CN103439306A

CN103439306A - 基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法

Info

Publication number: CN103439306A
Application number: CN2013103833031A
Authority: CN
Inventors: 徐霞红; 胡沁沁; 张英; 李延斌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: CN103439306B

Abstract

本发明公开了基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，包括以下步骤：1）将热加工食品利用甲酸溶液进行提取丙烯酰胺的前处理，得待测样品；2）功能化量子点的制备，得NAS-QDs复合物溶液；3）标准加入法检测薯片中丙烯酰胺含量：向待测样品中添加不同浓度的丙烯酰胺标准品溶液，从而分别获得不同的待检测溶液；取450μL的NAS-QDs复合物溶液，加入5μL100mmol L^-1光引发剂TPO，加入待检测溶液50μL，紫外光照射后，在365nm激发光下检测600nm处荧光强度；绘制荧光强度与所添加丙烯酰胺标准品浓度的响应曲线，最终得热加工食品丙烯酰胺的含量。

Description

基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法

技术领域

本发明属于食品快速检测领域，涉及对热加工食品中丙烯酰胺的检测，尤其涉及一种基于纳米材料的荧光定量检测食品中的丙烯酰胺的检测方法。

背景技术

丙烯酰胺（Acrylamide，AM）是一种白色无味的晶状固体，分子量71.09，分子式为CH₂CHCONH₂，沸点125℃，熔点84.8℃，易溶于水、乙醇、甲醇、丙酮、二甲醚和三氯甲烷等极性溶剂，在酸中稳定，而在碱中易分解，对光线敏感，暴露于紫外线时较易发生聚合。丙烯酰胺是中等毒性物质，动物实验表明，小鼠、兔、大鼠等的丙烯酰胺经口半数致死量LD₅₀为100-150mg/kg。丙烯酰胺具有神经毒性，与DNA结合导致染色体异常，同时还具有潜在的致癌性。1994年，国际癌症机构（IARC）将丙烯酰胺列为“人类可能致癌物”，即2A类物质。

2002年4月，瑞典国家食品管理局（NFA）和斯德哥尔摩大学的科学家经研究首次发现富含淀粉的食物在经高温油炸或烧烤时能生成具有神经毒性作用的潜在致癌物——丙烯酰胺，且含量远远大于饮水中规定限量10μg/kg（美国环保局，EPA）。2005年2月，食品添加剂联合委员会（JECAFA）第64次会议对食品中的丙烯酰胺进行了第一次评估。通过对24个国家提供的食品中丙烯酰胺污染数据分析，人的平均每天摄入量为1.0μg/kg bw，最高摄入量为4.0μg/kg bw；儿童摄入量是成人的2-3倍。在所调查的食品中，丙烯酰胺含量较高的三类食品是土豆制品、咖啡及其类似制品和早餐谷物类食品。根据丙烯酰胺平均摄入暴露边界（marginof exposure，MOE）和高摄入的暴露边界，JECFA发出其可能造成人类健康损害的警告，并提出应尽快采取适当措施以降低食品中丙烯酰胺的含量。

研究表明，由天冬酰胺和还原糖在高温加热过程中经美拉德（Maillard reaction）反应是丙烯酰胺的主要形成途径。目前，研究人员主要通过以下几个方面控制食品中丙烯酰胺：第一，改变反应条件抑制一些关键中间产物的形成或转化；第二，在反应的最后阶段控制条件，使其向有利于其它小分子物质形成的方向转化；第三，控制美拉德反应中的关键步骤。丙烯酰胺检测的金标方法包括气相色谱、高效液相色谱、气相色谱-质谱联用以及液相色谱-质谱联用。这些传统的检测方法灵敏度高、特异性好，但同时检测成本高、需要昂贵的精密仪器和专业的操作，从而限制了这些方法的应用范围。

随着技术的发展，一些快速检测方法被陆续提出用于热加工食品中丙烯酰胺的快速检测，具体如下：

(1)酶联免疫吸附法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）

依靠抗原抗体特异性反应以及高效的酶催化反应，特异性好、灵敏度高。但是由于丙烯酰胺是小分子物质，缺少强的抗原决定簇及免疫原性，需要与蛋白质偶联制备成完全抗原后，才能进行免疫反应，增加了抗体筛选的成本及周期。

(2)电化学生物传感器（electrochemical biosensers）

丙烯酰胺可以和血红蛋白（Hb）N-末端缬氨酸的α-NH₂反应生成加成物，改变Hb构型，增加了氧化还原中心到电极表面的空间位阻，从而改变固定在电极表面上Hb的电化学特性。加入纳米材料增敏后，根据电流变化，检测丙烯酰胺含量。此方法检测线性范围广，检测限低；但是该方法的缺点是所用工作电极不可重复利用。

