基于纳米技术的多组分食品安全检测方法研究

摘 要：随着社会的发展，食品安全检测技术越来越多，其中纳米技术在提高检测灵敏度、缩短检测时间、实现多组分同时检测等方面具有显著优势，为突破食品安全检测的瓶颈问题提供了新的思路和方法，为保障食品安全提供了强有力的技术支撑。本文总结了几种基于纳米技术的多组分食品安全检测方法，包括纳米表面增强拉曼散射、量子点标记、纳米传感器和纳米磁性分离等技术，以供参考。

关键词：纳米技术；多组分食品；安全检测

Research on Multi-Component Food Safety Detection Method Based on Nanotechnology

CHEN Wei1， LI Xiaoying2*

（1.Yantai Economic and Technological Development Zone Center for Disease Control and Prevention， Yantai 264006， China;

2.Yantai Center for Disease Control and Prevention， Yantai 264006， China）

Abstract： With the development of society， there are more and more food safety testing technologies， among which nanotechnology has significant advantages in improving detection sensitivity， shortening detection time， and achieving simultaneous detection of multiple components. It provides new ideas and methods for breaking through the bottleneck problem of food safety testing and provides strong technical support for ensuring food safety. This article summarizes several multi-component food safety detection methods based on nanotechnology， including nano surface enhanced Raman scattering， quantum dot labeling， nano sensors， and nano magnetic separation technologies， for reference.

Keywords： nanotechnology; multi-component food; safety testing

食品安全问题一直是全球关注的焦点。随着现代食品工业的快速发展，食品加工过程中所使用的各种添加剂、农药残留、重金属污染等问题日益突出，给食品安全带来巨大挑战。此外，多组分食品基质复杂，待测物种类繁多，如何实现多组分的同时检测是食品安全监控面临的另一难题。纳米材料具有独特的光学、电学、磁学等性质，与传统材料相比具有比表面积大、吸附能力强、反应活性高等优势。将纳米技术引入食品安全检测领域，发展基于纳米材料的新型传感和分析方法，有望实现多组分食品污染物的快速、灵敏、便携和低成本检测，为保障食品安全提供有力的技术支撑。

1 多组分食品安全检测难点

多组分食品是指由多种原料经过加工、混合而成的复合型食品，如速冻食品、休闲食品、罐头食品等。与单一原料食品相比，多组分食品在加工过程中可能会使用各种添加剂，如防腐剂、着色剂、甜味剂等，同时还可能残留农药、重金属等污染物。这些复杂的成分共存于食品基质中，给食品安全检测带来诸多挑战。①食品基质效应显著。多组分食品中含有大量的蛋白质、脂肪、糖类等大分子物质，这些物质可能与目标分析物发生非特异性结合，导致检测灵敏度下降。②待测组分种类繁多，浓度差异大。多组分食品中可能残留多种农药、兽药、重金属等，且不同污染物的浓度差异可能高达数个数量级，传统的单一检测方法难以实现对所有目标物的全面检测。③不同组分间可能存在交叉干扰。食品中共存的多种成分可能具有相似的理化性质，采用传统的分离方法难以实现对目标物的有效分离，严重影响检测的准确性和特异性。

2 纳米材料的特性及其在食品检测中的优势

纳米材料是指尺寸在1～100 nm的超微小材料，具有区别于常规材料的独特性质。①纳米材料具有超大的比表面积。当材料的尺寸减小到纳米级别时，其表面原子数占总原子数的比例急剧增大，导致纳米材料的表面能和表面活性显著提高。超大的比表面积使纳米材料具有极强的吸附能力，可以高效富集食品中的痕量污染物，提高检测灵敏度。②纳米材料具有优异的光学性质。许多纳米材料如贵金属纳米粒子、量子点等具有独特的表面等离子体共振效应或量子尺寸效应，使其在可见光和紫外光区域具有特征性的吸收和发射光谱，可用于发展新型的光学传感和检测方法。③纳米材料具有独特的电学性质。纳米材料表面悬挂大量的功能基团，可通过静电作用、配位作用等实现对特定物质的选择性结合，所产生的电信号变化可用于对目标物进行定性和定量分析。④一些纳米材料如磁性纳米颗粒还具有超顺磁性，可用于样品的磁分离富集和检测灵敏度的提高。

将纳米材料引入食品安全分析检测领域，可充分发挥其独特的物理化学性质，在样品前处理、分离富集和检测分析等环节发挥重要作用，有效克服食品基质复杂、待测物浓度低等难题。例如，利用纳米材料优异的吸附性能，可实现对食品中痕量污染物的选择性富集和净化，显著提高检测的灵敏度和特异性；利用纳米材料的表面增强拉曼散射等光学特性，可实现对食品中农残、非法添加物等的快速筛查和鉴别；基于纳米材料的新型电化学传感器，可实现对食品中重金属等污染物的灵敏检测[1]。

3 常见的基于纳米技术的多组分食品安全检测方法

3.1 纳米表面增强拉曼散射方法

纳米表面增强拉曼散射（Surface Enhancement Raman Scattering，SERS）是一种高灵敏度的光学检测技术，它利用纳米粗糙表面或纳米颗粒与目标分子间的相互作用，将拉曼散射信号放大几个数量级，从而实现对痕量物质的超灵敏检测。SERS的增强机理主要包括电磁场增强和化学增强两方面：当入射光照射到纳米结构表面时，可激发表面自由电子产生局域表面等离子体共振效应，在纳米结构表面形成增强的电磁场，从而放大入射光和散射光的强度；此外，目标分子与SERS基底间可形成化学键合，导致电荷转移和极化率改变，进一步增强拉曼散射强度。与常规拉曼光谱相比，SERS具有超高的灵敏度，可实现单分子水平的检测。

