納米技術(shù)在添加劑安全檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

王言之，呂夢(mèng)琪，王思蓉，張靜姝，3

（1.南京醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，南京 211166；2.南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南京 211166；3.江蘇省醫(yī)藥農(nóng)藥獸藥安全性評(píng)價(jià)與研究中心，南京 211166）

食品添加劑，指出于提升食物色香味或防腐保鮮抗氧化等目的添加到食品當(dāng)中的天然或人工合成化合物[1]，可分為增稠劑、乳化劑、被膜劑等多個(gè)類型。我國(guó)最早自20世紀(jì)五十年代起就對(duì)添加劑實(shí)施監(jiān)管[2]，后于1997年和2007年頒發(fā)了《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》并進(jìn)行修訂。而國(guó)外FAO 和WHO 于1956年建立了國(guó)際食品添加劑法典委員會(huì)（CCFA）進(jìn)行添加劑的安全評(píng)估，國(guó)際食品添加劑法典委員會(huì)（CCFA）則負(fù)責(zé)通用標(biāo)準(zhǔn)的制定。

在限制添加劑用量和適用范圍的基礎(chǔ)上，規(guī)范生產(chǎn)行為、保障人民健康的社會(huì)需求對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了較高要求。早在20世紀(jì)60年代末，高效液相色譜法得到發(fā)展并被用于食品與藥品檢測(cè)，隨后離子色譜法、分子光譜法、色質(zhì)聯(lián)用法等相繼被提出和實(shí)踐。但在對(duì)檢測(cè)水平的要求不斷提升的背景下，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法暴露出檢測(cè)限度有限、操作流程復(fù)雜、易受環(huán)境干擾的缺點(diǎn)[3]。隨著納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、機(jī)械工程等領(lǐng)域[4]，結(jié)合納米材料的新型食品添加安全檢測(cè)技術(shù)被提出并得到良好實(shí)踐。

1 食品添加劑的違規(guī)行為

目前使用食品添加劑的違規(guī)操作主要包括以下類型：（1）超限量使用；（2）超范圍使用；（3）未經(jīng)許可使用不在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)名錄的添加劑；（4）產(chǎn)品標(biāo)識(shí)中對(duì)添加劑使用情況未清楚說明。近年來，用工業(yè)級(jí)化工產(chǎn)品偽冒食品添加劑亦成為衛(wèi)生監(jiān)管的重點(diǎn)問題[5]。合理合法地選用添加劑可在提升食品的穩(wěn)定性及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)減低生產(chǎn)加工轉(zhuǎn)運(yùn)成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方和食用者的互利共贏，而不規(guī)范不合法的食品添加行為或掩蓋食品的質(zhì)量缺陷[6]，對(duì)食用者產(chǎn)生顯在或潛在的健康危害。

2 納米粒子的分類與性質(zhì)

納米量級(jí)顆粒指在至少一個(gè)測(cè)量維度上小于100 nm 的微觀顆粒[7]，目前對(duì)納米材料的研究與開發(fā)集中在幾個(gè)方向：（1）碳納米管、石墨烯等碳納米材料；（2）納米金、納米銀等貴金屬納米材料；（3）磁鐵礦、磁赤鐵礦等磁性納米材料。不同種屬的納米材料經(jīng)適當(dāng)改性可獲得穩(wěn)定性好、生物相容性好[8]的共性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具備各自的特有屬性。碳納米管電位窗口寬[9]，原子內(nèi)P 電子形成多個(gè)π 鍵而使碳納米管具備顯著的共軛效應(yīng)，基于碳納米管構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)模型隨長(zhǎng)度不均勻性的上升出現(xiàn)導(dǎo)電性能的加強(qiáng)。貴金屬材料中尤以納米銀生物催化活性較好，Grosser Anna 等[10]以污泥為反應(yīng)模型驗(yàn)證了納米銀對(duì)厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)的正向影響，而國(guó)內(nèi)方艷等[11]報(bào)道納米銀可通過與巰基反應(yīng)滅活病原蛋白起到抗菌作用。

3 結(jié)合納米技術(shù)的檢測(cè)方法

3.1 磁固相萃取技術(shù)

樣品前處理是對(duì)食品分析過程中不可或缺的一環(huán)，不僅耗時(shí)占比長(zhǎng)，且易因操作不當(dāng)帶來數(shù)據(jù)誤差。考慮到納米材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)越的比表面積[12]，以納米級(jí)材料代替普通材料用于樣品分析已成為新趨勢(shì)，基于磁性納米材料的磁固相萃取技術(shù)隨之得到發(fā)展以解決納米材料質(zhì)量過輕難以回收的問題。

