桂麗娟，梁紫璐，羅永文，莊健樂，畢水蓮

（1.廣東藥科大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，廣東 中山 528458；2.廣東藥科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642）

四環(huán)素類藥物（tetracyclines，TCs）是一類天然或半合成的抗生素，對多種革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有良好的抑菌作用[1-2]。TCs是一種廣譜抗生素，常用的包括金霉素、土霉素、四環(huán)素和強(qiáng)力霉素[3]，因其成本低廉，已被廣泛用于禽畜養(yǎng)殖業(yè)以預(yù)防和治療疾病，還常添加在飼料中以達(dá)到促進(jìn)生長的目的[4]。隨著禽畜養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?，TCs的廣泛和不規(guī)則使用，使得TCs的耐藥現(xiàn)象日益嚴(yán)重，對動物和人類健康構(gòu)成潛在的危害，如過敏、腸胃不適及牙齒色素沉著等[5-6]。因此，為了更好地監(jiān)測TCs的使用和殘留，有必要建立一種檢測食品中殘留TCs的有效方法。

食品中TCs的檢測方法有高效液相色譜法[7-8]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜[9-10]、毛細(xì)管電泳[11-12]、酶聯(lián)免疫檢測法和其它生物免疫反應(yīng)檢測法等[13-14]。酶聯(lián)免疫檢測法因易受干擾、不夠靈敏常導(dǎo)致結(jié)果不夠準(zhǔn)確[15]，而高效液相色譜法和液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜等方法通常要求測試樣品在處理之前首先被提取、純化、濃縮和衍生化，比較復(fù)雜，費時費力且成本高，以及需要大型昂貴的儀器和專業(yè)的技術(shù)人員等[16-17]，不利于快速、靈敏的檢測目標(biāo)物，因此，建立一種快速、靈敏和穩(wěn)定的TCs檢測方法對于食品安全和質(zhì)量監(jiān)測具有重要意義。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米技術(shù)（upconversion fluorescence nanoparticles technology，UPNT）是一種基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒（upconverting nanoparticles，UCNPs）的新技術(shù)，利用了反斯托克斯發(fā)光效應(yīng)的原理[18-19]，形成離子和離子之間的能量等級躍遷。UCNPs是一種新型的熒光材料，能夠?qū)㈤L波激發(fā)光轉(zhuǎn)換為短波發(fā)射光[20]，不僅具有獨特的光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，還具有低毒性、低背景熒光和反斯托克斯位移等特性[21]，被廣泛用于醫(yī)學(xué)生物學(xué)、生物成像、光動力治療和食品安全等領(lǐng)域[22-24]。但是，由于UCNPs的表面沒有親水性和活性基團(tuán)，仍不能擴(kuò)展到某些生物分子的檢測，無法與生物分子很好地結(jié)合及鑒定，而當(dāng)UCNPs的結(jié)構(gòu)或構(gòu)象發(fā)生變化后，可作為能量供體用于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）[25-26]。FRET是一個非輻射過程，供體的熒光基團(tuán)與受體的熒光基團(tuán)的吸收光譜有一定的重疊時，出現(xiàn)熒光能量由供體向受體轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，從而引起熒光淬滅[26-27]。為了提高FRET的效率和靈敏度，合適的能量受體也被需要，常見的能量受體包括貴金屬納米粒子、有機(jī)染料和半導(dǎo)體納米材料等[27-28]，其中金納米顆粒（gold nanoparticles，GNPs）因具有良好的熒光淬滅能力被廣泛應(yīng)用[29]。基于UCNPs和GNPs所構(gòu)建的FRET體系已被用于檢測各種目標(biāo)物[30-31]，但用于檢測食品中TCs的研究仍然有限[32]。因此，本文嘗試?yán)肬CNPs和GNPs構(gòu)建FRET模型，通過熒光淬滅的恢復(fù)程度對牛奶中的TCs進(jìn)行定量檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氧化釔（99.99%）、氧化鐿（99.99%）、氧化鉺（99.99%）、氫氧化鈉（NaOH）、氟化鈉（NaF）、檸檬酸鈉、正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS）、3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-amino propyltriethoxysilane，APTES）、正丙醇、無水乙醇（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氯金酸（HAuCl4，Au≥47.5%）、聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone，PVP，平均分子量 58 000）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、溴化鉀壓片、硼氫化鈉（NaBH4，99%）、牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA，生物試劑）、戊二醛（25%，生物試劑）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；四環(huán)素類藥物抗體（TCs Ab，-20℃保存）、四環(huán)素類抗原（TCs Ag-BSA，-20℃保存）、四環(huán)素（tetracycline，TC）、強(qiáng)力霉素（doxycycline，DO）：美國 Sigma-Aldrich 公司；0.01 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffered saline，PBS）：廣東藥科大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院食品樓204實驗室自制。

