農產品質量安全納米傳感應用研究分析與展望

　　摘要: 納米材料具有特殊的尺寸效應和優異的光電性質，已在傳感分析中得到高度重視和廣泛應用，大幅提高了傳感分析技術的性能。近年來，智慧農業發展迅速，農產品質量安全作為農業生產的重要組成部分，對農業傳感技術的靈敏度、穩定性和檢測通量等指標要求越來越高。本綜述簡要闡述了幾種常用的納米材料的性質和特點，包括碳基納米材料、金屬納米材料和金屬-有機框架材料等。重點論述了基于納米材料的化學傳感、生物傳感、電化學傳感和光譜傳感等常用傳感分析技術和器件，以及納米傳感分析技術在農產品質量安全，尤其在克倫特羅和三聚氰胺等危害物,甲硝唑、二噁英類化合物,違禁添加物,真菌毒素，鋅、鎘、鉛等目標物，丙烯酰胺、呋喃類、硝基呋喃類抗生素監測等方面的應用。納米材料的制備和修飾技術扔需要進一步提升，多目標、高通量納米傳感器件在實際應用中的價值廣受關注，在線傳感分析在農產品質量安全智慧監控方面有迫切需求需要快速、實時、在線監測。

　　本文源自智慧農業(中英文), 2020, 2(2): 1-10.《智慧農業(中英文)》(季刊)是國家新聞出版署批準、國內外公開發行的農業工程類學術期刊，由中華人民共和國農業農村部主管，中國農業科學院農業信息研究所主辦，《智慧農業(中英文)》編輯委員會學術指導，《智慧農業(中英文)》編輯部編輯出版。

　　1 引 言

　　智慧農業是農業發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段，對農業具有里程碑意義,已成為世界現代農業發展趨勢,也成為發展中國家消除貧困的重要途徑。傳感技術在智慧農業中扮演了重要角色，是智慧農業的核心與關鍵。未來國際農業傳感技術的突破和顛覆主要集中在動植物生命信息捕獲、種養殖加工儲運環境信息傳感和農產品質量安全傳感等幾個方面[1]。

　　隨著物質生活的極大豐富，消費者對高品質農產品的需求日益增長，農產品質量安全傳感分析技術也越來越受到重視。影響農產品質量安全的危害因子主要有人為因素(如非法添加、農藥和獸藥使用等)、自然污染(如真菌毒素、致病微生物等)和環境遷移(如重金屬、持久性有機污染物等)[2]。這些危害因素種類多、危害性強且含量低，而農產品具有“鮮活”特性，對保障其質量安全傳感分析技術的靈敏度、穩定性和選擇性等性能指標和可操作性、實用性等提出了更高要求。現有農產品質量安全傳感分析技術難以滿足現代農業的需求。

　　納米傳感器是一種具有納米尺度特征尺寸的傳感器，有無損性、微創性和實時性等特點，已成為農業生產中營養管理、疾病評估、食品生產、DNA/蛋白質檢測和植物激素調控等的重要工具[3]。納米材料的出現為農產品質量安全傳感分析性能提升和改進提供了新機遇。由于納米材料特殊的尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，顯示出光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的特殊性質。納米材料的這些特性對于改進和提升農產品質量安全傳感分析性能具有重要意義。目前，碳基納米材料、貴金屬納米材料以及金屬有機框架等納米結構材料等已在構筑高性能農產品質量安全納米傳感器件方面廣泛應用，表現出極為優異的性能。

　　本文重點圍繞農產品質量安全傳感分析技術進行綜述，首先簡要介紹納米材料的類別和性質，然后重點論述納米材料在農產品質量安全傳感分析技術，如化學傳感、生物傳感、電化學傳感以及光譜傳感中的應用。最后，對納米材料在農產品質量安全傳感分析中的應用進行了總結和展望。

　　2 納米材料及其性質

　　納米材料主要包括納米尺寸材料和納米結構材料，具體是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1~100 nm)或由它們作為基本單元構成的材料。由于納米材料的尺寸、表面和宏觀量子隧道等效應，使其具有特殊的光、電、磁等理化性質，在組裝傳感器件方面具有特定優勢。目前，在納米傳感中常用的納米材料包括碳基納米材料(Carbon-based Nanomaterials,CNMs)、金屬納米材料和金屬-有機框架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)等。

　　CNMs是一類工程納米材料，因其優異的光、電、機械和熱性能，在能源、催化、環境和生命科學等領域得到了廣泛應用[4]。繼1985年發現富勒烯(C60)碳納米材料后，1991年發現碳納米管(CNT)，2004年發現石墨烯和碳量子點。目前，這些碳納米材料作為傳感器的信號放大和傳輸單元，已在環境監測、食品安全等領域得到了很好的應用[5,6]。

