柳明，左玥华，杨磊，王华，翟自芹，张园，孙俐，刘烜，刘伟，赵琢

（天津出入境检验检疫局工业产品安全技术中心，海关总署进出口食品安全毒理安全评价应急检验检测实验室，天津300308）

食品中有害物残留和污染问题不仅会危害使用者的身体健康，还会造成严重的经济损失，并带来一系列的社会问题，是全世界重点关注的问题。随着农业、工业和食品生产业的快速发展，食品加工新技术、新材料和新工艺不断开发应用，食品污染、有害物残留等问题时有发生。传统食品污染物检测技术以仪器分析方法为主，如色谱法、光谱法、质谱法、聚合酶链式反应法等，具有灵敏度高、特异性好，结果稳定等优点，但也存在样品处理繁杂、检测成本高、检测时间长等不足，难以满足快速、高效、廉价的现场检测和监督需求。因此，食品检测新技术和新型材料的研发显得尤为重要。近年来，上转换发光（upconversion luminescence，UCL）技术发展迅速，上转换发光材料（upconversion luminescent materials，UCLM）在食品中有毒有害物质检测技术中的应用研究逐渐成为热点。本文主要对近几年UCLM在国内食品污染物检测领域的应用进行综述，着重介绍其在食品病原微生物、小分子有机污染物和重金属元素检测中的应用研究进展。

1 上转换发光

UCL属于反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，由N.Bloemberge于1959年首次报道[1]，F.Auzel于1966年正式提出UCL的概念[2]。UCL与斯托克斯规则描述的发光效果相反：当UCLM在受到长波长、低能光激发时，可以发射短波长、较高能的光。其机理可以概括为：发光离子或分子从基态被激发到中间激发态，然后通过光子吸收或能量转移进行二次激发，从而将其提升到更高的能级，被激发的离子或分子通过辐射弛豫过程返回基态并发射光子，其能量高于激发所用的能量[3]。

目前，已研究发现多种上转换发光体系，主要包括：稀土掺杂（rare-earthdoped，RED）体系[4-6]、三重态-三重态湮灭（triplet-triplet annihilation，TTA）体系[7-9]和双光子吸收（two-photon absorption，TPA）体系[10-12]等。其中，稀土掺杂的UCL主要利用镧系稀土离子（如Yb3+和Er3+）之间的能量转移实现上转换发光，是目前效率最高、应用最多的UCL体系。根据激发方式的不同，其发光机制可分为激发态吸收（excited state absorption，ESA）[10]、能量传递（energy transfer，ET）[13]和光子雪崩（photon avalanche，PA）[14]3种类型。

相对于传统的荧光染料和量子点等发光体系，稀土掺杂的UCLM具有背景噪音小、耐光漂白、发射带尖锐、信号穿透性好、吸收率低等优点[15]。利用这一特殊发光现象可以建立多种新的发光系统，在激光器、生物成像、光源、太阳能电池、传感器、医学检测、食品检测等领域[16-18]具有广泛的应用前景和开发潜力。特别是在食品污染物检测领域，近年来国内多个课题组从事相关材料制备和方法建立研究，发表了大量相关研究结果。本文以稀土掺杂的UCLM为关注点，综述近年来UCL技术在食品污染物检测领域的发展现状和趋势，为相关研究的开展和深入提供参考和借鉴。

2 UCLM在食品污染物检测中的应用

目前，掺杂镧系稀土离子的UCLM在食品污染物检测领域的应用最为广泛，一般应用方式包括：制备适当粒径和形状的UCLM，建立能量共振转移标记系统，通过对UCLM进行修饰和改性，使其易于与抗体、适配体、分子印迹等识别材料结合，利用免疫层析、生物芯片、传感等技术方法实现对目标物的检测。

UCLM于上世纪末最早应用于免疫分析领域，开发出相应免疫层析试纸，经过不断深入研究，检测目标物逐渐拓展到蛋白、核酸、代谢物、激素、重金属等，随着纳米技术、免疫技术及传感技术的发展，UCLM与新兴技术和材料相结合，越来越多的应用于食品检测领域（见表1），目标物涵盖病原微生物、生物毒素、小分子有机污染物及重金属元素等[19]。

