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量子点新技术在食品农兽药残留安全检测中的研究进展

文档作者：王啊娟1, 2, 李忠海1, 2, 黎继烈1, 2, 付湘晋1, 2*, 张慧1, 2 文档来源： 1. 中南林业科技大学食品科学与工程学院 2. 中南林业科技大学		点击数：	更新时间： 2025年07月08日
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第5 卷 第2 期 食品安全质量检测学报 Vol. 5 No. 2
2014 年2 月 Journal of Food Safety and Quality Feb. , 2014
基金项目: 质检公益性行业的科研专项(201310055-02)
Fund: Supported by Research Funds for Quality Control in Public Industry (201310055-02)
*通讯作者: 付湘晋, 副教授, 主要研究方向为食品科学。E-mail: yangtzfu@yahoo.com.cn
*Corresponding author: FU Xiang-Jin, Associate Professor, College of Food Science and Engineering, Central South University of Forestry and
Technology, No.498, Shaoshan South Road, Tianxin District, Changsha 410004, China. E-mail: yangtzfu@yahoo.com.cn
量子点新技术在食品农兽药残留安全检测中的
研究进展
王啊娟1, 2, 李忠海1, 2, 黎继烈1, 2, 付湘晋1, 2*, 张 慧1, 2
(1. 中南林业科技大学 食品科学与工程学院, 长沙 410004;
2. 中南林业科技大学, 稻谷及副产物深加工国家工程实验室, 长沙 410004)
摘要: 近些年来, 农产品和畜牧业质量安全问题频频发生, 农、兽药残留作为其安全问题的来源之一, 如今不
仅仅让自然环境面临严重破坏, 人类健康也会遭受威胁。开发快速、简便、价廉的农兽药残留快速检测技术是近
年来研究的重点挑战; 量子点作为一种新型荧光探针, 比传统有机荧光染料具有更好的光学性能, 以其为基础衍
生出的检测技术的研究和应用也逐渐走向成熟。本文简要概括了量子点的光学性质, 主要对其发展技术在检测农
兽药残留中的应用及分析进行了综述, 并对其发展前景作了展望。
关键词: 量子点; 农兽药残留; 荧光; 免疫标记技术; 检出限
Research progress of quantum dots and its new technologies on detecting the
residues of pesticides and veterinary drug in food
WANG A-Juan1, 2, LI Zhong-Hai1, 2, LI Ji-Lie1, 2, FU Xiang-Jin1, 2*, ZHANG Hui1, 2
(1. College of Food Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004,
China; 2. National Engineering Laboratory for Rice and Byproducts Processing, Central South University of
Forestry and Technology, Changsha 410004, China)
ABSTRACT: In recent years, the issues about the quality and safety of agricultural products and livestock
have occurred frequently. As a source of security problems, the residues of pesticides and veterinary drug
had caused serious threat on environment and human’s health. It was focused on developing a fast, simple
and inexpensive method to detect the residues of pesticides and veterinary drug in recent years. Quantum
dots (QDs) is made into a new fluorescent probes with excellent optical characteristics compared with the
conventional organic fluorochrome. The detection techniques and researches based on QDs became more
and more mature. The optical features of QDs were reviewed briefly in this paper. Its application and
analysis on detecting the residues of pesticides and veterinary drug were introduced in detail. Additionally,
the prospects of development were discussed.
