量子点标记技术在食品安全检测中的应用

量子点标记技术在食品安全检测中的应用

文学方1,2，杨安树1,2,*，陈红兵1,2

(1.南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047；2.南昌大学中德联合研究院，江西 南昌 330047)

摘 要：近年来，量子点荧光标记技术已得到较快的发展，以其为基础开发的检测技术具有准确、灵敏、稳定、特异性高的特点，在生物医学方面已有广泛应用。本文阐述了量子点的特性和相关检测技术，及其在食品安全快速检测中的应用。

关键词：量子点；食品安全；快速检测

Application of Quantum Dots in the Detection of Food Safety: A Review

WEN Xue-fang 1,2，YANG An-shu 1,2,*，CHEN Hong-bing 1,2

(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China ；

2. Sino-German Joint Research Institute, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

Abstract ：The labeling technology using quantum dots has gained quick development in recent years. Due to the characteristics of accuracy, high sensitivity, good stability and high specificity, this technology has been extensively used in the field of biomedicine. In this paper, properties and detection strategies of quantum dot technology are reviewed, which will extend its application in rapid detection for food safety.

Key words ：quantum dots ；food safety ；rapid detection

中图分类号：TS201.6 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2009)21-0399-04

收稿日期：2009-07-17

基金项目：江西省自然科学基金项目(2007GQY2010)；江西省教育厅科学技术研究项目(赣教技字[2007]48号)作者简介：文学方(1985－)，男，硕士研究生，研究方向为食品安全。E-mail ：wxf198508@

*通讯作者：杨安树(1972－)，男，副教授，博士，研究方向为食品安全。E-mail ：yanganshuxjh@

“国以民为本，民以食为天，食以安为先”，食品安全关系到广大人民群众的切身利益，关系到经济的可持续发展和社会和谐稳定。近年来，国内外发生的“瘦肉精”、“苏丹红”、“三聚氰胺”等食品安全事件，给各国经济和人民生命财产造成重大损失，也使得消费者对食品安全忧心忡忡。为此，许多国家尤其是发达国家投入巨资，逐步建立了一整套预防、监督、评估的预警体系。而开展食品安全研究，发展准确、快速、简便、灵敏的食品安全检测技术是整个预警体系的重要组成部分，对于控制和解决食品安全隐患具有非常重要的意义。

目前，食品安全检测方法主要有化学分析法(CA)、薄层层析法(TLC)、气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)、GC-MS 联用法、酶联免疫吸附法(ELISA)等[1-2]，这些方法存在检测时间长、灵敏度低、假阳性高、样品前处理复杂、样品基质干扰严重等制约因素，难以满足实际检测特别是现场快速检测的需要。现阶段，我国食品安全关键检测技术与发达国家差距较大，很大程度上为我国食品安全带来隐患，同时也限制了我国的食

品贸易。当前，面对国内外食品安全新形势，迫切需要研制和开发灵敏、准确、快速的食品安全检测新技术。１

量子点光学特性

量子点，又称半导体纳米微晶粒，粒径在1～100nm 之间，主要由Ⅱ～Ⅵ族或Ⅲ～Ⅴ族元素组成，其中，以C dX (X ＝S 、Se 、Te)研究较多，量子点接受激发光后能够产生荧光。与传统的有机荧光染料相比，量子点具有以下特点[3-6]：1)激发光谱宽且连续，发射光谱窄、对称、重叠小。激发光谱宽、连续可以使用一种激发光同时激发多种量子点而获得不同波长的荧光；发射峰窄、对称、重叠小，有利于提高测定的选择性和灵敏度；2)可通过控制量子点的大小和组成来调谐其发射波长，利用该特点可选择合适的量子点降低或避免背景干扰；3)荧光强度及稳定性高，可实现较长时间分析检测。

正因为具有如此独特的光学性能，量子点可作为一种优良的荧光探针应用于生物研究中。但是，直接制

备特别是在有机相中制备的量子点难以与生物大分子发生直接偶联，一般需先用含巯基、氨基或羧基的功能基团对量子点表面进行一定的修饰，修饰后的量子点生物相容性较好，可通过共价结合与生物分子偶联[7]。目前，最常用的方法是在量子点上引入带有羧基的功能基团，然后以碳二亚胺为偶联剂结合生物大分子如酶、抗体等，制成的量子点荧光探针可用于分析检测。近年来，量子点作为荧光标记探针已在生物分析尤其在免疫分析、快速诊断中广泛应用。

