磁弛豫开关纳米传感器在食品安全检测中的研究进展

汪 荣，许 宙，陈艳秋，陈茂龙，朱颖越，丁 利，程云辉,*

（1.长沙理工大学化学与食品工程学院，湖南 长沙 410114;2.菲鹏生物股份有限公司，广东 东莞 523808;3.常熟理工学院生物与食品工程学院，江苏 常熟 215500）

重金属离子、违禁添加物以及农兽药、毒素等有机污染物会在食物链的顶端累积，严重危害着公众健康[1-4]。随着纳米技术的发展，光学和电化学传感器作为一种可实现原位、实时检测的方法而被广泛应用于食品安全检测领域，已成为食品安全快速检测的发展方向之一[5-7]。然而，由于受介质干扰，光学和电化学传感器均需要复杂的前处理步骤。相比起来，基于磁弛豫开关的传感器不仅不需要复杂而繁琐的纯化步骤，而且由于实际样品的磁学性质可忽略不计，因此还可以实现无背景干扰检测[8]。磁纳米颗粒由聚集变为分散状态可引起周围水环境发生改变，从而可通过监测磁纳米颗粒周围水质子横向弛豫时间的变化实现对重金属离子[9-10]、农兽药残留[11]、小分子有害物[12]、致病菌[13-16]等食品危害因子的检测。本文主要介绍了磁弛豫传感器的检测原理以及在食品安全检测领域的应用及发展趋势。

1 磁弛豫开关纳米传感器检测机理

在外部磁场B0存在的情况下，一小部分氢核与B0平行排列，水质子氢核开始产生拉莫尔进动。当射频脉冲垂直作用于B0时，平行的氢核会吸收能量并被激发到不平行的状态。移除了射频脉冲后，被激发的氢核又能逐渐回到平行状态。弛豫过程有两种，分别为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫时间T1被认为是沿Z轴方向从零磁化开始逐渐增加到最大值（M0）63%的时间;横向弛豫时间T2则被定义为横向磁化率降至初始值37%的时间。水溶液中磁纳米粒子的加入会缩短水质子核的T1和T2，这是因为磁性造影材料的加入会导致磁场的不均一性，从而加速水质子的弛豫速率，改变相应的弛豫时间。磁纳米粒子缩短T1和T2的能力分别用纵向弛豫率（r1）和横向弛豫率（r2）来定义。通常来说，磁纳米粒子的r2大于r1。除此以外，磁性造影材料由分散状态改变为聚集状态时会导致横向弛豫时间T2发生改变。因此，磁弛豫开关纳米传感器常常通过检测T2的变化来实现对目标物浓度的定量检测。

磁纳米颗粒在水溶液中由分散状态变为聚集状态时，会导致磁场的不均一性，从而加速水质子的弛豫速率，进一步导致其周围水质子的横向弛豫时间（T2）发生显著变化。其表面经过特异性适配体/互补链、抗原/抗体等生物识别单元特定修饰后，功能化的磁纳米颗粒可通过生物识别作用使体系中聚集（或分散）的磁纳米颗粒变为分散（或聚集）状态。随着体系中目标物浓度的增加，聚集或分散状态的磁纳米颗粒相应改变，从而导致横向弛豫时间改变。因此，可通过横向弛豫时间的变化与目标物浓度之间的相关关系，实现对目标危害因子的检测[17-18]（图1）。

图 1 磁弛豫开关传感原理[17-18]Fig. 1 Schematic diagram of magnetic relaxation switch sensing[17-18]