(3)机器视觉法（computer vision）

依据食品样品（如薯片）表面颜色与丙烯酰胺含量之间的关系，预测食品中丙烯酰胺的含量。此方法简单易行，可实现在线检测，但是准确性较差。

量子点：英文名为quantum dots（QDs），亦称半导体纳米晶（semiconductor nanocrystals）,是一种零维纳米材料，尺寸在1-10nm，主要由Ⅱ-Ⅵ族元素（如CdSe，CdTe，ZnSe等）或Ⅲ-Ⅴ族元素（如InP，InAs等）组成。

量子点具有量子尺寸效应，不同大小或不同材料的量子点可以产生不同颜色的荧光，多种颜色不同的量子点可以被单一波长的光激发。与传统的有机荧光染料相比，量子点荧光产率高，荧光寿命长，具有较强的抗光漂白的性能，吸收光谱范围宽，发射光谱窄而对称，斯托克斯位移大，能够有效避免由于光谱重叠而产生的信号干扰。将量子点表面进行功能化修饰后，可用于无机离子、小分子，生物大分子检测以及活体细胞成像中。研究发现，当量子点之间的距离拉近时，其会发生自淬灭而导致荧光强度下降；而将量子点之间的距离拉远后，起荧光强度恢复。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，该方法操作简单、成本低、灵敏度高，检测限可达到μg/kg级。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，包括以下步骤：

1）、热加工食品前处理：

将热加工食品利用甲酸溶液进行提取丙烯酰胺的前处理，得待测样品；

2）、功能化量子点的制备，包括以下步骤：

①、将N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯（NAS）溶于二甲基亚砜（DMSO）中，涡旋混匀至呈澄清溶液，得NAS/DMSO溶液；所述NAS在NAS/DMSO溶液中的浓度为90～110mmol L^-1（较佳为100mmol L^-1）；

②、在避光条件下，将水溶性氨基CdSe/ZnS量子点用PBS缓冲液（pH=8.0）进行稀释，得量子点（即水溶性氨基CdSe/ZnS量子点）终浓度为38～42nmol L^-1（较佳为40nmol L^-1）的量子点稀释液；

备注说明：一般而言，市购的水溶性氨基CdSe/ZnS量子点产品中量子点浓度为8μmol L^-1左右；上述稀释制备时注意避光。

③、按照步骤①中的NAS：步骤②的水溶性氨基CdSe/ZnS量子点为1:9的体积比，向量子点稀释液（即稀释后的量子点溶液）中滴加NAS/DMSO溶液；暗处反应1.8～2.2h（较佳为2h）；

备注说明：整个暗反应过程中伴有缓慢的混匀，即水平混匀，目的是使液体运动起来，更易发生反应；

④、将步骤③反应后所得物离心，以去除多余的未反应的NAS；将离心后的沉淀物复溶于DMSO:PBS（pH=8.0,v/v=1:1）混合液中，得NAS-QDs复合物溶液；用于检测体系；

所述DMSO:PBS（pH=8.0,v/v=1:1）混合液的体积用量=步骤③反应后所得物的体积（即，离心前的步骤③反应后所得物的体积）；

备注说明：离心后，量子点位于离心管底部，呈现橙红色的小块，上清液则是多余的未反应的NAS；

DMSO:PBS（pH=8.0,v/v=1:1）混合液简称为DMSO/PBS混合液，DMSO/PBS混合液由DMSO：PBS=1:1的体积比（v/v）混合而得，PBS为pH=8.0的PBS缓冲液；

3）、标准加入法检测薯片中丙烯酰胺含量

向待测样品中按照1%（v/v）的用量比添加不同浓度的丙烯酰胺标准品溶液，从而分别获得不同的待检测溶液，

对每种待检测溶液分别进行如下操作：

取450μL的NAS-QDs复合物溶液，加入5μL100mmol L^-1光引发剂TPO，混合均匀后，加入待检测溶液50μL，紫外光（激发波长为365nm，光强为1000uw/cm²）条件下照射20min后，在365nm激发光下检测600nm处荧光强度；

