納米技術在添加劑安全檢測中的應用進展

王言之，呂夢琪，王思蓉，張靜姝，3

（1.南京醫科大學第一臨床醫學院，南京 211166；2.南京醫科大學公共衛生學院，南京 211166；3.江蘇省醫藥農藥獸藥安全性評價與研究中心，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、被膜劑等多個類型。我國最早自20世紀五十年代起就對添加劑實施監管[2]，后于1997年和2007年頒發了《食品添加劑使用衛生標準》并進行修訂。而國外FAO 和WHO 于1956年建立了國際食品添加劑法典委員會（CCFA）進行添加劑的安全評估，國際食品添加劑法典委員會（CCFA）則負責通用標準的制定。

在限制添加劑用量和適用范圍的基礎上，規范生產行為、保障人民健康的社會需求對檢測技術提出了較高要求。早在20世紀60年代末，高效液相色譜法得到發展并被用于食品與藥品檢測，隨后離子色譜法、分子光譜法、色質聯用法等相繼被提出和實踐。但在對檢測水平的要求不斷提升的背景下，傳統的檢測方法暴露出檢測限度有限、操作流程復雜、易受環境干擾的缺點[3]。隨著納米技術被廣泛應用于生物醫藥、機械工程等領域[4]，結合納米材料的新型食品添加安全檢測技術被提出并得到良好實踐。

1 食品添加劑的違規行為

目前使用食品添加劑的違規操作主要包括以下類型：（1）超限量使用；（2）超范圍使用；（3）未經許可使用不在國家標準名錄的添加劑；（4）產品標識中對添加劑使用情況未清楚說明。近年來，用工業級化工產品偽冒食品添加劑亦成為衛生監管的重點問題[5]。合理合法地選用添加劑可在提升食品的穩定性及營養價值的同時減低生產加工轉運成本，實現生產方和食用者的互利共贏，而不規范不合法的食品添加行為或掩蓋食品的質量缺陷[6]，對食用者產生顯在或潛在的健康危害。

2 納米粒子的分類與性質

納米量級顆粒指在至少一個測量維度上小于100 nm 的微觀顆粒[7]，目前對納米材料的研究與開發集中在幾個方向：（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適當改性可獲得穩定性好、生物相容性好[8]的共性優勢，同時也具備各自的特有屬性。碳納米管電位窗口寬[9]，原子內P 電子形成多個π 鍵而使碳納米管具備顯著的共軛效應，基于碳納米管構架的網絡模型隨長度不均勻性的上升出現導電性能的加強。貴金屬材料中尤以納米銀生物催化活性較好，Grosser Anna 等[10]以污泥為反應模型驗證了納米銀對厭氧發酵動力學參數的正向影響，而國內方艷等[11]報道納米銀可通過與巰基反應滅活病原蛋白起到抗菌作用。

3 結合納米技術的檢測方法

3.1 磁固相萃取技術

樣品前處理是對食品分析過程中不可或缺的一環，不僅耗時占比長，且易因操作不當帶來數據誤差?？紤]到納米材料具有良好的化學穩定性以及優越的比表面積[12]，以納米級材料代替普通材料用于樣品分析已成為新趨勢，基于磁性納米材料的磁固相萃取技術隨之得到發展以解決納米材料質量過輕難以回收的問題。

實際條件下，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）復合材料作為磁固相萃取吸附劑對食品樣品中香精類添加劑進行富集，通過對吸附時間、酸堿度、吸附劑質量等萃取條件進行優化，建立了一種較為高效的MSPE-HPLC法，在擬定的最佳實驗條件下加標回收率可達到71.5%～112.4%。張曉婷[15]采用一步溶劑熱法對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 法在對飲料中檸檬黃等合成色素的定量檢測中展現出高精密度。目前從整體而言，我國磁固相萃取技術剛剛起步，在磁核包覆材料的種類、用量的選擇等方面仍然存在優化空間[16]，磁性氧化石墨烯表面接枝的氨基鏈數及結合位點數或可進一步擴大以提高富集效果。

3.2 表面增強拉曼散射技術

傳統的拉曼光譜存在靈敏度偏低的不足[17]，而表面增強拉曼散射（SERS）技術可通過增強樣品（近）表面的電磁場誘導激發區域內吸附分子的拉曼散射信號出現數量級的增強[18]，從而獲得常規條件下難以精確的結構信息（低達單分子水平）[19]。SERS 增強基底中最常采用的為金[20]、銀[21]等貴金屬納米粒子，不僅制備工藝簡單且表面增強拉曼散射活性高，已在對倍硫磷[22]、多菌靈[23]等農藥殘留物及各類添加劑的分析中得到良好應用。夏美晶等[24]制備了一種光纖球結構表面包覆銀納米顆粒的高靈敏便攜式表面增強拉曼散射信號檢測探針，實現了對辣椒、瓜子等常規食品中甲基橙、結晶紫等添加劑的檢測，以光學透明聚合物包覆銀納米顆粒的設計，充分考慮了金屬銀易被氧化的化學特征，延長了探針的使用壽命。