　　近幾十年來，納米科學和技術的迅速發展促進了對金屬納米材料的合成、性能和應用的深入研究[7]。大量具有明確尺寸、形狀和組成的金屬和合金納米材料已被合成用于電子、催化和生物醫學等領域。特別是貴金屬納米材料，因其源于材料表面強電磁作用的光學特性更為引人注目，這些光學特性可用于構筑可視化傳感和增強光譜信號[2]。

　　MOFs是一類具有均勻結構的復雜化多孔材料，由于其高孔隙率和可調的物理和化學性質，被用于氣體和水儲存、氣體凈化、污染物去除和催化等領域。MOFs光譜、結構等特性和豐富的活性基團，使其在傳感分析領域具有廣闊的應用前景[8]。

　　3 農產品質量安全納米傳感及應用

　　3.1　化學傳感

　　化學傳感器件是對各種化學物質敏感并將其濃度轉換為電信號的器件，并進行檢測。具有響應速度快、靈敏度高等特點，在環境監測、食品安全和醫療診斷[9]等領域廣泛應用。納米材料被集成到傳感系統中，具有更高的靈敏度、更短的檢測時間和更好的分析通量。如Liao等[10]研發了一種用于壓力/溫度/紫外檢測的高伸縮性ZnO纖維多功能納米傳感器，可以同時實現多指標的傳感分析。Feng等[11]采用靜電紡絲工藝制備的非晶碳/還原氧化石墨烯(rGO)包裹的Co3O4納米纖維，能夠對NH3進行選擇性傳感監測，有良好的靈敏度和快速響應(約20 s，50 mg/L)能力，并具有長達4年的長期穩定性。

　　化學傳感器件在農產品質量安全監測中具有明顯的優勢，但是農產品樣品基質復雜且目標物含量較低，因此需要選擇性的材料進行識別。分子印跡聚合物(Molecular Imprinted Polymer，MIP)是一種良好的識別材料，結合納米標記材料能夠開發一系列化學傳感器。基于MIP包被CdTe量子點(MIP-CdTeQDs)，Huy等[12]建立了一種克倫特羅和三聚氰胺等危害物的傳感分析新方法，其檢測限為120 ng/mL。通過對牛奶和動物肝臟樣品中克倫特羅和三聚氰胺的檢測分析，評價了該方法在實際樣品中的可行性，回收率為92%~97%。特別是MIP-CdTeQDs傳感器件可以很容易地再生，用于后續的樣品分析。同樣，Tang等[13]提出了一種基于MIPs和上轉換發光納米材料(UCP)的光譜傳感器制作新策略(見圖1)。他們合成了一種基于UCPs(YF3:Yb3+或Er3+)的MIPs@UCPs上轉換發光探針，通過分子印跡聚合物(MIPs@UCPs)對目標物進行了選擇性識別，依據發光強度變化實現對目標物的傳感分析，對克倫特羅的檢測限低于0.12 μg/L。Mehrzad-Samarin等[14]報道了一種用于檢測生物樣品中甲硝唑的新型光學納米傳感器合成了石墨烯量子點嵌入二氧化硅分子印跡聚合物(GQDs-embedded-SMIP)作為甲硝唑選擇性熒光探針。新合成的嵌入SMIP的量子點在450 nm處有較強的熒光發射，在365 nm處激發，在甲硝唑作為模板分子存在下猝滅，猝滅效率與甲硝唑濃度成正比，檢測限為0.15 μmol/L。

　　納米材料的性質以及與目標分析物的特異作用，也能提高化學傳感的穩定性和選擇性。近年來，中國農業科學院“飼料質量安全檢測與評價”研究團隊應用多孔發光MOFs材料創制了系列可再生納米傳感新材料，如創制了一種高穩定的鋯基MOF材料Zr6O4(OH)8(HCOO)2(CPTTA)2,(BUT-17)該MOF材料具有一維六邊形通道和富含苯基的孔表面，用于識別和傳感兩種具有代表性二噁英類化合物，多氯二苯并二噁英(BCDD)和2,3,7,8-四氯二苯并二噁英(TCDD)。基于二噁英類化合物對BUT-17的熒光猝滅研制了傳感新器件，其對BCDD和TCDD的檢測限分別為27 μg/L和57 μg/L，且具有很強的選擇性，不受類似化合物的干擾[15]。類似地，團隊還建立了違禁添加物[16]和禁限用藥物[17]的傳感方法。另外，Qiu等[18]將硝基苯基引入一種能形成多孔晶體帶的三氟芴分子中，研制了一種新型的高靈敏度鄰苯二甲酸酯(塑化劑)熒光傳感器。在單晶分析和理論計算的基礎上，證明了鄰苯二甲酸酯分子可以通過非共價相互作用擴散到晶體帶的空穴中，有效地抑制硝基苯基的旋轉，從而增強了發射。由于這種新的響應機制，鄰苯二甲酸酯的熒光檢測具有高靈敏度，鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)的檢測限為0.03 μg/L，而且該納米傳感器具有快速可逆開啟的特點，可用于食品包裝材料的在線監測。

