表面等离子体共振技术在纺织等消费品检测中的应用

孙美蓉，魏孟媛，刘　芳，段冀渊，谢秋慧，刘敏华

(上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心，上海　200135)



表面等离子体共振技术在纺织等消费品检测中的应用

孙美蓉，魏孟媛，刘芳，段冀渊，谢秋慧，刘敏华

(上海出入境检验检疫局工业品与原材料检测技术中心，上海200135)

摘要：表面等离子体共振(SPR)生物传感技术是一种具有良好发展前景的新兴生物化学检测技术，具有灵敏度高、快速、无需标记等优点，广泛应用于材料化学、医药检测、环境监测和食品安全等领域。文章对SPR生物传感器进行了简要介绍，并着重对其在有毒有害残留检测中的应用进行了分析，最后对SPR生物传感技术在消费品检测领域的研究前景进行了展望。由于SPR技术检测过程方便快捷、灵敏度高，且只要更换不同的修饰特异性匹配芯片，一台仪器便可实现无机和有机类危害因子的筛查检测，因此SPR技术在消费品检测中有很好的发展前景。

关键词：表面等离子体共振；生物传感器；消费品；检测

生物传感技术是一种新兴的检测技术，由于检测过程方便快捷、无需标记样品、灵敏度高、可以实现实时监测等优点，在过去的二十几年中，在材料化学、医药检测、环境监测和食品安全等检测方面有了很大的发展。而在其他检测领域，表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)技术也在不断开拓，在消费品检测中有很好的发展前景。

1表面等离子体共振传感器的工作原理

1.1表面等离子体共振传感器的检测原理

表面等离子体共振现象是发生在金属复合膜表面的一种特殊的物理光学现象。偏振光入射到金属复合膜表面时会产生两种现象：达到全反射时产生渐逝波，金属膜中的自由电子受到激发产生表面等离子体；当入射的偏振光角度达到一特殊值时，渐逝波与表面等离子体的振荡频率相等，产生共振，发生SPR现象，该入射角即为SPR角。SPR角与金属复合膜表面的折射率有关。因此，可以通过分析SPR角，得到分子间相互作用的信息[1-3]。

SPR检测器就是利用SPR共振原理，在金属膜上修饰与目标物能够产生特异性结合的配体物质，当流动相中的目标物质流过金膜表面时，与配体形成特异性吸附，使SPR角发生变化，通过光学信号的变化来反映分子质量的变化，实现定量筛选检测。

1.2表面等离子体共振传感芯片的介绍

芯片是SPR传感器的核心部件，是由金属膜和玻璃片复合制成。考虑到高的反射率和化学稳定性，常采用金作为金属膜。芯片的金属薄膜上的表面基质修饰是检测的核心，直接影响着检测过程的成败。芯片常用的修饰方法有：直接吸附法、共价偶联法、金属螯合法、亲和素-生物素结合法等[4-6]。

1.2.1直接吸附法

直接吸附法分为物理吸附法和化学吸附法。前者是借助疏水作用将固定相修饰在芯片的金属膜表面，该方法操作比较简单，但形成的固定相不稳定，检测误差偏大。化学吸附则是将富含巯基的固定相由Au—S键连接在金膜表面，该方法只适用于个别蛋白质的修饰，没有普遍适用性。

1.2.2共价偶联法

共价偶联法是最普遍的芯片修饰方法。通过末端为巯基Au—S的双功能分子，将金膜与配体连接起来，形成稳定结构。其中，双功能分子一端借助Au—S键牢固地连接在金膜表面，另一端利用偶联剂连接上将配体。根据配体参与偶联的基团不同，又可分为氨基偶联法、羧基偶联法、巯基偶联法和醛基偶联法等。

1.2.3金属螯合法

金属螯合法是在金膜上先螯合上过渡金属的二价离子(如Cu2+)，然后通过过渡金属离子与含有色氨酸、半胱氨酸等的蛋白质的配位连接，可以将蛋白质修饰在金膜表面上。

1.2.4亲和素-生物素结合法

亲和素-生物素结合法是共价偶联法的延伸，先通过共价偶联法将亲和素修饰在金膜上，利用亲和素与生物素的亲和作用，将用生物素标记过的蛋白质修饰在金膜表面上。亲和素-生物素结合法可以将一些无法直接通过共价偶联修饰的蛋白质成功连接到金膜上。

1.3SPR传感器分析方法

SPR的分析方法根据检测原理的不同可分为直接法和间接法两类。直接法仅适用于大分子量物质的检测。间接法是利用不同原理提高信号的强度，可以用于小分子物质的浓度测定和动力学性质研究。如图1所示，最常用的间接法有3种：信号增强法、竞争结合法和竞争抑制法[7-11]。

