动态光散射传感器在食品安全检测中的应用进展.pdf
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1、综述动态光散射传感器在食品安全检测中的应用进展冷远逵!,范思雨?,胡馨予,熊勇华13(1.南昌大学食品学院,江西南昌330 0 31;2.南昌大学前湖学院,江西南昌330 0 31;3.南昌大学中德联合研究院,江西南昌330 0 47)摘要:动态光散射(dynamic light scattering,D LS)是通过测量由颗粒布朗运动引起的散射光强度起伏变化规律以获得胶体溶液粒径分布的一项实验室常用技术。近年来,以光散射能力超强的金纳米颗粒(gold nanoparticles,A u NPs)为探针,构建的高灵敏AuNP-DLS传感器受到广泛关注。作者首先阐述了AuNP-DLS传感器的构建
2、策略,分析了影响其检测性能的主要因素,然后详细介绍了其在食品安全检测方面的应用现状,最后探讨了该领域的发展趋势和面临的主要挑战。关键词:动态光散射:金纳米颗粒:传感器:食品安全中图分类号:TS201文章编号:16 7 3-16 8 9(2 0 2 3)0 7-0 0 0 1-10DOl:10.3969/j.issn.1673-1689.2023.07.001Recent Advances in Dynamic Light Scattering SensingTechnologies for Food Safety DetectionLENG Yuankuil,FAN Siyu,HU Xinyu
3、,XIONG Yonghual3(1.College of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330031,China;2.School ofQianhu,Nanchang University,Nanchang 330031,China;3.Sino German Joint Research Institute,NanchangUniversity,Nanchang 330047,China)Abstract:Dynamic light scattering(DLS)is a technique commonl
4、y used in laboratories to obtainthe particle size distribution of colloidal solutions by measuring the fluctuations of the scattered lightintensity caused by the Brownian motion of particles.In recent years,high-sensitivity DLS sensorsconstructed using colloidal gold nanoparticles(AuNPs)with super-s
5、trong light-scattering capabilitiesas probes have received widespread attention.This article first elucidates the construction strategy ofthe AuNP-DLS sensor and analyzes the main factors affecting its detection performance.Then adetailed introduction is given on its current application in food safe
6、ty detection,and finally thedevelopment trend and major challenges faced in this field are discussed.Keywords:dynamic light scattering,gold nanoparticles,sensor,food safety收稿日期:2 0 2 1-0 7-0 3基金项目:国家自然科学基金项目(319 0 17 8 0)。作者简介:冷远逵(19 8 8 一),男,博士,副教授,硕士研究生导师,主要从事食品安全检测研究。E-mail:y u a n k u i l e n g