1.2 主要儀器和設(shè)備

XD-2X/M4600型號X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）：北京普析通用儀器有限公司；Nova Nano SEM 430場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）：荷蘭 FEI公司；JEM-2100F型號透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）：日本電子株式會社；TRIAX 320光譜儀（配備有R928光電倍增管探測器）：法國HORIBA Jobin Yvon公司；976 nm激光二極管：美國Coherent Corp公司；UV-2100紫外分光光度計：日本Shimadzu公司；Nicolet iS5傅立葉變換紅外光譜儀：美國Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料（NaYF4：Yb，Er UCNPs）的合成

采用水熱合成法[33-34]進(jìn)行制備：稱取適量的稀土氧化物氧化釔、氧化鐿和氧化鉺，加入過量的HNO3溶液使其完全溶解，通過加熱蒸發(fā)以去除多余的HNO3溶液，最后加入去離子水，混勻后即可得到稀土硝酸溶液。然后分別取2.5 mL硝酸釔、1.5 mL硝酸鐿和1.2 mL硝酸鉺溶液，混合均勻后緩慢加入2 mL 0.5mol/L的檸檬酸鈉溶液，超聲振蕩30 min，然后在混合溶液中緩慢滴加適量的25 mL 1 mol/L NaF溶液，待溶液出現(xiàn)肉眼可見的白色沉淀物后，用NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值（pH5），磁力攪拌下反應(yīng)1 h。然后將混合溶液轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯瓶中，密封，并在180℃下保持4 h。待冷卻至37℃后，通過離心分離沉淀物，依次用乙醇和去離子水洗滌（至少洗滌3次），最后將洗滌好的沉淀物放入60℃的烘箱中干燥24 h，即可獲得上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料（NaYF4：Yb，Er UCNPs），研磨成粉末備用。

1.3.2 NaYF4：Yb，Er UCNPs的表面修飾

采用改良的St?ber法對其進(jìn)行修飾[35-36]，利用超聲將制備好的 40 mg NaYF4：Yb，Er UCNPs 粉末分散于60 mL正丙醇溶液中，攪拌均勻后將混合溶液放入恒溫水浴鍋中35℃下攪拌40 min，然后分別加入2.5 mL 25%的氨水和20 mL純水，反應(yīng)1 h。然后加入正硅酸乙酯和正丙醇溶液的混合溶液（即取25 μL正硅酸乙酯并用20 mL的正丙醇溶液將其溶解），反應(yīng)4 h。再將0.2 mL APTES溶于30 mL正丙醇溶液中，并將其加入到上述混合溶液中，反應(yīng)1 h。然后將反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)移至離心管中離心，離心后棄上清，得到的沉淀物用乙醇和蒸餾水洗滌3次。最后將其放入60℃烘箱中烘干12 h，即可獲得氨基化的上轉(zhuǎn)換納米粒子NaYF4：Yb，Er UCNPs。

1.3.3 氨基化NaYF4：Yb，Er UCNPs連接四環(huán)素類抗體（TCs Ab）

取制備好的氨基化NaYF4：Yb，Er UCNPs粉末20 mg，加入5 mL的PBS使其完全溶解，然后加入1.25 mL 25%戊二醛溶液和100 mg NaBH4，混合后在37℃下反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后，將得到的產(chǎn)物進(jìn)行離心，棄上清液，得到的沉淀用PBS重復(fù)洗滌3次，將洗滌好的沉淀物再次超聲分散在PBS中，然后取25 μL TCs Ab和100mgNaBH4加入到上述溶液中，37℃搖床反應(yīng)1h。然后，加入100 mg Tris作為封閉劑，繼續(xù)反應(yīng)1 h。反應(yīng)結(jié)束后通過離心得到沉淀物，用PBS洗滌沉淀3次后去掉上清液并用1 mL PBS收集沉淀，得到的TCs Ab-NaYF4：Yb，Er UCNPs于4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.4 金納米顆粒（gold nanoparticles，GNPs）制備及偶聯(lián)四環(huán)素類抗原

采用檸檬酸還原法[37-38]稍作修飾制備GNPs，先用0.021 6 g HAuCl4和240 mL去離子水混合以制備HAuCl4水溶液，然后將溶液轉(zhuǎn)移到三頸圓底燒瓶中，使其加熱至100℃，保持10 min。稱取0.125 g檸檬酸鈉，加入12.5 mL去離子水溶解，將二者的混合溶液加入到上述圓底燒瓶溶液中，溶液顏色由淺黃色變成酒紅色后，保持反應(yīng)30 min，反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻到37℃左右加入1 mL去離子水和0.004 2 g PVP的混合溶液，攪拌過夜，得到的GNPs溶液于4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