图1　SPR分析方法示意

1.3.1直接法

直接法，如图1(a)所示，是在金属膜表面修饰上分析物的抗体物质，流动相流经金膜表面时，分析物与金膜上的抗体物质发生特异性结合，从而引发共振信号的变化，该变化与分析物浓度成正比。该方法操作简单，但是仅适用于大分子量物质。该方法的检出限也较高。

1.3.2信号增强法

信号增强法，如图1(b)所示，也是将抗体物质修饰在金膜表面，先通入分析物与抗体结合，然后再将第二种抗体流过芯片，与第一步结合的分析物发生结合。信号增强法的关键就是分析物能与两种抗体结合。因此，该法适用于检测具有多个抗原决定簇的大分子。

1.3.3竞争结合法

竞争结合法,如图1(c)所示，也是将抗体物质修饰在金膜表面，流过金膜的流动相是分析物和高分子竞争物的混合液，分析物与加入的高分子竞争物竞争结合到芯片表面的抗体上。流动相中高分子竞争物的浓度一定，当分析物浓度越高，结合在芯片上的高分子竞争物越少，信号越低。高分子竞争物通常是分析物与高分子载体的连接物，竞争结合法可用于小分子的检测。

1.3.4竞争抑制法

竞争抑制法，如图1(d)所示，与竞争结合法不同，它是用分析物来修饰芯片，常通过分析物-载体蛋白连接物来进行偶联。分析过程则是将抗体和分析物的混合液流过芯片，保持抗体的浓度不变，当分析物的浓度越高时，混合液中的游离抗体越少，结合在芯片上的抗体越少，信号越低。与竞争结合法一样，竞争抑制法一般也用于小分子的检测。

消费品中的有毒有害物质都是小分子，因此一般选择间接法进行分析。比较几种间接法，信号增强法需要找到两种抗体，应用范围有限；竞争抑制法，目标物结合基团分类各不相同，修饰方法可能会存在多样化；竞争结合法，修饰抗体蛋白，方法原理较简单，因此，竞争结合法在消费品有毒有害小分子物质的检测中有一定的应用潜力。

2SPR技术在消费品检测中的应用

表面等离子体共振技术在过去的二十几年中，在食品工业、环境保护、材料科学等方面有了比较迅速的发展，在其他检测领域，SPR技术也在不断突破。与食品工业和环境保护检测的思路相似，消费品检测也是通过对有毒有害残留危害因子的定性定量检测，进行消费品安全性评价和风险评估。因此，从危害因子角度整理了SPR技术的检测能力，探索SPR技术在消费品检测应用的发展潜力。

目前，表面等离子体共振技术在食品工业、医药检测和环境保护领域有了较多应用，主要分为有多环芳烃、酚类、多氯联苯、杀虫剂、兽药残留、生物毒素、激素药物残留、无机重金属等物质，与消费品检测领域相对应，了解SPR技术在多环芳烃、酚类、多氯联苯、杀虫剂、无机重金属等物质检测方法。

2.1有机污染物

2.1.1多环芳烃

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是一类由两个或两个以上苯环以稠环形式相连的化合物，具有致癌性风险。多环芳烃广泛存在于自然环境中，具有生物富集性和半挥发性特点，会在人体中累计从而对人体健康产生危害。

Miura等[12]建立了一种检测苯并芘(BaP)的检测方法。将苯并芘的牛血清白蛋白(BSA)共聚物自组装在芯片表面，通过竞争抑制法原理，检测苯并芘含量。该方法的线性范围为0.01～1000μg/L，芯片表面使用胃蛋白酶溶液进行再生。

Gobi等[13]对于关于苯并芘(BaP)的检测方法进行了更进一步的研究。比较了两种不同的芯片修饰的方法的检测效果，修饰BaP-BSA偶联物的方法和在混合烷链硫醇自组装芯片上修饰BaP类似物的方法。

Kawazumi等[14]利用双通道SPR传感器，建立了同时检测苯并芘(BaP)和2-羟基联苯(HBP)的方法。该方法也是将目标物的BSA偶联物分别修饰在芯片表面，采用抑制法原理，检测了苯并芘(BaP)和2-羟基联苯(HBP)。多通道检测器是SPR技术的发展方向之一，旨在提高检测效率，提高仪器的使用效率。

Wei等[15]开发了一种测定多环芳烃的氧化还原反应电免疫分析方法，合成了一种钌三(联吡啶)-芘丁酸(ruthenium tris(bipyridine)-pyrenebutyric acid)作为氧化还原反应物，利用直接竞争法对多环芳烃进行检测，得到苯并[a]芘和芘丁酸的检测限分别为2.4ng/mL和10ng/mL。