对于基于磁弛豫开关的传感器而言，T2的变化是由一定浓度的目标分析物存在时体系中磁性纳米颗粒的聚集程度和分离程度决定的。早些年前，Koh等[19]提出了下述两个理论来解释这一机理：1）随着磁性纳米材料聚集程度的增加，横向弛豫时间T2减小;2）随着磁性纳米材料聚集程度的增加，横向弛豫时间T2增加。磁性纳米材料随着粒径（10～100 nm）的增加可能会产生更高的磁矩和更大的磁场不均匀性，从而改变相邻水质子的自旋-自旋速率，导致横向弛豫时间T2随磁性粒子的聚集而减小。然而，当磁性纳米粒子的大小达到微米级时，粒子的数量相对较少，而聚集物数量则增大了很多，使得磁性纳米粒子周围的水质子没有“经历”磁场的不均匀性，因而测得的横向弛豫时间T2随着磁性粒子的聚集而增加[19]。但研究者发现除了受磁性纳米粒子的粒径影响外，目标物的大小对系统的弛豫反应也有重要影响。当纳米粒子与一个8 nm大小的小粒径目标物结合时，横向弛豫时间T2降低，而与900 nm大小的大粒径目标物结合后，横向弛豫时间T2反而会增加。在此基础上，Min等[20]根据聚集物的大小又提出了两种类型。当材料中铁浓度固定时，如果团簇尺寸小于100 nm，T2随团簇尺寸的增加而减小，此时称之为运动平衡状态;如果聚集物的粒径在100～1 000 nm范围内，横向弛豫时间T2将随聚集物粒径的增大而增加，此时称之为静态相散状态。但当聚集物的粒径仍然继续增大时，T2也增加，此时为有限重复状态。这种理论较之前更为系统全面，但通用性不高。目前，人们普遍认为Brooks等[21-22]提出的强磁化的化学交换模型更适合用于解释磁弛豫开关原理，根据超顺磁纳米粒子的理论，将超顺磁纳米粒子分为强磁化粒子和弱磁化粒子。为了更好地理解化学交换模型，τD和ΔWr这两个参数尤其重要。τD是水分子在纳米粒子周围的平移扩散时间（τD=Ra2/D，Ra为纳米粒子半径，D为水扩散系数）。ΔWr是从纳米粒子表面结合位点到磁中心距离为r的角频率的变化值。当满足ΔWr×τD＜1时，适用于动态平衡模型，横向弛豫时间T2随聚集物尺寸的增加而减小。然而，磁纳米颗粒不再进一步聚集时（ΔWr×τD＞1），在这种情况下T2反而呈增加趋势。因此，在目标物存在的情况下，磁纳米粒子聚集会导致磁场不均匀，从而影响质子弛豫，导致横向弛豫时间T2发生改变。因此可根据加入目标物前后水分子横向弛豫时间的变化，通过目标物浓度和横向弛豫时间之间的相关关系，采用拟合函数得到标准曲线，从而得到目标物的含量，实现对目标分子的定量检测。

2 影响磁性纳米颗粒弛豫性能的因素

磁弛豫开关传感器的灵敏度与磁性纳米材料的横向弛豫率（r2）呈正相关，据报道，影响磁性纳米材料的横向弛豫率的因素主要有：材料粒径[23]、元素组成[24]、材料结构等[25]。

研究者提出在一定范围内，粒径越大的磁纳米粒子其质量磁化值也会相应增加，从而导致了横向弛豫率的增加。Jun等[26]研究了磁纳米粒子的粒径对横向弛豫率的影响。随着粒径从4 nm分别增加到6、9、12 nm时，四氧化三铁纳米粒子的质量磁化值也从25 emu/g增加到42、80、101 emu/g。Fe3O4纳米粒子的质量磁化程度越高，其横向弛豫率也越大。结果表明，随着质量磁化值的增加，r2从78 L/（mmol·s）分别增加至106、130、218 L/（mmol·s）。MnFe2O4也表现出了同样的粒径效应。

另一种提高磁化强度的策略是改变材料的元素组成，通过将具有较高磁矩的化学掺杂剂引入磁纳米材料中，纳米材料自身磁矩越高，其磁学性能更优异。Lee等[27]报道了12 nm八面体的磁性氧化铁纳米粒子中Fe2+被Mn2+、Co2+和Ni2+所替代后，其自旋磁矩大小分别为5、3、2 μB，它们的质量磁化值分别为110、99、85 emu/g。相应地，由Ni-、Co-、Fe-和Mn-掺杂的纳米粒子的r2也从152 L/（mmol·s）增大到了172、218、358 L/（mmol·s）。此外，Jang等[28]还调控了Zn2+和Mn2+在基于Fe2+的磁纳米粒子中的掺杂比，在(ZnxM1-x)Fe2O4（M为Mn2+或 Fe2+）的纳米粒子中，Zn2+占比为0.4时，质量磁化值最大，为175 emu/g，r2达到676 L/（mmol·s）。

