李玉美, 班 睿, 謝 兵, 羅迎春

(貴州民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550025）

量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究

李玉美, 班 睿, 謝 兵, 羅迎春

(貴州民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550025）

近年來(lái),量子點(diǎn)由于其優(yōu)異的熒光性能,被廣泛地作為生物納米探針用于食品安全分析領(lǐng)域。為了解量子點(diǎn)及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀,綜述了量子點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、制備方法,以及量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)方面應(yīng)用取得的最新進(jìn)展,并對(duì)其研究方向進(jìn)行展望,以期促進(jìn)量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)中得到進(jìn)一步的推廣和運(yùn)用。

量子點(diǎn)；檢測(cè)；熒光探針；食品安全；進(jìn)展

食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),食品安全關(guān)系到廣大人民群眾的切身利益,關(guān)系到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)的和諧穩(wěn)定[1-7]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外發(fā)生的瘋牛病、蘇丹紅、三聚氰胺等食品安全事件,給各國(guó)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失,也使得消費(fèi)者對(duì)食品安全憂心忡忡。為此,許多國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資,逐步建立了一整套預(yù)防、監(jiān)督、評(píng)估的預(yù)警體系。而開(kāi)展食品安全研究,發(fā)展準(zhǔn)確、快速、簡(jiǎn)便、靈敏的食品安全檢測(cè)技術(shù)是整個(gè)預(yù)警體系的重要組成部分,對(duì)于控制和解決食品安全隱患具有非常重要的意義。

目前,食品中有害物質(zhì)常用的檢測(cè)手段包括氣相色譜、液相色譜、離子色譜、原子吸收光譜、毛細(xì)管電泳、酶聯(lián)免疫、質(zhì)譜等技術(shù),盡管這些方法靈敏、準(zhǔn)確,但需要對(duì)樣品進(jìn)行繁瑣的預(yù)處理,耗時(shí)多、成本高,而且所需儀器大都昂貴且龐大笨重,不適用于現(xiàn)場(chǎng)大量樣品的快速檢測(cè)[8-9]。近年來(lái),納米技術(shù)的發(fā)展,為探索開(kāi)發(fā)快速、低成本、靈敏的食品安全檢測(cè)新方法帶來(lái)了機(jī)會(huì)。

量子點(diǎn)(Quantum dots,QDs）作為一種新型的半導(dǎo)體納米晶體,具有特殊的光電子性質(zhì),在光電子納米器件、太陽(yáng)能光伏電池、化學(xué)催化等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注,并且作為熒光探針廣泛應(yīng)用于食品安全檢測(cè)領(lǐng)域[10-13]。基于量子點(diǎn)的納米生物探針用于食品安全檢測(cè)已經(jīng)大量報(bào)道,因此有必要對(duì)近年來(lái)取得的成果進(jìn)行評(píng)述。

本文重點(diǎn)就近年來(lái)量子點(diǎn)納米熒光探針技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述,包含量子點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)、特殊光學(xué)性質(zhì)分析、制備方法及量子點(diǎn)熒光探針在食品安全檢測(cè)的應(yīng)用分析。旨在為量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)分析中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 量子點(diǎn)概述

1.1 量子點(diǎn)類型

量子點(diǎn),又可稱為納米晶,其粒徑小于或接近于激子玻爾半徑的納米顆粒,一般介于1～10 nm,是三維尺度限域的零維納米材料[14]。量子點(diǎn)于1980年首次被俄羅斯科學(xué)家Alexander Efros發(fā)現(xiàn)[15]。1982年,美國(guó)科學(xué)家Louis Brus及其同事[16]發(fā)現(xiàn)不同大小的硫化鎘顆?？僧a(chǎn)生不同的顏色,這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)了解量子限域效應(yīng)具有很大的促進(jìn)作用,很好地解釋了量子點(diǎn)大小和顏色之間的相互關(guān)系,也為量子點(diǎn)的應(yīng)用鋪平了道路。狹義的量子點(diǎn)一般是指II～VI族和III～V族元素組成的半導(dǎo)體熒光納米晶。廣義的量子點(diǎn)還包括I～VI族、IV～VI族、V～VI族元素組成的納米晶,以及金簇、銀簇、硅點(diǎn)、碳點(diǎn)、合金型、摻雜型及核殼型熒光納米顆粒等(表1）。

