鑭系配位聚合物在食品風險因子檢測中的研究進展

黃現青,付雅娜,郭倚成,李一波,李天歌,王田林

(河南農業大學 食品科學技術學院,河南 鄭州,450000)

“民以食為天,食以安為先”。食物的安全性涉及千家萬戶,關系人民群眾的身體健康和生命安全,是衡量人民生活質量、國家法制建設和社會管理水平的一個重要指標。近年來,隨著現代工業科技的發展和生活水平的提高,食品安全問題層出不窮,已經成為了世界性難題[1]。大體上,影響食品安全的風險因子可分為食品添加劑、農獸藥、食源性致病菌、生物毒素、重金屬離子五大類。傳統的檢測方法主要利用大型儀器檢測,包括氣相色譜法、液相色譜法、原子吸收光譜法等,這些方法具有較高的精準度和靈敏度,因此也主要是國家檢測標準中首要推薦的方法[2-3]。隨著社會的進一步發展,以“可視化快速檢測”為主的新檢測方法應運而生,利用該方法檢測的結果不再是專業人員使用專業儀器分析計算出來,而是以短時間內就能用肉眼觀察到的顏色變化作為檢測的信號。這種方法大大增加了普適性,使普通老百姓能及時知曉入口食物的安全性,也起到了對食品相關企業的全民監督作用。相比之下,傳統檢測方法操作復雜、便攜性低且耗時耗力等弊端明顯不符合可視化快速檢測的需求。近來,以熒光法為主的檢測技術因具有快速便捷、操作簡單、可視化、成本低廉等優勢使其在食品安全快速檢測中展現出了巨大的潛力[4-6]。熒光探針是快檢技術中最重要的技術之一,探針通過識別特定風險因子,從而將識別過程轉化為熒光信號[7-9]。常見的熒光探針包括碳量子點熒光探針、金屬簇熒光探針、金屬配位聚合物熒光探針[10-12]。

本文主要介紹了以鑭系配位聚合物(lanthanide coordination polymers,Ln-CPs)為主的熒光探針的熒光特性及檢測性能,歸納了其近年來在食品風險因子檢測中的應用研究進展,并探討了在食品分析應用中面臨的挑戰和未來發展趨勢。

1 鑭系配位聚合物配位特性

Ln-CPs是由鑭系金屬離子與有機橋聯配體組裝形成具有尺寸可調、多孔網絡結構的納米材料[13-14]。相對于其他金屬離子配位形成的聚合物,鑭系金屬離子獨特的[Xe]4fn電子構型和類似梯形能態使Ln-CPs具有窄發射帶、大斯托克斯位移、長激發態壽命及高量子產率的優點。因此,Ln-CPs廣泛應用于氣體貯存、吸附分離、異相催化、磁學材料、生物成像及光學傳感等領域[15-20]。

2 鑭系配位聚合物熒光特性及檢測性能分析

眾所周知,單獨的Ln3+由于自身f-f的禁帶性質和振動較弱特性,無法實現從基態到激發態4f的躍遷[21-22]。當Ln3+和配體配位形成聚合物后,由配體吸收能量后敏化Ln3+發出其特有的熒光,這一過程也稱為“天線敏化”效應[23-24]。具體過程如圖1所示:配體吸收紫外光被激發,由單重態S0躍遷到單重激發態S1,激發態的壽命很短,通過非輻射系間竄躍(intersystem crossing,ISC)到三重態T1,再由T1將能量傳遞給鑭系離子的各振動能級,此時,鑭系離子的基態電子受激發躍遷到激發態,當電子從激發態回到基態時,便發射鑭系金屬的特征熒光[25-26]。以鑭系配位聚合物作為熒光探針檢測目標物時,目標物分子可引起鑭系配位聚合物熒光的猝滅(turn-off)或增強(turn-on)。熒光響應機制主要包括內濾效應(internal filtration effect,IFE)、熒光共振能量轉移機制(fluorescence resonance energy transfer,FRET)、光誘導電子轉移(photoinduced electron transfer,PET)、聚集誘導發光(aggregation-induced luminescence,AIE)等[27-30]。在特異性識別目標物時,配體與目標物之間的相互作用改變配位聚合物分子內的能量傳遞過程,從而影響配位聚合物的熒光,達到檢測的目的[31-32]。鑭系配位聚合物具有成本低、易制備、優異的光學性能、良好的生物相容性以及低毒性等優點,逐漸被人們所關注并應用到食品分析檢測領域。