實(shí)際條件下，以磁鐵礦（Fe3O4）、磁赤鐵礦為典型的磁性納米顆粒易團(tuán)聚[13]，萃取效率低，故而往往制備及選用衍生化磁性納米顆?；蛱技{米管、石墨烯等用作磁固相萃取中的吸附劑。Xiao 等[14]將制備的磁性氧化石墨烯（GO@Fe3O4）復(fù)合材料作為磁固相萃取吸附劑對(duì)食品樣品中香精類添加劑進(jìn)行富集，通過對(duì)吸附時(shí)間、酸堿度、吸附劑質(zhì)量等萃取條件進(jìn)行優(yōu)化，建立了一種較為高效的MSPE-HPLC法，在擬定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下加標(biāo)回收率可達(dá)到71.5%～112.4%。張曉婷[15]采用一步溶劑熱法對(duì)磁性石墨烯用聚乙烯亞胺修飾，解決了Fe3O4納米顆粒易從石墨烯表面脫落的問題，基于這種新型磁性納米合成材料建立的MSPE-HPLC 法在對(duì)飲料中檸檬黃等合成色素的定量檢測(cè)中展現(xiàn)出高精密度。目前從整體而言，我國(guó)磁固相萃取技術(shù)剛剛起步，在磁核包覆材料的種類、用量的選擇等方面仍然存在優(yōu)化空間[16]，磁性氧化石墨烯表面接枝的氨基鏈數(shù)及結(jié)合位點(diǎn)數(shù)或可進(jìn)一步擴(kuò)大以提高富集效果。

3.2 表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)

傳統(tǒng)的拉曼光譜存在靈敏度偏低的不足[17]，而表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)可通過增強(qiáng)樣品（近）表面的電磁場(chǎng)誘導(dǎo)激發(fā)區(qū)域內(nèi)吸附分子的拉曼散射信號(hào)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)[18]，從而獲得常規(guī)條件下難以精確的結(jié)構(gòu)信息（低達(dá)單分子水平）[19]。SERS 增強(qiáng)基底中最常采用的為金[20]、銀[21]等貴金屬納米粒子，不僅制備工藝簡(jiǎn)單且表面增強(qiáng)拉曼散射活性高，已在對(duì)倍硫磷[22]、多菌靈[23]等農(nóng)藥殘留物及各類添加劑的分析中得到良好應(yīng)用。夏美晶等[24]制備了一種光纖球結(jié)構(gòu)表面包覆銀納米顆粒的高靈敏便攜式表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)檢測(cè)探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)辣椒、瓜子等常規(guī)食品中甲基橙、結(jié)晶紫等添加劑的檢測(cè)，以光學(xué)透明聚合物包覆銀納米顆粒的設(shè)計(jì)，充分考慮了金屬銀易被氧化的化學(xué)特征，延長(zhǎng)了探針的使用壽命。

采用表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)進(jìn)行添加劑的檢測(cè)主要分為兩種操作方法，一是從食品樣品表面提取待測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到表面增強(qiáng)拉曼散射襯底上進(jìn)行檢測(cè)；二是用SERS 襯底直接對(duì)樣品進(jìn)行吸附，將所測(cè)的光譜數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比對(duì)。二者均對(duì)SERS 襯底的選擇提出了較高要求，相較于以導(dǎo)電玻璃為代表的傳統(tǒng)剛性材料，納米材料與具備彎折性承載物的結(jié)合在襯底的適用性上展現(xiàn)出更優(yōu)越的前景。纖維素纖維[25]、膠帶[26]、靜電紡絲[27]等柔性材料易于獲取且便于加工，可與受檢樣品的凹凸表面形成良好接觸，高效提取待測(cè)成分。目前SERS 技術(shù)的優(yōu)化方向主要是提高靈敏度、穩(wěn)定性、選擇性幾個(gè)方面?；ò?duì)頪28]、海綿狀[29]材料的設(shè)計(jì)與使用增大了傳感器/探針的表面積，通過調(diào)控形貌可提供更高效、豐富的表面增強(qiáng)拉曼散射熱點(diǎn)。

3.3 納米電化學(xué)傳感技術(shù)

采用電化學(xué)傳感器進(jìn)行定性/定量分析的原理是由感應(yīng)器識(shí)別待測(cè)物的反應(yīng)信號(hào)，傳達(dá)至信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將初始的信號(hào)（通常為化學(xué)或生物）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大后投遞至顯示器，從而對(duì)待測(cè)物的濃度進(jìn)行量化分析[30]。基于納米材料有良好的生物相容性及特殊的導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)，電化學(xué)傳感器與納米材料的有機(jī)結(jié)合使活性位點(diǎn)明顯增多[31]，增強(qiáng)了電信號(hào)的可檢測(cè)性，在食品添加劑及農(nóng)藥殘留檢測(cè)中得到良好運(yùn) 用。

