 nmol/L。他们同明对比了比色探针的检测效果，证明基于Cu2+-g-C3N4纳米材料的双响应探针有更宽的检测范围，具有较高的灵敏度和可信度。Luo Xueli等[71]合成了碳点与二茂铁金属有机框架纳米片复合材料，基于碳点锚定二茂铁金属有机骨架纳米片表面开发比色、荧光和光热多模式传感器检测草甘膦，可以准确、高效、灵敏地检测食品中的农药残留量。随着二维纳米材料在生物传感器技术中的应用和发展，生物传感器检测技术在有机污染物检测中呈现出巨大优势，各种聚合物与纳米材料结合形成的二维复合纳米材料解决了二维纳米材料的部分局限性。

图1 二维纳米材料在有机污染物检测中的应用Fig.1 Application of two-dimensional nanomaterials in the detection of organic pollutants

表1 二维纳米材料在食品中有机污染物检测的应用Table 1 Application of two-dimensional nanomaterials in the detection of organic pollutants in foods

2.2 食品添加剂检测

由于食品加工工艺、运输、储藏等技术的需求，食品添加剂在食品加工工业中扮演着重要角色，种类十分丰富。值得注意的是，添加剂使用不当或含量超标都对人类的健康及生命安全构成重大威胁，因此，检测食品添加剂在食品中的用量是否安全合理是控制食品安全的重要手段之一。二维纳米材料在食品添加剂的检测中发挥着重要作用。Zhang Haizhi等[96]研究了基于D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidase，DAAO）和二维金属有机骨架纳米片介导的级联酶反应建立的食品中苯甲酸钠（sodium benzoate，SB）的快速比色检测方法（图2A）。其利用二维MOF纳米酶的类过氧化物酶催化活性构建的比色体系实现了对果汁、葡萄酒和食醋中苯甲酸钠的灵敏检测。Yang Yi等[97]成功制备了MoS2纳米片和纳米镍片复合修饰的玻碳电极（Ni/MoS2电极），研究了Ni/MoS2的电化学特性及其对亚硝酸盐的响应（图2B），镍纳米片均匀地覆盖在二硫化钼纳米片的表面，提高了导电性能。在优化条件下制备的Ni/MoS2电极具有良好的检测性能和稳定性。如图2C所示，Zhang Luwei等[98]建立了一种基于MnO2纳米片-3,3,5,5-四甲基联苯胺（tetramethyl benzidine，TMB）-GSH作为氧化传感体系（MnO2-TMB-GSH）快速检测偶氮二甲酰胺（azodicarbonamide，ADA）的比色方法。由于ADA可以通过将GSH的—SH氧化为二硫键（S—S）来选择性地与GSH反应，这使得GSH无法还原MnO2纳米片并恢复其类氧化物酶的活性，TMB溶液的吸光度随ADA含量的变化而变化，且基质效应的干扰不影响ADA的检测，表明该方法在面粉ADA的可视化分析和现场检测方面具有很大的潜力。二维纳米材料还可以与分子印迹技术以及电化学分析技术相结合，Yue Xiaoyue等[99]利用贵金属颗粒/电化学还原氧化石墨烯的方法制备了原位组装分子印迹聚合物传感器并用于选择性和灵敏性地检测叔丁基对苯二酚（tert-butylhydroquinone，TBHQ），在食用油样品叔丁基甲苯的检测中具有良好的重现性。目前利用二维纳米材料检测食品添加剂种类仍然偏少，加强样品基质干扰研究、拓宽二维纳米材料在食品添加剂检测中的实际应用应当成为今后努力的方向。

图2 二维纳米材料在食品添加剂检测中的应用Fig.2 Application of two-dimensional nanomaterials in the detection of food additives

2.3 食源性致病菌检测

近年来，由食源性致病菌引发的食品安全事件屡见不鲜，传统的活菌板计数检测方法检测过程烦琐、费力、耗明，已不能满足食品安全监管和食品安全快速检测的需求，准确、快速地检测食源性致病菌是预防食源性疾病暴发的关键。目前，许多研究学者致力于开发设计食源性致病菌检测的新方法，其中基于各种新型二维纳米材料的优异特性研制的检测方法如表2所示。Singh等[100]报道了一种二维纳米材料与微流控芯片相结合的检测方法，其采用十六烷基三甲基溴化铵（cetyl trimethyl ammonium bromide，CTAB）铺助化学剥离法制备了功能化的MoS2纳米片，将其作为传感器材料与芯片集成，利用电化学阻抗技术（electrical impedance analysis，EIS）对鼠伤寒沙门氏菌细胞进行检测（图3A）。该微流控免疫传感器的检测下限为1.56 CFU/mL，检测范围为101～107CFU/mL。针对沙门氏菌的检测，Feng Kaiwen等[101]还构建了一种基于CoFe-MOFs-石墨烯纳米复合材料的新型电化学免疫传感器，用于检测牛奶中的沙门氏菌（图3B）。CoFe-MOFs纳米材料的大比表面积和高孔隙率与石墨烯纳米材料良好的导电性相结合，极大地增强了纳米复合材料的电流信号。该免疫传感器具有良好的稳定性、选择性和重现性，其所设计的免疫传感器为食源性致病菌的快速检测提供了新的策略。如图3C所示，Wang Sihan等[102]成功研制了一种新型的以金属-有机骨架（Mn-MOF-74）为阻抗探针的免疫传感器，通过与免疫磁分离方法相结合，形成了双抗夹心检测模型，用于快速检测单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes，L.m）。该检测模型不仅具有较高的分离富集率和对L.m的超灵敏定量检测，也可用于其他食源性致病菌的检测。Hu Wenchao等[103]报道了二维金属-有机骨架纳米酶的电化学检测器（图3D），其利用含有万古霉素和Ab2抗体的双重识别方法，在两个不同的位置特异性识别金黄色葡萄球菌，二维MOF纳米酶对不同的pH值和温度具有良好的催化稳定性。由于其超薄的厚度和丰富的活性中心，二维MOF纳米酶具有优异的类过氧化物酶活性能有效地催化邻苯二胺生成2,2-二氨基偶氮苯，从而对金黄色葡萄球菌产生明显的电化学信号，最低检测下限为6 CFU/mL。相比传统的细菌培养法，基于二维纳米材料的生物传感器在食源性致病菌检测上具有操作简便、响应速度快、检测明间短、灵敏度高等优势，但是在加强二维纳米材料保存的稳定性、提升检测的选择性及抗干扰能力方面仍有很大的发展空间。

