量子点核酸适配体传感器在食品安全检测中的应用_姜欣.pdf

第 14 卷 第 11 期 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 Vol.14 No.11 2023 年 6 月 Journal of Food Safety and Quality Jun.,2023 基金项目:国家自然科学基金项目(21103155)Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(21103155)*通信作者:叶满萍,博士,副教授,主要研究方向为超快激光光谱,蛋白质折叠动力学。E-mail:*Corresponding author:YE Man-Ping,Ph.D,Associate Professor,College of Optics and Electronics,China Jiliang University,No.258,Xueyuan Road,Qiantang District,Hangzhou 310018,China.E-mail: 量子点核酸适配体传感器在食品安全 检测中的应用 姜 欣,叶满萍*,邓 敏,陈慧芳,陈华才(中国计量大学光学与电子科技学院,杭州 310018)摘摘 要要:食品作为维持人类生命活动的基本物质,对人们的健康有重大影响,开发简单、快捷的检测技术在保障食品安全方面具有重大意义。量子点(quantum dots,QDs)拥有独特的发光性能,核酸适配体作为新型生物识别分子,具有亲和力高、稳定性强及特异性强等优势。将 QDs 和核酸适配体结合起来构建的传感器,可实现高灵敏、高效率及特异性检测,是一种新兴的食品安全快速检测技术。本文简述了 QDs 核酸适配体传感器的检测机制,重点综述了近几年来该技术在食品中抗生素、真菌霉素、致病菌、农药残留等检测中的应用,并分析了该技术在食品安全检测领域的挑战和前景,以期为今后研发更灵敏、更高效的核酸适配体传感器提供新的思路。关键词关键词:量子点;核酸适配体;生物传感器;光谱检测;食品安全 Application of quantum dot nucleic acid aptamer sensor in food safety detection JIANG Xin,YE Man-Ping*,DENG Min,CHEN Hui-Fang,CHEN Hua-Cai(College of Optics and Electronics,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)ABSTRACT:As the basic material to maintain human life activities,food has a significant impact on peoples health.Developing simple and fast detection technology is of great significance in ensuring food safety.Quantum dots(QDs)have unique luminescent properties.As a new type of biological recognition molecule,nucleic acid aptamers have the advantages of high affinity,strong stability and strong specificity.The sensor constructed by combining QDs and nucleic acid aptamers can achieve high sensitivity,high efficiency and specificity detection,and is a new rapid detection technology for food safety.This paper briefly described the detection mechanism of QDs nucleic acid aptamer sensor,with a focus on the recent years applications of this technique in food safety detection,such as antibiotics,mycotoxins,pathogenic bacteria,pesticide residues,etc.,and analyzed the challenges and prospects of this technique in food safety detection,with a view to providing new ideas for the future development of more sensitive and efficient aptasensors for food safety detection.KEY WORDS:quantum dots;nucleic acid aptamer;biosensor;spectral detection;food safety DOI:10.19812/ki.jfsq11-5956/ts.2023.11.013第 11 期 姜 欣,等:量子点核酸适配体传感器在食品安全检测中的应用 191 0 引 言 食品安全问题是关乎人类的大问题,农产品中农药化肥残留超标、动物制品中抗生素超标及食品发霉腐败滋生细菌和真菌13问题严重危害人类的健康。与高效液相色谱法、毛细管电泳法、表面等离子共振法45等传统检测方法相比,基于量子点(quantum dots,QDs)核酸适配体传感器的检测方法在食品安全检测领域展现出巨大的潜力。