绘制荧光强度与所添加丙烯酰胺标准品浓度的响应曲线，经线性回归，得到关于荧光强度y与所添加丙烯酰胺标准品浓度x的线性方程；

令y=0，x的绝对值即为待测样品中丙烯酰胺的含量，最终得热加工食品丙烯酰胺的含量。

作为本发明的基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法的改进：

步骤3）中不同浓度的丙烯酰胺标准品溶液分别为以下5种浓度的丙烯酰胺标准品溶液：

0、355、710、1066、1422μg L^-1。

作为本发明的基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法的进一步改进：

步骤1）具体为：

将热加工食品粉碎后加入体积浓度为0.25～0.35%的甲酸溶液，涡旋混匀后，离心，所得的上清液为样品提取溶液；

采用固相萃取小柱将样品提取溶液进行纯化，再经浓缩处理，得待测样品。

步骤2）的④中的离心为：在100000rpm、4℃下离心2h，并重复三次。

热加工食品前处理具体可按照如下内容进行：

热加工食品经粉碎机充分粉碎成粉末状，称取1±0.1g热加工食品粉末，加入10mL0.3%（体积%）甲酸溶液，涡旋混匀1min后，在10000rpm、4℃条件下离心10min，离心后分成3层：位于最上层的白色油脂层，位于中间层的上清液，以及位于底层的沉淀。

弃去白色油脂层，取上清液。重复一次上述提取步骤（即，以沉淀代替热加工食品粉末重复上述处理过程），合并两次所得的上清液（共计约20ml），作为样品提取溶液。

采用固相萃取小柱将样品进行纯化。Oasis HLB固相萃取小柱先分别用3mL甲醇和3mL超纯水活化、平衡后，加入3mL的样品提取溶液，再用6mL超纯水洗脱（流速约为2-3s/滴），弃去前8滴洗脱液，收集后面全部的洗脱液。将洗脱液用氮吹仪（约40℃）浓缩至0.5mL作为待测样品，以备检测。

备注说明：Oasis HLB固相萃取小柱即Waters Oasis HLB固相萃取小柱，例如可购自北京金欧亚科技发展有限公司。

为了确认本发明所设定的检测体系的正确性，发明人进行了如下的实验：

①、取450μL的NAS-QDs复合物溶液中加入5μL光引发剂TPO并混合均匀；

②、分别加入以下浓度的丙烯酰胺标准溶液50μL（与上面NAS-QDs450μL合起来共500μL）：

3.5×10^-5、7.1×10^-5、3.5×10^-4、7.1×10^-4、1.7×10^-3、7.1×10^-3、3.5×10^-2、7.1×10^-2、7.1×10^-1、3.5g L^-1；紫外光条件下照射20min后，加入96孔板进行荧光检测，激发光为365nm，发射光谱范围为500-700nm；

③、通过比较有无丙烯酰胺体系的荧光强度，建立线性范围，确定检测限。如图3所示。

通过图3，我们可以得知：线性范围在3.5×10^-5至3.5g L^-1，检测限为3.5×10^-5g L^-1。

发明人根据量子点特性及丙烯酰胺在紫外条件下易发生聚合反应的原理，设计本发明的检测方法。本发明利用N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯（NAS）含有N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）基团，可活化水溶性氨基量子点上的氨基，从而使量子点表面修饰上丙烯酰胺的乙烯键和酰胺键。用经修饰后的功能化量子点检测丙烯酰胺含量。反应体系为在光引发剂TPO存在下，紫外照射20min后检测荧光变化。当反应体系中含有丙烯酰胺时，丙烯酰胺与量子点上的乙烯键共同参与聚合反应，从而扩大量子点之间的距离，宏观上表现为荧光强度增强；而当反应体系中不存在丙烯酰胺时，只有量子点表面上的乙烯键发生聚合反应，使得量子点本身之间的距离缩短，宏观上表现为荧光强度的减弱。通过比较紫外照射之后荧光强度的变化，就能定量检测丙烯酰胺的含量。

备注说明：标准加入法（Standard addition method，MSA）：是仪器分析中常用的一种用于检测复杂基质中未知样品含量的方法，该方法可最大程度的减小检测体系中基质的干扰。

本发明方法的检测对象为：本发明针对食品（特别是热加工食品）中的致癌物丙烯酰胺进行检测。检测范围：本发明主要应用于薯片、曲奇等食品。

采用本发明的方法检测热加工食品中的致癌物丙烯酰胺，具有如下优点：

1、原理新颖，区别于传统的检测方法，此发明首次采用光学传感器对丙烯酰胺进行检测，检测结果直观；

2、检测时间短，从加样到检测，只需不到30分钟的时间；

3、检测成本低，与标准的液相色谱-质谱联用技术相比，单样检测成本大大降低；

4、该方法可用于现场快速检测，为检测热加工食品中丙烯酰胺的现场检测人员提供初步的测定结果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是基于功能化量子点的荧光法检测丙烯酰胺原理示意图。