KEY WORDS: quantum dots; residues of pesticides and veterinary drug; fluorescence; immunolabelled
technique; limit of detection
第2 期 王啊娟, 等: 量子点新技术在食品农兽药残留安全检测中的研究进展 329
据卫生部统计, 自2001 年以来, 由于农兽药残
留引起的食物中毒事件在食物中毒总数中占有很大
比例, 且残亡率极高。其中, 每年发生农药中毒的人
数年均超过10 万人, 每年因农药引起的食物中毒发
病率居化学中毒首位。同样, 兽药的滥用也造成了可
怕的结果, 如人畜病发症[1-2]。我国作为一个农药生
产大国, 其中使用量也大幅度增长, 每年产量近达
45 万 t, 每年用量约25 万 t[3]。为了保护粮食作物不
受病虫草害、微生物的污染, 农药的使用发挥了关键
性的作用; 与此同时却给大量农作物造成了严重的
污染。此外, 过量使用生长素、抗生素以及抗菌药物
等在畜牧业中的现象也屡见不鲜, 虽是发挥了提高
饲料利用率、畜禽生长率, 降低发病率、死亡率等方
面的作用, 但经过兽药在畜禽体内的不断累积, 严重
影响了动物源性食品的质量和安全。为了满足国内人
民对食品安全和营养的需求, 同时要为相关进口国
提供符合要求的出口食品, 各种食品安全快速检测
方法的研究与建立具有重要意义。
现今, 研究食品农兽药残留的检测方法较多,
其中: 化学分析法(chemical analysis, CA)、气相色谱
法(gas chromatography, GC)、高效液相色谱法(high
performance liquid chromatography, HPLC)、气质联用
法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)和
酶联免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay,
ELISA)等为常见的检测技术。因受到实验条件、灵
敏度等因素的制约, 不能满足实际需要, 所以需要开
发新技术来实现农兽药残留的重点检测。随着纳米科
技的飞速发展, 具有独特光谱特性和优良光化学稳
定性的量子点作为一项全新的技术, 并通过与生物
学、免疫学等技术结合应用在食品安全检测领域已得
到广泛关注。因此, 重点开发简单快速、灵敏稳定、
高通量的量子点分析方法成为检测食品安全的任务
之一, 并且在食品农兽药残留的检测中通过一系列
实验取得了一定的研究进展。本文主要综述了量子点
新技术在农兽药残留检测中的应用与分析, 并对其
发展前景作了展望。
1 量子点的光学性质
量子点(quantum dots, QDs), 又称半导体纳米晶
体, 通常由II-VI 或III-V 族元素组成, 在受到光激发
或加电压后能够产生荧光的一类纳米材料, 尺寸范
围为1~10 nm[4]。相对于传统的有机染料, 量子点具
有宽的激发光谱、窄且对称的发射光谱、高的量子产
率等独特的光学性质。目前, 经化学修饰的水溶性量
子点因带有可溶性基团(如−COOH)而具有良好的稳
定性和生物相容性, 可以实现与酶、抗体等生物大分
子连接等方面的作用[5-6]。因此, 合成水溶性量子点
的方法一直也是研究热点。
2 量子点及其在农兽药残留检测中的应用
与分析
近年来, 量子点及其技术应用在分析农兽药残
留定性定量方面获得了较大进展, 进一步推动了农
畜产品检测新技术的广泛应用, 为我国食品质量安
全控制体系做出了巨大贡献, 显示出极大的优越性。
本章对量子点在农兽药残留检测中的分析新技术进
行归纳总结。
2.1 量子点标记免疫技术
量子点标记免疫技术将量子点作为荧光标记物,
基于免疫反应对待测物进行检测的一项食品检测新