表1 常見(jiàn)量子點(diǎn)類型Table 1 Generalized quantum dots types

1.2 量子點(diǎn)的特殊光學(xué)性質(zhì)

由于量子限域效應(yīng),量子點(diǎn)顯示出不同于宏觀塊體材料的獨(dú)特的光電性質(zhì),即量子尺寸效應(yīng)、介電限域效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)。量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)源于納米晶體中電子和空穴的相互作用,基于量子點(diǎn)的分立能級(jí)結(jié)構(gòu),當(dāng)量子點(diǎn)吸收超過(guò)其帶隙能的光子而被激發(fā)時(shí),電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生激子(電子-空穴對(duì)）,激子的輻射復(fù)合而產(chǎn)生熒光發(fā)射。相對(duì)于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料,量子點(diǎn)具有許多優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)(圖1）[17]：第一,量子點(diǎn)具有寬激發(fā)和窄發(fā)射波長(zhǎng)范圍,熒光發(fā)射峰窄而對(duì)稱,并且連續(xù)分布,重疊小。而傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍較窄,發(fā)射峰寬且拖尾嚴(yán)重,難用于多組分的同時(shí)分析檢測(cè)。第二,量子點(diǎn)的熒光發(fā)射波長(zhǎng)可以通過(guò)控制其粒徑大小和組成材料來(lái)調(diào)節(jié),從而可以獲得多種可分辨的顏色。使用同一種激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種量子點(diǎn),發(fā)射出不同波長(zhǎng)的熒光,因而可用于多種標(biāo)記物的同時(shí)檢測(cè),極大地促進(jìn)了熒光標(biāo)記在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。第三,量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率高,而且抗光漂白能力強(qiáng),熒光穩(wěn)定性好且熒光壽命長(zhǎng)。而不像傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料那樣容易發(fā)生熒光猝滅,這也為研究細(xì)胞中生物分子之間長(zhǎng)期相互作用提供了有力的工具。第四,量子點(diǎn)具有良好的生物相容性。這些優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)使量子點(diǎn)成為一種理想的熒光探針,廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)和熒光成像等領(lǐng)域。

2 量子點(diǎn)制備

量子點(diǎn)材料的制備方法很多,可以分為物理和化學(xué)兩類。物理制備方法常常需要大型的儀器設(shè)備、高真空等比較苛刻的條件,并且制備出的納米顆粒粒徑分布寬,不易于控制?；瘜W(xué)制備方法可以通過(guò)調(diào)整反應(yīng)參數(shù)(如時(shí)間、溫度、投料等）輕松控制量子點(diǎn)的尺寸及組分,且制備價(jià)格較為低廉。目前常用的量子點(diǎn)化學(xué)制備方法可分為金屬有機(jī)物合成路線和水相無(wú)機(jī)物合成路線。

圖1 量子點(diǎn)優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)[17]Fig.1 Optical features of fluorescence QDs[17]

2.1 金屬有機(jī)物合成方法

金屬有機(jī)合成法是指在配體存在的條件下,基于有機(jī)物與無(wú)機(jī)金屬化合物或有機(jī)金屬化合物的高溫裂解來(lái)制備量子點(diǎn)的方法。1989年,Steigerwald報(bào)道了將Cd(CH3）2和(TMS）2E(TMS為三甲基甲硅烷基；E=S,Se,Te）在多種溶劑中制備CdE的方法[18]。1993年,Murray報(bào)道了采用有機(jī)金屬試劑在氧化三正辛基膦(TOPO）溶液中制備高質(zhì)量、單分散II～VI量子點(diǎn)的方法[19]。他們將Cd(CH3）2和TOPSe(TOP為三正辛基膦）混合到TOP中,然后快速注入到TOPO溶劑中使得反應(yīng)物的濃度突然達(dá)到過(guò)飽和,發(fā)生成核作用,得到CdSe納米顆粒。接著經(jīng)過(guò)熟化過(guò)程和退火處理,選擇性沉降和分離,得到高質(zhì)量的CdSe量子點(diǎn),并且通過(guò)改變溫度,可以控制顆粒粒徑。Peng研究組在量子點(diǎn)的有機(jī)相合成方面做出了大量突出且細(xì)致的工作,為推動(dòng)以量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的理論和應(yīng)用研究做出了巨大貢獻(xiàn)[20-23]。他們主要是以CdO取代Cd(CH3）2形成配合物,作為Cd的反應(yīng)前體,從而得到高質(zhì)量的單分散的CdSe。他們對(duì)合成方法進(jìn)行了改進(jìn),選取合適的鎘鹽和磷氧化物配體,通過(guò)一步法合成了單分散的CdSe。該方法已經(jīng)用于商業(yè)化II～VI量子點(diǎn)的合成。