图2是功能化量子点制备前后荧光光谱图和红外光谱图。

图2（A）代表QDs与NAS-QDs复合物荧光强度对比图，其中激发波长为365nm，最大发射波长为600nm。

图2（B）代表NAS、QDs与NAS-QDs复合物红外光谱图，a表示NAS，b表示QDs，c表示NAS-QDs复合物。

图3是荧光法检测丙烯酰胺的标准曲线图，其中横坐标表示丙烯酰胺标准品对数值，纵坐标表示紫外照射前后荧光强度差值。

a到k表示检测体系中加入3.5×10^-5、7.1×10^-5、3.5×10^-4、7.1×10^-4、1.7×10^-3、7.1×10^-3、3.5×10^-2、7.1×10^-2、7.1×10^-1、3.5g L^-1不同浓度丙烯酰胺标准溶液，在紫外光照射下量子点荧光强度的变化。

具体实施方式

实施例1、一种基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，以市售薯片为待测的热加工食品，依次进行以下步骤：

1）、薯片样品前处理：

薯片经粉碎机充分粉碎成粉末状，于-20℃储存备用。称取1±0.1g薯片粉末于50mL离心管中，加入10mL0.3%（体积%）甲酸溶液，涡旋混匀1min后，在10000rpm、4℃条件下离心10min，离心后分成3层：位于最上层的白色油脂层，位于中间层的上清液，以及位于底层的沉淀。

弃去白色油脂层，取上清液。重复一次上述提取步骤（即，以沉淀代替薯片粉末重复上述处理过程），合并两次所得的上清液（共计约20ml），作为样品提取溶液。

2）、功能化量子点制备

①、称取N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯（NAS）溶于DMSO（二甲基亚砜）中，涡旋混匀至澄清溶液，得NAS/DMSO溶液；NAS在NAS/DMSO溶液中的浓度为100mmol L^-1；现配现用。

②、在避光条件下，将水溶性氨基CdSe/ZnS量子点（量子点浓度为8μmol L^-1）用PBS缓冲液（pH=8.0）按照1:199的体积比混合（即，稀释200倍）；得稀释后的CdSe/ZnS量子点（即，的量子点稀释液，量子点终浓度为40nmol L^-1）。

③、按照步骤①中的NAS：步骤②的水溶性氨基CdSe/ZnS量子点=1:9的体积比，向稀释后的CdSe/ZnS量子点中滴加NAS/DMSO溶液；滴加完毕（约1分钟）后置于暗处反应为2h（反应过程中需缓慢混匀）；

④、将步骤③反应后所得物在100000rpm、4℃下离心2h，并重复三次，以去除多余的未反应的NAS（备注说明：该未反应的NAS位于上清液中），得离心后的沉淀物（即量子点）；将离心后的沉淀物复溶于DMSO:PBS（pH=8.0,v/v=1:1）混合液中，得NAS-QDs复合物溶液；用于检测体系。

所述DMSO:PBS（pH=8.0,v/v=1:1）混合液的体积用量=步骤③反应后所得物的体积（即，离心前的步骤③反应后所得物的体积）。

3）、标准加入法检测薯片中丙烯酰胺含量

向待测样品中按照占待测样品1%（v/v）的用量比分别添加下述溶液中的一种：丙烯酰胺浓度为0、355、710、1066and1422μg L^-1的丙烯酰胺标准品溶液（以水为溶剂，配制而成）从而分别得到5种待检测溶液，用于检测。

对上述5种待检测溶液分别进行如下操作：

取450μL的NAS-QDs复合物溶液，加入5μL100mmol L^-1光引发剂TPO，混合均匀后，加入待检测溶液50μL，紫外光（激发波长为365nm，光强为1000uw/cm²）条件下照射20min后，在365nm激发光下检测600nm处荧光强度。

绘制荧光强度与所添加丙烯酰胺标准品浓度的响应曲线，经线性回归，得线性方程为y=1.8888x+717.66(r²=0.98)，令y=0，x的绝对值即为待测样品中丙烯酰胺的含量。计算所得，待测样品中丙烯酰胺含量为379.96μg L^-1，因此，薯片中丙烯酰胺含量为1.267mg kg^-1。

由于1±0.1g薯片粉末对应得到的是20ml的样品提取溶液，而每3mL的样品提取溶液对应得到的是0.5mL待测样品；因此，379.96μg L^-1÷6×20=1.267μg g^-1，即=1.267mg kg^-1。