QDs 又称半导体纳米粒子,一般为球形或类球形,其直径常在 220 nm 之间,施加一定的电场或光压时其会发出特定频率的光。自 BRUCHEZ 等6和 CHAN 等7首次将 QDs作为生物荧光标记应用于活细胞体系,解决了 QDs 的生物相容性问题,QDs 便逐渐应用于细胞成像8、生物分析9、食品检测10等领域。核酸适配体是一段 DNA或 RNA序列,通过体外筛选技术得到的寡核苷酸片段11,相比抗体,其性质稳定、亲和力高、灵敏度高、检测成本低且易合成12,经过近来年的发展,核酸适配体在分析化学、生物技术、生物医学和分子生物学等领域1314都有应用,能与多种目标物如离子、毒素、抗生素、蛋白质及病毒等1518进行高特异性、选择性结合,是分子识别和检测靶标物质的有效工具。但正因为核酸适配体的特异性识别作用,现有研究更多针对单个目标物的检测,实现对多个目标物的同时检测将成为未来的研究趋势。核酸适配体不具有荧光特性,将其与新型半导体纳米材料荧光标记物-QDs 结合起来构建的传感器,能够实现方便、快捷、灵敏、高效的食品安全分析检测。目前有关于 QDs 为荧光探针的核酸适配体传感器用于单类目标物检测和 QDs 作为荧光探针应用于食品分析方面的报道,但是关于系统地阐述不同的 QDs 与适配体结合构建传感器在食品安全检测方面的综述报道甚少。基于此,本文首先介绍 QDs 核酸适配体传感器的检测机制,综述近年来QDs核酸适配体传感器在食品中常见的抗生素、真菌霉素、致病菌及农药残留检测方面的应用,并探讨 QDs 核酸适配体传感器未来发展及面临的挑战,以期为今后 QDs 核酸适配体技术在食品安全检测的相关研究提供参考,为研发更灵敏、更高效的核酸适配体传感器提供新的思路。1 量子点核酸适配体传感器的检测机制 目前基于量子点核酸适配体的传感器主要有光学的和电化学的。光学传感器主要是荧光检测法,包括荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)、光致电子转移(photo induced electron transfer,PET)、表面能量转移(surface energy transfer,SET)和内滤效应(inner filter effect,IFE)1920等。FRET 是在单独的供体和受体近距离的聚集在一起的时候,荧光能量从供体转移到受体,供体发生荧光猝灭的现象21。PET 是在光诱导下,供体和受体之间电子转移导致荧光猝灭或恢复的过程22。SET 是从供体到金属纳米受体表面的非辐射能量转移23。IFE 是当荧光体浓度较大与其他的吸光物质共存时,两者的部分激发或者发射光谱重叠,导致荧光减弱的现象24。电化学适配体传感器是通过固定在电极表面的适配体与目标分析物之间的生物化学反应来评估电参数(如电流、阻抗、电导、电压或电位信号)变化的传感平台2527,包括伏安法、阻抗法和电化学发光法2830等。其中伏安法主要以测定电流为检测信号,阻抗法以测定阻抗为检测信号。电化学发光是化学发光方法与电化学方法相互结合的产物,通过电化学方法来产生一些特殊的物质,然后这些电生物质与其他物质之间进一步反应而产生的一种发光现象。量子点核酸适配体传感器的制备如图 1 所示,用 QDs标记的适配体和适配体的互补链结合形成双链 DNA,由于加入目标物对适配体的亲和性,致使双链DNA解旋,根据前后荧光或电化学信号的变化计算目标物的浓度。图 1 传感器的制备原理图 Fig.1 Schematic diagram of sensor preparation 2 量子点核酸适配体传感器的应用 2.1 在抗生素检测中的应用 抗生素的长期低剂量使用会残留在肉蛋奶中,对人类健康产生威胁3132,导致动物源食品安全问题频发。传统的色谱仪器检测法3334难以满足快速检测需求,因此建立对抗生素的快速准确分析具有重要意义。卡那霉素(kanamycin,Kana)是一种氨基糖苷类抗生素,过量食用会导致耳毒性、肾毒性及呼吸衰竭等症状3537。高会莲等38采用 La3+掺杂的硫化镉(cadmium sulfide,CdS)QDs,将其吸附在玻碳电极(glassy carbon electrode,GCE)表面,Kana的适配体与修饰在GCE的互补链结合形成双链DNA,构建成基于电化学发光的 Kana 适配体传感器。反应体系中引入的氯化血红素具有信号放大作用,提高了传感器的检测灵敏度。与单一的 CdS QDs 对比发现,La3+掺杂的 CdS QDs 所制备的传感器对于 Kana 检测具有更好的稳定性和选择性。随后高会莲等39利用核壳型的 CdS QDs192 食 品 安 全 质 量 检 测 学 报 第 14 卷 和适配体的互补链修饰至 GCE 表面,使用辣根过氧化物酶,构建了检测 Kana 的电化学发光适配体传感器,检出限为 5 ng/L。该研究中采用的纳米复合材料可以使 QDs 的电化学强度和稳定明显提高,所结合的生物不溶性沉淀方法可以通过特定酶的催化作用在电极表面上形成不溶性绝缘产物,有效地影响电子转移,在实际样品牛奶的测定中具有较好的应用前景。广谱抗生素中的四环素类抗生素,在化学结构上属于多环并四苯羧基酰胺母核的衍生物,包括四环素(tetracycline,TC)等40。WANG 等41利用银纳米颗粒(silver nanoparticles,AgNPs)制备硅覆盖银纳米粒子(silica-coated Ag nanoparticles,AgSiO2),将碲化镉(cadmium telluride,CdTe)QDs 通过共价键固定到 AgSiO2,随后将 TC 适配体(aptamers)固定到 QDs 修饰的 AgSiO2上,形成具有壳层隔绝纳米粒子增强荧光效应的荧光探针,用于检测 TC。制备过程如图 2 所示,该荧光探针使用 AgSiO2来进行信号放大,而通过优化 SiO2层厚度来实现荧光信号放大,检出限低至16.2 nmol/L,并在牛奶样品中得到验证。HE等42合成氧化石墨烯量子点