这些优势使SERS技术在多组分食品安全分析领域备受青睐。例如，有研究采用金纳米粒子作为SERS基底，实现了对婴幼儿配方奶粉中三聚氰胺的快速检测，检出限低至0.01 mg·kg-1，样品前处理简单，无须提取和衍生化等烦琐步骤，整个分析过程仅需10 min[2]。另有研究基于银纳米溶胶的SERS方法实现了对橄榄油中4种苏丹I-IV非法添加物的同时快速检测，4种染料的检出限均低于0.1 mg·kg-1，不同染料可根据其特征峰实现准确区分，可有效筛查橄榄油掺假和染色等食品欺诈行为[3]。

3.2 量子点标记检测方法

量子点标记检测是一种新兴的高灵敏度、高选择性的分析检测技术，在食品安全监测领域具有广阔的应用前景。量子点是一类尺寸在1～10 nm的半导体纳米晶体，具有独特的量子尺寸效应和光学性质。与传统的有机荧光染料相比，量子点具有发射光谱窄、光稳定性高、发光量子产率高、抗光漂白等优点。此外，量子点的发射波长可通过控制其尺寸和组成进行调谐，实现从可见光到近红外光区的连续发射，便于实现多通道、多组分的同时检测。量子点标记检测的原理是将量子点与特异性识别分子（如抗体、适配体等）偶联，形成量子点标记的生物探针，通过抗原-抗体反应或核酸杂交等特异性识别作用实现对目标物的定性定量分析。与酶联免疫吸附测定等传统方法相比，量子点标记检测具有灵敏度高、检测时间短、重复性好等优势。

将量子点标记技术用于多组分食品安全分析，可实现对食品中农药残留、兽药残留、重金属等有害物质的高通量筛查和痕量检测。例如，可采用量子点标记免疫层析技术对牛奶中4种磺胺类抗生素进行同时快速检测，检测限可达0.25～0.53 ng·mL-1，且检测时间＜10 min，操作简便，适合现场快速分析[4]；利用多种抗体修饰的量子点对果蔬中的10种有机磷农药进行多残留检测，可实现农残的同时快速定性定量分析，为评估果蔬的污染程度和安全风险提供依据。此外，还可基于量子点的荧光共振能量转移原理，构建荧光探针用于食品中重金属离子的高灵敏检测，如采用GSH-CdTe量子点选择性检测小麦中的无机汞，检出限低至0.8 nmol·L-1，方法简便快速，有望实现食品中痕量重金属的现场快速检测[5]。

3.3 纳米传感器检测方法

纳米传感器是一类将纳米材料的独特性质与传感器的制造和应用相结合的新型传感器，具有灵敏度高、选择性强、响应速度快、便携性好等优势，在食品安全检测领域具有广阔的应用前景。纳米传感器的基本原理是利用纳米材料与目标物质间的相互作用，将化学信号转换为可检测的物理信号（如电信号、光信号等），实现对目标物质的定性定量分析。纳米材料如纳米金、碳纳米管、石墨烯等具有比表面积大、导电性好、催化活性高等特性，可显著提高传感器的灵敏度和选择性。

将纳米传感器用于食品安全检测，可实现对食品中农药残留、兽药残留、非法添加剂等有害物质的快速、灵敏、现场检测。例如，采用金纳米颗粒修饰的电极构建电化学传感器，可实现对蔬菜、水果中百草枯等除草剂的灵敏检测，线性范围为0.5～400.0 ng·mL-1，检出限低至0.2 ng·mL-1，样品前处理简单，无须复杂的提取和净化步骤，整个分析过程仅需6 min[6]。石墨烯是一种新型的二维纳米材料，具有独特的化学性质和电学性质。将其用于修饰电极，可构建高灵敏的电化学传感器，实现对食用油中苯并芘等多环芳烃污染物的快速检测，线性范围为5～500 ng·mL-1，检出限为1.2 ng·mL-1，回收率高达97.8%～103.5%，可为食用油安全风险评估提供重要依据[7]。

3.4 纳米磁性分离检测方法

纳米磁性分离是一种新兴的样品前处理技术，利用纳米磁性材料与目标物质间的特异性相互作用，实现对复杂基质中目标物的选择性分离和富集，可显著提高检测的灵敏度和特异性。纳米磁性材料通常由磁性元素（如Fe、Co、Ni等）的化合物构成，粒径在1～100 nm，具有独特的磁学性质。当外加磁场存在时，纳米磁性材料表现出超顺磁性，磁化强度高，可快速实现磁分离；而当外加磁场撤去后，纳米磁性材料又恢复到无磁性状态，便于分散和重复使用。将纳米磁性材料表面进行修饰，引入特异性识别基团（如抗体、适配体、分子印迹聚合物等），可实现对特定目标物的选择性捕获和富集。与传统的液-液萃取、固相萃取等方法相比，纳米磁性分离具有分离效率高、专一性强、有机溶剂用量少等优点，是一种环境友好型的样品前处理技术。

将纳米磁性分离与各种检测方法联用，可实现食品中有害物质的灵敏检测。例如，采用Fe3O4磁性纳米颗粒分散液萃取-气相色谱/质谱法，可实现对食品中20种多氯联苯的同时分离检测，富集倍数可达50倍，检出限低至0.15～0.78 ng·kg-1，为评价食品中持久性有机污染物的污染水平提供了有力工具[8]；采用分子印迹聚合物修饰的磁性石墨烯作为分散固相萃取吸附剂，可选择性地从蜂蜜等复杂基质中萃取4种氯霉素类抗生素，结合超高效液相色谱-串联质谱检测，检出限低至0.06～0.12 μg·kg-1，为评估蜂产品中兽药残留风险提供了有效手段[9]。