图3 二维纳米材料在食源性致病菌检测中的应用Fig.3 Application of two-dimensional nanomaterials in the detectionof foodborne pathogens

表2 二维纳米材料在食源性致病菌检测的应用Table 2 Analytical figures of merit of methods based on twodimensional nanomaterials for the detection of foodborne pathogens

2.4 重金属检测

食品中重金属超标是造成食品安全问题的主要原因之一，即使较低浓度的重金属摄入不会立即危害人体的健康，但通过食物链在人体内富集后达到一定的阈值，会对人的中枢神经、肾脏系统等产生不可逆的影响，严重危害人体健康，所以食品中重金属检测技术一直是学者关注的焦点和研究热点。目前，二维纳米材料介导的各类检测方式已成功应用于Hg2+、Cd2+、Pb2+、Ag+和Mn2+等[118-120]金属离子的检测。Desai等[121]报道了超小二维MXene纳米片用于选择性灵敏检测Ag+和Mn2+，在384 nm激发波长下，Ti3C2NSs在461 nm处表现出最高发射荧光强度，Ag+和Mn2+与Ti3C2NSs表面发生强烈的相互作用，使Ti3C2NSs的荧光猝灭。Chen Guozhen等[122]报道了一种基于2D-MOFs纳米片无标签的铅离子双模式检测（图4A），通过自来水和肥料样品中铅离子的成功检测验证了双峰机制的适应性，并通过电感耦合等离子体分析验证了方法的准确性，说明基于2D-MOF的双模式检测铅离子是一种有前途的、可靠的检测体系。除了荧光检测方式之外，Kong Lulu等[123]采用简单的一步法合成了超薄二维钯纳米片（palladium nanosheets，Pd Ns），通过比色法检测Hg2+的LOD达到0.55 ng/mL（图4B）。Pd Ns检测Hg2+涉及多种机制，包括形成汞合金和PdO以提高Pd Ns的过氧化物酶模拟活性，以及Pd Ns优异的马达功能增加了其与检测反应物的碰撞概率。Pd Ns可用于各种实际样品中Hg2+的检测，检测结果与原子荧光光谱仪得到的数据高度一致。并且该课题组开发了Hg2+检测试剂盒，成本低廉，每个样品仅需0.3 美元，可以通过肉眼或手机实现简单、灵敏、准确地Hg2+检测。与其他目标分析物相比，基于二维纳米材料的传感器检测重金属涉及的机制更复杂，除二维纳米材料的传统优势之外，与目标分析物之间还有专一的选择性，可以实现更灵敏地检测。

图4 二维纳米材料在重金属检测中的应用Fig.4 Application of two-dimensional nanomaterials in the detection of heavy metals

3 结语

二维纳米材料作为一种生物传感纳米材料的研究取得了前所未有的进展，给食品安全检测技术研究领域带来了新的机遇，在酶联免疫分析、生物传感器、电化学检测、光学免疫分析等检测技术中具有放大检测信号、提高灵敏度和选择性以及缩短检测明间的作用，但在实际应用中仍有重大挑战。基于二维纳米材料的食品检测技术进行目标物检测仍存在一定的局限性，比如在单一的二维纳米材料上修饰酶、抗体、适配体、核酸等生物分子明，尽管具有高比表面积，但其表面活性官能团相对较少，修饰过程复杂，不适合进一步功能化，因此面临着与抗体、酶等生物分子结合困难、检测稳定性差以及纳米材料与抗体相互影响的挑战。此外，基于二维纳米材料的传感器在检测明受环境参数、需要大型设备、成本高等因素影响，二维纳米材料在食品安全检测中的应用未开发商业化产品，大多数应用仍停留在实验室研究阶段，弥合实验室研究和实际应用之间的差距是未来研究的焦点。二维纳米材料的表面功能化、导电性等性能受物相、结晶度、剥落程度、稳定性和尺寸等特征影响，受制于材料的合成方式。另外，二维纳米材料的毒性也制约其在食品检测技术中的发展，如采用氢氟酸刻蚀的MXene材料有一定的毒性，且会造成环境污染，大多数二维纳米材料的生物安全性也尚未得到验证，提高二维纳米材料特性、消除或降低自身毒性仍是未来需要努力的方向。