基于金銀納米材料光學傳感器的構建及其在食品安全快速檢測中的應用

平 藝，劉廣洋，張耀偉，戚晨雨，呂 軍，徐東輝*

（1.東北農業大學園藝園林學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

隨著工業化進程的不斷推進，大量污染物通過食品攝入對人類健康造成威脅，因此食品安全問題越來越引起人們的重視。常見的食品安全問題有化學污染、微生物污染和物理污染等。化學污染物有農藥、重金屬、獸藥等，微生物污染物主要有食源性病菌、毒素等[1]。目前，食品安全檢測方法仍以傳統的色譜、光譜檢測為主，如農藥常用的檢測技術包括液相色譜法、氣相色譜法、色譜質譜聯用技術等[2]；重金屬檢測方法有電感耦合等離子體質譜法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法等[3]。傳統檢測方法目前使用較為廣泛，但存在操作方法煩瑣、預處理要求高、成本較高、耗時較長等缺點。為了解決這一問題，有必要開發易操作、靈敏度高、檢測快速、特異性強和經濟高效的檢測方法[4]。

光學傳感器是近些年發展起來的新興檢測技術，可對目標物進行快速、靈敏、特異性識別。目前光學傳感器已經與納米材料科學、醫學、農學、生物學等相互滲透和交叉[5]。金銀納米材料因其具有高催化活性、良好的生物相容性和化學穩定性而被廣泛應用于催化、燃料電池和生物醫學等領域。由于金銀納米材料制備成本較高，合理設計金銀納米材料的結構、形態、尺寸、成分等物理參數，是有效獲得特定性能、實現金銀納米材料應用的關鍵。隨著納米技術與生物學的結合，金銀納米材料已被應用于各種不同的傳感器上，其中光學傳感器是目前最具前景和適應性的研究技術，已被應用于環境檢測、生物診斷、食品安全檢測等領域[6]。

本文主要對近些年來金銀納米材料和金-銀復合納米材料的制備方法，以及基于金銀納米材料的光學傳感器的構建原理和策略進行了概述，并基于光學傳感器響應速度快、靈敏度高、特異性強等優點，重點闡述了其在快速檢測農藥殘留、重金屬殘留、獸藥殘留、食源性病菌殘留中的應用，并分析了光學傳感器存在的問題和發展趨勢，以期為光學傳感器在未來食品安全檢測中提供一個新的思路和理論依據。

1 金銀納米材料以及金-銀復合納米材料的制備

金銀納米材料具有優異的化學穩定性（耐腐蝕性和高溫抗氧化性）、高導電性、良好的生物相容性，被廣泛應用于電子、催化、醫療診斷等領域[7]。由于人們對金銀納米材料需求的不斷增長，目前已發展出多種高效的制備方法，包括物理（機械球磨法）、化學（化學還原法）和生物方法（微生物和植物介導法）[8]。

化學法一般指化學還原法。化學還原法是指通過氧化還原反應，將金銀納米材料從鹽溶液或有機體系中還原出來，隨后通過洗滌、干燥獲得粉末狀金銀納米材料的方法[9]，是目前應用最為廣泛的方法。但是化學法存在費時費力、易對環境造成污染等問題。因此，利用植物介導合成金銀納米材料應運而生，植物介導合成納米材料具有成本低、快速、操作簡便和對環境要求低等優點[10]。LUKMAN等[11]在非光照條件下，將AgNO3水溶液與苜蓿種子滲出液反應，合成了AgNPs并觀察到Ag+在1 min內迅速還原，AgNPs的形成率在50 min內達到90%。

隨著科技的發展，單金屬納米材料難以滿足科研需求，具有更高化學穩定性的金-銀復合納米材料（Au-AgBNPs）引起了廣泛關注[12]。該復合材料常用的制備方法有種子生長法、微波輔助法和生物合成法。種子生長法是指首先制備一種元素的納米材料將其作為種子，在還原劑的作用下，使另一種元素在種子表面成核和生長，然后形成具有核殼或異質結構的雙金屬納米材料。目前種子生長法是制備Au-AgBNPs最常用的方法，可以獲得尺寸可控、性質穩定的Au-AgBNPs。YANG等[13]利用PVP作為穩定劑，合成了Au-AgBNPs，通過調整金、銀兩種元素所占比例和銀殼厚度來提高其抗菌活性和生物相容性，并首次研究了Au-AgBNPs對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的抑菌活性。結果表明，5 nm厚度的Au-AgBNPs或Au∶Ag為1∶1時，Au-AgBNPs具有最高的抑菌活性和良好的生物相容性。

