基于金银纳米材料光学传感器的构建及其在食品安全快速检测中的应用

平 艺，刘广洋，张耀伟，戚晨雨，吕 军，徐东辉*

（1.东北农业大学园艺园林学院，黑龙江哈尔滨 150030；
2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

随着工业化进程的不断推进，大量污染物通过食品摄入对人类健康造成威胁，因此食品安全问题越来越引起人们的重视。常见的食品安全问题有化学污染、微生物污染和物理污染等。化学污染物有农药、重金属、兽药等，微生物污染物主要有食源性病菌、毒素等[1]。目前，食品安全检测方法仍以传统的色谱、光谱检测为主，如农药常用的检测技术包括液相色谱法、气相色谱法、色谱质谱联用技术等[2]；
重金属检测方法有电感耦合等离子体质谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法等[3]。传统检测方法目前使用较为广泛，但存在操作方法烦琐、预处理要求高、成本较高、耗时较长等缺点。为了解决这一问题，有必要开发易操作、灵敏度高、检测快速、特异性强和经济高效的检测方法[4]。

光学传感器是近些年发展起来的新兴检测技术，可对目标物进行快速、灵敏、特异性识别。目前光学传感器已经与纳米材料科学、医学、农学、生物学等相互渗透和交叉[5]。金银纳米材料因其具有高催化活性、良好的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于催化、燃料电池和生物医学等领域。由于金银纳米材料制备成本较高，合理设计金银纳米材料的结构、形态、尺寸、成分等物理参数，是有效获得特定性能、实现金银纳米材料应用的关键。随着纳米技术与生物学的结合，金银纳米材料已被应用于各种不同的传感器上，其中光学传感器是目前最具前景和适应性的研究技术，已被应用于环境检测、生物诊断、食品安全检测等领域[6]。

本文主要对近些年来金银纳米材料和金-银复合纳米材料的制备方法，以及基于金银纳米材料的光学传感器的构建原理和策略进行了概述，并基于光学传感器响应速度快、灵敏度高、特异性强等优点，重点阐述了其在快速检测农药残留、重金属残留、兽药残留、食源性病菌残留中的应用，并分析了光学传感器存在的问题和发展趋势，以期为光学传感器在未来食品安全检测中提供一个新的思路和理论依据。

金银纳米材料具有优异的化学稳定性（耐腐蚀性和高温抗氧化性）、高导电性、良好的生物相容性，被广泛应用于电子、催化、医疗诊断等领域[7]。由于人们对金银纳米材料需求的不断增长，目前已发展出多种高效的制备方法，包括物理（机械球磨法）、化学（化学还原法）和生物方法（微生物和植物介导法）[8]。

化学法一般指化学还原法。化学还原法是指通过氧化还原反应，将金银纳米材料从盐溶液或有机体系中还原出来，随后通过洗涤、干燥获得粉末状金银纳米材料的方法[9]，是目前应用最为广泛的方法。但是化学法存在费时费力、易对环境造成污染等问题。因此，利用植物介导合成金银纳米材料应运而生，植物介导合成纳米材料具有成本低、快速、操作简便和对环境要求低等优点[10]。LUKMAN等[11]在非光照条件下，将AgNO3水溶液与苜蓿种子渗出液反应，合成了AgNPs并观察到Ag+在1 min内迅速还原，AgNPs的形成率在50 min内达到90%。

随着科技的发展，单金属纳米材料难以满足科研需求，具有更高化学稳定性的金-银复合纳米材料（Au-AgBNPs）引起了广泛关注[12]。该复合材料常用的制备方法有种子生长法、微波辅助法和生物合成法。种子生长法是指首先制备一种元素的纳米材料将其作为种子，在还原剂的作用下，使另一种元素在种子表面成核和生长，然后形成具有核壳或异质结构的双金属纳米材料。目前种子生长法是制备Au-AgBNPs最常用的方法，可以获得尺寸可控、性质稳定的Au-AgBNPs。YANG等[13]利用PVP作为稳定剂，合成了Au-AgBNPs，通过调整金、银两种元素所占比例和银壳厚度来提高其抗菌活性和生物相容性，并首次研究了Au-AgBNPs对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抑菌活性。结果表明，5 nm厚度的Au-AgBNPs或Au∶Ag为1∶1时，Au-AgBNPs具有最高的抑菌活性和良好的生物相容性。

