基于納米材料的光學(xué)傳感器快速檢測(cè)熱加工食品中的丙烯酰胺.pdf

1、丙烯酰胺（acrylamide，AA）是一種具有神經(jīng)毒性、潛在致癌性和致畸性的小分子化合物，被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer，IARC）列為“2A”類物質(zhì)（即人類可能致癌物）。2002年，瑞典科學(xué)家發(fā)現(xiàn)富含淀粉的食物經(jīng)熱加工后會(huì)產(chǎn)生大量的AA。自此，對(duì)AA的研究引起了毒理學(xué)、食品安全、分析化學(xué)等多領(lǐng)域科研人員的興趣。檢測(cè)AA的標(biāo)準(zhǔn)方法雖然具有靈敏度高、準(zhǔn)確性好、重

2、復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是同樣也存在著檢測(cè)周期長(zhǎng)、儀器設(shè)備維護(hù)成本高、需專業(yè)人員操作等不足，無(wú)法滿足快速、便攜、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)AA的需求。光學(xué)化學(xué)/生物傳感器具有靈敏度高、選擇性好、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)、醫(yī)療診斷、活體成像等多個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于具有毒性且無(wú)免疫原性的小分子來(lái)說(shuō)，很難通過(guò)免疫反應(yīng)獲得有效抗體。而經(jīng)體外篩選富集獲得的核酸適配體(aptamer)不僅可以彌補(bǔ)抗體的這一不足，還為后續(xù)構(gòu)建核酸適配

3、體傳感器奠定了基礎(chǔ)。
　　本論文運(yùn)用納米技術(shù)、熒光分析技術(shù)、比色分析技術(shù)、石英晶體微天平技術(shù)、指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）技術(shù)等領(lǐng)域的知識(shí)，構(gòu)建光學(xué)化學(xué)/生物傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)AA的快速、靈敏、特異檢測(cè)。具體的研究?jī)?nèi)容、結(jié)果和結(jié)論如下:
　　(1)熒光化學(xué)傳感器快速檢測(cè)AA
　　利用量子點(diǎn)（quantu

4、m dots，QDs）的熒光特性和AA光聚合特性，構(gòu)建基于光聚合引發(fā)QDs間距變化的熒光傳感器，實(shí)現(xiàn)了AA的快速檢測(cè)。首先，通過(guò)N-羥基琥珀酰亞胺丙烯酸酯的交聯(lián)反應(yīng)，將類似AA的結(jié)構(gòu)修飾于QDs表面。功能化QDs表面的碳碳雙鍵在紫外光和光引發(fā)劑的共同作用下，發(fā)生光聚合反應(yīng)，導(dǎo)致QDs間距縮小，熒光強(qiáng)度減弱。當(dāng)目標(biāo)物AA存在時(shí)，AA與QDs表面的雙鍵共同參與光聚合反應(yīng)，使得QDs間距增大，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。通過(guò)測(cè)定光聚合前后QDs熒光強(qiáng)度的變

5、化，實(shí)現(xiàn)AA的快速檢測(cè)。在最優(yōu)條件下，熒光化學(xué)傳感器對(duì)AA的線性檢測(cè)范圍為0.5～5.0×104μmol L-1，檢測(cè)限0.5μmol L-1。除L-天冬酰胺外，其他與AA結(jié)構(gòu)類似的化合物均不產(chǎn)生熒光響應(yīng)。作為AA生成的前體物，在檢測(cè)食品樣品時(shí)，需加入L-天冬酰胺酶以降低L-天冬酰胺的干擾。最后，用此方法檢測(cè)薯片和曲奇中的AA，所測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法相比具有較好的一致性。雖然該方法的靈敏度不如標(biāo)準(zhǔn)方法(LC-MS/MS)，但是仍為今后快速、

6、定量、在線檢熱加工食品中的AA提供了新思路。
　　(2)比色生物傳感器高靈敏檢測(cè)AA
　　利用金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs）隨間距變化的光學(xué)特性，構(gòu)建一種基于親核催化巰-烯邁克爾加成的新型比色生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了AA的高靈敏檢測(cè)。在酸性條件下，帶正電的谷胱甘肽(glutathione，GSH)通過(guò)Au-S鍵吸附于AuNPs表面，降低AuNPs的電負(fù)性，使其發(fā)生團(tuán)聚，顏色由紅色變成藍(lán)紫色。當(dāng)目標(biāo)物

7、AA存在時(shí)，在親核試劑的催化下，GSH與AA發(fā)生巰-烯邁克爾加成反應(yīng)生成GSH-AA加成物，導(dǎo)致GSH不能吸附于AuNPs表面，AuNPs仍保持分散狀態(tài)。通過(guò)測(cè)定AuNPs紫外-可見吸收光譜的變化，實(shí)現(xiàn)了AA的高靈敏檢測(cè)。在最優(yōu)條件下，比色生物傳感器對(duì)AA的線性檢測(cè)范圍為0.1～80μmol L-1，檢測(cè)限為28.6 nmol L-1。與熒光化學(xué)傳感器相比，比色生物傳感器在靈敏度和特異性上都有了進(jìn)一步提高。最后，將該方法用于檢測(cè)薯片中的

8、AA，所測(cè)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)方法相比具有較好的一致性，表明該方法有望用于檢測(cè)熱加工食品中的AA。
　　(3)比色核酸適配體傳感器特異性檢測(cè)AA
　　核酸適配體是一段可與靶標(biāo)分子特異性結(jié)合的單鏈DNA或RNA序列，被譽(yù)為“化學(xué)抗體”。以核酸適配體為識(shí)別元件的光學(xué)傳感器已被廣泛應(yīng)用于小分子的檢測(cè)。本章利用核酸適配體的選擇性，構(gòu)建比色傳感器，實(shí)現(xiàn)了AA的特異性檢測(cè)。首先，采用石英晶體微天平（Quartz crystal microbala

9、nce，QCM）結(jié)合SELEX技術(shù)(QCM-SELEX)體外篩選AA的核酸適配體。初始單鏈DNA(single strand DNA，ssDNA)文庫(kù)的庫(kù)容量為1015。在篩選過(guò)程中，根據(jù)ssDNA文庫(kù)與AA結(jié)合前后QCM諧振頻率的變化（△f）可以實(shí)時(shí)表征每一輪ssDNA文庫(kù)對(duì)目標(biāo)物的親和力及富集程度。經(jīng)過(guò)14輪正向篩選和4輪反向篩選，AA的核酸適配體候選序列得到富集。經(jīng)克隆測(cè)序、同源性分析和二級(jí)結(jié)構(gòu)模擬，分別用QCM法和斑點(diǎn)分析法對(duì)其