2 基于金銀納米材料光學傳感器的構建

由于金銀納米材料具有獨特的尺寸依賴性和光學性能，金銀納米材料常被用于構建光學傳感器，其高表面積與體積比使其具有響應快速和靈敏度高的優點[14]。光學傳感器由識別原件和信號傳輸元件兩部分組成，主要是通過目標物與識別元件的特異性識別，然后通過比色、熒光和電化學發光等方法生成光信號轉換放大成可讀的數據，從而對目標物進行定量檢測與定性分析[15]。根據獲得信號的不同，光學傳感器可分為比色傳感器、熒光傳感器、電化學傳感器、表面增強拉曼散射傳感器等（圖1）。基于金銀納米材料構建光學傳感器可以使光學傳感器的設計策略得到優化，推動了光學傳感器在食品安全檢測中的發展。

馬翾等[16]利用陽離子聚合物PDDA誘導芘基分子HPTS自組裝，基于熒光猝滅的原理構建了硫酸軟骨素（Chondroitin Sulfate，CS）熒光傳感器。結果表明，在最優實驗條件下，加入CS可以恢復傳感器在510 nm處的熒光，基于此構建了實際樣品中CS的快速分析方法。熒光強度與CS濃度在0～5 μmol·L-1呈現良好的線性關系，檢出限為2.8 μmol·L-1，樣品回收率在104%～121%。該傳感器具有水溶性好、特異性強、可視化等優點。

KHAJVAND等[17]以AuNPs為催化劑，基于魯米諾（Luminol）-H2O2體系中噻螨酮（Hexythiazox，HXTZ）的猝滅效應，提出了一種化學發光方法來檢測HXTZ，同時研究pH、魯米諾和H2O2濃度對反應體系的影響。在最佳條件下，化學發光強度在0.017～0.42l g·mL-1與HXTZ濃度呈線性關系，檢出限為0.011 μg·mL-1。該策略已成功應用于柑橘中HXTZ殘留量的檢測，結果表明平均回收率在84.0%～95.3%，精度小于6%。該方法具有特異性強、靈敏度高、操作簡便等優點，可應用于現場快速檢測。

光學傳感器被廣泛應用于食品安全檢測，因為其具有可視化、特異性強、靈敏度高、操作簡便等優點，是目前實現食品安全現場檢測的重要工具。但是由于其自身熱穩定性差及食品基質的干擾，光學傳感器可能會輸出假陽性結果，因此目前光學傳感器的準確性還需進一步提高。

3 在食品安全快速檢測中的應用

3.1 光學傳感器在農藥殘留檢測中的應用

噴施農藥是防治病蟲害和提高作物質量和產量的重要途徑，但農藥使用量過高所引發的環境污染和食品安全問題也愈發嚴峻，對人體健康造成了嚴重威脅[18]。農藥殘留在人體內長期積累會對神經系統和免疫系統造成不同程度的損害[19]，并增加患癌癥的風險[20]。農藥殘留對孕婦危害更大，可能導致胎兒畸形和基因突變[21]。農藥殘留的傳統檢測方法存在操作要求高、成本較高等缺點。因此，開發高效的農藥殘留檢測方法是目前亟待解決的一個重要問題。

LI等[22]使用三磷酸腺苷（Adenosine Triphophate，ATP）和羅丹明B（Rhodamine B）修飾的金納米粒子（RB-AuNPs）成功制造了一種用于檢測有機磷農藥的雙模式（比色和熒光）傳感器（圖2）。在最優試驗條件下，其線性檢測范圍為4.0～15.0 μmol·L-1，檢出限為37.0 nmol·L-1。這種檢測方法成功應用于自來水樣品中的有機磷農藥檢測，具有很高的準確性和適用性，在實際樣品中的應用效果顯著。

圖2 RB-AuNPs比色法和熒光法檢測乙丙磷的機制

SUN等[23]以谷胱甘肽和間苯二胺為原料合成青色熒光碳點（G-CDs）。合成的G-CDs被許多官能團修飾，可以將Au3+還原為AuNPs。由于內部過濾效應，AuNPs會使G-CDs的熒光猝滅，同時在所制備的G-CDs中加入Au3+后，G-CDs的顏色逐漸從淺黃色變為酒紅色。根據此效應，SUN構建了一種基于GCDs/AuNPs的熒光比色雙模式傳感器，用于L-半胱氨酸（L-cysteine，L-cys）和噻唑鋅（Zincthiazole，ZTH）的檢測。雙模式傳感器對L-cys和ZTH具有較高的靈敏度和選擇性。L-cys的熒光檢出限為0.01 μmol·L-1，吸光度檢出限為0.10 μmol·L-1，ZTH的熒光檢出限為0.035 mg·L-1，吸光度檢出限為0.050 mg·L-1。G-CDs/AuNPs傳感器已成功應用于牛奶、生菜等實際樣品中L-cys和ZTH的檢測，具有潛在的應用前景。