2.1 病原微生物及生物毒素

2.1.1 食源性致病菌

食源性致病菌是引起食源性疾病和食物中毒的主要原因，全世界每年有大量腹泻患者，46%以上是由食源性致病菌引起的，是卫生和监管部门重点关注的食品污染物之一。其中最常见的有大肠杆菌、沙门氏菌、副溶血弧菌、金黄色葡萄球菌、空肠弯曲杆菌、肠毒素型大肠埃希菌、李斯特菌等。

Cheng 等[20]将掺杂 Mn2+的 NaYF4：Yb，Tm 上转换纳米颗粒与鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）核酸适配体偶联，结合金纳米棒构建发光能量转换（luminescence energy transfer，LET）系统，用于鼠伤寒沙门氏菌检测（见图1），方法线性范围12 cfu/mL～5×105cfu/mL（R=0.99），检出限 11 cfu/mL，在牛奶样品中的添加回收率为85.5%～105.5%，检测结果与平板计数法一致，该方法在食源性致病菌检测领域具有一定的应用价值。

Birui Jin等[21]将UCL技术与荧光共振能量转移技术（fluorescence resonance energy transfer，FRET）结合，利用上转换纳米颗粒（NaYF4：Yb，Er）与适配体建立大肠杆菌（Escherichia coli ATCC8739）检测方法，检测范围5 cfu/mL～106cfu/mL，检出限3 cfu/mL。可在20 min内完成对牛奶和水样中目标物的检测，所建立的上转换纳米颗粒-FRET适配体传感器可以对致病菌、小分子有机物、重金属等多种污染物进行检测，具有较好的应用潜力。

图1 上转换-LET系统检测鼠伤寒沙门氏菌示意图Fig.1 Schematic diagram of the detection procedure of Salmonella typhimurium by upconversion-LET system

2.1.2 真菌毒素

真菌毒素是霉菌在基质中生长时产生的有毒代谢物，通常由食品和饲料发生霉变时产生，可以引起人或动物中毒，是世界公认的主要食品污染物之一。其中以黄曲霉毒素、赫曲霉毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、展青霉素等最为常见。

Cuicui Sun 等[22]用单克隆抗体修饰 NaYF4：Yb，Er上转换荧光颗粒制备信号探针，用抗原修饰磁性纳米粒子制成免疫传感探针，对黄曲霉素B1进行检测，在0.2 ng/mL～100 ng/mL浓度范围内线性良好（R2=0.938），检出限0.2 ng/mL，在食用花生油中添加回收率为90.1%～113.4%。该方法可以用于花生油或其他谷物中真菌毒素的快速筛查。洪霞等[23]将上转换纳米颗粒Y2O2S：Yb3+，Er3+与黄曲霉素B1单克隆抗体偶联制备免疫层析试纸条，对黄曲霉毒素B1进行定量检测，线性范围 0.1 μg/kg～10 μg/kg，方法检出限 0.08 μg/kg，可于20 min内完成检测。对小麦、花生和玉米进行实样测试，检测结果与传统高效液相色谱法相比具有较好的一致性。

Shaoliang Dai等[24-25]通过层层包覆法制备出量子产率较高的 NaYF4：Yb0.18，Er0.02@NaYF4核壳型上转换发光纳米颗粒，在其表面修饰适配体后作为能量供体，以氧化石墨烯作为能量受体，构建发光共振能量转移（luminescence resonance energy transfer，LRET）适配体传感器检测赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）（如图2）。方法线性范围0.001 ng/mL～250 ng/mL，检出限0.001 ng/mL，在啤酒中的添加回收率为86%～110%。该方法检出限显著低于其它检测方法，发光传感系统在啤酒样品基质中性能稳定，具备较好的应用前景。

图2 LRET-适配体传感器检测赭曲霉素A示意图Fig.2 Detection principle of ochratoxin A by LRET-adaptor sensor