2.1.2酚类

Samsonova等[16]建立了4-壬基苯酚的检测方法。将9-羟苯基壬酸氨基偶联在葡聚糖聚合物芯片涂层上，通入单克隆抗体，采用竞争抑制法原理检测4-壬基苯酚，该方法缓冲溶液中检测限为2ng/mL。

Soh等建立了一种检测双酚A(BPA)的方法。将BPA小分子通过BPA琥珀酰亚胺酯固定在芯片的巯基上，通入BPA单克隆抗体和目标物，利用抑制法原理检测BPA。该方法检出限为10ng/mL。可使用0.01mol/L的盐酸再生芯片[17]。

Matsumoto等建立了另一种检测双酚A(BPA)的方法。与上述方法不同的是，将BPA-OVA偶联物通过物理吸附自组装在芯片上。同样采用抑制法原理检测BPA，该方法检出限为1ng/mL[17]。

Imato等建立了一种检测2,4-二氯苯酚的方法。该方法将2,4-二氯苯酚单抗修饰在芯片表面，利用竞争法原理，通过目标物2,4-二氯苯酚和2,4-二氯苯酚BSA偶联物之间的竞争实现检测。该方法的检出限为20ng/mL[17]。

Wright等[18]建立了一种检测废水中酚类物质的SPR分析方法，选择了几种不同的复合物实现和酚类物质的特异性结合，从而实现酚类物质的检测。

2.1.3多氯联苯

多氯联苯是一种持久性有毒的环境激素，大量使用在石油产品、塑料等行业。由于分子结构的稳定性，它不易降解和消除，长期存在在环境中，对环境的危害持久。

Chang等[19]建立了多氯联苯的检测方法，制备了一种多克隆抗体制备了敏感膜光纤免疫传感器，利用特异性抗体结合反应，实现对多氯联苯的检测。该方法的检测限为10ng/mL。

Shimomura等[20]建立一种快速多氯联二苯(PCB)的方法。该方法使用氨基偶联法，将PCB结合在芯片上，利用竞争抑制法原理检测PCB。该方法检测快速，15min即可完成检测，检出限为2.5ng/mL。

2.1.4杀虫剂

美国服装与鞋类协会(AAFA)定期发限用物质清单(RSL)，清单中会列出世界主要国家和地区对服装和鞋类等消费产品中限用物质要求。2015年清单中亦列出了瑞士、芬兰、日本和韩国等国家对轻纺产品中数十种杀虫剂的禁用限量。

林钊等[21]系统地总结了表面等离子体共振技术在杀虫剂检测中的应用。目前已经建立的比较成熟的检测方法有：有机磷类杀虫剂检测，如毒死蜱等；苯氧羧酸类除草剂，如2,4-D等；三氮苯类除草剂，如Atrazine等；有机氯类杀虫剂，如DDT等；氨基甲酸酯类杀虫剂，如苯并咪唑氨基甲酸酯等；生物杀虫剂，如苏云金杆杀虫剂等。除此以外，研究者[22-23]比较关注的农药检测还有西玛津(simazine)、莠去津、西维因等。同一物质根据芯片原理的不同，可以制定出不同的检测方法。

杀虫剂是属于小分子物质，因此，为了提高检测灵敏度，SPR检测方法主要为采用竞争法进行。为了增大SPR信号响应，亦开发了如金纳米粒子增强信号法和三明治法结合使用等方法。

2.2无机重金属

我国生态纺织品技术要求GB/T 18885—2009、欧盟REACH法规、OEKO-TEX Standard 100、美国《消费品安全改进法案》等国内外法律法规中对纺织品、儿童产品等消费品中的重金属含量和萃取量限用值都做出了严格规定，而且要求也越来越严格。近年来，表面等离子体共振技术在检测重金属的方面都有了很多应用，现在可以通过SPR技术检测的重金属有铜Cu、镍Ni、镉Cd、锌Zn、汞Hg、银Ag、铅Pb等等。

Ock等[24]提出了一种直接检测Cu2+的方法。在芯片上修饰上一层含有特殊染料的高分子，Cu2+与染料结合发生特殊色散现象，芯片表面折光系数发生较大改变。因此，可以利用这种变化检测流动相中的Cu2+。该方法的检出限为1pmol/L。

Forzani等[25]建立了一种检测水中的Cu2+和Ni2+的方法。在芯片上修饰上一层特殊多肽化合物，该多肽化合物可以和重金属Cu2+和Ni2+发生特异性结合，从而实现对离子的检测。该方法的检出限分别为32pM和178pM。

Wu等[26]研制了一种检测Cd、Zn和Ni的方法，将金属硫蛋白通过共价耦合修饰在连接了高分子层的芯片上。金属硫蛋白是对Cd、Zn等重金属可以发生结合作用。该方法有可能直接检测缓冲溶液中低于100ng/mL浓度的Cd、Zn和Ni。