技术。量子点标记免疫分析是一种超微量测定技术,
以操作简便、快速准确、特异灵敏、廉价高效、前处
理简单以及无需特殊检测设备等优点已成为农药和
兽药残留检测的重要工具之一。
Chen 等[7]率先建立了基于量子点标记的竞争性
荧光酶联免疫吸附法, 该法主要采用量子点标记的
羊抗鼠的immunoglobulin G (IgG) 药代替传统间接
ELISA 的酶标二抗, 通过荧光酶标仪快速检测鸡肉
中残留的恩诺沙星, 灵敏度可提高10~100 倍以上。
其中线性检测范围为1~100 ng/mL, 检测限达2.5
ng/mL。之后, 作为荧光探针的量子点又在兽药分子
磺胺二甲嘧啶的单克隆抗体上进行标记, 建立了牛
奶和猪肉中磺胺二甲嘧啶的直接竞争荧光免疫分析
法。例如, 采用荧光免疫吸附法, 在间接竞争作用下,
量子点标记二抗进行鸡肉中残留磺胺二甲嘧啶的检
测, 检测限为1.0 ng/L, 其检测结果较为接近HPLC
法分析结果[8]。另外, 量子点的荧光免疫分析法在农
药残留检测中也应用广泛。Nichkova 等[9]成功建立了
利用量子点标记的多通道免疫技术检测分别作为拟
除虫菊酯类杀虫剂和除草CdTe 量子点的免疫荧光分
析法, 利用游离的2,4- 二氯苯氧乙酸
(2,4-dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D)抗体与2,4-D330
食品安全质量检测学报 第5 卷
碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)-CdTe 荧光传
感器反应, 用于检测除草剂(2,4-D), 检测限可达250
pg/mL。2010 年, Zou 等[10]基于竞争免疫技术制备了
方便小巧的量子点标记的荧光免疫试纸条, 对有机
磷农药可进行便捷灵敏的检测, 此法优点是不仅大
大降低了假阳性的可能, 而且在15 min 内可检测出
标准分析物达l.0 ng/mL, 加标实验回收率有102.0%,
成功检测大鼠血浆中3,5,6-三氯嘧啶的残留量。之后,
朱展望[11]创建了“磁性、荧光双探针在2,4-D 残留检
测中的应用”, 结果显示: 结合2,4-D抗体标记的磁性
探针和2,4-D-ovalbumin (OVA)标记的荧光探针, 不
仅实现了2,4-D 的检测, 最低检测限达43 ng/mL。而
且, 可将该体系中的2,4-D、2,4-D-OVA、2,4-D 抗体
换作其他小分子及其对应包被原和抗体, 从而实现
其他小分子化合物的检测。因此, 量子点与磁性纳米
技术的结合奠定了彼此在食品快速检测中的重要地
位, 为后期实验作了理论基础。
近年来, 随着商品化检测试纸条和试剂盒越来
越多。研究者努力将量子点技术与免疫层析法进行结
合, 如图1 所示, 根据其原理实现对农兽药的检测,
并且希望在食品安全检测领域中制备出更为灵敏快
速的量子点多通量免疫层析试纸条。
图1 量子点免疫层析原理
Fig. 1 Principle of quantum dots immune chromatography
张国华等[12]在2009 年为了证明量子点免疫层析
试纸条可用于兽药莱克多巴胺残留的检测, 故通过
合成量子点、莱克多巴胺抗原抗体和组装、验证试纸
条等一系列步骤, 研究结果显示: 此试纸条可实现
10 min 快速检测莱克多巴胺, 其检测限3 ng/mL。此
方法在量子点本身具有的荧光寿命长、生物兼容性、
抗光漂白作用好等特点前提下, 保证了量子点标记
免疫层析试纸条可以获得稳定的实验结果。继而胡华
军等[13]将巯基丁二酸作为制备核壳型CdTe/ZnSe 量
子点的表面修饰剂和稳定剂, 且通过
N-hydroxysuccinimide (NHS) 连接作用, 成功制出
CdTe/ZnSe-Anti-clenbuterol pancreas autoantibodies