7、x q 16 3.c o m食品与生物技术学报2 0 2 3年第42 卷第7 期ReviewLENG Yuankui,et al:Recent Advances in Dynamic Light ScatteringSensing Technologies for Food Safety Detection动态光散射(dynamic light scattering,DLS)技术自19 7 0 年商业化以来,已成为粒度分析测量的常规实验室技术,用于测量溶液或悬浮液中纳米、微米级别颗粒的尺寸分布情况。其基本原理是测量粒子散射光强度随时间的波动规律,分析得出粒子的布朗运动扩散速度,从而通过Stok
8、es-Einstein方程得到粒子的流体力学直径(水化粒径)。因具有操作简单、成本低、响应速度快和重现性好等优点,Cohen等早在19 7 5年就提出以特异性识别分子修饰的聚合物微球作为探针,通过DLS技术测量因目标物引起微球聚集而导致的粒径变化来定量分析目标物的方法 2 。然而由于聚合物微球光散射能力较弱,该方法在实际应用时易受到样品基质中生物分子、胶体颗粒等物质的散射信号干扰,导致灵敏度偏低、稳定性不足。因此,构建DLS传感器的关键在于选择具有较强光散射能力的信号探针。金纳米颗粒(gold nanoparticles,AuNPs)具有较强的光散射能力,比直径相近的聚合物微球强2 3个数量级
9、,可有效屏蔽复杂样品基质引起的背景信号干扰,显著提高DLS传感器的检测灵敏度3。同时AuNPs具有易于制备、粒径可控、易于生物修饰等优点,且相比于同样具备强光散射能力的银纳米材料,其胶体稳定性和生物相容性更好。近年来,以AuNPs为信号探针构建AuNP-DLS传感器受到广泛关注,成功用于食品危害物 4-6 、环境污染物、药物、临床标志物 18-9 等的高灵敏检测。作者从传感器构建策略、探针设计原则等方面阐述了近年来AuNP-DLS传感器的方法学研究进展,总结了其在真菌毒素 5、有毒金属离子、食源性致病菌 1 等食品危害因子检测中的应用情况,并探讨了该领域的发展趋势和面临的主要挑战。1DLS传感
10、器方法学研究进展1.1DLS传感器构建策略DLS传感器可测量两种信号:水化粒径和散射光强度。因此,AuNP-DLS传感器的核心在于目标物引起AuNPs粒径或散射光强度的变化。目前AuNP-DLS传感器主要通过以下3种方式来实现信号输出:1)基于目标物引起的AuNPs聚集;2)基于目标物引起的AuNPs有序组装或解组装;3)基于标记免疫分析技术建立目标物和AuNPs(与AuNPs磁珠或酶标板载体结合的部分或游离的部分)浓度之间的剂量关系。1.1.1基于AuNPs聚集的DLS传感器器最常见的构建方法是基于目标物与AuNPs探针的特异性识别作用(免疫识别、核酸杂交、配位键等)直接介导探针聚集。以特异
11、性识别分子修饰的AuNPs为探针构建的DLS传感器已被用于蛋白质 I、核酸 12 、小分子 13 和离子等物质的均相免洗高灵敏检测。Wang等以单抗和多抗分别修饰的50 nm和10nmAuNPs作为探针,构建乙肝表面抗原的DLS均相免疫分析方法(见图1(a)。以目标物引起探针聚集导致的粒径增大为定量信号,该方法检测乙肝表面抗原的灵敏度较常规酶联免疫吸附法(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)提高了80倍。Miao等以两种寡核苷酸修饰的AuNPs为探针检测双链DNAI14。两种寡核苷酸链分别与目的DNA不同区域杂交形成三链体结构,引发AuNPs聚集,进
12、而通过检测粒径变化实现对DNA的高灵敏分析,检测限(limitofdetection,LO D)低至50 0fmol/L。一般地,颗粒的散射光强度与粒径呈正相关关系,因此探针聚集同时也会导致散射光强度的增加。有研究者以对巯基苯胺修饰的 AuNPs 为DLS探针,利用三硝基甲苯(trinitrotoluene,TNT)与对巯基苯胺之间的T-T相互作用介导探针聚集的原理来检测TNTI13。以散射光强度变化为定量信号,该方法检测TNT的LOD达10 0 pmol/L。第二种常见方法是基于目标物间接调控AuNPs探针的交联反应。Miao等以两种寡核苷酸链修饰的AuNPs(O l i g o 1-A u
13、 NP、O l i g o 2-A u NP)为探针,以能同时与Oligo1、O l i g o 2 进行杂交的寡核苷酸链Oligo3为交联探针构建葡萄糖传感器(见图1(b)15。葡萄糖在葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)、Fe 2+级联催化下产生羟自由基(OH),OH可降解Oligo3,从而调控AuNPs探针的聚集反应。该方法通过粒径变化检测葡萄糖,线性范围为0.0 55.00pmol/L,LOD为38 pmol/L。Lu 等报道的检测植物微小RNA(m i c r o RNA)的无酶催化均相DLS传感器原理 见图1(c)。m ic r o RNA 可与二苯基环辛炔(DB