圖1 鑭系配位聚合物分子內能量傳遞過程示意圖[25-26]

2.1 IFE熒光檢測

待檢目標物的吸收光譜與鑭系配位聚合物熒光探針的激發或發射光譜重疊時,產生非輻照能量躍遷,導致鑭系配位聚合物熒光猝滅的過程稱為IFE[33]。LI等[34]將銪(Eu3+)和石墨烯量子點(Graphene quantum dots,GQDs)的羧基配位,建立鑭系配位聚合物復合石墨烯量子點的熒光探針GQDs-Eu用于檢測四環素(tetracyc line,TC)。TC由于IFE將探針中GQDs的藍色熒光猝滅,同時TC與GQDs中羧基偶聯顯著增強了Eu3+的紅色熒光,結果觀察到熒光顏色從藍色變為紅色,實現了對TC的比率熒光檢測。

2.2 PET熒光檢測

待檢目標物作為電子供體被激發,激發態的電子供體與鑭系配位聚合物電子受體之間發生電子轉移,從而導致熒光猝滅的過程叫做PET[35]。HE等[36]使用2,6-吡啶二羧酸(2,6-pyridinedicarboxylic acid,DPA)和鋱(Tb3+)與氮摻雜碳點(N-CDs)表面的—NH2和—COOH配位,N-CDs為藍色熒光,DPA與Tb3+配位結合形成的Tb-DPA呈現綠色熒光,以此獲得的具有雙熒光的鑭系配位聚合物摻雜碳點的納米探針N-CDs-Tb-DPA用于檢測海產品中汞離子(Hg2+)。Hg2+與N-CDs表面含氧官能團之間的PET效應導致N-CDs的熒光猝滅,探針中綠色熒光隨著Hg2+濃度的增加逐漸顯著,實現了對海產品中Hg2+的高靈敏檢測。

2.3 FRET熒光檢測

待檢目標物作為熒光受體的吸收光譜,與鑭系配位聚合物作為熒光供體的激發光譜重疊,且兩者距離小于10 nm時,導致鑭系配位聚合物能量轉移到目標物的過程叫做FRET[37]。FU等[38]利用多金屬氧酸鹽與Eu3+配位結合,制備了鑭系配位聚合物K13Eu(SiMoW10O39)2·28H2O(Eu-SiMoW)熒光探針用于抗壞血酸(ascorbic acid,AA)和亞硝酸鈉(NaNO2)的檢測。基于Eu-SiMoW中變色成分SiMoW與Eu3+之間的FRET過程,淡黃色的Eu-SiMo被AA還原生成藍色的Eu-SiMoW,并伴隨紅色熒光猝滅,還原后的EuSiMoW再被NaNO2氧化后恢復到原來的淡黃色,同時紅色熒光恢復,通過熒光探針顏色的可逆變化來實現對AA和NaNO2的檢測。

2.4 AIE熒光檢測

待檢目標物由于鑭系配位聚合物配位結合,導致其距離拉進形成聚集態,由此產生的熒光現象稱為AIE[39]。TONG等[40]利用配體鳥苷酸單磷酸鹽(guanosine monophosphate,GMP)和魯米諾(Luminol)與Tb3+配位,GMP由于“天線效應”敏化Tb3+發出綠色熒光,而Luminol與Tb3+配位結合后導致了Luminol的聚集產生了綠色熒光。獲得了具有雙熒光的鑭系配位聚合物Luminol-Tb-GMP用于銅離子(Cu2+)的檢測,Cu2+與Luminol和GMP螯合作用既阻斷了GMP的敏化作用同時維持了Luminol的AIE效應,因此可以觀察到熒光從綠色轉變為藍色,實現了對銅離子的比率型可視化檢測。