　　圖1 MIPs@UCPs上轉換發光探針傳感機理[13]

　　Fig. 1 Sensing mechanism of luminescent probe of MIPs@UCPs

　　近年來，比色傳感器因其便于肉眼判定和簡單操作而受到越來越多的關注。溶液中的金基納米材料(AuNMs)聚集或刻蝕后，在可見光區域呈現不同的顏色和光譜變化。利用AuNMs這一特性，通過目標分析物與AuNMs表面的靜電作用和氫鍵等非共價力，實現目標分析物的可視化傳感。這種比色傳感最大的優點是無需設備，肉眼可判[19]。比色傳感已很好地用于醫學和食品安全領域中病毒[20]、DNA[21]、小分子[22]、金屬離子[23]和癌細胞[24]等目標物的檢測。Zhou等[25]采用三聚氰胺修飾的金納米粒子(AuNPs)對萊克多巴胺和沙丁胺醇進行了高選擇性和高靈敏度的比色檢測。此類β-激動劑化合物的存在通過氫鍵作用誘導金納米粒子的聚集，伴隨著AuNPs溶液顏色和光學性質的明顯變化，可通過肉眼對目標物監測。

　　3.2　生物傳感

　　生物傳感通常應用生物識別單元如抗體、適配體等進行組裝傳感器件，納米材料在生物傳感中主要起信號標記和增強作用。目前，生物傳感器件已廣泛應用于農產品質量安全中違禁添加物、真菌毒素等的監測。AuNPs常用于標記抗體來制作膠體金試紙條，在抗生素、β-受體激動劑和黃曲霉毒素等的快速篩查和監測中廣泛應用[26]。如Wu等[27]應用AuNPs結合金剛烷胺抗體建立了一種靈敏的膠體金免疫層析方法，用于快速半定量檢測雞肌肉中金剛烷胺，檢測時間為12 min，檢測限為1.80 ng/mL。Song等[28]應用AuNPs和單克隆抗體建立一種高靈敏度、特異性的牛奶中常山酮(HFG)快速傳感分析方法，對牛奶中常山酮的檢出限為100 ng/mL，整個檢測過程可在5 min內完成。

　　近年來，為了獲得更高的傳感靈敏度，一些新型納米標記材料，如熒光納米材料和上轉換納米材料等，被應用于生物傳感中抗體標記。Ren等[29]應用CdSe/ZnS發光量子點標記抗體研究建立了玉米中黃曲霉毒素B1超高靈敏度傳感分析方法，檢測限為0.42 pg/mL，較常規AuNPs標記方法的靈敏度提升2個數量級。Wang等[30]應用熒光納米微球標記單克隆抗體組裝了同時測定克倫特羅、萊克多巴胺和沙丁胺醇等3種“瘦肉精”類化合物的免疫層析傳感器，實現了從單一目標向多目標同時檢測的轉變。進而結合高交叉反應率抗體，研制出能夠同時測定7種“瘦肉精”類化合物的傳感分析方法[31]。為了消除樣品基質干擾，提高檢測的準確度，Wang等[32]利用上轉換發光(Up-conversion Phosphor，UCP)納米材料低能量激發和高能量發射的特性，建立了UCP納米微球標記側流層析傳感器件，能夠對動物性食品中瘦肉精類化合物克倫特羅進行超敏檢測(見圖2)。由于UCP納米材料的光譜特性，很好地消除了復雜樣品基質的干擾。

　　圖2 UCP納米材料標記免疫傳感機理[32]