14、CO)修饰的寡核苷酸探针probeA和叠氮基(N3)修饰的寡核苷酸探针probeB杂交形成夹心结构,促使probeA与probeB发生点击化学反应并连接起来,所形成的probeA-probeB链同时与probe A修饰的AuNPs和probeB修饰的AuNPs杂交,导这类传感2JOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 IsSue 7 2023综述冷远達,等:动态光散射传感器在食品安全检测中的应用进展级联反应切割oligo3致AuNPs发生聚集。由于目标microRNA实现了循环利用,信号得到放大,该方法LOD达7 8.6 fmol/L。A
15、uNPs溶液胶体稳定性的基础是表面配体(如柠檬酸)提供的表面电荷和亲水性。因此,调控AuNPs的表面配体,可影响其胶体稳定性从而引发AuNPs聚集。寡核苷酸链修饰的AuNPs具有很好的胶体稳定性,但当寡核苷酸链脱落或者裂解后,10 nm50nmAuNPs探针AuNPs探针(a)基于目标物引起AuNPs探针聚集原理检测HBsAgprobeA.DBCoprobebHybridizationmiRNADBCOCyclingLigationDenaturationprobeB-AuNPsAuNPs胶体稳定性变差,从而在高盐离子浓度下发生团聚。基于此原理,Xiong等以5-TTTCTTCTTCGTTGT
16、TT-3修饰的AuNPs为探针构建Hg2+传感器(见图1(d)。H g 2+与寡核苷酸链结合形成T-Hg2-T,寡核苷酸链形成双链结构而脱离AuNPs表面,加入高浓度NaCl,AuNPs发生聚集,粒径变大,该方法LOD 达 0.43 nmol/L。核苷酸探针序列Oligo 1:5-SH-(A)i2-AGACAAGAGAGG-3a:Oligo 2:5-CAACAGAGAACG-(A),-HS-3Olig03:5-CGTTCTCTGTTGCCTCTCTTGTCT-3HBsAgb:probe:A-AuNPsGOD+GlucoseFe2*+0,Oligo 1:Oligo2:Oligo3:DLS传感器原
17、理100rDLS75Oligo 3测定5025DNA片段100 200300400500粒径/nm(b)基于目标物间接调控AuNPs探针聚集原理检测葡萄糖WithoutmiRNAWithmiRNADLS detectionOligo 1NaC1Hg2+NaClDLSJ(c)基于目标物调控点击化学介导的AuNPs聚集原理检测microRNA1.1.2基于AuNPs组装结构的DLS传感器由于聚集的无序性以及容易受到样本基质影响等缺陷,导致基于AuNPs聚集的DLS传感器信号稳定性不足。相比较而言,基于AuNPs有序自组装结构形成的信号或组装体解组装过程的信号更加可控和稳定。目前,基于AuNPs组装
18、结构的DLS传感器中,AuNPs组装体形成主要分为以下4种方式:1)基于与目标物特异性结合作用形成AuNPs低聚体;2)以DNA为框架进行自组装;3)在微生物模板表面自组装;4)在纳米颗粒模板表面自组装。在基于特异性识别作用直接介导AuNPs聚集的体系中,当控制AuNPs颗粒表面特异性识别分子的数量时,可使AuNPs在目标物存在时组装成低聚体,甚至是二聚体结构 17-18 。如 Seow等以寡核苷酸(d)基于目标物调控AuNPs表面配体引发聚集的原理检测Hg2+图1基于AuNPs聚集的DLS传感器Fig.1 DLS sensors based on AuNPs aggregation链修饰的A
19、uNPs为探针构建针对let7a(mi c r o RNA)的均相DLS传感器 7。通过对比平均每个AuNPs上偶联的寡核苷酸分子数为2、5、10 个时AuNPs的目标物介导组装行为,发现偶联寡核苷酸越多,AuNPs粒径变化越明显。单个AuNPs表面平均有10 个寡核苷酸分子时,其粒径变化最明显,但有趋近于无序聚集的趋势,信号的稳定性变差。而当平均有5个寡核苷酸分子时,AuNPs在let7a存在时会稳定组装成低聚体,LOD达10 0 fmol/L。Li等开发了一种基于AuNPs自组装的端粒酶传感器,通过对癌细胞或尿液中端粒酶的高灵敏检测可实现膀胱癌的诊断(见图2(a)19。在端粒酶作用下,底物