取上述制備好的GNPs 10 mL，用PBS將溶液的pH值調(diào)至8，然后向溶液中加入20 μL TCs Ag-BSA，冰浴中攪拌1 h。接著加入50 mg BSA作為封閉劑，繼續(xù)攪拌1 h。反應(yīng)后將溶液轉(zhuǎn)移到離心管中在10 000 r/min下離心10 min，得到沉淀用0.01 mol/L PBS洗滌3次，棄上清液，最后分散在10 mL 0.01 mol/L PBS中，得到GNPs偶聯(lián)TCsAg-BSA的溶液，即TCsAg-BSA-GNPs。

1.3.5 FRET體系的構(gòu)建

將 100 μL 25 μg/mL TCs Ab-NaYF4：Yb，Er UCNPs懸浮液添加到一系列含有TCs Ag-BSA溶液的小試管中，反應(yīng)0.5 h后取適量20 μg/mL TCs Ag-BSA-GNPs溶液添加到各小試管中，然后加入PBS溶液定容至1 mL，37℃搖床反應(yīng)40 min，反應(yīng)后用光譜儀進(jìn)行熒光測定。

1.3.6 基于FRET體系檢測牛奶中TCs

取若干個1.5 mL的小試管，加入適量牛奶溶液，然后將相同濃度的BSA、TCs Ag-BSA、DO、TC加入到牛奶溶液中，混合均勻。然后取100 μL 25 μg/mL的TCs Ab-NaYF4：Yb，Er UCNPs加入到上述溶液中，反應(yīng)0.5 h后加入20 μg/mL TCs Ag-BSA-GNPs溶液適量，接著加入PBS溶液定容，使混合物終濃度為20 ng/mL，置于搖床上37℃反應(yīng)40 min后，進(jìn)行熒光測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaYF4：Yb，Er UCNPs和 GNPs的合成表征

圖1～圖4為NaYF4：Yb，Er UCNPs和 GNPs的合成表征。

圖1 NaYF4：Yb，Er UCNPs的形貌表征圖Fig.1 The appearance characterization image of NaYF4：Yb，Er UCNPs

圖2 GNPs的大小和形態(tài)表征圖Fig.2 The size and morphology characterization image of GNPs

圖3 NaYF4：Yb，Er UCNPs的晶型結(jié)構(gòu)表征和標(biāo)準(zhǔn)卡片對比Fig.3 The crystal structure characterization of NaYF4：Yb，Er UCNPs，compared with standard cards

圖4 氨基化的NaYF4：Yb，Er UCNPs合成表征Fig.4 The synthesis characterization image of aminofunctionalized NaYF4：Yb，Er UCNPs

作為 FRET 供體和受體，NaYF4：Yb，Er UCNPs和GNPs的形狀和大小非常重要。如圖1所示，NaYF4：Yb，ErUCNPs的SEM圖像顯示其分布均勻，直徑為60nm～80 nm，符合生物標(biāo)志物的要求。同時，NaYF4：Yb，Er UCNPs在表面沒有親水性官能團(tuán)，不具備生物學(xué)特性[39]，因此需要對其進(jìn)行表面修飾。修飾后的NaYF4：Yb，Er UCNPs用X射線衍射（XDR）對其進(jìn)行表征，如圖3所示，氨基化 NaYF4：Yb，Er UCNPs與標(biāo)準(zhǔn)卡片 JCPDS NO.16-0334和JCPDS NO.06-0342一致，且沒有明顯的雜質(zhì)峰，同時氨基化修飾后與修飾前相比，上轉(zhuǎn)換納米材料的結(jié)構(gòu)沒有受到影響，修飾后的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。圖4給出了UCNPs的表面修飾的紅外光譜圖（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR），從 FT-IR 圖中可看出，修飾前，在 3 417、2 928、2 873 cm-1處出現(xiàn)了強(qiáng)度不一的吸收峰，其中在3 417 cm-1觀察到羥基的伸縮振動特征峰；2 928、2 873cm-1等處出現(xiàn)了屬于亞甲基的不對稱和對稱伸縮振動特征峰。氨基修飾后，出現(xiàn)了一個位于1084cm-1處新的吸收峰，同時伴隨2 928、2 873cm-1處的吸收峰消失，這歸結(jié)于二氧化硅鍵的對稱伸縮振動，說明上轉(zhuǎn)換納米材料已成功被二氧化硅包覆。而在3 251、1 612 cm-1處均出現(xiàn)了由氨基引起的振動峰，這也證明了所制備的NaYF4：Yb，Er UCNPs氨基化修飾成功。