　　Fig. 2 Sensing mechanism of UCP labeled immunoassay

　　近年來，除傳統的抗體外，適配體的良好識別和選擇性結合能力也得到關注。針對農產品中危害物，相關機構應用適配體結合納米材料，研發了系列生物傳感器件。Ma等[33]將鉑納米粒子(PtNPs)包埋在AFB1響應性DNA水凝膠中，開發基于微壓傳感器平臺的AFB1便攜式生物傳感器。Hu等[34]選擇HKUST-1 MOF材料作為吸附劑制備Fe3O4/g-C3N4/HKUST-1復合納米材料，構筑了赭曲霉毒素A(Ochratoxin，OTA)生物傳感器。因為HKUST-1可以提高復合材料的化學穩定性，并通過光誘導電子轉移(Photo-induced Electron Transfer，PET)完全熄滅OTA適配體上5-羧熒光素(FAM)染料的熒光。因此，在OTA存在下，識別適體可以與OTA結合，從Fe3O4/g-C3N4/HKUST-1復合物中釋放出相應的FAM標記的適體，從而使傳感系統的熒光強度逐漸恢復。反之，熒光被猝滅。該生物傳感器靈敏度達2.57 ng/mL。

　　3.3　電化學傳感

　　電化學(Electrical Conductivity，EC)傳感器是一種典型的具備微型化分析設備，通過測量電流等電化學信號的變化來檢測痕量的目標，包括有機小分子、金屬離子和生物分子。由于化學/生物分子在電極和電化學單元的作用下氧化/還原而產生的電壓、電位或阻抗信號。一般來說，電極的修飾主要是通過結合特定的識別元件來提高傳感器的選擇性，如適體、抗體和受體等[35]。目前，EC傳感在農產品中危害物的檢測中越來越受到重視。

　　納米材料在提升EC傳感性能方面扮演著重要的角色。Rivas等[36]開發了一種基于IrO2納米顆粒的納米結構平臺，以提高EC的分析性能。在復雜樣品中檢測OTA時，基質背景干擾較低，說明了該方法在實際樣品分析中的有效性。作者團隊應用AuNPs和石墨烯開發了無標記EC傳感新技術，結合抗體和適配體，實現了對萊克多巴胺等養殖過程非法添加物的快速、高敏檢測，檢測靈敏度為1.0×10-12 mol/L[37,38](見圖3)。Yang等[39]報道了一種基于量子點發光EC傳感器，通過外切酶催化靶循環放大大幅提高了檢測靈敏度，對OTA檢測靈敏度達到0.64 pg/mL。

　　絲網印刷技術(Screen-Printed Electrodes，SPE)是EC傳感器制備的前沿技術之一，使EC傳感器能夠更方便用于各種分析。然而，根據EC的特殊用途，選擇納米材料作為SPEs基材非常重要[40]。碳納米材料或改性碳納米材料，如石墨烯[41]、石墨[42]、富勒烯[43]和碳納米管(CNTs)[44]，是SPE最常用的基材。這些納米材料對EC傳感器產生了巨大的影響[45]，能夠提高生物分子的固定化效率和加速電極表面的電荷轉移速率。此外，可以增加EC中介以放大來自SPEs的信號和實現多目標分析[46]。Chaiyo等[47]用Nafion/離子液體/石墨烯復合物作為基材，通過SPE技術制備EC傳感器，能夠同時檢測鋅、鎘、鉛等目標物。

　　納米結構的MOFs材料(nMOFs)在檢測各種目標物的傳感領域中具有廣泛的應用潛力，因而受到越來越多的關注[48]。此外，nMOFs有機配體上的特殊官能團可通過π-π堆積、氫鍵和靜電力，與帶負電荷的核酸序列之間發生作用，從而更有利于構建高性能傳感界面[49]。目前，已有研究人員通過nMOFs與適配體結合開發系列EC傳感器[50]。Liu等[51]提出了一種基于類似Zr-MOFs的可調諧EC用于蛋白質檢測，具有較高的靈敏度、良好的重復性和在實際樣品中的適用性。隨后，同一組人通過一鍋法制備了嵌入Au納米團簇的2D Zr-MOFs納米片(2D AuNCs@521-MOF)[52]，能夠對可卡因進行超敏檢測。

　　圖3 無標記EC傳感機理[37,38]

　　Fig. 3 Sensing mechanism of label free EC sensors

　　3.4　光譜傳感

　　光譜傳感中拉曼光譜的靈敏度最好，本文重點介紹表面增強拉曼光譜(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)及其應用。SERS是入射光激發納米尺度貴金屬材料產生的一種拉曼散射增強效應，可實現對單分子的高靈敏“指紋”識別。SERS技術具有良好的靈敏度、單分子檢測能力和豐富的光譜信息等優點，在目標物快速傳感分析中成為一種很有前途的光譜技術[53]，在食品安全[54]、環境監測[55]和健康[56]等領域迅速發展。