(CLEpAb)偶联物。再利用凝胶电泳和斑点杂交实验验
证该偶联物连接成功后, 进行对clenbuterol-bovine
serum albumin (CLE-BSA) 包被抗原的识别。实验结
果表明: 与ELISA 法相比, CdTe/ZnSe-Anti-CLEpAb
免疫层析试纸条能应用在CLE 残留的快速检测, 且检
测限低达1 μg/L。最近, 李淑群[14]制备MPA 稳定的水
溶性CdTe/ZnS 核壳量子点, 与三聚氰胺抗体偶联, 首
次建立量子点免疫层析技术对三聚氰胺进行检测, 灵
敏度达10 ng/mL, 特异性良好。对几种样品进行加标
处理, 用量子点免疫层析试剂条和 ELISA 检测对比,
两者结果基本一致, 相关性很好, 表明量子点免疫层
析试剂条不仅灵敏度高, 特异性强, 而且准确度高。白
亚龙等[15]研究也证实了量子点免疫层析技术的高灵
敏度, 初步判断比胶体金免疫层析体系高4~20 倍。
量子点免疫层析技术规避了传统免疫分析法的
一些缺点, 如酶免疫标记物容易失活, 检测结果不稳
定; 胶体金免疫层析在检测某些抗原或抗体含量极
低的样本时, 胶体金的颜色很浅很难用肉眼来判断
结果, 灵敏度低等问题。但是, 如何实现“定量”或“多
通量”分析、“制备或筛选具有高稳定性、特异性的抗
体”等标记问题, 仍是今后发展量子点免疫标记分析
技术的必探之路。
2.2 量子点传感器技术
作为应用于检测农兽药残留的量子点传感器分析,
主要是基于量子点生物传感器或化学传感器的构建[16]。
Ji[17]与Du[18]等先后成功实现了甲基对硫磷的检
测, 并研制出高性能的电化学传感器长时间监测甲
基对硫磷, 该方法也适用于检测氨基甲酸酯类农药。
Zheng[19]和Li[20]等利用量子点的光学特性与酶的催
化活性发生特异性结合, 将量子点与酶有序组装成
生物传感器, 检测食品中有机磷杀虫剂的残留。吕会
田等[21]制备的adenosine triphosphate (ATP) 合酶分
子马达免疫旋转生物传感器, 通过利用量子点荧光
标记技术, 快速实现对盐酸克伦特罗的检测, 检测范
围为10~12 g/L。根据电化学免疫传感器原理图2, 近
年来, 张一芳[22]研制了一种基于纳米金信号放大的
电化学免疫传感器用于克伦特罗(CLE)的检测, 利用
碱性磷酸酯酶标记的马抗小鼠IgG 二抗与一抗结合
后, 催化底物1-萘酚磷酸酯(1-naphthol phosphate
第2 期 王啊娟, 等: 量子点新技术在食品农兽药残留安全检测中的研究进展 331
(NP) )水解, 从产生电信号并进行检测, 检测限达20
pg/mL。该传感器具备操作简单、灵敏度高、特异性
好等优点。基于fluorescence resonance energy transfer
(FRET) 的量子点新型传感器也已广泛用于小分子
等金属离子间的检测。Zhang 等[23]发现FRET 出现严
重的荧光猝灭现象是因为双硫腙被吸附到CdTe 量子
点表面; 相反, 有机磷水解产物的取代却易让荧光逐
渐恢复, 对甲基毒死蜱检测范围约0.1~10 nmol/L,
检测限为5.5 ng/mL。实验证明, 基于FRET 的量子
点传感器的构建基本需要对量子点表面进行固定生
物分子接受体、选择染料猝灭剂、化学处理等繁琐的
修饰化过程。肖飞[16]的研究中也提出: 巯基乙酸包覆
CdS 量子点的光电免疫传感器阵列可用于兽药残留
物多通道分析, 体系先通过自主装(CdS/PDDA/
AuNPs/PDDA)n 多层膜, 后制成免疫传感器阵列对
CB, RAC 和CAP 进行定性、定量分析, 检测限分别
达25、50、2.2 pg/mL。并将该传感器用于猪肝样品
中CB, RAC 和CAP 分析, 回收率为95.4%∼105.5%。