采用表面增強拉曼散射技術進行添加劑的檢測主要分為兩種操作方法，一是從食品樣品表面提取待測物質轉移到表面增強拉曼散射襯底上進行檢測；二是用SERS 襯底直接對樣品進行吸附，將所測的光譜數據與標準曲線進行比對。二者均對SERS 襯底的選擇提出了較高要求，相較于以導電玻璃為代表的傳統剛性材料，納米材料與具備彎折性承載物的結合在襯底的適用性上展現出更優越的前景。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，高效提取待測成分。目前SERS 技術的優化方向主要是提高靈敏度、穩定性、選擇性幾個方面?；ò隊頪28]、海綿狀[29]材料的設計與使用增大了傳感器/探針的表面積，通過調控形貌可提供更高效、豐富的表面增強拉曼散射熱點。

3.3 納米電化學傳感技術

采用電化學傳感器進行定性/定量分析的原理是由感應器識別待測物的反應信號，傳達至信號轉換器，將初始的信號（通常為化學或生物）轉化為電信號，經放大后投遞至顯示器，從而對待測物的濃度進行量化分析[30]?；诩{米材料有良好的生物相容性及特殊的導電導熱性質，電化學傳感器與納米材料的有機結合使活性位點明顯增多[31]，增強了電信號的可檢測性，在食品添加劑及農藥殘留檢測中得到良好運 用。

酶電流傳感器[32]和無酶型電化學傳感器[33]目前應用較多，設計原理分別為酶活性抑制及電化學氧化還原反應，各有其適用范圍。Dou 等[34]將多壁碳納米管用于絲網印刷電極的修飾，構建了一種新型電化學免疫傳感器，可將端口與電子設備相連，對克倫特羅進行6 min 快檢。除克倫特羅、三聚氰胺等有害添加物外，電化學傳感器對以日落黃[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能力。戈鈺[39]構建了快速檢測特布他林（TRA）的電化學納米傳感電極，較寬TRA 線性檢測范圍為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方面取得了顯著成效。隨著工藝的優化與改進，納米電化學傳感器有望進一步降低生產成本、簡化操作步驟，實現家庭層面的普及。

3.4 其他

除電化學傳感器外，對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]的技術突破。李貞相等[42]通過金納米團簇和碳點雜化搭建了一種雙發射的比率熒光探針，對亮藍的線性檢測范圍為0.2～15 μm，檢出限為0.06 μm，在紫外燈下有優越的比色效果。Kashani 等[43]報道，納米金在加入不同制劑后表現出不同的聚合及顯色行為，提示納米比色傳感器或可應用于混合制劑的檢測。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內外的研究熱點，Jiao 等[44]開發了一種基于核酸適配體介導的新型生物傳感器，對啶蟲脒的檢測限為0.04 ng/L，與碳點聚集導致的熒光猝滅行為有關。納米材料與不同識別元件的結合在豐富熒光傳感器類型的同時，擴大了適用范疇，突出了熒光傳感器響應快[45]、重現度好[46]的優勢。而對于比色傳感器而言，納米材料尺寸依賴的光吸收性質[47]為食品添加劑的快速檢測提供了新的可能。

4 問題與展望

雖然基于納米材料的幾種新型檢測方法已被證明有效，但在食品添加安全檢測中進一步推廣其使用仍需解決材料制備及實驗過程中暴露出的種種不足。以表面增強拉曼散射技術為例，食品樣品實際所在的復雜環境會對拉曼光譜產生干擾[48]，影響特征峰的識別，SERS 分析因為精確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度與待測物濃度間的數學關系。此外，考慮到納米材料本身分散度較大[50]，實驗人員在檢測過程中需做好個人防護，警惕納米顆粒通過經皮及吸入途徑對人體產生毒性損傷[51]。目前我國對于相關檢測流程并未確立明確指南，有待積累更多的實踐經驗以建立嚴格規范的操作標準。

總體而言，納米特性是一把雙刃劍。一方面，納米量級微粒具備良好的穩定性、生物相容性及獨特的導電導熱性質，和傳統方法相比，基于納米技術構設的檢測方法在靈敏度、耗樣量、操作難度方面展露出顯著優越性；另一方面，納米顆粒比表面積大、表面活性強，常規的試驗條件下或易受各類因素干擾造成誤差，影響檢測結果。目前納米技術未能大面積推廣的原因主要在于對相關理論的研究尚存在空白，可以肯定的是，隨著納米技術被進一步探索和解析，與納米材料配套的實驗步驟得到完善和補充，納米技術在添加劑安全檢測方面必能取得更好效果。