金屬有機(jī)物合成方法可獲得量子產(chǎn)率高(可達(dá)90%）,熒光半峰寬窄(僅有30nm）的高質(zhì)量量子點(diǎn),但由于其反應(yīng)條件過(guò)于苛刻,需嚴(yán)格的無(wú)氧無(wú)水操作,原料價(jià)格昂貴,毒性太大,且易燃易爆。此外,所制得量子點(diǎn)本身并不具備水溶性,不能直接用于生物應(yīng)用。這些量子點(diǎn)必須通過(guò)繁瑣的表面修飾才能具備水溶性,而且親水性修飾還會(huì)破壞量子點(diǎn)的表面性質(zhì),導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低甚至完全猝滅。因此,在水相中合成高性能的量子點(diǎn)成為目前的研究熱點(diǎn)。

2.2 水相無(wú)機(jī)合成方法

量子點(diǎn)的水相合成法是指采用巰基小分子(如巰基乙酸、3-巰基丙酸和半胱氨酸等）作為穩(wěn)定劑,基于共沉淀反應(yīng)在水溶液中直接合成量子點(diǎn)的方法。穩(wěn)定劑一般采用雙功能的巰基化合物,巰基與量子點(diǎn)表面的金屬Cd等配位結(jié)合,另一端的-NH2、-COOH、-OH等可以作為功能修飾化基團(tuán),并且保證量子點(diǎn)的水溶性。水相量子點(diǎn)的成核一般基于高飽和狀態(tài)下難溶化合物的生成,然后經(jīng)過(guò)Ostwald生長(zhǎng)熟化。1996年,Rogach最早采用水相法合成了巰基乙醇和1-巰基甘油包覆的CdTe量子點(diǎn)[24]。2002年,Rogach在Cd(ClO4）2·6H2O溶液中分別加入不同的巰基試劑作穩(wěn)定劑,采用通氣法制備了單分散性較好,熒光量子產(chǎn)率較高的各種巰基功能化的CdTe量子點(diǎn)[25]。此后,巰基功能化量子點(diǎn)逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。2007年,Zheng等合成了谷胱甘肽(GSH）包覆的ZnSe和Zn1-xCdxSe量子點(diǎn),量子產(chǎn)率高達(dá)50%[26]。2010年,Li采用水相法成功準(zhǔn)備了谷胱甘肽修飾的ZnxCd1-xTe合金量子點(diǎn),熒光量子產(chǎn)率高達(dá)75%[27]。到目前,采用該方法已經(jīng)成功制備了MX(M=Cd、Hg,X=S、Se、Te）量子點(diǎn)以及CdSe/ZnS等核殼型量子點(diǎn),熒光發(fā)射波長(zhǎng)幾乎覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)以及紅外光區(qū)范圍。但這些MX量子點(diǎn)均含有重金屬Cd,限制了其在食品分析中的應(yīng)用。近年來(lái),研究人員在尋找一些可替代的量子點(diǎn)熒光納米材料,而貴金屬納米簇(AuNCs, AgNCs、CuNCs）、硅量子點(diǎn)(SiNCs）、碳點(diǎn)(CNCs）等因具有良好的生物相容性、低毒等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注。Xie等在70℃加熱24 h條件下用谷胱甘肽作為穩(wěn)定劑和還原劑還原氯金酸得到高熒光的金納米簇,量子產(chǎn)率達(dá)15%[28]。He等發(fā)展了一鍋微波水熱法規(guī)?；苽涔杓{米晶(SiNCs）,量子產(chǎn)率達(dá)20%[29]。