验证试验：将实施例1所述的薯片按照LC-MS/MS法进行检测，丙烯酰胺含量为1.356mgkg^-1，与实施例1所得结论基本相一致。

对比例1-1、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将NAS在NAS/DMSO溶液中的浓度由100mmol L^-1改成60mmol L^-1。

对比例1-2、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将NAS在NAS/DMSO溶液中的浓度由100mmol L^-1改成140mmol L^-1。

对比例1-3、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将TPO在反应体系中的浓度由约1mmol L^-1改成5mmol L^-1。

对比例1-4、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将TPO在反应体系中的浓度由约1mmol L^-1改成0.5mmol L^-1。

对比例1-5、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将NAS/DMSO加入到稀释后的CdSe/ZnS量子点溶液的体积比由1:9改成2:8。

对比例1-6、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将NAS/DMSO加入到稀释后的CdSe/ZnS量子点溶液的体积比由1:9改成1:10。

对比例1-7、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将离心后的NAS-QDs复合物溶于PBS/DMSO混合溶液，PBS/DMSO的比例由1:1（v/v）改成2:3。

对比例1-8、相对于实施例1而言，仅仅作如下修改，其余内容完全同实施例1：

将离心后的NAS-QDs复合物溶于PBS/DMSO混合溶液，PBS/DMSO的比例由1:1（v/v）改成7:3。

上述对比例1～对比例8，依据其所得到的荧光强度与所添加丙烯酰胺标准品浓度的响应曲线，得到相应的线性方程；最终所得的薯片中丙烯酰胺的含量如下：

对比例1-1：1.038mg kg^-1；

对比例1-2：1.537mg kg^-1；

对比例1-3：1.589mg kg^-1；

对比例1-4：1.105mg kg^-1；

对比例1-5：1.574mg kg^-1；

对比例1-6：1.168mg kg^-1；

对比例1-7：1.618mg kg^-1；

对比例1-8：0.932mg kg^-1。

实施例2、将实施例1中的薯片改成另一品牌的薯片样品，其余等同于实施例1.

得线性方程为y=1.8633x+604.95(r²=0.96)，令y=0，x的绝对值即为待测样品中丙烯酰胺的含量，324.67μg L^-1，因此，薯片中丙烯酰胺含量为1.082mg kg^-1。

验证试验：将实施例2所述的薯片样品按照LC-MS/MS法进行检测，丙烯酰胺含量为1.143mg kg^-1，与实施例2所得结果基本相一致。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，其特征是包括以下步骤：

1）、热加工食品前处理：

2）、功能化量子点的制备，包括以下步骤：

①、将NAS溶于DMSO中，涡旋混匀至呈澄清溶液，得NAS/DMSO溶液；所述NAS在NAS/DMSO溶液中的浓度为90～110mmol L^-1；

所述NAS为N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯，DMSO为二甲基亚砜；

②、在避光条件下，将水溶性氨基CdSe/ZnS量子点用PBS缓冲液（pH=8.0）进行稀释，得量子点终浓度为38～42nmol L^-1的量子点稀释液；

③、按照步骤①中的NAS：步骤②的水溶性氨基CdSe/ZnS量子点为1:9的体积比，向量子点稀释液中滴加NAS/DMSO溶液；暗处反应1.8～2.2h；

④、将步骤③反应后所得物离心，以去除多余的未反应的NAS；将离心后的沉淀物复溶于DMSO/PBS混合液中，得NAS-QDs复合物溶液；

所述DMSO/PBS混合液的体积用量=步骤③反应后所得物的体积；DMSO/PBS混合液由DMSO：PBS=1:1的体积比混合而得，PBS为pH=8.0的PBS缓冲液；

3）、标准加入法检测薯片中丙烯酰胺含量：

向待测样品中按照1%的体积用量比添加不同浓度的丙烯酰胺标准品溶液，从而分别获得不同的待检测溶液，

对每种待检测溶液分别进行如下操作：

取450μL的NAS-QDs复合物溶液，加入5μL100mmol L^-1光引发剂TPO，混合均匀后，加入待检测溶液50μL，紫外光条件下照射20min后，在365nm激发光下检测600nm处荧光强度；

2.根据权利要求1所述的基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，其特征是：

所述步骤3）中不同浓度的丙烯酰胺标准品溶液分别为以下5种浓度的丙烯酰胺标准品溶液：0、355、710、1066、1422μgL^-1。

3.根据权利要求1或2所述的基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，其特征是：

所述步骤1）具体为：

4.根据权利要求3所述的基于量子点的荧光法检测热加工食品中丙烯酰胺的方法，其特征是：

所述步骤2）的④中的离心为：在100000rpm、4℃下离心2h，并重复三次。