由于金银纳米材料具有独特的尺寸依赖性和光学性能，金银纳米材料常被用于构建光学传感器，其高表面积与体积比使其具有响应快速和灵敏度高的优点[14]。光学传感器由识别原件和信号传输元件两部分组成，主要是通过目标物与识别元件的特异性识别，然后通过比色、荧光和电化学发光等方法生成光信号转换放大成可读的数据，从而对目标物进行定量检测与定性分析[15]。根据获得信号的不同，光学传感器可分为比色传感器、荧光传感器、电化学传感器、表面增强拉曼散射传感器等（图1）。基于金银纳米材料构建光学传感器可以使光学传感器的设计策略得到优化，推动了光学传感器在食品安全检测中的发展。

马翾等[16]利用阳离子聚合物PDDA诱导芘基分子HPTS自组装，基于荧光猝灭的原理构建了硫酸软骨素（Chondroitin Sulfate，CS）荧光传感器。结果表明，在最优实验条件下，加入CS可以恢复传感器在510 nm处的荧光，基于此构建了实际样品中CS的快速分析方法。荧光强度与CS浓度在0～5 μmol·L-1呈现良好的线性关系，检出限为2.8 μmol·L-1，样品回收率在104%～121%。该传感器具有水溶性好、特异性强、可视化等优点。

KHAJVAND等[17]以AuNPs为催化剂，基于鲁米诺（Luminol）-H2O2体系中噻螨酮（Hexythiazox，HXTZ）的猝灭效应，提出了一种化学发光方法来检测HXTZ，同时研究pH、鲁米诺和H2O2浓度对反应体系的影响。在最佳条件下，化学发光强度在0.017～0.42l g·mL-1与HXTZ浓度呈线性关系，检出限为0.011 μg·mL-1。该策略已成功应用于柑橘中HXTZ残留量的检测，结果表明平均回收率在84.0%～95.3%，精度小于6%。该方法具有特异性强、灵敏度高、操作简便等优点，可应用于现场快速检测。

光学传感器被广泛应用于食品安全检测，因为其具有可视化、特异性强、灵敏度高、操作简便等优点，是目前实现食品安全现场检测的重要工具。但是由于其自身热稳定性差及食品基质的干扰，光学传感器可能会输出假阳性结果，因此目前光学传感器的准确性还需进一步提高。

3.1 光学传感器在农药残留检测中的应用

喷施农药是防治病虫害和提高作物质量和产量的重要途径，但农药使用量过高所引发的环境污染和食品安全问题也愈发严峻，对人体健康造成了严重威胁[18]。农药残留在人体内长期积累会对神经系统和免疫系统造成不同程度的损害[19]，并增加患癌症的风险[20]。农药残留对孕妇危害更大，可能导致胎儿畸形和基因突变[21]。农药残留的传统检测方法存在操作要求高、成本较高等缺点。因此，开发高效的农药残留检测方法是目前亟待解决的一个重要问题。

LI等[22]使用三磷酸腺苷（Adenosine Triphophate，ATP）和罗丹明B（Rhodamine B）修饰的金纳米粒子（RB-AuNPs）成功制造了一种用于检测有机磷农药的双模式（比色和荧光）传感器（图2）。在最优试验条件下，其线性检测范围为4.0～15.0 µmol·L-1，检出限为37.0 nmol·L-1。这种检测方法成功应用于自来水样品中的有机磷农药检测，具有很高的准确性和适用性，在实际样品中的应用效果显著。

图2 RB-AuNPs比色法和荧光法检测乙丙磷的机制

SUN等[23]以谷胱甘肽和间苯二胺为原料合成青色荧光碳点（G-CDs）。合成的G-CDs被许多官能团修饰，可以将Au3+还原为AuNPs。由于内部过滤效应，AuNPs会使G-CDs的荧光猝灭，同时在所制备的G-CDs中加入Au3+后，G-CDs的颜色逐渐从浅黄色变为酒红色。根据此效应，SUN构建了一种基于GCDs/AuNPs的荧光比色双模式传感器，用于L-半胱氨酸（L-cysteine，L-cys）和噻唑锌（Zincthiazole，ZTH）的检测。双模式传感器对L-cys和ZTH具有较高的灵敏度和选择性。L-cys的荧光检出限为0.01 µmol·L-1，吸光度检出限为0.10 µmol·L-1，ZTH的荧光检出限为0.035 mg·L-1，吸光度检出限为0.050 mg·L-1。G-CDs/AuNPs传感器已成功应用于牛奶、生菜等实际样品中L-cys和ZTH的检测，具有潜在的应用前景。