與有機(jī)合成法相比較,水相合成的優(yōu)點(diǎn)有：采用水為合成介質(zhì),更接近綠色化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)；以普通的鹽為原料,制備成本為有機(jī)相法的1/ 10；合成方法簡(jiǎn)單,無(wú)需特殊的無(wú)氧無(wú)水設(shè)備,一般的實(shí)驗(yàn)室都可以制備且批量生產(chǎn)；無(wú)需進(jìn)一步的表面親水修飾即可以應(yīng)用于食品安全等領(lǐng)域檢測(cè)研究。

3 量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

自1998年美國(guó)加州大學(xué)的Alivisatos研究組和美國(guó)佐治亞理工大學(xué)的Nie研究組同時(shí)在《Science》上發(fā)表關(guān)于量子點(diǎn)在生物生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用以來(lái)[17,30],量子點(diǎn)在食品安全分析傳感領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。

3.1 量子點(diǎn)在農(nóng)藥和化學(xué)殘留物分析檢測(cè)中的應(yīng)用

農(nóng)藥殘留是農(nóng)藥使用后一個(gè)時(shí)期內(nèi)沒(méi)有被分解而殘留于生物體、收獲物、土壤、水體、大氣中的微量農(nóng)藥原體,有毒代謝物、降解物和雜質(zhì)的總稱。食用農(nóng)藥超標(biāo)的農(nóng)副產(chǎn)品可能引起人和動(dòng)物的慢性中毒甚至導(dǎo)致急性中毒或死亡。因此,有效檢測(cè)食品中農(nóng)藥或化學(xué)殘留是保證食品安全的重要部分。Wang等通過(guò)簡(jiǎn)單超聲的方法制備了基于Mn∶ZnS量子點(diǎn)的分子印跡聚合物納米球(MIP）用于識(shí)別水體中的二嗪農(nóng)殺蟲(chóng)劑,在200 ng/ml濃度時(shí)也能實(shí)現(xiàn)靈敏檢測(cè)(圖2）[31]。Li等[32]水相合成了高發(fā)光的巰基乙酸修飾的CdTe量子點(diǎn),經(jīng)過(guò)層層組裝得到了C[n]/SiO2/CdTe核殼結(jié)構(gòu)的納米微粒,以其為熒光探針對(duì)滅多威有比較好的選擇性,檢測(cè)限達(dá)到0.08μmol/L。Pinwattana等[33]構(gòu)建了基于CdSe/ZnS標(biāo)記有機(jī)磷農(nóng)藥抗體的電化學(xué)免疫方法,檢測(cè)限達(dá)0.5 ng/ml?；诹孔狱c(diǎn)的熒光特性和有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶(AChE）活性的抑制原理,大量的熒光納米探針被成功構(gòu)建[34-38]。如圖3所示,Tang[37]課題組通過(guò)用量子點(diǎn)、乙酰膽堿酯酶、膽堿氧化酶及底物膽堿的復(fù)合物體系,無(wú)需復(fù)雜的組裝過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)敵敵畏靈敏檢測(cè),檢出限達(dá)4.49 nmol/L。Zheng等[38]報(bào)道了基于猝滅CdTe量子點(diǎn)熒光的有機(jī)磷生物傳感器。將CdTe量子點(diǎn)嵌入AChE的多層膜中,當(dāng)OPs引入溶液中時(shí),它與AChE的活性中心相結(jié)合,導(dǎo)致酶的活性降低。這將導(dǎo)致生產(chǎn)硫代膽堿的量減少,因此將減少對(duì)QDs的猝滅速率。僅通過(guò)對(duì)樣品簡(jiǎn)單的預(yù)處理,該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水果和蔬菜樣品中皮摩爾濃度的對(duì)硫磷和對(duì)氧磷分析。

近年來(lái),食品中違禁添加劑污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重,基于量子點(diǎn)熒光探針在違禁食品添加劑、化學(xué)污染物的檢測(cè)分析中的應(yīng)用也得到發(fā)展[39-40]。Chen等[41]基于蘇丹紅I～I(xiàn)V號(hào)與聚乙烯亞胺修飾的銀納米簇構(gòu)建的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(圖4）,分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘇丹紅I～I(xiàn)V號(hào)檢測(cè),并將該方法用于市場(chǎng)上辣椒產(chǎn)品中蘇丹紅含量測(cè)定,取得了滿意的結(jié)果。

