食品安全检测中的磁性纳米酶显色技术

刘秀娟，巢玉彬

（临朐县检验检测中心，山东潍坊 262619）

天然酶作为优质生物催化剂，在食品检测领域应用广泛，具有效率高、反应温和等优势，但同时也存在稳定性差、成本高等缺陷。纳米酶可依靠纳米材料的酶促反应动力增强酶反应稳定性，但类酶活性较低，因此其发展受到了限制。磁性纳米酶属于新型纳米酶，可在固体载体上锚定具有催化活性的金属原子，同时具有可控的孔尺寸和大比表面积等优点，能提高类酶活性。研究表明，Fe3O4NPs催化活性有利于显色反应进行，同时稳定性良好，促进了磁性纳米酶在食品检测领域的应用发展[1]。本文从磁性纳米酶显色技术在食品安全检测中的应用着手，展望该技术应用前景，可为设计高活性磁性纳米酶和高效食品安全检测技术提供借鉴。

1 磁性纳米酶显色技术

磁性纳米酶显色技术是利用磁性纳米酶对过氧化物酶的催化活性使底物显色的一种检测技术，具有较强的灵敏度。作为具有催化功能的模拟酶，磁性纳米酶兼具纳米材料性能和类酶活性，在发挥较强催化效力的同时，相对于酶拥有更高的稳定性。从磁性纳米酶应用角度上来看，可分别采用光学分析法和电化学检测法实施目标物检测。其中，光学分析法以比色法为主，需在酸性条件下依靠具有类酶活性的磁性纳米酶吸附H2O2，促使中心节点粒子发生价态改变，使过氧化氢中的O-O键断裂，形成羟基自由基·OH[2]。在3,3'，5,5'-四甲基联苯胺等显色物液体中，·OH能够将无色TMB氧化为蓝色TMBOX。使用分光光度计开展定量检测时，可利用还原性目标物抑制磁性纳米酶的活性，达到控制·OH生成量的目标，且直接观察也能分辨出颜色变化。采用电化学检测法，主要是由于磁性纳米酶和H2O2发生反应，不仅导致体系颜色发生变化，还导致电化学体系性质改变。将邻苯二氨当成底物，利用磁性纳米酶氧化为邻苯二胺聚合物，可根据电化学信号变化，定量检测目标物。相比较而言，采用比色法可简化分析步骤，提高方法准确度。应用该技术研制的比色生物传感器用于物质检测，能够在裸眼条件下观察颜色变化，具有成本低、操作便利和实用性强等特点。

2 磁性纳米酶显色技术在食品安全检测中的运用

2.1 在农兽药残留检测中的运用

在食品残留农药检测方面，采用Fe3O4NPs-乙酰胆碱酯酶-胆碱氧化酶比色传感器，能够依靠磁性纳米酶显色原理对神经毒素类、有机磷类农药实施检测。在农药作用下，乙酰胆碱酯酶的活性将受到抑制，导致乙酰胆碱在氧化酶的催化作用下产生H2O2，抑制显色反应。采用该技术能够筛查乙酰磷酸盐等有机磷农药，检出限能够达到5 μmol·L-1，检测沙林等神经毒素，最低检出量为1 nmol·L-1。但在毒死蜱等农药检测方面，方法选择性不高，需要通过添加生物识别适配体解决问题。具体来讲，就是在Fe3O4NPs磁珠表面固定毒死蜱cDNA标记，通过信号探针实现碱基互补，遇到毒死蜱后脱离磁珠，导致酶活性受到抑制，达到影响显色的目标，检出限可达到4.4 ng·mL-1[3]。在兽药检测方面，应用该技术可检测四环素类抗生素。在抗生素分子对磁珠表面二价铁和三价铁离子产生较强吸引力的情况下，能够发生芬顿反应，将H2O2氧化为TMB，检出限能够达到45 nmol·mL-1。在强力霉素、土霉素等兽药检测方面，应用该技术检出限分别达到48 nmol·mL-1和26 nmol·mL-1，相较于农药，兽药检测灵敏度有所下降。出现这一情况，主要是受到基质复杂、残留种类多等因素影响，可通过结合特异性识别元件实现痕量兽药精准检测。例如，在磁珠上标记氯霉素对抗体等，利用比色免疫分析法研制生物传感器，可达到0.03 nmol·L-1的检出限，适用于检测鸡蛋、牛奶等各种复杂基质食品中的残留兽药。

2.2 在食源性病原体检测中的运用

食源性病原体为可引发食源性疾病的细菌、病毒和寄生虫等物质，如沙门氏菌、大肠杆菌、李斯特菌和诺如病毒等，将引发食品污染及安全问题。现阶段，采用磁性纳米酶显色技术可对多种致病菌进行检测，具有操作简单、快速等特点。例如，在沙门氏杆菌检测方面，根据碱基互补配对原则，通过在Fe3O4NPs和AuNPs表面固定适配体，利用短链ssDNA修饰材料表面，可与沙门氏菌表面长链ssDNA互补，构成夹心型纳米复合材料，经过磁性富集后，可将溶液由红色变为淡红色，检出限达到10 CFU·mL-1。在李斯特菌检测上，通常采用催化性能更优的Fe3O4NPC磁性纳米酶，将TMS当成是显色底物，利用适配体修饰后的比色探针，检测牛奶中细菌含量，检出限可达到5.4×103CFU·mL-1。实际对李斯特菌的三明治结构进行捕捉，采用基于Ag纳米酶调控的AuNPs纳米酶拥有较好特异性，通过与磁性纳米酶结合，并通过磁珠和抗体修饰方法催化邻苯二胺氧化，促进聚集体聚集，可使溶液由蓝变红，用于对猪肉中的李斯特菌进行检测，可达到10 CFU·mL-1方法检出限[4-5]。在大肠杆菌检测方面，可将生物酶和磁性纳米酶串联起来，加强对H2O2氧化二氨基联苯胺催化，相较于胶体金试纸条能够达到更高灵敏度，检出限为2 CFU·mL-1，可为现场活菌检测提供有力技术支撑。此外，在诺如病毒检测方面，需要利用核酸适配体，修饰磁性纳米酶，充分发挥对类过氧化物酶催化活性的吸附抑制作用。运用该技术对病原体给予现场检测，相较于常规ELISA试纸等可达到更高灵敏度，并在10 min内出结果。