JIMENEZ-LOPEZ等[24]利用石墨烯量子点（Graphene Quantum Dot，GQD）和半胱氨酸修饰的AgNPs构建荧光传感器可对草甘膦（Glyphosate，Gly）残留进行检测。Gly猝灭了GQDs-AgNPs系统的荧光，检出限为9 ng·mL-1。将此方法应用于豌豆和羽扇豆的Gly检测，结果表明在两种实际样品中的回收率接近100%，相对偏差低于4%。由于操作简便、反应迅速，该方法已成为目前食品中农药残留检测的重要方法。

3.2 光学传感器在重金属检测中的应用

重金属离子具有高毒性，如铅（Pb）、汞（Hg）、砷（As）、镉（Cd）等[25]，可通过食物链的富集进入人体而危害人体健康[26]。如Pb和Hg会危害人体的神经系统，As慢性中毒会导致皮肤病变[27]，Cd可在人身体中累积造成急、慢性中毒，从而导致腹胀，损坏肾脏甚至瘫痪，因此实现重金属离子的快速检测是目前科研任务的重中之重[28]。

MATHAWEESANSURN等[29]构建了一种基于Au-AgBNPs的比色传感器，可以灵敏和特异性地检测水中的Hg2+（图3）。这种基于Au-AgBNPs的比色传感器能够在Hg2+存在的条件下使Au-AgBNPs溶液的颜色从棕橙色变为紫色。紫外-可见光谱的线性关系表明，此传感器检测Hg2+的线性范围为0.5～80.0 mg·L-1，检出限为0.526 mg·L-1。

图3 Au-AgBNPs对Hg2+的比色响应机制

WANG等[30]构建了一种以DNA-AgNCs作为单个荧光团的新型比率荧光传感器，用于超灵敏和特异性检测Pb2+。单链DNA模板银纳米团簇呈现绿色荧光，通过与其互补DNA链（ds-DNA-AgNCs）形成双链体，在接近特定DNA片段后可将其转化为红色荧光。ds-DNA-AgNCs含有Pb2+依赖性DNAzyme构型的rA切割位点。在存在Pb2+的情况下，特定的DNA片段将从ds-DNA-AgNCs中释放出来，导致DNA-AgNCs的荧光从红色变为绿色。Pb2+可以连续切割rA位点，因此，从红色荧光到绿色荧光的信号变化会被放大。荧光强度与浓度为0.001～10.000 nmol·L-1的Pb2+呈现良好的线性关系，Pb2+测定的检出限为1.0 nmol·L-1，低于大多数Pb2+生物传感器。此传感器对湖水、自来水和人血清样品等实际样品中的Pb2+检测具有良好的特异性。

3.3 光学传感器在兽药检测中的应用

兽药可以及时、有效地预防、治疗畜禽疾病，提高畜禽的抗病性，被广泛应用于畜牧业。兽药主要包括激素、生长促进剂和抗生素等。人体长期摄入兽药残留超标的动物源食品，会出现慢性中毒，最终引发多种疾病，如癌症和激素功能紊乱等。因此，食品中兽药的检测至关重要[31]。

HOSSEINI等[32]基于DNA适体模板AgNCs的荧光猝灭，构建了一种用于检测土霉素（Oxytetracycline，OTC）的荧光传感器。在构建过程中，使用了具有两种不同核苷酸片段的特定DNA支架：一种富含胞嘧啶序列片段（C12），另一种是可选择性结合OTC抗生素的OTC适体片段。DNA-AgNCs的荧光强度与浓度为0.5～100.0 nmol·L-1的靶标溶液呈线性关系，检出限为0.1 nmol·L-1。此传感器为快速测定蜂蜜和水样中的OTC提供了一种可行的方案。

宋亚宁等[33]利用溶剂热法合成具有时间分辨特性的荧光纳米材料NaYF4:Ce/Tb，并基于分子对接辅助设计培氟沙星适配体的互补链。AuNPs与发光纳米材料分别修饰在适配体、互补链上，通过碱基互补配对诱导2种纳米材料间发生时间分辨荧光共振能量转移（Time-Resolved Fluorescence Resonance Energy Transfer，TR-FRET）。在最优条件下，测得此荧光传感器检测培氟沙星的线性浓度为0.2～20.0 μg·kg-1，检出限为0.15 μg·kg-1，牛奶中兽药残留回收率为73.81%～99.86%。