　　SERS分析中，光譜信號增強是其中關鍵和核心[57]。納米材料在SERS信號增強方面的優勢已得到驗證，并獲得良好的分析結果。作為典型的AuNMs，AuNPs和金納米棒(AuNRs)具有可見光激發的局部表面等離子共振(Localized Surface Plasmon Resonance， LSPR)特性，可以集中局部電磁場[58]，提高SERS檢測信號和檢測靈敏度。Cheng等[59]應用二次氧化石墨烯與AuNPs結合，實現了油炸食品中丙烯酰胺的高敏檢測，檢測靈敏度達到2.0 μg/kg。Alsammarraie 和Lin[60]應用AuNRs陣列增強西維因農藥殘留，實現對牛奶和水果中西維因殘留的檢測，檢測靈敏度達50 μg/kg。多目標同時傳感分析是SERS的特點，Xie等[61]開發了AuNPs增強SERS信號，快速檢測呋喃類抗生素(包括呋喃丹、呋喃他酮及其混合物)的方法。用平均粒徑為50 nm的AuNPs活性SERS基底研究了對硝基呋喃類抗生素信號增強效果，建立了硝基呋喃類化合物的SERS傳感分析方法。在最佳條件下，LOD可達到5.0 μg/kg。

　　近年來，一些基于MOFs修飾AuNMs的小分子SERS檢測方法得到了發展。MOFs材料的多孔性對目標分析物能夠更好的富集，同時能夠保證納米材料的穩定性。如He等[62]成功制備了核殼型Au@MOF-5納米結構，其中單個AuNP核被均勻的MOF-5殼包裹。與裸AuNPs和純MOF-5微球相比，殼厚為(3.2±0.5)nm的核殼Au@MOF-5納米結構對CO2具有獨特的SERS活性(見圖4)。Hu等[63]將AuNP嵌入的MOFs(MIL-101)進行高靈敏度的SERS檢測。新的SERS底物對多種不同的目標分析物具有高度的敏感性、穩定性和親和性，羅丹明6 G和苯扎定的LOD分別為41.75 fmol和0.54 fmol。由于MOFs具有保護殼，該底物還表現出高穩定性和重復性，以及分子篩效應。

　　圖4　不同厚度MOF-5包被貴金屬的光譜信號增強材料的電鏡圖[62]

　　Fig. 4 Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) (inset) images of core-shell Au@MOF-5 nanostructures with shell thicknesses

　　4 存在的問題與展望

　　目前，納米傳感在農產品質量安全監測領域廣泛應用并具有良好的前景。納米材料是納米傳感的基礎，也是實現納米傳感的靈敏度、穩定性和可靠性等分析性能的關鍵。盡管納米傳感發展迅速，但仍有一些瓶頸問題需要解決。

　　首先，納米材料的制備和修飾技術需要進一步提升，以獲得性能更優和更加穩定的功能性納米材料。如貴金屬納米材料形貌與其LSPR性質有密切的關聯性，如何精確控制納米材料形貌，獲得具有理想LSPR性能的貴金屬納米材料，需要進一步解決。近年來，MOFs材料的特殊性質和優異性能越來越受關注，但MOFs材料的穩定性和可控多級孔的獲得仍是困擾其應用的難題。

　　其次，多目標、高通量納米傳感器件在實際應用中的價值廣受關注。盡管科研人員已經開發出系列高通量納米傳感分析技術和器件，但在保證分析性能的前提下，不同種類化合物同時進行傳感分析，更高的分析通量，仍然是一個瓶頸。需要在納米傳感器件的構筑方面努力。

　　最后，在線傳感分析在農產品質量安全智慧監控方面有迫切需求，特別是農產品生產鏈條長，具有“鮮活性”的特性，需要快速、實時、在線監測。但受納米傳感器件的再生性限制，難以實現在線傳感分析。因此，需要在納米材料和納米技術以及納米傳感器件構筑方面獲得突破。

　　通過解決上述納米材料精控制備和納米傳感器件構筑中的瓶頸問題，納米傳感在農產品質量安全中的應用會得到迅速發展。更重要的是利用納米材料和納米技術制作傳感器，是立足于原子尺度操控，從而極大地豐富了傳感理論，提升了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領域。未來，隨著納米材料制備技術的成熟，農產品質量安全納米傳感器的尺寸更小、檢測精度更高,納米傳感器的構筑向集成化、智能化方向發展,傳感性能向寬量程、高精度、強抗干擾、長壽命和可重復利用的方向發展。