圖2 量子點(diǎn)分子印跡聚合物納米球的制備及其熒光猝滅對(duì)分析物特異性識(shí)別示意圖[31]Fig.2 Scheme for the preparation of quantum dots-based molecularly imprinted polymer(QDs-MIP）nanospheres and the fluorescence quenching detection of analytes upon specific recognition[31]

圖3 基于H2O2敏感的量子點(diǎn)/雙酶體系檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥熒光生物傳感器Fig.3 Fluorescence biosensor for detection of organophosphorus pesticides using H2O2-sensitive quantum dots/bi-enzyme

圖4 蘇丹紅檢測(cè)示意圖基于銀納米簇與蘇丹紅I～I(xiàn)V號(hào)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系[41]Fig.4 Schematic illustration of Sudan dyes sensing based on the fluorescence resonance energy transfer from PEI-capped AgNCs to Sudan I～I(xiàn)V[41]

3.2 量子點(diǎn)在獸藥殘留分析檢測(cè)中的應(yīng)用

獸藥殘留是目前食品主要污染源之一,探討快速、靈敏、可靠的獸藥分析傳感方法具有重要意義。Chen等[42]通過(guò)化學(xué)偶聯(lián)的方法將獸藥殘留物的抗體與量子點(diǎn)連接起來(lái)。通過(guò)免疫競(jìng)爭(zhēng)法,目標(biāo)檢測(cè)物和包被原競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合熒光標(biāo)記的抗體。免疫反應(yīng)后的混合物,在微流控芯片泳道中電流的作用下進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)獸藥殘留物的定量檢測(cè)。他們還建立了基于量子點(diǎn)標(biāo)記的競(jìng)爭(zhēng)性熒光酶聯(lián)免疫吸附法,該法主要采用量子點(diǎn)標(biāo)記的羊抗鼠的免疫球蛋白(IgG）代替?zhèn)鹘y(tǒng)間接ELISA的酶標(biāo)二抗,通過(guò)熒光酶標(biāo)儀快速檢測(cè)雞肉中殘留的恩諾沙星,靈敏度可提高10～100倍以上,其線性檢測(cè)范圍為1～100 ng/ml,檢測(cè)限達(dá)2.5 ng/ml[43]。張國(guó)華等[44]在2009年證明量子點(diǎn)免疫層析試紙條可用于獸藥萊克多巴胺殘留的檢測(cè),試紙條在10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)萊克多巴胺,其檢測(cè)限為3 ng/ml。魏宏等[45]以巰基乙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)(QDs）為熒光探針,探討了煙酸諾氟沙星對(duì)CdTe QDs熒光的猝滅作用及機(jī)理,建立了基于熒光猝滅法檢測(cè)煙酸諾氟沙星含量的新方法,線性范圍為0.10～90.00 μg/ml,檢測(cè)限為2.50×10-2μg/ml。與常用的紫外分光光度法相比,該法準(zhǔn)確度高、靈敏度高且檢測(cè)范圍寬,具有潛在的應(yīng)用前景。

3.3 量子點(diǎn)在重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用

重金屬如汞、鉛、銅、銀等在較低濃度時(shí)仍對(duì)大多數(shù)生物體有毒害作用。因此建立快速靈敏的食品中重金屬離子檢測(cè)方法是當(dāng)前分析化學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。量子點(diǎn)的熒光性質(zhì)和其表面修飾有很大關(guān)系,不同保護(hù)劑修飾的量子點(diǎn)對(duì)于離子的響應(yīng)有不同的識(shí)別作用。對(duì)于量子點(diǎn)檢測(cè)金屬離子的原理都是基于量子點(diǎn)表面修飾的功能性基團(tuán)與重金屬離子相互作用,從而導(dǎo)致量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化。利用金屬離子與量子點(diǎn)作用引起熒光猝滅或熒光增強(qiáng)的變化,可以建立金屬離子濃度與熒光強(qiáng)度的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)對(duì)金屬離子含量的測(cè)定。Mohamed Ali等[46]報(bào)道了谷胱甘肽修飾的量子點(diǎn)對(duì)鉛離子具有很好的選擇性,鉛離子能有效猝滅量子點(diǎn)熒光,檢出限達(dá)20 nmol/L。Li等[47]用杯芳烴修飾的熒光量子點(diǎn)作為汞的離子傳感器,該方法能夠在0～3×10-5mol/L特異性地識(shí)別Hg2+,檢出限為15 nmol/L。Guo等[48]報(bào)道了以11-巰基烷酸為穩(wěn)定劑制備的金納米團(tuán)簇對(duì)Cu2+具有靈敏的選擇性,檢出限達(dá)87 nmol/L。