3.4 光学传感器在食源性病菌检测中的应用

食源性病菌是一类以食物链为传播媒介引起食物中毒的致病性病原体，主要包括细菌、病毒和原生动物，属于全世界范围内的公共卫生问题。致病菌种类繁多，且随着抗生素的滥用，细菌耐药性逐渐变强，导致食品安全问题不断加重。因此，实现食源性致病菌的即时检测，对预防食源性致病菌感染，降低由食源性病菌造成的损失至关重要[34-35]。

MA等[36]利用AuNPs的变色效应，研制了一种简单、快速、方便的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）比色传感器（图4）。鼠伤寒沙门氏菌是引起食品相关疾病的食源性病菌之一。将对鼠伤寒沙门氏菌具有特异性识别的适配体修饰到制备的AuNPs表面。适配体可以抑制AuNPs向高浓度NaCl聚集。随着NaCl的加入，暴露的AuNPs在一定程度上会聚集，其颜色由红色、紫色变成蓝色。利用紫外-分光光度计表征AuNPs的吸收光谱，可以发现A700/A521的光强比有规律地变化。线性检测范围为102～107 CFU·mL-1，检出限为56 CFU·mL-1。

图4 基于AuNPs和适配体的鼠伤寒沙门氏菌比色检测示意图

乐莉等[37]利用QDs和AuNPs基于荧光共振能量转移构建了DNA传感器，利用单链DNA互补配对原则检测非洲猪瘟（African Swine Fever，ASF）。在靶DNA缺失的情况下，ss-DNA-QDs（探针1）与ss’-DNA-AuNPs（探针2）杂交，供体QDs与受体AuNPs距离变近，引发荧光共振能量转移效应，QDs的荧光被AuNPs猝灭。在最优条件下，该传感器的检出限为0.72 μmol·L-1，在火腿肠和猪肉饺子等食品中的回收率高达82%～108%。该研究提出了一种简单、快速的检测食品中ASF基因片段的方法。此外，这种策略可以扩展到其他DNA、病毒或蛋白质的传感应用。

肝吸虫（Opisthorchis Viverrine，OV）可诱发胆管慢性炎症。目前常用的检测方法无法灵敏地检测出低浓度的OV抗原。TARON等[38]开发了一种新的荧光检测方法来提高比色法AuNPs-LISA的灵敏度。将邻苯二胺（O-phenylenediamine，OPD）代替比色方法中的四甲基联苯胺（tetramethylbenzidine，TMB）用作显色底物，并引入了表面活性剂Triton X-100，从而极大地增强OPD氧化产物的荧光强度，实现对OV的荧光免疫测定。此方法对OV浓度的动态线性检测范围为34.18～273.44 ng·mL-1，检出限为36.97 ng·mL-1，与比色法相比，检测灵敏度提高了约1 200倍。此方法在实际样品检测中具有很高的灵敏度和特异性。

光学传感器的可视化、检测迅速、操作简便、成本低、可用于现场检测等优点大大提高了食品安全的检测效率，目前光学传感器在食品质量与安全检测中得到了越来越广泛的应用，相关研究仍在不断深入和拓展。食品安全检测追求的目标是灵敏、快速、定性、定量和多残留检测。但是现在光学传感器定性分析的方法选择性不够，实现选择性检测仍是未来的发展方向。

为了直观地对基于金银纳米材料构建的光学传感器进行性能对比，将基于金银纳米构建的光学传感器应用于农药、重金属、兽药、食源性病菌的检测（表1），介绍了不同类型传感器的构建原理、检出限、检测范围、回收率等。

表1 基于金银纳米材料构建的光学传感器的应用总结

随着人们生活水平的不断提高，食品安全问题逐渐成为人们关注的焦点。食品安全检测的目标是快速、操作简便、成本低等。光学传感器作为新型检测技术，在检测传感领域引起了极大的关注。与一些传统检测方法相比，光学传感器实现了灵敏度、选择性、便携性、现场检测能力和整体性能的提高。但由于其自身热稳定性差，检测结果的准确性还有待提高，金银纳米材料具有良好的热稳定性、光学特性和催化活性，且制备方法多种多样。与传统的光学传感器相比，基于金银纳米材料的光学传感器具有灵敏度高、选择性好、特异性强、操作简便、检测快速等优点，但光学传感器检测的准确性还有待提高。因此未来应将研究重点放在降低金银纳米材料制备成本，减少对环境的污染，提高光学传感器灵敏度、稳定性等方向上。

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