实验结果表明, 该免疫传感器为兽药残留高通量定
性、定量分析提供了一种快速有效的实用分析方法。
图2 电化学免疫传感器结构示意图[16]
Fig. 2 Schematic diagram of electrochemical immunosensor[16]
量子点传感器以分析速度快、灵敏度高、选择性
好、体积小适合联机化等优点已在食品检测中有重要
应用, 但其内在特性导致的难题仍值得科研工作者
进行探索。例如: 在水相中制备量子点时, 应对表面
的化学基团进一步修饰以适应各种生物大分子的标
记; 在增加量子点的水溶性同时, 也需对其体积进行
控制, 因为直径问题会导致荧光转移效率低等缺点;
最后在进行高特异性的生物分子标记时, 应先弱化
非特异性的因素。
2.3 量子点分子印迹技术
分子印迹技术, 即印迹分子作用下, 通过交联
剂连接, 制备具有特异选择性、高强度的高聚物分子,
再经洗脱去除模板分子, 在空间结构和功能基排布
上与目标分子组成互补结构的空穴, 便在分子识别
中有着高效的选择性和广阔的应用前景。此方法操作
简单且可回收重复使用模板分子[24]。常见的两种分
子印迹过程, 如图3 所示。
图3 分子印迹过程[25]
Fig. 3 Molecular imprinting process[25]
(a) 非共价键型 (b) 共价键型
Li 等[26]采用反向微乳液法合成分子印迹聚合物
检测四种拟除虫菊酯类农药, 其中利用3-氨基丙基
三乙氧基硅烷置换 trioctylphosphine oxide (TOPO)
修饰CdSe 量子点, 包硅四乙氧基硅烷作为模版和交
联剂, 检测出三氟氯氰菊酯范围可达3.6 μg/L。同年,
Liu 等[27]用3-巯基丙基三甲氧基硅烷修饰的ZnS:Mn
量子点结合传统印迹法和电化学法对4-硝基酚进行
了检测, 并探讨了其粹灭机制。2011 年, Ge 等[28]在微
孔板表面依次组装molecularly imprinted polymers
(MIPs) 农药分子和QDs, 构建了分子印迹膜修饰的
荧光传感器, 用来检测食品和环境中农药的残留量,
该法不但实现了快速、方便的检测, 而且还具有成本
低、重复性好、灵敏度和特异性高等优点。
利用量子点优良的光学性质, 在量子点表面进
行分子印迹制备聚合物应用于选择性识别和检测,
近年来在食品检测领域得到了一定的发展。但如何
制备出荧光明亮、稳定的量子点探针, 且对量子点
进行有效包覆使其表面功能化, 仍是今后研究的重
点方向。
2.4 量子点自组装膜技术
量子点以适当方式与无机或有机基体复合组装
332 食品安全质量检测学报 第5 卷
到基底表面形成传感膜, 不仅可以极大地提高灵敏
度, 而且在一定条件下可以再生重复使用, 避免量子
点污染环境, 并有望实现量子点作为传感探针由材
料向器件转化[29]。
Constantine 等[30]利用自组装膜技术把巯基乙酸
修饰的CdSe 量子点和壳聚糖组装在石英基底上, 再
将有机磷水解酶层组装在其表面, 最后进行对氧磷
的检测, 线性范围处于0.01~10 μmol/L。杨光昕等[31]
把巯基丙酸修饰的CdSe 量子点、乙酰胆碱酯酶及聚
二烯丙基二甲基氯化铵组装在石英玻片表面上, 组
建了可实现久效磷痕量检测的自组装多层膜, 检测
限为48.64 nmol/L。通过自组装膜技术可实现固定化
酶的活化和再生利用, 因为有机磷农药对酶活性有
一定的抑制作用, 室温条件下将与农药作用过的自
组装膜浸泡于2% 2-polyacrylamide (PAM) 溶液中30
min 即可。
基于量子点自组装模式图4 所示, 由于制备方法
简单、无错位缺陷等特性而成为目前制备高质量量子
点的主要方法。但是, 量子点自组装结构具有许多单
个量子没有的优点。如在量子点自组装体系中, 当两
