基于纳米材料的生物传感器 在食品安全检测中的应用研究

乔敏

摘 要：食品安全是保障民生安全、社会稳定发展的重要问题，而食品安全检测是确保食品安全和食品质量的关键。食品安全检测重要包括对食品中致病微生物、农药残留、有毒有害物质等的检测。近几年来，三聚氰胺、瘦肉精、苏丹红等引发食品安全问题的事件频发，精确可靠的检测手段成为目前食品安全方面最为关注的问题。基于纳米材料的生物传感器具有高灵敏、高通量的优势，因此，文中提出一种基于纳米材料的生物传感器，用于检测三聚氰胺的含量，为食品安全检测领域的发展提供方向。

关键词：纳米材料;生物传感器;食品安全检测

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0072-03

Research on the Application of Biosensors Based on Nanomaterials in Food Safety Detection

Qiao Min

（Jining Quality Metrology Inspection and Testing Institute， Jining 272100， China）

Abstract：Food safety is an important issue to ensure the safety of peoples livelihood and the stable development of society. Food safety testing is the key to ensuring food safety and food quality. Food safety detection mainly includes the detection of pathogenic microorganisms， pesticide residues， toxic and harmful substances in food. In recent years， food safety incidents caused by melamine， clenbuterol and Sudan red have occurred frequently. Accurate and reliable detection methods have become the most concerned issue in food safety. Biosensors based on nanomaterials have the advantages of high sensitivity and high throughput. Therefore， the paper proposes a biosensor based on nanomaterials to detect the content of melamine， which provides a direction for the development of food safety detection.

Key words：nanomaterials; biosensors; food safety detection

0 引言

“民以食为天”，食品是人类进行一切生命活动的基础。“食以安为先”，食品的安全问题直接关系到人类的健康和安全，甚至对于和谐社会的构建、国家经济的发展都有较大的影响。近几年来，由食品安全问题引发的恶性事件频发，重金属元素的严重超标、致病菌微生物的污染、食品添加剂的过量添加、化学试剂残留、农药残留等等问题引发了一系列严峻的食品安全问题，造成的危害和损失不可估量。为了满足社会对于食品安全风险控制的需求，用于快速、灵敏、精确检测食品中化学试剂、添加剂、农药残留等技术的开发和研究变得十分迫切。

针对食品安全问题，世界各国建立了相关的安全标准和分析方法。食品安全相关的分析方法包括生物鉴定法、化学分析发、仪器分析法、活体动物实验等等，这些方法虽然稳定性较好，分析结果相对可靠，但是操作较为繁琐、灵敏性较差，因此急需开发研究可快速、灵敏、精确检测的相关技术。近几年来，科学技术的飞速发展使得生物传感技术逐渐进入人们的视野，尤其是在食品安全领域，将其与材料科学、电化学、生物学等相关学科技术有机融合，可以发挥其绿色、安全、高效、精确等优异的检测性能。本文中结合纳米材料技术提出了一种量子点荧光淬灭的生物传感器用于食品安全检测中，主要用于检测食品中三聚氰胺的含量。荧光量子点的生物相容性、稳定性等都较好，而且在其表面进行亲水性基团的修饰便可大幅提高其水溶性，扩展其应用范围。利用胸腺嘧啶与三聚氰胺进行特异性的三氢键结合的特性，将其标记在荧光量子点的表面，使其与三聚氰胺发生特异性反应从而使荧光量子点发生团聚，进一步引发荧光淬灭。当被检测体系中含有不同浓度的三聚氰胺时，通过测定荧光的强度进一步确定三聚氰胺的含量。

1 实验原理

本文中所提及的生物传感器的作用原理主要是，以标记胸腺嘧啶的荧光量子点作为荧光探针，利用其团聚后会发生荧光淬灭的现象对三聚氰胺进行定量检测具体过程如下所述。先用EDC荧光量子点表面的羧基，再与胸腺嘧啶进行偶联反应，从而将胸腺嘧啶标记在荧光量子点表面。在对食品样品进行检测时，如果食品中含有三聚氰胺，则荧光量子点表面的胸腺嘧啶会与其发生特异性的三氢键结合，使荧光量子点发生团聚，荧光淬灭，荧光强度减弱，根据荧光强度的变化确定食品样品中三聚氰胺的含量。该种方法检测时抗干扰性较强，另外由于荧光发光检测的灵敏度较强且背景较弱，因此，在检测三聚氰胺时具有较高的灵敏度。

2 实验部分

2.1 試剂与仪器

实验试剂。表面修饰有巯基乙酸的荧光量子点（CdSe/ZnS），胸腺嘧啶，N-乙基-N'-（3-二甲基氨基丙基）碳二酰亚胺（EDC），15mm的硼酸缓冲液，奶粉，纯净水等。