3 鑭系配位聚合物在食品中風險因子檢測中的應用

3.1 在食品添加劑檢測中的應用

食品添加劑是用于增強食物色澤飽和度、香味以及改善食物口感的人工合成或天然產生的一種物質[41],如漂白劑、抗氧化劑、發色劑等。而添加劑的過量或違規使用不僅影響食品質量且會誘發某些疾病[42]。ZENG等[43]使用腺苷三磷酸分子(ATP)作為三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸(Tris-HCl)溶液中鈰離子(Ce3+)的生物相容性配體,制備新型鈰基配位聚合物納米顆粒ATP-Ce-Tris用于過氧化氫(H2O2)的檢測(圖2-a)。H2O2將熒光ATP-Ce(III)-Tris氧化為非熒光ATP-Ce(IV)-Tris CPNs,表現出高靈敏的響應,檢測限低至0.6 nmol/L。LI等[44]將鑭系離子鋱(Tb)偶聯到磁性納米材料二氧化硅包裹的四氧化三鐵(Fe3O4@SiO2)上,合成一種新型水分散性綠色熒光探針Fe3O4@SiO2-Tb-DPA,用于亞硝酸鹽(NO2-)的檢測(圖2-b)。在NO2-的存在下,探針的綠色熒光被猝滅,根據淬滅的強度可計算出NO2-的檢測限為1.03 μmol/L。

a-ATP-Ce/Tb-Tris 探針檢測H2O2和葡萄糖[43];b-Fe3O4@SiO2-Tb DPA探針檢測NO2-[44]

3.2 在農獸藥殘留檢測中的應用

現代畜牧業中廣泛使用農獸藥是為預防和控制有害生物、昆蟲、雜草等對農林牧業生產的危害[45]。然而,農獸藥的過量使用會導致其在環境和食品中殘留,進而導致人體內分泌系統和中樞神經系統紊亂,甚至引起癌變[46]。

鑭系配位聚合物熒光探針優良的熒光性能、響應速度快等特點可被用于食品中農獸藥殘留的快速檢測。QU等[47]首先利用DPA和GMP雙配體,配體與Eu3+配位形成具有紅色熒光的GMP/Eu/DPA,進一步與擁有藍色熒光的配位聚合物GMP/Tb混合,構建了雙熒光探針GMP/Tb@GMP/Eu/DPA用于食品和水樣品中草甘膦的檢測(圖3-a)。堿性磷酸水解酶(alkaline phosphatase,ALP)的加入可破壞GMP的磷酸基團,迫使GMP/Tb的熒光淬滅,GMP/Eu/DPA的熒光增強,通過草甘膦對ALP的抑制作用,實現該探針對草甘膦的熒光檢測,檢測限低至0.007 μg/mL。LIU等[48]將刺激響應發光和模擬氧化酶活性整合到基于鑭系金屬鈰的配位聚合物中,制備鈰基配位聚合物的探針Ce(Ⅳ)-ATP-Tris用于馬拉硫磷的檢測(圖3-b)。利用酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)水解抗壞血酸-2-磷酸(sodium-ascorbyl-2-phosphate,AAP),生成的AA可將Ce(Ⅳ)還原為Ce(III),探針藍色熒光顯著增強,當馬拉硫磷存在時,ACP的酶活性受到抑制,AAP水解成AA的過程被阻斷,Ce(Ⅳ)-ATP-Tris的熒光被抑制,實現熒光信號“關-開-關”檢測,馬拉硫磷的檢出限為0.046 μg/mL。

a-GMP/Tb@GMP/Eu/DPA探針檢測草甘膦[47];b-Ce(Ⅳ)-ATP-Tris探針檢測馬拉硫磷[48]

3.3 在重金屬離子檢測中的應用

重金屬離子具有高毒性、易積聚、難降解等特點[49],通過水介質或食物鏈的方式在人體積累到一定含量時,會引發一系列疾病,嚴重影響人們身體健康[50-51]。ALEEM等[52]制備含有Eu(Dbm)3Bipy配合物的水溶性多糖納米顆粒(EIAP 3),用于Cu2+和Fe3+的同時檢測(圖4-a)。Cu2+快速結合到EIAP 3表面,引起熒光快速猝滅,Fe3+與氧原子的相互作用改變了配體的電子能級,配體與Eu3+離子之間的能量轉移效率低下,進一步導致EIAP 3熒光猝滅。該系統可快速識別檢測水中的Cu2+和Fe3+,檢測限低至1 mg/L。SHU等[53]以均苯三酸(H3BTC)為配體與Eu3+配位合成了紅色熒光鑭系配位聚合物Eu-BTC,與具有綠色熒光的鈣鈦礦量子點(CsPbBr3)混合,進一步構建CsPbBr3@Eu-BTC比率熒光體系檢測Hg2+(圖4-b)。通過CsPbBr3表面配體中的氮元素與Hg2+之間的高配位效應,導致CsPbBr3綠色熒光猝滅,Eu-BTC的紅色熒光保持不變,因此實現對Hg2+的比率熒光檢測,檢測限為100 nmol/L。

a-EIAP探針檢測Cu2+和Fe3+[52];b-CsPbBr3@Eu-BTC探針檢測Hg2+[53]