个量子点靠得很近时量子点之间会发生电子耦合或
激子能量转移使量子点发生荧光猝灭等现象[32]。自
组装过程会让量子点形状尺寸、分布均匀性等性质难
以控制, 且一般自组装膜所修饰的表面因缺乏选择
性, 特别表现在固定生物大分子时, 其高选择性的研
究不容忽视。因此, 把应用于食品检测领域中的量子
点自组装构建技术与量子点传感新原理、新方法相结
合, 并拓展到化学生物传感的更深层领域是未来的
一个发展方向。
图4 量子点自组装模式[32]
Fig. 4 Self-assembled QDS mode[32]
基于直接作用(a)/间接作用(b)导致的量子点自组装
2.5 量子点荧光探针技术
量子点作为荧光探针, 具有很高的荧光强度和
稳定性, 近年来, 随着分析化学的快速发展, 使得其
超灵敏技术对食品农兽药等残留物质的定量和快速
检测成为今后的研究热点。
2009 年, Qu 等[33]根据利用磺化杯芳烃存在时,
啶虫脒可以有选择性地提高CdTe 量子点的荧光强度;
反之不存在时, 螨胺磷可以有选择性地猝灭游离
CdTe 量子点的荧光强度, 用于杀虫剂啶虫脒和螨胺
磷的快速检测, 检测限分别为1.2×10-8 mol/L 和
3.4×10-8 mol/L。最近, 薛芳芳[6]一文中提到: CdTe 量
子点-硫酸鱼精蛋白用于甲基毒死蜱残留检测中的初
步应用。结果分析了硫酸鱼精蛋白对thioglycolate
(TGA)-CdTe 量子点有较强的荧光猝灭作用, 并且该
体系得到的表面带正电荷的CdTe 量子点对甲基毒死
蜱有一定响应, 有望发展为有机磷农药的量子点光
学探针。
3 展 望
随着科学技术的日益进步, 农兽药多残留检测
方法在不断深化和更替。量子点新技术作为一项高新
技术, 特别是量子点优越的荧光强度和稳定性, 在各
个领域尤其是食品安全领域受到广泛关注。文章中提
到的量子点荧光标记免疫分析技术, 相比与其它方
法最为活跃, 虽然目前和传统胶体金等用于食品安
全检测报道相比, 量子点与免疫层析技术相结合的
应用较少, 但是量子点作为一种理想的荧光探针, 自
身优越的特性进一步加强了与相关新技术的完美结
合, 在食品检测领域中将扮演关键性的角色。另外开
发具有高通量、选择性强、快速、便捷等要求的量子
点新技术, 是当前研究者们集中探索的重大任务之
一。例如: 制备量子点免疫层析试纸条, 利用一条试
纸条同时实现检测多种物质, 从而提高检测效率; 可
根据量子点在不同粒径、尺寸下具有不同颜色, 在不
同抗体上标记出不同量子点这一特性进行实验设计。
虽然量子点新技术在农兽药残留检测中解决了仪器
检测等传统方法的一些弊端, 但在部分方面仍需提
高, 如水溶性量子点的制备、量子点与生物大分子的
偶联等。尤其在量子点制备过程中, 量子点产率、灵
敏度等因素成为研究中的关键问题, 所以我们在研
究量子点各项新技术及应用于农兽药残留检测仍需
第2 期 王啊娟, 等: 量子点新技术在食品农兽药残留安全检测中的研究进展 333
大量而更为细致的工作, 要求向好的选择性、稳定
性、重复性、方便快速的操作等方面进行。总之, 我
们相信量子点新技术将会不断涌现和深入, 在将来
的农兽药残留检测领域中, 量子点技术将以全新的
高灵敏度、强适用性、简便快捷的检测分析方法得到
更加广泛的应用。
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(责任编辑:赵静)
作者简介
王啊娟, 在读硕士, 主要研究方向为
食品科学。
E-mail: 616295535@qq.com
付湘晋, 副教授, 主要研究方向为食
品科学。
E-mail: yangtzfu@yahoo.com.cn

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