2.3 在重金属离子检测中的运用

在食品中重金属离子检测上，采用核酸适配体，修饰磁性纳米酶表面，能够加强催化活性控制，为实现Pb2+、Cd2+等离子检测提供支持。在溶液中不含有金属离子的情况下，Fe3O4NPs催化活性将受到适配体抑制，不会发生明显颜色变化。在溶液中含有特定金属离子时，可与适配体进行特异性结合，脱离酶表面，提升酶活性，促进显色反应发生。应用该技术研制比色传感器，能够在50 min内对特定重金属离子进行检测，如在Cd2+检测上可达到0.108 μmol·L-1的方法检出限，在Pb2+离子检测上检出限为0.117 μmol·L-1。但采用的适配体属于小分子物质，筛选难度较高，将造成技术应用成本过高。为降低成本，采用带有POD活性的Fe3O4@ZIF-67-GSH-H2O2-TMB显色体系进行重金属离子检测，可利用谷胱甘肽对材料表面进行修饰，使磁性纳米酶获得清除自由基的能力。采用该技术对Hg2+离子进行检测，在发生催化氧化反应的过程中，GSH可对TMB氧化产生抑制作用。而溶液中存在金属离子，能够与GSH中硫醇基团结合，使溶液变色，检出限能够达到 0.36 nmol·L-1。

2.4 在食品添加剂检测中的运用

在食品生产过程中使用过量添加剂或国家禁用添加剂，也将带来安全问题。应用磁性纳米酶显色技术检测添加剂，可检测牛奶等食品中的过氧化氢等抑菌剂，依靠酶大表面积和活性位点研制基于纸基的生物传感器，能够完成比色检验，达到0.03 μmol·L-1检出限，体现较高选择性和灵敏性。对三聚氰胺等非法添加物进行检测，可知溶液中同时存在H2O2时，将率先发生反应降低·OH浓度，导致溶液显色不明显。利用磁性纳米酶偶联TMB-H2O2反应，完成比色传感器开发，能够实现奶粉等食品中的三聚氰胺定量检测，检出限达到0.2 nmol·L-1。亚硝酸盐作为食品防腐剂，含量较高将诱发癌症，采用磁性纳米酶检测，需要发挥AuNPs的协同作用，通过诱导AuNPs聚集提高类酶活性，增强显色，检出限能够达到60 nmol·L-1。检测GSH等食品抗氧化剂时，可采用带有OXD活性的磁性纳米酶，研制比色传感器矩阵，同时定量检测单个抗氧化剂，检出限为100 nmol·L-1。采用传感列阵形式，能够对多个物质进行检测，同时区分不同抗氧化剂，解决待测物相互干扰问题。目前，在食品添加剂检测上，磁性纳米酶显色技术应用实例较少，检出限稍高，未来需要加强研究，为实现食品安全快速检测提供新思路。

2.5 在真菌毒素检测中的运用

真菌广泛存在于环境中，其产生的毒素将污染食物，并威胁人体健康，因此需要加强真菌毒素检测。目前，磁性纳米酶传感器也能用于检测真菌毒素，具有灵敏、快速等优点。例如，在黄曲霉毒素检测上，采用比色免疫传感器具有较高的检测灵敏度，可通过磁性纳米酶对TMB氧化产生催化活性，但需要搭配使用二维结构氧化锰纳米片，获得超高比表面积，强力吸附TMB。在溶液中存在黄曲霉毒素的情况下，能够减少氧化锰溶解生成的离子，确保抗坏血酸氧化酶保持较高浓度，使溶液发生明显颜色变化。采用标记的纳米金和磁珠偶联，可发生竞争反应，对花生中黄曲霉毒素进行测定，检出限达到0.02 nmol·L-1。采用该方法检测玉米中的赭曲霉毒素，加入适配体屏蔽酶表面活性点位，抑制显色反应，在溶液中存在待测物时，可加重显色反应程度，达到0.19 nmol·L-1的方法检出限。实际应用显色技术检测真菌毒素，需要对天然酶和磁性纳米酶催化反应进行耦合，并通过适配体识别提高方法灵敏度和稳定性。

3 结语

综上所述，磁性纳米酶显色技术用于食品安全检测，能够突破纳米酶应用存在的活性低、稳定性差等问题，通过高效催化和控制类酶活性，实现各种有毒有害物质的定性检测和定量分析。但总体来看，磁性纳米酶的种类较少，在部分目标物检测中，需要借助适配体等增强选择性，因此，应通过结构设计、形貌调控等方式，完成可实现特异识别的材料研制，有效拓展技术应用范围。此外，磁性纳米酶显色技术主要用于对单一目标物进行检测，未来想要用于现场高效检测，还需引入微流控芯片技术等实现多目标物同时检测，为该技术迎来较好的发展前景。