在核酸或合成核酸類似物包含的嘌呤和嘧啶堿基能特異性結(jié)合不同的金屬離子。例如,胸腺嘧啶(T）與Hg2+能形成T-Hg2+-T,胞嘧啶(C）與Ag+能形成C-Ag+-C。這些核酸分子的性質(zhì)已經(jīng)被利用開(kāi)發(fā)了基于量子點(diǎn)的Hg2+和Ag+的傳感器[49]。不同尺寸的量子點(diǎn)也被運(yùn)用于對(duì)Hg2+和Ag+的同時(shí)多組分分析。如圖5所示,用兩種核酸序列修飾的不同尺寸的CdSe/ZnS量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬離子結(jié)合作用的特異性。用含T堿基的核酸1修飾560 nm波長(zhǎng)發(fā)射的綠色量子點(diǎn)對(duì)Hg2+識(shí)別,而620 nm紅色發(fā)射的量子點(diǎn)用含C堿基的核酸分子2修飾用于識(shí)別Ag+(圖5A）。形成的T-Hg2+-T導(dǎo)致綠色量子點(diǎn)熒光猝滅(圖5B）,而C-Ag+-C的形成導(dǎo)致紅色量子點(diǎn)熒光猝滅(圖5C）。各自的量子點(diǎn)顯示了優(yōu)異的選擇性不受另一種熒光量子點(diǎn)的干擾。該熒光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hg2+和Ag+分析,檢測(cè)限分別為10 nmol/L和1 μmol/L。也就是說(shuō)能用不同尺寸的量子點(diǎn)對(duì)兩種離子進(jìn)行同時(shí)分析。圖5D顯示了兩種尺寸混合的量子點(diǎn)通過(guò)他們對(duì)各自量子點(diǎn)的猝滅作用同時(shí)選擇性檢測(cè)Hg2+和Ag+。

3.4 量子點(diǎn)在致病性微生物中的應(yīng)用

致病性微生物是世界頭號(hào)食品安全問(wèn)題,因此建立簡(jiǎn)單、快速、高選擇性的致病性微生物分析方法尤為重要。由于量子點(diǎn)優(yōu)異的熒光特性,可用于多種細(xì)菌的同時(shí)檢測(cè),對(duì)于建立穩(wěn)定且高靈敏度的致病性微生物檢測(cè)方法具有極高的應(yīng)用前景。2004年,Goldman等[50]用4種不同顏色的量子點(diǎn)分別與霍亂毒素、蓖麻毒素、志賀菌毒素、葡萄球菌腸毒素B的抗體偶聯(lián),在同一個(gè)微孔板上對(duì)4種毒素同時(shí)檢測(cè),用同一光源激發(fā)記錄其熒光光譜,通過(guò)熒光的波長(zhǎng)和熒光強(qiáng)度可以獲得樣品中的病毒種類和含量多少,實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一樣品中不同病毒蛋白的同時(shí)檢測(cè)分析,該方法每種病毒的檢測(cè)限均在30～1 000 ng/ml。Li等[51]用不同熒光發(fā)射的量子點(diǎn)標(biāo)記大腸桿菌O157∶H7和鼠傷寒沙門(mén)氏菌的抗體實(shí)現(xiàn)對(duì)食源性致病菌的測(cè)定。同時(shí),他們將磁性分離技術(shù)和熒光檢測(cè)結(jié)合[52],對(duì)大腸桿菌O157∶H7進(jìn)行檢測(cè)。與傳統(tǒng)染料FITC的檢測(cè)結(jié)果相比,其檢出限提高至少100倍,且在磁性分離富集的基礎(chǔ)上整個(gè)分離過(guò)程不超過(guò)2 h。He等[53]將腸道病毒EV71(Enterovirus 71）和柯薩奇病毒CVB3(Coxsackievirus B3）的抗體經(jīng)過(guò)鏈霉素與親和素特異性結(jié)合分別修飾到發(fā)綠光(525 nm）和發(fā)紅光(605 nm）的量子點(diǎn)(圖6）,而氧化石墨烯對(duì)抗體標(biāo)記的量子點(diǎn)具有很好猝滅效果,當(dāng)目標(biāo)分子EV 71和CVB3病毒存在時(shí),將競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合抗體標(biāo)記的量子點(diǎn),使其脫離氧化石墨烯表面從而使量子點(diǎn)熒光得到恢復(fù),實(shí)現(xiàn)對(duì)EV 71和CVB3病毒的檢測(cè),檢出限分別為0.42 ng/ml和0.39 ng/ml。

