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@https://www.360docs.net/doc/465846212.html,

*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@https://www.360docs.net/doc/465846212.html,

“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。

除草剂是农作物生长中另一种使用较多的农药，Vinayaka等[15]建立了基于CdTe量子点免疫荧光法分析检测除草剂2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)的方法。首先利用N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基-碳二亚胺盐酸盐将巯基丙酸修饰于CdTe量子点表面，然后通过偶联剂氮羟基琥珀酸与碱性磷酸酶(ALP)结合，再偶联2,4-D分子；而抗2,4-D抗体固定于以Sepharose CL-4B为惰性基质的免疫反应柱上，利用荧光免疫传感器上偶联的2,4-D-ALP-CdTe和游离的2,4-D竞争性结合免疫反应柱上抗2,4-D抗体实现对2,4-D的检测，检测限达250pg/ml。该研究主要利用偶联物中ALP和CdTe之间的共振能量转移原理构建生物传感器来检测2,4-二氯苯氧乙酸。

3.2兽药残留检测

近年来，随着人们对动物源食品由需求型向质量型的转变，动物源食品中的兽药残留已逐渐成为各国关注的一个焦点。Chen等[16]研制了基于量子点为标记的竞争性荧光酶联免疫吸附法快速检测鸡肉中恩诺沙星残留率，结果发现：该法对恩诺沙星检测线性范围为1～100ng/ml，半数抑制浓度(IC50)为8.3ng/ml，最低检测限为2.5ng/ml。

吕会田等[17]应用免疫学和生物学方法，构建了量子点标记的ATP合酶分子马达免疫旋转生物传感器，结合荧光技术，实现对盐酸克伦特罗快速、高灵敏度的检测。Ding等[18]利用量子点作为荧光标记偶联二抗制备间接竞争荧光免疫吸附法检测鸡肉组织中磺胺二甲嘧啶，该方法检测限为1.0ng/L，变异系数为6.9%～9.6%，回收率为80.6%～117.4%，检测结果与HPLC检测结果接近。

3.3致病微生物检测

目前已有许多基于量子点荧光标记检测食品中致病微生物的研究报道。Tully等[19]利用量子点标记抗体，建立了荧光免疫法快速检测单增李斯特菌表面的结合蛋白(内化素A和内化素B)的方法，以此方法检测单增李斯特菌。为了实现量子点快速检测复杂样品中待测组分，Wang等[20]通过免疫磁性分离结合量子点荧光标记技术快速、灵敏检测培养液中单增李斯特菌。在该检测方法中，量子点QDs 605和磁性纳米珠分别与链霉亲和素结合，再分别与生物素-抗单增李斯特菌抗体偶联。分析样品时，偶联的磁性纳米珠与含单增李斯特菌的培养液混合，经过免疫磁性纳米珠分离后，样品中目标菌被富集，结合了单增李斯特菌的纳米珠再与偶联量子点混合，经免疫磁性分离除去未结合的量子点，通过荧光分光光度法测定磁性纳米珠-单增李斯特菌-量子点结合物的荧光强度达到检测的目的，这种方法能检测纯培养液中浓度低达2～3CFU/ml的单增李斯特菌，细菌浓度为100～107CFU/ml时与荧光强度呈线性关系，样品检测时间为1.5h。邹明强等[21]以量子点作荧光标记物，结合免疫技术和量子点的超顺磁性进行分离，采用便携式光谱仪实现了大肠杆菌O157:H7的定量测定。该方法灵敏、特异、快速，比普通异硫氰酸荧光素(FITC)标记方法的检出限低100倍，分析在2h内完成。

由于量子点荧光探针具有较宽的激发光谱和窄且对称的发射光谱，且量子点颜色可根据其大小及材料来调节，因此，可利用不同荧光的量子点标记不同的致病菌抗体，再用免疫学方法来同步检测食品中多种致病菌，这样可缩短检测时间，提高效率。Yang等[22]利用量子点作为免疫荧光标记同时检测两种食源性病原菌大肠杆菌E. coli O157:H7和伤寒沙门氏菌S. Typhimurium。将不同粒径发射波长为525n m、705n m的量子点分别偶联上大肠杆菌E. coli O157:H7、伤寒沙门氏菌S. Typhimurium抗体。待检菌首先利用连有抗体的免疫磁珠分离进行预处理，免疫磁珠-细菌混合物可与偶联量子点结合形成免疫磁珠-细菌-量子点复合体。荧光图像表明：偶联抗体的量子点的荧光稳定，抗体保持较高的生物活性，能特异性识别混合体中相应的生物菌，利用最终复合体的荧光强度对两种病原菌的浓度进行了检测，检测限为1×104CFU/ml，检测可在2h内完成。Xue等[23]利用水溶性量子点作为荧光标记对大肠杆菌E. coli和金黄色葡萄球菌S. aureus进行快速检测，能在1～2h完成细菌检测，检测细菌浓度的范围为102～107CFU/ml。Ikanovic等[24]利用核-壳结构的荧光量子点(CdSe/ZnS)偶联含有60个碱基的适配子，能鉴别苏云金芽孢杆菌特定的D N A适配子序列。

3.4毒素检测

Goldman等[25]将工程重组蛋白质通过静电作用结合到C d Se/Zn S核壳型荧光量子点上，然后再与抗体偶联，用于蛋白质毒素的荧光免疫检测。该课题组用不同粒径CdSe-ZnS量子点分别标记抗蓖麻毒素、霍乱毒素、志贺菌毒素1和葡萄球菌肠毒素B的抗体，能在同一块免疫微孔板上实现对蓖麻毒素、霍乱毒素、志贺菌毒素1、葡萄球菌肠毒素B四种毒素的混合物同时监测，通过荧光波长和荧光强度可以获得样品中的病毒种类和含量。Lingerfelt等[26]则将生物素化的量子点与免疫亲和层析技术相结合，用于蛋白质毒素的检测，最低检出浓度可达10g/L。

４展 望

量子点的荧光特性赋予了量子点检测方法具有灵敏、特异、快速等优点，因此，在食品安全检测控制方面具有广泛的应用。特别是利用量子点的多色标记可实现食品中的多药残留检测。另外，在兽医临床方面，根据量子点的多色标记特性，可同时检测几种病原，节省诊断时间，提高诊断效率，从而达到更好的治疗效果。但是，目前量子点作为生物荧光标记物的

应用仍存在一些问题，如稳定、发光效率高的量子点制备条件较为苛刻，不同材料量子点的偶联性、生物相容性、大分子可接近性还有待进一步提高等。随着量子点研究的不断深入，制备工艺的不断改善，利用量子点作荧光标记技术并结合其他技术，相信在未来的食品安全检测，尤其在检验检疫领域应用会越来越广泛。

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