除了上述两种方法外，材料的结构也能影响磁性纳米材料的磁学性能，研究者发现采用高质量磁化值的核、壳材料制备核壳结构的磁纳米粒子也可增强其磁学特性[29-32]。比起多畴结构，含Fe、Co、Ni纳米粒子单域结构的自旋在没有各向异性能量项和域壁移动的情况下，会向同一个方向排列。因此，含Fe、Co、Ni的纳米粒子比传统的钆等顺磁性纳米粒子具有更高的磁矩。然而，由于它们在水环境中不稳定，因此不能被直接应用[33-34]。当修饰上其他金属或氧化铁外壳后，由于胶体稳定性增加，核心的强磁矩才能得以保留。Lee等[35]报道了核/壳结构纳米颗粒，保护铁核免受氧化。通过改变壳层的组成，Fe@Fe3O4、Fe@MnFe2O4以及Fe@CoFe2O4纳米粒子均被成功制备。这些核壳结构的纳米粒子的质量磁化值均大于氧化铁纳米粒子，其中Fe@MnFe2O4纳米粒子的质量磁化值最大。

3 基于磁弛豫开关纳米传感器在食品安全领域的应用

目前，研究者们通过将生物传感器、纳米技术与生物识别技术相结合，并应用于食品安全领域方面的研究报道较多，基于磁弛豫开关的纳米传感器也已成功应用于重金属离子、小分子有害物以及致病菌等食品安全领域中多种危害因子的检测。

3.1 检测重金属离子

土壤以及水体中重金属离子粒子的污染间接导致了食物中重金属超标严重，进一步通过食物链危害人体健康，因此对重金属离子的监测显得尤为重要。Yang Yan等[36]成功制备了3-(3,4-二羟基苯基)丙酸（3-(3,4-dihydroxyphenyl)propionic acid，DHCA）修饰的Fe/Fe3O4纳米颗粒并开发了用于检测饮用水中Pb2+的磁传感器（图2）。DHCA的羧基对Pb2+的配位行为具有很强的亲和力，从而诱导Fe/Fe3O4纳米粒子从分散状态转变为聚集状态，在40～100 μmol/L和130～200 μmol/L的范围内均表现出良好的线性相关。Xu Liguang等[37]也基于磁弛豫开关的纳米传感器对饮用水中的Pb2+进行检测，其线性范围为0.1～20 ng/mL，检测限低至0.055 ng/mL。基于小分子配体与重金属离子的特异性配体配合，Zhang Yang等[38]研制出了具有高选择性的磁弛豫开关纳米传感器。利用Cd2+诱导的三唑衍生物共轭(Zn, Mn)Fe2O4纳米粒子的聚集，通过测量T2的相应变化，得到基于磁弛豫开关的检测Cd2+的纳米传感器。除了上述重金属离子，该方法还可以用于检测Hg2+、Cu2+[39]，Ma Wenwei等[40]开发了一种易于应用且灵敏的传感器，基于磁性纳米颗粒和寡核苷酸检测饮用水中Hg2+残留物。

图 2 基于DHCA-Fe/Fe3O4纳米粒子检测铅离子[36]Fig. 2 Detection of lead ions based on DHCA-Fe/Fe3O4 nanoparticles[36]

3.2 检测小分子有害物

不法分子在食品中的非法添加以及高温高压造成的食品接触材料中有害小分子的迁移等因素导致诸多安全质量问题产生，因此食品监控的严把关需要更为精确、快速的检测技术。Chen Yiqiang等[41]使用金纳米粒子-链霉抗生物素蛋白缀合物和磁性纳米粒子开发了一种磁弛豫开关免疫传感器，用于检测猪尿样本中的沙丁胺醇，其线性范围为5～200 ng/mL，检测限为10 pg/mL。与酶联免疫吸附实验相比，这种免疫传感器能够以更高的灵敏度实现更快的检测，为快速检测小分子提供了一个很有前景的平台。考虑到三嗪与三聚氰胺之间的三氢键，Shen Jinchao等[12]合成了核壳Fe@Fe3O4纳米粒子，基于三聚氰胺与(2,4,6-三氧代-1,3,5-三嗪-1-基)乙酸（(2,4,6-trioxo-1,3,5-triazin-1-yl) acetic acid，TTAA）之间特殊的三重氢键诱导TTAA-Fe/Fe3O4纳米粒子的聚集，引起纳米粒子周围水质子的自旋-自旋弛豫时间（T2）的增加。利用小分子配体对靶点的高特异性等，开发了一种基于磁弛豫开关原理检测三聚氰胺的纳米传感器，检测限低至2 μmol/L（图3）。Chen Yiping等[11]开发了一种基于磁弛豫开关原理用于检测牛奶中的卡那霉素的快速、灵敏、简便的免疫传感器。根据横向弛豫时间的变化与目标物质量浓度之间的关系从而实现对卡那霉素的灵敏检测，检测范围为1.5～25.2 ng/mL，检测限为0.1 ng/mL，其分析时间仅需45 min，远远短于需耗时6～8 h的酶联免疫吸附实验，大幅节约了时间成本。Ma Wei等[42]开发了一种基于核磁共振的免疫传感器快速灵敏地检测太湖水中的微囊毒素，其线性范围为1～18 ng/g，检测限为0.6 ng/g。由于该理论的简单性和该方法的易操作性，它可能成为快速筛选水样中毒素的潜在候选者，并且可能得到更广泛的应用。