JIMENEZ-LOPEZ等[24]利用石墨烯量子點（Graphene Quantum Dot，GQD）和半胱氨酸修飾的AgNPs構建熒光傳感器可對草甘膦（Glyphosate，Gly）殘留進行檢測。Gly猝滅了GQDs-AgNPs系統的熒光，檢出限為9 ng·mL-1。將此方法應用于豌豆和羽扇豆的Gly檢測，結果表明在兩種實際樣品中的回收率接近100%，相對偏差低于4%。由于操作簡便、反應迅速，該方法已成為目前食品中農藥殘留檢測的重要方法。

3.2 光學傳感器在重金屬檢測中的應用

重金屬離子具有高毒性，如鉛（Pb）、汞（Hg）、砷（As）、鎘（Cd）等[25]，可通過食物鏈的富集進入人體而危害人體健康[26]。如Pb和Hg會危害人體的神經系統，As慢性中毒會導致皮膚病變[27]，Cd可在人身體中累積造成急、慢性中毒，從而導致腹脹，損壞腎臟甚至癱瘓，因此實現重金屬離子的快速檢測是目前科研任務的重中之重[28]。

MATHAWEESANSURN等[29]構建了一種基于Au-AgBNPs的比色傳感器，可以靈敏和特異性地檢測水中的Hg2+（圖3）。這種基于Au-AgBNPs的比色傳感器能夠在Hg2+存在的條件下使Au-AgBNPs溶液的顏色從棕橙色變為紫色。紫外-可見光譜的線性關系表明，此傳感器檢測Hg2+的線性范圍為0.5～80.0 mg·L-1，檢出限為0.526 mg·L-1。

圖3 Au-AgBNPs對Hg2+的比色響應機制

WANG等[30]構建了一種以DNA-AgNCs作為單個熒光團的新型比率熒光傳感器，用于超靈敏和特異性檢測Pb2+。單鏈DNA模板銀納米團簇呈現綠色熒光，通過與其互補DNA鏈（ds-DNA-AgNCs）形成雙鏈體，在接近特定DNA片段后可將其轉化為紅色熒光。ds-DNA-AgNCs含有Pb2+依賴性DNAzyme構型的rA切割位點。在存在Pb2+的情況下，特定的DNA片段將從ds-DNA-AgNCs中釋放出來，導致DNA-AgNCs的熒光從紅色變為綠色。Pb2+可以連續切割rA位點，因此，從紅色熒光到綠色熒光的信號變化會被放大。熒光強度與濃度為0.001～10.000 nmol·L-1的Pb2+呈現良好的線性關系，Pb2+測定的檢出限為1.0 nmol·L-1，低于大多數Pb2+生物傳感器。此傳感器對湖水、自來水和人血清樣品等實際樣品中的Pb2+檢測具有良好的特異性。

3.3 光學傳感器在獸藥檢測中的應用

獸藥可以及時、有效地預防、治療畜禽疾病，提高畜禽的抗病性，被廣泛應用于畜牧業。獸藥主要包括激素、生長促進劑和抗生素等。人體長期攝入獸藥殘留超標的動物源食品，會出現慢性中毒，最終引發多種疾病，如癌癥和激素功能紊亂等。因此，食品中獸藥的檢測至關重要[31]。

HOSSEINI等[32]基于DNA適體模板AgNCs的熒光猝滅，構建了一種用于檢測土霉素（Oxytetracycline，OTC）的熒光傳感器。在構建過程中，使用了具有兩種不同核苷酸片段的特定DNA支架：一種富含胞嘧啶序列片段（C12），另一種是可選擇性結合OTC抗生素的OTC適體片段。DNA-AgNCs的熒光強度與濃度為0.5～100.0 nmol·L-1的靶標溶液呈線性關系，檢出限為0.1 nmol·L-1。此傳感器為快速測定蜂蜜和水樣中的OTC提供了一種可行的方案。

宋亞寧等[33]利用溶劑熱法合成具有時間分辨特性的熒光納米材料NaYF4:Ce/Tb，并基于分子對接輔助設計培氟沙星適配體的互補鏈。AuNPs與發光納米材料分別修飾在適配體、互補鏈上，通過堿基互補配對誘導2種納米材料間發生時間分辨熒光共振能量轉移（Time-Resolved Fluorescence Resonance Energy Transfer，TR-FRET）。在最優條件下，測得此熒光傳感器檢測培氟沙星的線性濃度為0.2～20.0 μg·kg-1，檢出限為0.15 μg·kg-1，牛奶中獸藥殘留回收率為73.81%～99.86%。