從圖2中可看出，通過檸檬酸鈉合成法制備的GNPs，形狀近似為球形，尺寸相對均勻，為10 nm。同時，利用檸檬酸鈉作為還原劑制備出的GNPs能夠很好的分散在水中，形成穩(wěn)定的膠體溶液[23]。

2.2 NaYF4：Yb，Er UCNPs 連接 TCs Ab 和 GNPs 連接TCs Ag-BSA的表征

圖 5為 976 nm 激發(fā)光下 NaYF4：Yb，Er UCNPs的熒光光譜圖，圖6為GNPs偶聯(lián)TCs Ag-BSA前后的紫外可見吸收光譜圖和TCs Ab-UCNPs的熒光發(fā)射光譜圖。

圖5 976 nm激發(fā)光下NaYF4：Yb,Er UCNPs的熒光光譜Fig.5 Fluorescence spectra of NaYF4：Yb,Er UCNPs in the 976 nm excitation

如圖5所示，在 976 nm激發(fā)光下 NaYF4：Yb，Er UCNPs可以得到3組熒光特征發(fā)射峰：525、542 nm和660 nm，其中541 nm處的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，呈現(xiàn)出明顯的綠色熒光，故將其作為響應(yīng)光譜，后續(xù)平臺的構(gòu)建主要看此處的熒光強(qiáng)度變化。此外，通過對UCNPs和TCs-Ab偶聯(lián)前后的熒光圖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)偶聯(lián)后的波長和形狀與偶聯(lián)前相一致，發(fā)射峰的位置沒有改變，但位于541 nm處熒光強(qiáng)度有所減弱，說明UCNPs已經(jīng)成功連接上抗體。

GNPs易于與生物分子結(jié)合，本研究證實了TCs Ag-BSA-GNPs的成功修飾。從圖6可看出，GNPs的紫外可見吸收光譜521 nm（GNPs）紅移到了524 nm（TCs Ag-BSA-GNPs）處，這種紅移現(xiàn)象說明GNPs已成功偶聯(lián)上了TCs Ag-BSA，在紅移的過程中沒有明顯的峰展寬，說明GNPs不僅沒有聚集現(xiàn)象而且具有良好的分散性[35]，同時，偶聯(lián)TCs Ag-BSA后的GNPs所產(chǎn)生的紅外吸收光譜紅移后有利于提高FRET體系的靈敏度[40]。還可以看出，當(dāng)UCNPs和GNPs結(jié)合后，能夠發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移，使得GNPs的吸收光譜和UCNPs的熒光發(fā)射光譜具有重疊的光譜，從而導(dǎo)致熒光淬滅。

圖6 GNPs、TCs Ag-BSA-GNPs的紫外可見吸收光譜和TCs Ab-UCNPs的熒光發(fā)射光譜Fig.6 UV-vis absorption spectrum of GNPs,TCs Ag-BSA-GNPs and UC fluorescence emission spectrum of TCs Ab-UCNPs

2.3 基于FRET體系檢測TCs的結(jié)果

在FRET體系中，固定供體和受體的濃度，改變游離TCs Ag-BSA的濃度，976 nm的紅外光激發(fā)下檢測溶液中熒光強(qiáng)度變化，如圖7所示。圖8為不同濃度的TCs Ag-BSA在不同體系下的熒光強(qiáng)度關(guān)系，圖9為不同含量的TCs抗原和熒光恢復(fù)量（I-I0）的線性關(guān)系。

圖7 不同濃度的TCs抗原在FRET體系中的熒光光譜Fig.7 The UC fluorescence spectra image of the FRET system at different concentrations of TCs Ag-BSA

圖8 不同濃度的TCs抗原在不同體系下的熒光光譜圖Fig.8 The fluorescence spectra between the different concentration of TCs Ag-BSA and the fluorescent intensity in different system