圖5 核酸適配體修飾的CdSe/ZnS量子點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)Hg2+和Ag+[49]Fig.5 Multiplexed analyses of ions Hg2+and Ag+by nucleic acid functionalized CdSe/ZnS quantum dots[49]

圖6 多色量子點(diǎn)標(biāo)記的抗體檢測(cè)EV71和CVB3病毒的示意圖[53]Fig.6 Schematic presentation of the multicolored QDs-Ab and GO based EV71 and CVB3 determination biosensor[53]

4 展望

量子點(diǎn)作為一種新型熒光探針較傳統(tǒng)熒光染料已經(jīng)顯現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性。隨著近年來(lái)具有優(yōu)良生物相容性、低毒的無(wú)鎘量子點(diǎn)(如納米簇、石墨烯點(diǎn)、硅納米晶等）的開(kāi)發(fā)運(yùn)用,量子點(diǎn)在食品安全領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)診斷及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域?qū)?huì)得到進(jìn)一步發(fā)展?；诹孔狱c(diǎn)的光學(xué)性能,結(jié)合一些新的技術(shù)(如微流控芯片技術(shù)、DNA滾環(huán)擴(kuò)增技術(shù)等）或新材料(如電磁材料、碳材料等）,是有效提高量子點(diǎn)熒光探針靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的有效方法。另一方面,探索具有良好生物相容性、高穩(wěn)定性、高量子產(chǎn)率的量子點(diǎn)的綠色合成方法仍然是目前急需解決的問(wèn)題。隨著量子點(diǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善,量子點(diǎn)在食品安全檢查領(lǐng)域具有廣闊的運(yùn)用前景。

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(責(zé)任編輯：陳海霞）

Applications of quantum dots in food safety detection

LI Yu-mei, BAN Rui, XIE Bing, LUO Ying-chun

(School of Chemistry and Environmental Science,Guizhou Minzu University,Guiyang 550025,China）

In recent years,colloidal semiconductor nanocrystals or quantum dots(QDs）is one of the most relevant developments in the fast-growing world of nanotechnology.QDs have been extensively used as luminescent probes for determination of food contamination due to their excellent optical and photophysical properties,like high quantum yield or narrow and size-tuneable fluorescence spectra.In the article,the prevalently used QDs and their preparation approaches were briefly introduced,and QDs-based fluorescent probe for food safety applications was summarized.Last but not the least,the perspective on the future directions of the field was shared.

quantum dot；determination；fluorescent probe；food safety；progress

TS201

A

1000-4440(2015）01-0222-09

李玉美,班 睿,謝 兵,等.量子點(diǎn)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,31(1）：222-230.

10.3969/j.issn.1000-4440.2015.01.035

2014-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21362005）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目[(2012）2187]；貴州省科學(xué)技術(shù)廳-貴州民族大學(xué)科技聯(lián)合基金資助項(xiàng)目[LKM(2011）13]

李玉美(1978-）,女,河北唐縣人,碩士,副教授,主要從事分析化學(xué)教學(xué)與研究工作。(E-mail）yml6512@163.com

班 睿,(E-mail）chem_banrui@163.com