20、(telomerase substrate,TS)末端延伸n次重复序列(TTAGGG),该重复序列可以作为启动子,食品与生物技术学报2 0 2 3年第42 卷第7 期ReviewLENG Yuankui,et al:Recent Advances in Dynamic Light ScatteringSensing Technologies for Food Safety Detection触发两个发夹探针(H1和H2)之间的杂交链式反应(hybridization chain reaction,HCR)形成双链DNA。该HCR产物DNA旁边带有大量寡核苷酸支链可与互补序列修饰的AuNPs探针
21、杂交,因此AuNPs在HCR产物上形成有序组装体,导致水化粒径的急剧增大。该方法可检测仅从4个MCF-7细胞中提取的端粒酶含量。Zou等报道了一种基于AuNPs探针在目标DNA的聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,PCR)扩增产物核酸框架上自组装的DLS均相传感器,其检测艾滋病病毒(humanimmunodeficiency virus,HIV)DNA 的 LOD 达 1.8amol/L/20。近期该课题组通过引人核酸适配子,利用上述原理设计了可检测肿瘤标志物CA-125的PCR-DLS 传感器,LOD低至1.1 fg/mL/2。对于病毒 2 、细菌 10 等微生物
22、目标物,免疫AuNPs探针会以目标物为模板在其表面形成组装体,从而导致粒径增大。如Driskell等以抗体修饰的AuNPs 为免疫探针来检测PR8 型流感病毒 2 2 。在病毒颗粒浓度较低时,免疫AuNPs探针会在病毒颗粒表面自组装形成“核心-卫星”组装结构,从而导致粒径增大。该方法LOD小于10 0 TCIDs/mL,灵敏度较商业诊断试剂盒提高1 2 个数量级。Wang等开发了一种等离子体“核心-卫星 结构纳米组装探针用于microRNA-21的检测 2 3(见图2(b)。其中,核心AuNPs和卫星AuNPs通过DNA链连接,目标物microRNA-21通过链置换反应可使卫星AuNPs脱落引
23、发解组装。而燃料DNA链又通过链置换反应使microRNA-21重新解离出来实现循环利用,从而使信号得到放大。该方法对microRNA-21的定量检测范围为5 150 pmol/L,LOD 为 0.2 4 pmol/L。1.1.3基于免疫标记技术的非均相DLS传感器AuNPs探针与目标物特异性结合后,无论是游离的还是结合的探针部分均会产生目标物引起的浓度差,从而表现出散射光强度的差异。Chao等以片状二氧化锰修饰的AuNPs(MnO2-pAuNP)作为免疫标记材料构建了检测前列腺特异性抗原(prostate-specific antigen,PSA)的超灵敏DLS免疫分析方法(见图3(a)24
24、。样本中存在PSA时,酶标板上会捕获一定量的MnO2-pAuNP免疫探针,通过谷胱甘肽(g lu t a t h io n e,G SH)消解MnO2壳层可释放大量的AuNPs到溶液中,通过检测溶液中AuNPs引起的散4JOURNAL OF FOOD SCIENCE AND BIOTECHNOLOGY Vol.42 IsSue 7 2023射光强度,可以对PSA进行定量分析。由于MnO2-pAuNP是载有多个AuNPs的组装体,且溶液中基本无背景干扰,因此该方法LOD低至1 fmol/L。在此模式的基础上,Yu等根据金属有机框架(metal-organicframework,M O F)大量装
25、载和可控释放AuNPs,以及AuNPs释放后可控生长的原理设计了检测甲胎蛋白(alpha-fetoprotein,AFP)的DLS免疫分析方法(见图3(b)25。当存在AFP时,一定量的MOFAuNP会结合在酶标板上,MOF在碱性条件下消解释放出大量的小粒径AuNPs(4n m)到溶液中,然后加入生长液(盐酸羟胺和氯金酸)使4nmAuNPs生长成大粒径AuNPs,光散射能力得到放大。通过测定散射光强度对AFP定量分析,该方法LOD 为 0.36 pg/mL。1.2AuNPs探针对传感器灵敏度的影响构建AuNP-DLS传感器的核心在于设计合适的AuNPs探针,其对检测灵敏度的影响至关重要。而Au
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- 动态 散射 传感器 食品安全 检测 中的 应用 进展
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