隨著抗原濃度的增加，UCNPs和GNPs之間的距離縮短，能量從供體不斷轉(zhuǎn)移至受體，使得UCNPs的熒光強(qiáng)度逐漸增加。圖8中I-I0代表熒光淬滅-恢復(fù)量（I：加入不同濃度TCs Ag-BSA后的UCNPs-GNPs體系熒光；I0：沒有加TCs Ag-BSA的UCNPs-GNPs體系熒光），隨著TCs Ag-BSA濃度的增加，體系中的熒光恢復(fù)量逐漸增加，直到250 ng/mL熒光強(qiáng)度開始趨于平穩(wěn)。在0.1 ng/mL～250 ng/mL范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度逐漸增加，在30 ng/mL～100 ng/mL范圍內(nèi)，抗原濃度與UCNPs的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)出了良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.995 67（如圖9所示）。當(dāng)TCs Ag-BSA的濃度超過250 ng/mL，F(xiàn)RET體系的熒光強(qiáng)度趨向于平穩(wěn)，最低的檢測限為0.1 ng/mL，UCNPs和GNPs所產(chǎn)生的熒光淬滅量基本得到恢復(fù)。

圖9 不同含量的TCs抗原和熒光恢復(fù)量（I-I0）的線性關(guān)系Fig.9 The linear relationship image between the different concentration of TCs Ag-BSA and the fluorescence recovery（I-I0）in systems

2.4 將FRET體系應(yīng)用于牛奶中檢測TCs的試驗結(jié)果

圖10為牛奶中不同濃度TCs Ag-BSA熒光光譜圖，圖11～圖12為牛奶中不同濃度的TCs抗原與542 nm處的熒光強(qiáng)度之間以及和熒光恢復(fù)量的線性關(guān)系，圖13為20 ng/mL濃度下BSA、TCs Ag-BSA、DO和TC的熒光強(qiáng)度變化圖。

圖10 牛奶中不同濃度TCs抗原的熒光光譜圖Fig.10 UC fluorescence spectra of the FRET system at different concentrations of TCs Ag-BSA in the milk

圖11 牛奶中不同濃度的TCs抗原與542 nm處的熒光強(qiáng)度之間的線性關(guān)系圖Fig.11 The linear relationship between the concentration of TCs Ag-BSA and the UC fluorescent intensity at 542 nm in milk

圖12 牛奶中不同TCs抗原濃度和熒光恢復(fù)量的線性關(guān)系圖Fig.12 The linear relationship between the different concentration of TCs Ag-BSA and the fluorescence recovery in the milk

圖13 20 ng/mL濃度下BSA、TCs Ag-BSA、TC和DO在牛奶中的熒光光譜圖Fig.13 Differential fluorescence response of the aptasensor to BSA，TCs Ag-BSA，antibiotic of DO and TC at the same concentration（20 ng/mL）

為了檢測牛奶中的TCs，固定供體和受體的濃度，通過添加不同濃度的游離抗原，檢測在976 nm的紅外光激發(fā)下的發(fā)光強(qiáng)度變化量。從圖11可看出牛奶中的熒光強(qiáng)度隨著TCs Ag-BSA濃度的增加而增加，直至100 ng/mL。如圖11、圖12所示，在0.1 ng/mL～100 ng/mL之間抗原濃度與體系的熒光強(qiáng)度顯示出良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)（R2）高達(dá)0.990 93。當(dāng)TCs Ag-BSA的濃度超過100 ng/mL時，熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，并且基本上恢復(fù)了由FRET引起的淬滅，得到檢測限為1 ng/mL。這表明該方法適用于牛奶中的TCs檢測，所構(gòu)建的FRET體系對四環(huán)素類藥物的檢測具有良好的靈敏度和特異度。

在UCNPs-GNPs體系中，在牛奶樣品中加入BSA的熒光強(qiáng)度與未加之前相比基本沒有太大變化，說明BSA不會破壞UCNPs-GNPs體系。然而，添加了TCs Ag-BSA、DO和TC的牛奶樣品的熒光強(qiáng)度均增強(qiáng)，說明三者均能與體系中的TCs Ab-UCNPs發(fā)生免疫反應(yīng)，破壞UCNPs和GNPs的FRET體系，使得熒光量恢復(fù)。這說明基于UCNPs-GNPs所構(gòu)建的FRET體系可以運用到牛奶樣品中含四環(huán)素類藥物的檢測。

3 結(jié)論

本文基于UPNT技術(shù)建立的熒光共振能量體系快速檢測食品中四環(huán)素類獸藥殘留的方法，具有簡便、靈敏、穩(wěn)定等優(yōu)點，適用于牛奶中TCs含量的檢測，對牛奶中的TCs檢測最低檢測限為0.1 ng/mL。線性相關(guān)度在0.1 ng/mL～100 ng/mL，且操作簡單、特異性好，能夠很好地解決傳統(tǒng)方法的局限，同時也能實現(xiàn)TCs的快速檢測。這不僅為食品安全檢測提供新思路，也為UPNT運用于檢測食品中農(nóng)獸藥殘留提供了良好的基礎(chǔ)。