实验仪器。日立F-7000荧光分光光度计、Delta320pH计、贝克曼超速离心机等。

2.2 荧光量子点与胸腺嘧啶偶联反应

在避光的环境中，向离心管中加入适量的荧光量子点和N-乙基-N'-（3-二甲基氨基丙基）碳二酰亚胺（EDC），活化10min之后，再向离心管中加入一定量的胸腺嘧啶，混合均匀后，在室温条件下静置12h，使其充分反应。随后将离心管中的混合溶液转移到离心管中，于5000r/min的转速在离心机上离心8min。去掉上层滤液，加入一定量的硼酸缓冲溶液，待溶解后继续离心，取出上层清液，并转移至经灭菌处理的离心管中，于4℃环境下避光保存，即荧光量子点生物传感器。

2.3 三聚氰胺的检测

取适量的上述溶液，分别与不同浓度的三聚氰胺标准溶液混合均匀，待反应15min后，取适量的溶液测定其荧光强度。

3 结果和讨论

3.1 缓冲液pH 值和反应时间的优化

为了避免硼酸缓冲溶液的酸碱性对荧光量子点生物传感器的影响，在进行检测之前，先通过实验确定了硼酸缓冲溶液不同pH值时荧光量子点生物传感器的荧光强度。固定荧光量子点生物传感器的浓度，然后选取不同pH值的硼酸缓冲溶液进行荧光强度的测定，硼酸缓冲溶液的pH值分别选取5、6、7、8、9，得到如图1所示的结果。

由图1中可以看出，硼酸缓冲溶液会影响荧光量子点生物传感器的荧光强度，在其pH值为7时，荧光量子点生物传感器的荧光强度最大，因此，在本文实验中所采用的硼酸缓冲溶液的pH值为7。

另外，避免因反应时间的长短对检测准确度的影响，在检测前还进行了荧光量子點生物传感器与三聚氰胺不同反应时间后的荧光强度变化实验，得到如图2所示的结果。

如图2可知，随着时间的变化，荧光量子点生物传感器的荧光强度基本无变化，因此，可以判断，反应时间对荧光量子点生物传感器的检测效果没有影响，说明荧光量子点生物传感器与三聚氰胺的反应速度较快，不会受到时间的影响。

3.2 荧光量子点生物传感器的分析性能

图3所示为荧光量子点生物传感器在检测不同三聚氰胺浓度的样品时所表现出的荧光强度变化曲线。

由图3中曲线可以看出，随着样品中三聚氰胺含量的增多，荧光量子点生物传感器的荧光强度逐渐减弱，发生荧光淬灭现象。从荧光量子点生物传感器的荧光强度随三聚氰胺浓度变化关系上来看，在三聚氰胺浓度C为5～1000μmol/L的浓度范围内，荧光量子点生物传感器的荧光强度与三聚氰胺浓度的对数呈现出一定的线性关系，具体的关系曲线如图4所示。

荧光量子点生物传感器的荧光强度I（A）与三聚氰胺浓度C的线性回归方程为：

I（A）=1516.60-359.95 log（C ）

线性回归方程的相关系数为0.998，表明荧光量子点生物传感器的荧光强度与三聚氰胺浓度具有较好的线性关系。

4 实验验证

为了确定荧光量子点生物传感器检测三聚氰胺的精确性，本文中通过向不含三聚氰胺的奶粉中加入不同质量的三聚氰胺标准物的方法进行验证，待测样品中三聚氰胺的理论浓度分别为50μmol/L、100μmol/L、200μmol/L、500μmol/L、1000μmol/L。通过荧光量子点生物传感器检测得到如表1所示的检测结果。

由表1中的数据可知，荧光量子点生物传感器检测结果的准确性在90%～96%范围内，说明检测结果较为可靠，证明荧光量子点生物传感器可以用于食品样品中三聚氰胺含量的检测中，且检测结果的可靠性较强。

5 结语

科技水平的提高以及人民生活水平的提高对于食品安全检测技术都提出了更高的标准，传统的检测方法在检测时间、准确度、稳定性方面都有所欠缺，因此难以达到现在对检测的要求标准。近几年来，纳米材料的发展使纳米材料技术逐渐成熟，纳米材料技术在众多领域的相关技术中都发挥了巨大的优势，解决了一些列其他技术难以攻克的问题。尤其是其在检测领域中，将纳米材料技术与检测技术相结合，可以产生多种检测时间短、准确度高、灵敏性和稳定性均较好的检测方法，进一步改善检测技术在各个领域的研究现状。荧光量子点生物传感器结合了纳米材料技术，将其用于食品中三聚氰胺的检测，检测速度快、稳定性好，且通过实验验证了其检测结果的准确性，对于食品安全的保障具有重要意义。

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