May等[27]建立了一种检测Cd的方法。在金膜表面修饰上尿素酶化合物，尿素酶化合物和Cd发生结合可以改变尿素酶的构象，引起芯片表面折射率的改变，从而实现对Cd的检测。该方法检测线性范围为0～0.01μg/L。

Chah等[28]建立了一种SPR方法检测水中的Hg离子。在金膜上修饰1,6-二硫醇化合物，1,6-二硫醇化合物可以和流动相中的汞Hg2+发生选择性结合，作者同时研究了其他离子如Pb2+、Ni2+、Zn2+和Cu2+的干扰情况，发现该方法中这几种离子并不存在干扰。因此，该法可以实现对水样中汞离子的检测。该方法检测线性范围为0.001～1.0mmol/L。

Jorn等[29]建立了两种检测Hg2+的方法，直接法和间接法。在芯片上修饰聚吡咯膜，该化合物可以和流动相中的Hg2+发生特异性结合。当用直接法时，通入检测样液，利用聚吡咯膜结合Hg2+的折射率变化进行直接测定，该方法的线性范围为0.1～10g/L；当用间接法时，通入检测样液，利用聚吡咯膜结合Hg2+的折射率变化后，再在流动相中添加2-巯基苯并噻唑，可以放大信号，检测下限可降低至10μg/L。

连兰等[30]研制了一种检测Cu2+和Hg2+的方法。制备了一种葡萄糖氧化酶生物传感芯片，流动相中的Cu2+和Hg2+对葡萄糖氧化酶会产生抑制，引起折射率的变化，从而实现铜和汞离子的检测。

Tan等[31]研制了一种检测Hg和Ni的方法。制备了一种脱氢酶生物传感芯片，实现了Hg和Ni的的检测。

Kestwal等[32]研制了一种检测Hg、Ag、Pb和Cd等重金属的方法，制备了一种电化学生物传感器用于Hg、Ag、Pb和Cd等重金属的检测。该传感器的最低检测限为1×10-10mol/L，可应用于重金属离子尤其是Hg2+的现场实时快速检测。

消费品如纺织品、玩具、家纺等中的危害因子主要分为有机物和无机物两大类，目前，对于有机物残留的检测，如禁用染料、增塑剂、环境激素等，主要使用气相色谱、液相色谱、气质联用、液相多级色谱等分析技术，将分析物中的目标化合物和杂质进行色谱分离后，再用不同的检测器进行定性定量分析；对于无机重金属的残留的检测，如禁用重金属铅、镉等，主要使用原子吸收、电感耦合等离子体光谱仪、ICP-MS等仪器进行分析。而基于物理光学原理的SPR技术，对目标分析物有特异性匹配保留，只要更换不同的修饰芯片，一台仪器便可实现无机和有机类危害因子的筛选检测，检测快速高效，因此SPR技术在消费品检测中具有很大的发展潜力。

3结语

在过去的二十几年当中，SPR传感器以对样品要求低、检测灵敏度高、可以实现实时监测等优点，广泛应用于环境监测、食品安全检测、医药学等方面。通过对SPR技术基于有害因子的检测能力的整理，分析了SPR技术在消费品检测应用的发展潜力。由于SPR技术检测过程方便快捷、灵敏度高，且只要更换不同的修饰特异性匹配芯片，一台仪器便可实现无机和有机类危害因子的筛查检测，检测快速高效，因此SPR技术在消费品检测中有很好的发展前景。

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(责任编辑：陈和榜)

Application of Surface Plasmon Resonance Technology in Detection of Consumer Goods Such as Textile

SUNMeirong,WEIMengyuan,LIUFang,DUANJiyuan,XIEQiuhui,LIUMinhua

(Industrial Products and Raw Materials Testing Technology Center, Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Shanghai 200135, China)

Abstract：Surface plasmon resonance biosensing technology is an emerging biochemical detection technology with good development prospect with advantages such as high sensitivity, fastness and needlessness of mark. It is widely applied to such fields as material chemistry, medical detection, environment surveillance and food security. This paper briefly introduces SPR biosensor, focuses on analyzing its application in toxic and harmful residue detection and finally shows the research prospect of SPR biosensing technology in the field of consumer goods detection. As SPR technical detection process is convenient, fast and highly sensitive and one instrument can realize screening detection of inorganic and organic hazard factors as long as different modification specificity matching chips are replaced, SPR technology has good development prospect in consumer goods detection.

Key words：surface plasmon resonance; biosensor; consumer goods; detection

收稿日期：2015-09-16

基金项目：质检总局科技项目(2014IK165)

作者简介：孙美蓉(1970-)，女，上海人，高级工程师，主要从事消费品检测方面的研究。

中图分类号：TS07

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)04-0059-06