２应用于食品安全的量子点荧光标记技术

2.1基于量子点标记的酶联免疫检测技术

Goldman等[8]将核-壳结构的CdSe/ZnS量子点与抗体结合，用于荧光免疫分析。他们首先将重组蛋白通过静电作用结合于量子点上，然后再与抗体相连接，使用这种探针，利用直接与间接ELISA方法对葡萄球菌肠毒素和2,4,6-三硝基甲苯进行了荧光免疫分析，灵敏度非常高。随后，该课题组[9]又用亲合素修饰量子点，生物素修饰抗体，亲和素和生物素特异性相互作用使得量子点易与抗体结合，且抗体仍保持原有的生物活性，这样偶联物可用于荧光免疫分析。由于一分子亲和素可与四分子生物素结合，且结合力很强，这种基于量子点荧光标记的ELISA法用于样品检测，检测的灵敏度有了大大的提高。

2.2量子点生物传感器

早期，量子点作为生物传感器主要是光学传感器，1998年Chan等[3]将量子点表面连接上巯基乙酸，一方面可提高量子点的水溶性，同时，可与生物分子相结合，通过光致发光可检测出与生物分子相结合的量子点。这种利用量子点的光致发光光谱，结合合适的免疫分析技术来识别特异性的抗体和抗原开创了量子点作为生物传感器的先河。目前，量子点光学传感器主要有荧光转换传感器、荧光共振能量传感器、磷光转换传感器和定位传感器四种[10]。

近年来，出现了基于量子点构建的电学传感器。Zhang等[11]制备了一种表面具有羧基的ZnS量子点，在缩合剂EDC[1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐]的作用下，带羧基的ZnS量子点可协同尿酸氧化酶分子与自组装在金电极表面的L-半胱氨酸膜缩合而固定到金电极表面，制成尿酸传感器，制备过程中Zn S量子点的掺入提供了更多的酶结合位点，提高了载酶量，增强了电极的响应电流。所得的传感器具有较高的灵敏度，较好的热稳定性和抗干扰能力。

2.3基于量子点的液相芯片免疫检测技术

液相芯片是在微米级聚合物微球中装入不同发光波长和强度水平组合的量子点，对微球进行编码，然后将不同编码的微球分别与不同的抗体探针连接，样品分析检测时，将这些微球探针悬浮在液相体系中与被测物反应，以两束激光同时对逐一通过流式细胞仪的微球探针的荧光和报告分子上的标记荧光进行检测，这样可获得待测分子种类和数量信息。液相芯片具有高灵敏度、高速度、高通量、多指标同时检测等优点。目前，国内对液相芯片的研究还处于初级阶段，其应用发展受到国外掌握液相芯片核心技术的一些大公司制约。

３量子点标记技术在食品检测中的应用

食品中如存在危害人体健康和安全的有毒、有害物质时，说明食品已受到污染，这些有毒有害物质也称食品安全危害。目前，国内外已有利用量子点标记技术在食品检测中应用的相关报道，包括检测农药残留、兽药残留、病原微生物、生物毒素等。

3.1农药残留检测

农药残留是农药使用后一定时期内没有被分解而残留于生物体、收获物中的微量农药原体、有毒代谢物、降解物和杂质的总称。长期食用农药残留超标的农副产品对人和动物具有危害作用，可能引起人和动物慢性中毒，严重的会导致急性中毒，甚至死亡。因此，有必要快速、灵敏和特异性检测食品中农药残留率。Ji等[12]采用亲水性基团取代疏水性基团，将油溶性的CdSe/ZnS 转移到水相，然后通过阴阳离子共轭作用与有机磷水解酶形成生物共轭体，通过该方法研制了一种新型的量子点生物传感器，制备的生物传感器可用来检测对氧磷农药，最低检测限达到10-8mol/L。Qu等[13]利用CdTe量子点和磺化杯芳烃构建了超分子纳米感光剂快速检测螨胺磷和啶虫脒，磺化杯芳烃存在与否，CdTe量子点可选择性检测螨胺磷和啶虫脒，游离CdTe量子点的荧光可被螨胺磷选择性淬灭；当磺化杯芳烃存在时，CdTe 量子点在磺化杯芳烃协同作用下荧光强度可被啶虫脒选择性提高，根据量子点荧光响应特性，可用荧光法选择性检测杀虫剂。研究发现，在一定条件下，量子点的荧光强度与杀虫剂呈浓度依赖关系，对螨胺磷和啶虫脒两种杀虫剂的检测限分别为1.2×10-8mol/L和3.4×10-8 mol/L。金利通课题组[14]研制了基于CdS量子点的乙酰胆碱酯酶生物传感器应用于食品中有机磷农药的检测。利用C d C l2和N a2S在聚乙烯吡咯烷酮(p o l y v i n y l pyrrolidone，PVP)存在下合成PVP包裹的CdS量子点，将乙酰胆碱酯酶偶联于量子点上制备了乙酰胆碱酯酶生物传感器，该生物传感器对乙酰胆碱具有良好的电流响应，由于有机磷和氨基甲酸酯类农药对乙酰胆碱酯酶活性的抑制作用，通过酶活性被抑制的程度可检测农作物中有机磷类杀虫剂如敌百虫的残留，在优化条件下，5min内能检测浓度低达12ng/ml的敌百虫。