3.4 光學傳感器在食源性病菌檢測中的應用

食源性病菌是一類以食物鏈為傳播媒介引起食物中毒的致病性病原體，主要包括細菌、病毒和原生動物，屬于全世界范圍內的公共衛生問題。致病菌種類繁多，且隨著抗生素的濫用，細菌耐藥性逐漸變強，導致食品安全問題不斷加重。因此，實現食源性致病菌的即時檢測，對預防食源性致病菌感染，降低由食源性病菌造成的損失至關重要[34-35]。

MA等[36]利用AuNPs的變色效應，研制了一種簡單、快速、方便的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）比色傳感器（圖4）。鼠傷寒沙門氏菌是引起食品相關疾病的食源性病菌之一。將對鼠傷寒沙門氏菌具有特異性識別的適配體修飾到制備的AuNPs表面。適配體可以抑制AuNPs向高濃度NaCl聚集。隨著NaCl的加入，暴露的AuNPs在一定程度上會聚集，其顏色由紅色、紫色變成藍色。利用紫外-分光光度計表征AuNPs的吸收光譜，可以發現A700/A521的光強比有規律地變化。線性檢測范圍為102～107 CFU·mL-1，檢出限為56 CFU·mL-1。

圖4 基于AuNPs和適配體的鼠傷寒沙門氏菌比色檢測示意圖

樂莉等[37]利用QDs和AuNPs基于熒光共振能量轉移構建了DNA傳感器，利用單鏈DNA互補配對原則檢測非洲豬瘟（African Swine Fever，ASF）。在靶DNA缺失的情況下，ss-DNA-QDs（探針1）與ss’-DNA-AuNPs（探針2）雜交，供體QDs與受體AuNPs距離變近，引發熒光共振能量轉移效應，QDs的熒光被AuNPs猝滅。在最優條件下，該傳感器的檢出限為0.72 μmol·L-1，在火腿腸和豬肉餃子等食品中的回收率高達82%～108%。該研究提出了一種簡單、快速的檢測食品中ASF基因片段的方法。此外，這種策略可以擴展到其他DNA、病毒或蛋白質的傳感應用。

肝吸蟲（Opisthorchis Viverrine，OV）可誘發膽管慢性炎癥。目前常用的檢測方法無法靈敏地檢測出低濃度的OV抗原。TARON等[38]開發了一種新的熒光檢測方法來提高比色法AuNPs-LISA的靈敏度。將鄰苯二胺（O-phenylenediamine，OPD）代替比色方法中的四甲基聯苯胺（tetramethylbenzidine，TMB）用作顯色底物，并引入了表面活性劑Triton X-100，從而極大地增強OPD氧化產物的熒光強度，實現對OV的熒光免疫測定。此方法對OV濃度的動態線性檢測范圍為34.18～273.44 ng·mL-1，檢出限為36.97 ng·mL-1，與比色法相比，檢測靈敏度提高了約1 200倍。此方法在實際樣品檢測中具有很高的靈敏度和特異性。

光學傳感器的可視化、檢測迅速、操作簡便、成本低、可用于現場檢測等優點大大提高了食品安全的檢測效率，目前光學傳感器在食品質量與安全檢測中得到了越來越廣泛的應用，相關研究仍在不斷深入和拓展。食品安全檢測追求的目標是靈敏、快速、定性、定量和多殘留檢測。但是現在光學傳感器定性分析的方法選擇性不夠，實現選擇性檢測仍是未來的發展方向。

為了直觀地對基于金銀納米材料構建的光學傳感器進行性能對比，將基于金銀納米構建的光學傳感器應用于農藥、重金屬、獸藥、食源性病菌的檢測（表1），介紹了不同類型傳感器的構建原理、檢出限、檢測范圍、回收率等。

表1 基于金銀納米材料構建的光學傳感器的應用總結

4 結論與展望

隨著人們生活水平的不斷提高，食品安全問題逐漸成為人們關注的焦點。食品安全檢測的目標是快速、操作簡便、成本低等。光學傳感器作為新型檢測技術，在檢測傳感領域引起了極大的關注。與一些傳統檢測方法相比，光學傳感器實現了靈敏度、選擇性、便攜性、現場檢測能力和整體性能的提高。但由于其自身熱穩定性差，檢測結果的準確性還有待提高，金銀納米材料具有良好的熱穩定性、光學特性和催化活性，且制備方法多種多樣。與傳統的光學傳感器相比，基于金銀納米材料的光學傳感器具有靈敏度高、選擇性好、特異性強、操作簡便、檢測快速等優點，但光學傳感器檢測的準確性還有待提高。因此未來應將研究重點放在降低金銀納米材料制備成本，減少對環境的污染，提高光學傳感器靈敏度、穩定性等方向上。