量子点及基于量子点的分子印迹荧光传感体系在食品中的应用

□ 王青华 齐善厚 衡水学院 耿春辉 范桂强 衡水市食品药品检验检测中心

食品基质复杂多样，在加工、储存、运输和销售过程中，食品会产生或累积对人体健康不利的物质，如农药残留、重金属、激素以及非法添加的物质等。这些物质即使是微量甚至是痕量也会对人体造成严重的危害。近年来，食品安全事件频频发生，引发了人们对于食品安全问题的广泛关注。食品安全是关系国计民生的重大问题，食品安全检测越来越重要，因此，需要在食品检测方面建立高效、快速、高灵敏度的检测方法以保障国家的食品安全。

随着纳米技术的飞速发展，涌现出许多具有特异识别性能的新型纳米材料，提高和改进了许多物质的分析检测方法和水平。基于纳米材料量子点的分子印迹荧光传感技术可以实现对食品中微量甚至是痕量目标分析物的快速、高灵敏、特异性检测。基于量子点构建的传感系统是近几年发展起来的一种新型食品安全检测方法，具有很大的应用潜力。

量子点（Quantum dots，QDs）是准零 维（Quasi-zero-dimensional）的 荧 光纳米晶体，在三个维度上的尺寸均在1～100 nm，量子点一般是由元素周期表中Ⅱ—Ⅵ族（CdS、ZnSe、CdTe、CdSe、HgS等）或者Ⅲ—Ⅴ（如InP、InAs等）族元素组成的半导体材料，又叫半导体纳米晶体（Nanocrystals，NCs）。又由于其物理尺寸小于其自身激子的波尔半径（原子旋转轨道的第一圈半径），因此将量子点界定为颗粒[1]。量子点具有优良的光学性能，如发射峰可调且带隙较窄、光稳定性优良、荧光量子产率高和生物相容性良好[2]等，被广泛应用于食品、环境以及医药等分析检测领域。

分子印迹聚合物（Molecule imprinting polymers，MIP）是一种根据锁钥原理人工合成的具有强特异性的新型高分子材料，也被称为“分子烙印”。抗原和抗体组成的特异性的天然生物识别体系中，抗原和抗体都是蛋白，具有稳定性差，成本高，易受外界物理化学条件影响等缺点，在应用上具有很大的局限性，为了改进这些弊端，根据抗原抗体特异识别的原理而发明了分子印迹技术。分子印迹聚合物具有不受外界条件的影响、稳定性强、制备简单和成本低等优点，近年来在物质分离和分析检测等领域得到广泛的应用[3]。

近些年来，许多研究者们将分子印迹的特异识别性与荧光检测的高灵敏度相结合制备了分子印迹荧光传感器。该传感器与传统的生物传感器相比，除了具有良好的选择性和识别性、高的灵敏性，还具有良好的机械稳定性和检测成本低、检测时间短等优点，因此将分子印迹技术和量子点联用构建分子印迹荧光传感体系已成为食品安全、环境检测和公共卫生等领域研究的热点。

本研究将对量子点在食品方面的应用及将量子点和分子印迹技术联用在食品中的应用进行综述。

1 量子点在食品科学方面的应用

量子点在生物科学方面的应用已经日趋成熟和完善，近年来科学家们开始研究量子点在食品科学方面的应用，量子点在食品科学方面将具有很大的发展潜力。

1.1 食源性病原菌的监测

量子点在食品科学方面的重要应用是检测食源性致病菌（如大肠杆菌和李斯特菌属）。研究者探索了利用量子点作为荧光标记物，同时检测大肠杆菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌[4]的方法。后来Wang 等[5]报道了可用量子点检测多种属细菌（大肠杆菌属和李斯特菌属），在3类病原菌中，利用量子点可以分离和检出85%以上的病原菌。

目前，绝大多数的研究是将量子点与抗体结合作为识别原件，对抗原进行特异性识别。近几年科学家又研发出一种新的方法，将寡核苷酸微阵列与量子点结合作为荧光标记物，根据核苷酸的配对原则，成功区分和检测微生物，此方法具有很强的特异性、稳定性和灵敏性[6]。

1.2 蛋白追踪

蛋白质是食品的重要组成部分，它在保持食品营养和食品结构方面发挥着巨大的作用。面筋决定面团的弹性和粘性，从而决定整个面团的质量。要使面团具有良好的弹性，需要对面团中的面筋进行研究和控制，传统的研究面筋的方法是从面团里提取出面筋后再研究测定，但这样的研究方法存在一定的局限性，因为面筋脱离了本来的组织状态，很难做到实质性的研究，因此研究者提出了用量子点追踪蛋白质，这样可以在固有组织中研究面筋的存在状态和分布情况[7—9]，在此方面的研究应用将是食品科学领域的一大研究主题，将具有很大的发展空间。

1.3 其他应用

1.3.1 风味化合物—香草醛的检测

科学家们正在不断开拓量子点新的应用领域，比如用β—环糊精（β—CD）修饰的CdSe/ZnS量子点构建检测食品中香草醛的光学传感器[10]。在本研究中，香草醛传感器是基于香草醛和β—环糊精主客体间选择性相互作用的原理发明的。β—环糊精结合到CdSe/ZnS量子点上，使量子点表面有大量的结合位点，从而可以很好地与香草醛结合。

1.3.2 三聚氰胺的检测—三聚氰胺传感器

三聚氰胺的检测，除了传统的方法外，科学家们研发了一种新的方法，该方法基于第二代抗体耦合量子点，又称为快速灵敏的间接竞争性荧光—结合免疫吸附测定（iCFLISA），这种方法有更低的检出限（3.88 ng·mL—1），普通的 ELISA 方法的检出限为 ng·mL—1[11]。