3.4 在生物毒素檢測中的應用

生物毒素是生物來源中不可自主復制的有毒化學物質,以食品為媒介進入人體后會對人們健康造成極大危害[54-55],因此,開發對生物毒素的檢測技術至關重要。白雪欣[56]將鑭系元素Eu3+填埋至納米微粒內,以鑭系紅色熒光微球作為能量供體,別藻藍蛋白作為能量受體,制備時間分辨熒光微球,研制出可定量檢測蓖麻毒素的鑭系免疫層析熒光試紙條(圖5-a)。目標毒素與鑭系熒光微球標記的檢測抗體結合,基于時間分辨熒光共振能量轉移原理,微球的熒光被猝滅,接著毒素被捕獲抗體所捕獲,熒光恢復,檢測限為1 ng/mL。TIAN等[57]分別以硝酸鈰與檸檬酸為前驅體,采用溶膠-凝膠法和熱解法分別制備膠體納米鈰(Nanoceria)和GQD,并構建了用于檢測赭曲霉毒素的比率熒光探針DNA1@nanoceria-DNA2@GQD(圖5-b)。由于DNA1@nanoceria和DNA2@GQD與赭曲霉毒素適配體互補,產生FRET效應猝滅了GQD的熒光。而赭曲霉毒素與其適配體螯合后,阻止了FRET效應,GQD熒光恢復,此方法檢測赭曲霉毒素的檢測限為2.5 pg/mL。

a-鑭系免疫層析試紙條檢測蓖麻毒素[56];b-DNA1@nanoceria和DNA2@GQD探針檢測赭曲霉毒素A[57]

3.5 在食源性致病菌檢測中的應用

食源性致病菌是指以食品為傳播媒介的致病性細菌,不僅損害人們的身體健康還會給社會經濟造成損失,是影響食品安全的重要因素之一[58]。ZHOU等[59]以氧化鋅量子點(ZnO)為內參熒光信號,將Eu3+嫁接在ZnO表面,制備基于ZnO的雜化納米探針ZnO/Eu,用于炭疽芽孢桿菌孢子生物標志物吡啶二甲酸(DPA)的比率熒光檢測(圖6-a)。DPA可通過“天線效應”敏化Eu3+發出紅色熒光,而ZnO的熒光保持不變,通過熒光顏色的變化,可計算出DPA的檢出限低至3 nmol/L。LIU等[60]將鑭系離子Tb3+嫁接在碳量子點(CDs)表面,合成了具有雙熒光的探針Tb@CDs,用于檢測DPA(圖6-b)。DPA通過強螯合共軛作用與CDs表面的Tb3+結合敏化并發出明亮的綠色熒光,而CDs的熒光不變,熒光顏色實現從藍到綠的轉變,DPA的檢測限為100 pmol/L。

a-ZnO/Eu探針檢測DPA[59];b-CDs-Tb探針檢測DPA[60]

4 結論與展望

本文主要介紹了鑭系配位聚合物優良的熒光特性和檢測性能,并綜述了以鑭系配位聚合物為主的熒光探針在食品風險因子檢測中的應用研究。與傳統的檢測方法相比,鑭系配位聚合物探針具有合成簡單便捷,耗時短等優勢。更為重要的是,該類探針實現了可視化檢測,使人們用肉眼通過熒光顏色的變化就能辨別食品質量的好壞,在一定程度上提高了實用性。因此,鑭系配位聚合物熒光探針在食品快速可視化分析檢測領域具有廣闊的應用前景。然而,鑭系配位聚合物在食品分析檢測的實際應用中,還有許多問題需要解決:a)目前的檢測方法往往只能檢測一種目標物,多目標物的同時快速檢測是未來發展的必然趨勢;b)單熒光信號的響應容易造成假陽性或假陰性的結果,2種及以上的熒光響應檢測方法的開發能通過自校準實現更高的檢測精確度,且不同的熒光顏色更利于人眼的識別;c)大型檢測儀器的笨重,不便捷的弊端已經嚴重凸顯,開發便攜式的檢測設備是實現現場可視化快速檢測的必要條件。總而言之,未來的研究應是朝著更簡捷、更精準、更靈敏、更經濟、更高效、更智能的多重檢測手段集成發展,只有這樣才能在最大程度上緩解食品安全的壓力,從而保證食品行業健康發展,保證人們身體的健康。