图 3 基于TTAA-Fe/Fe3O4纳米粒子检测三聚氰胺[12]Fig. 3 Detection of melamine based on TTAA-Fe/Fe3O4 nanoparticles[12]

3.3 检测致病菌

致病菌污染是食品安全领域最常见，也是涉及面最广的问题[43]。为了提高基于磁弛豫开关的纳米传感器的灵敏度和重现性，Chen Yiqiang等[44]报道了一种与磁分离结合的磁弛豫开关纳米传感器用于一步检测牛奶中的肠道沙门氏菌（图4）。采用0.01 T的磁场将直径为250 nm的抗体共轭磁珠（MB250）与直径为30 nm的抗体共轭磁珠（MB30）分离，可通过MB30周围的水分子T2的信号幅度反映。比起常规的磁弛豫传感器，这种结合磁分离的磁弛豫传感器的检测限降低了两个数量级，检测范围增加了一个数量级。Zou Dengchao等[16]也开发了基于核磁共振的Fe3O4纳米簇生物传感器用于沙门氏菌检测，其线性范围为105～107CFU/mL，检测限为105CFU/mL。此外，水分子的T2在MB30附近较稳定也保证了这种的磁分离的磁弛豫纳米传感器的可重复性。Jia Fei等[13]报道了一种可用于快速灵敏测定鸡肉样品中食源性病原体铜绿假单胞菌的磁弛豫开关适配体传感器。由于铜绿假单胞菌的特异性适体与超顺磁性氧化铁纳米颗粒发生共价结合，与铜绿假单胞菌孵育时，它们将被适体特异性捕获，从而形成超顺磁性纳米粒子聚集体，根据自旋-自旋弛豫时间的改变来实现对铜绿假单胞菌的定量检测，其线性范围为102～106CFU/mL，检测限为50 CFU/mL。Zhao Yu等[15]基于单核细胞增生李斯特菌和抗体修饰纳米粒子之间特异性结合诱导的生物功能化磁性纳米粒子的聚集，开发了一种准确可靠的检测奶粉、生菜样品中单核细胞增生李斯特菌的方法。该方法的检测限为3 MPN（使用最可能数测定法），并且功能化的Fe/Fe3O4纳米颗粒对其他干扰细菌的存在表现出高特异性。表1为磁弛豫开关传感器用于检测部分食品中危害因子的总结。

图 4 基于不同大小的磁纳米粒子检测检测肠道沙门氏菌[44]Fig. 4 Detection of intestinal Salmonella based on magnetic nanoparticles of different sizes[44]

表 1 磁弛豫开关传感器用于检测部分食品中危害因子汇总Table 1 Magnetic relaxation switch sensors for detecting hazard factors in foods

3.4 检测其他目标物

除表1所归纳的检测重金属离子、小分子有害物以及致病菌以外，磁弛豫开关传感器也被广泛应用于检测蛋白质[45-47]、细胞[48-49]、核酸[50-51]以及酶活力[52-53]等。由于其并不依赖于光学信号，而且生物样本自身的磁学信号可忽略不计，可极大减少背景对样品检测带来的干扰，因此基于磁弛豫开关原理的纳米传感器不仅在食品安全领域应用广泛，在医学诊断及成像、生物环境等方面的应用也备受研究者关注，随着研究的继续深入和不断拓展，磁弛豫开关传感器将在多个领域发挥重要作用。

4 结 语

随着核磁共振技术的发展以及相关理论研究的不断深入，各种基于磁弛豫开关的纳米传感器得到了广泛的应用。具有高选择性和高性能的磁性纳米材料的深度开发[54]，使得基于磁弛豫开关的纳米传感器将能够在更多复杂系统中适应更广泛的目标，也为食品安全的质量保障和控制提供了更多的可能性。随着纳米技术的不断发展以及多学科的交叉融合，基于磁弛豫开关的纳米传感器会朝着高通量、高灵敏、选择性强以及原位实时检测的方向不断改进，也将在众多领域得到进一步的拓展和深入。