1.3.3 过氧化氢H2O2的检测

近年来，有研究者用由羧甲基纤维素包覆的量子点作为荧光探针鉴定过氧化氢是否存在。可以用于确定和保持牛奶和钙片中过氧化氢的量[12]。

1.3.4 检测农药和杀虫剂

量子点也可用来检测蔬菜中残留的有机磷农药，有文献报道了[13]基于核壳型的水溶性量子点CdTe/CdS，建立了一种选择性和灵敏性都很高的毛细管电泳法，该方法可用于检测有机磷农药（比如速灭磷、伏杀硫磷、甲巯咪唑和二嗪磷等）。

2 基于量子点的分子印迹荧光传感体系在食品安全检测方面的应用

自1998年Alivisatos等人[14]和Nie等人[15]进行开创性研究以来，基于QDs的荧光化学传感体系的构建激发了各方面研究者的极大兴趣。当前，将QDs的光学特性与分子印迹聚合物的特异识别性相结合制备分子印迹荧光传感材料，可实现在复杂环境条件下对目标物的高灵敏度和高选择性的分析检测，成为时下热门的研究方向。

2.1 检测小分子物质

研究者们利用量子点和分子印迹联用技术实现了对爆炸物、农兽药残留及环境污染物等方面的检测。

Xu[16]课题组选用三硝基酚（TNP）作为假模板，通过溶胶—凝胶过程合成了用CdTe量子点包裹的分子印迹聚合物（DMIP@QDs），构建了荧光传感体系，基于电荷转移荧光猝灭机制实现了对2，4，6—三硝基甲苯（TNT）的检测。

Zhou等[17]合成了基于石墨烯量子点（GODs）的分子印迹荧光传感器，用于检测水样品中的硝基酚（4—NP）。采用水热法合成了SiO2@GODs，然后加入功能单体APTES和交联剂TEOS，在SiO2@GODs表面可以合成一层MIPs。测定基本原理为电子从GQDs（供体）到目标分子4—NP（受体）时，发生能量共振转移，当4—NP分子重新回到印记空穴时，GQDs的荧光发生猝灭现象。用该分子印迹荧光传感器检测4—NP 时，在0.02～3.00 μg·mL—1的范围内表现出良好的线性，其检测限为 9.00 ng·mL—1。

Liu等[18]对猪肉样品中的莱克多巴胺进行了快速、灵敏的检测，通过功能单体与模板分子的合理组装，在荧光纳米材料量子点表面采用溶胶—凝胶一步聚合法构建了新型分子印迹荧光传感体系，成功实现了对莱克多巴胺的靶向性和快速荧光传感检测，并进一步探索了分子印迹荧光传感体系的分子识别机理。该研究不仅为莱克多巴胺的快速检测提供了新的思路，促进了分子印迹荧光传感体系在食品科学领域的应用和发展，而且开发了一种快速的分析检测方法，从而为食品中其他小分子的检测方法的开发提供了一种思路。

QU等[19]研究了螨胺磷和啶虫脒的检测。原理如下：螨胺磷可选择性猝灭游离的CdTe量子点，利用磺化杯芳烃在水溶液中可通过SO3－基团连接到量子点表面的原理，将复合物逐渐吸收到量子点表面。啶虫脒可选择性地增强QDs的荧光强度，具有浓度依赖性。螨胺磷和啶虫脒的检出限分别1.2×10—8mol/L 和 3.4×10—8mol/L。

2.2 检测蛋白等生物大分子

自20世纪90年代开始，荧光分子印迹传感材料多用于小分子检测方面，但在蛋白等大分子的检测方面很少应用，传统的蛋白检测是借助抗体来实现的，但此方法存在成本高、提取困难、受环境等条件因素的影响比较大的缺点，为了克服以上缺点，研究者们逐渐开发了合成蛋白质分子印迹聚合物，非常适合代替抗体。将其连接到纳米颗粒，如量子点、点等荧光纳米材料上，可以实现对蛋白质的快速检测。

Zhang等[20]基于电子转移的荧光猝灭机理，以CdTe量子点作为荧光材料，SiO2纳米粒子为支撑体，通过溶胶—凝胶法在核壳型SiO2@QDs微球表面沉积合成一层MIPs，然后通过有机溶剂去除模板分子藻蓝蛋白和致孔剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），从而制得具有核壳结构的分子印记荧光传感器，并成功进行了藻蓝蛋白的检测。Zhang课题组还通过溶胶凝胶法制备了基于CdTe量子点的分子印迹聚合物，并将其用于细胞色素C的检测[21]。

此外，有许多研究者将量子点和分子印迹技术用于毒素方面的研究，Fang等[22]首次将量子点分子印迹聚合物荧光传感体系用于玉米赤霉烯酮毒素的检测。

3 展望

国内外研究者将量子点独特的光学特性与分子印迹技术的高特异性相结合，并在食品安全及其他领域进行目标物的简便快速检测，奠定并提供了快速灵敏检测食品中多种物质的方法，但仍需要进一步深入探讨，如量子点与目标物结合引起的荧光变化的机理目前还未进行深入探讨，具体可以从以下几个方面进行深入研究。

①从分子角度研究不同单体和多单体对模板分子的作用机制，深入探讨分子印迹传感器对特定模板分子的选择性，从而拓展分子印迹聚合物的种类和应用。②进一步深入研究分子印迹荧光传感器与靶向分子之间的荧光作用机理，可运用荧光光谱学、分子动力学等相关辅助实验和原理，阐明荧光强度的变化与目标分子浓度、作用时间、温度等变量的关系。③开发更安全、环保且荧光性能优异的量子点荧光纳米材料作为传感器的荧光元件，提高分子印迹传感器的实际应用价值。