酶電流傳感器[32]和無酶型電化學(xué)傳感器[33]目前應(yīng)用較多，設(shè)計(jì)原理分別為酶活性抑制及電化學(xué)氧化還原反應(yīng)，各有其適用范圍。Dou 等[34]將多壁碳納米管用于絲網(wǎng)印刷電極的修飾，構(gòu)建了一種新型電化學(xué)免疫傳感器，可將端口與電子設(shè)備相連，對(duì)克倫特羅進(jìn)行6 min 快檢。除克倫特羅、三聚氰胺等有害添加物外，電化學(xué)傳感器對(duì)以日落黃[35-37]為代表的合成色素以及以香蘭素[38]為典型的食品用香料也展示出高效的檢測(cè)能力。戈鈺[39]構(gòu)建了快速檢測(cè)特布他林（TRA）的電化學(xué)納米傳感電極，較寬TRA 線性檢測(cè)范圍為0.44～43.37 μm，和高效液相色譜法相比，靈敏度更高，在肉類及飼料中瘦肉精的檢測(cè)方面取得了顯著成效。隨著工藝的優(yōu)化與改進(jìn)，納米電化學(xué)傳感器有望進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化操作步驟，實(shí)現(xiàn)家庭層面的普及。

3.4 其他

除電化學(xué)傳感器外，對(duì)納米材料的深入研究也帶來了熒光傳感器[40]、比色傳感器[41]的技術(shù)突破。李貞相等[42]通過金納米團(tuán)簇和碳點(diǎn)雜化搭建了一種雙發(fā)射的比率熒光探針，對(duì)亮藍(lán)的線性檢測(cè)范圍為0.2～15 μm，檢出限為0.06 μm，在紫外燈下有優(yōu)越的比色效果。Kashani 等[43]報(bào)道，納米金在加入不同制劑后表現(xiàn)出不同的聚合及顯色行為，提示納米比色傳感器或可應(yīng)用于混合制劑的檢測(cè)。此外，基于納米材料和適配體搭建熒光生物傳感器亦是近年來國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，Jiao 等[44]開發(fā)了一種基于核酸適配體介導(dǎo)的新型生物傳感器，對(duì)啶蟲脒的檢測(cè)限為0.04 ng/L，與碳點(diǎn)聚集導(dǎo)致的熒光猝滅行為有關(guān)。納米材料與不同識(shí)別元件的結(jié)合在豐富熒光傳感器類型的同時(shí)，擴(kuò)大了適用范疇，突出了熒光傳感器響應(yīng)快[45]、重現(xiàn)度好[46]的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于比色傳感器而言，納米材料尺寸依賴的光吸收性質(zhì)[47]為食品添加劑的快速檢測(cè)提供了新的可能。

4 問題與展望

雖然基于納米材料的幾種新型檢測(cè)方法已被證明有效，但在食品添加安全檢測(cè)中進(jìn)一步推廣其使用仍需解決材料制備及實(shí)驗(yàn)過程中暴露出的種種不足。以表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)為例，食品樣品實(shí)際所在的復(fù)雜環(huán)境會(huì)對(duì)拉曼光譜產(chǎn)生干擾[48]，影響特征峰的識(shí)別，SERS 分析因?yàn)榫_度難以把握而局限在半定量水平[49]，突破到定量尚需排除干擾因素并厘清特征峰強(qiáng)度與待測(cè)物濃度間的數(shù)學(xué)關(guān)系。此外，考慮到納米材料本身分散度較大[50]，實(shí)驗(yàn)人員在檢測(cè)過程中需做好個(gè)人防護(hù)，警惕納米顆粒通過經(jīng)皮及吸入途徑對(duì)人體產(chǎn)生毒性損傷[51]。目前我國(guó)對(duì)于相關(guān)檢測(cè)流程并未確立明確指南，有待積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以建立嚴(yán)格規(guī)范的操作標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，納米特性是一把雙刃劍。一方面，納米量級(jí)微粒具備良好的穩(wěn)定性、生物相容性及獨(dú)特的導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)，和傳統(tǒng)方法相比，基于納米技術(shù)構(gòu)設(shè)的檢測(cè)方法在靈敏度、耗樣量、操作難度方面展露出顯著優(yōu)越性；另一方面，納米顆粒比表面積大、表面活性強(qiáng)，常規(guī)的試驗(yàn)條件下或易受各類因素干擾造成誤差，影響檢測(cè)結(jié)果。目前納米技術(shù)未能大面積推廣的原因主要在于對(duì)相關(guān)理論的研究尚存在空白，可以肯定的是，隨著納米技術(shù)被進(jìn)一步探索和解析，與納米材料配套的實(shí)驗(yàn)步驟得到完善和補(bǔ)充，納米技術(shù)在添加劑安全檢測(cè)方面必能取得更好效果。