张莹莹等[26]在上转换荧光纳米颗粒表面偶联赭曲霉毒素A作为供体探针，在金纳米颗粒表面修饰赭曲霉毒素配体互补链为受体探针，建立FRET传感方法检测赭曲霉毒素，线性范围0.001 ng/mL～10 ng/mL，检出限为0.001 ng/mL。在啤酒样品中进行添加回收试验，回收率为100%～119%，方法具有较好的特异性，灵敏度优于多数基于纳米材料的传感检测方法，操作简便，有望实现在食品中生物毒素检测领域的应用。

Jiajia Lv 等[27]用 NaYF4：Yb，Tm@NaYF4：Yb 上转换荧光纳米颗粒偶联适配体，结合MoS2纳米薄层建立荧光适配体传感器，对水体中微囊藻毒素进行检测，线性范围 0.01 ng/mL～50 ng/mL，检出限 0.002 ng/mL，并用自来水和太湖水进行实样测试，回收率为94%～112%。

2.2 小分子有机污染物

2.2.1 农药、兽药

在农业、林业、畜牧业和水产业等的生产活动中长期使用的小分子有机物，如杀虫剂、除草剂、杀螨剂、驱虫药、抗菌药等，在上述产业产品中残留和蓄积造成污染，进而导致急性、慢性中毒、神经损伤等严重健康问题，是社会高度关注的食品有毒有害物质。

Jicheng Yu 等[28]在 β-NaYF4：Yb，Er上转换荧光纳米颗粒上分别修饰兔抗2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）免疫球蛋白和兔抗杀螟硫磷免疫球蛋白，制备免疫层析试纸条，对水中2，4-二氯苯氧乙酸和杀螟硫磷含量进行检测，最低检出限分别为5 ng/mL和11 ng/mL。利用所建立方法对梨、苹果、黄瓜、西红柿、大米和小米进行实样添加测试，结果与高效液相色谱法一致。Fangfang Si等[29]以上转换发光纳米颗粒（upconversion nano particles，UCNPs）修饰吡虫啉抗体作为能量供体，以金纳米粒子（Au nano particles，AuNPs）为能量受体标记吡虫啉抗原，建立吡虫啉竞争免疫检测方法（如图3），检出限0.79 ng/mL，线性范围1.39 ng/mL～335.81 ng/mL。在大白菜、蜂蜜样品中的添加回收率为78.1%～97.9%，在盲样测试中，该方法与超高效液相色谱-质谱联用法具有较好的相关性（R2=0.986 6）。Nana Sun等[30]制备了上转换荧光纳米DNA探针，结合外加磁场进行分离，建立啶虫脒检测方法，线性范围为0.89 ng/mL～114.18 ng/mL，检出限0.65 ng/mL。将此探针应用于梨、小麦、黄瓜、苹果等食品中啶虫脒的添加回收测试，回收率为78.2%～103.5%。

图3 上转换发光-竞争免疫检测吡虫啉示意图Fig.3 Upconversion luminescence-competitive immunoassay for imidacloprid

Xiuying Liu等[31]将上转换荧光纳米颗粒与适配体的偶联物与分子印迹技术结合，研究具有双重识别性的恩诺沙星分子印迹荧光纳米探针，用于不同鱼类样本中恩诺沙星含量的测定，添加回收率为87.05%～96.24%，检出限0.04 ng/mL。

Gaoshuang Hu[32]等制备了基于胶体金纳米颗粒和上转换荧光纳米颗粒的荧光猝灭免疫层析试纸条，用于动物源性食品中磺胺喹噁啉含量的检测，检测限1 ng/mL，检测结果与酶联免疫试剂盒结果一致。张扬等[33]将喹诺酮类兽药诺氟沙星单克隆抗体与水溶性上转换纳米颗粒NaYF4：Yb，Er偶联制成荧光探针，将诺氟沙星与卵清蛋白偶联制备包被原，开发免疫层析试纸条用于测定动物源性食品中诺氟沙星含量，在猪肝、牛奶、鲈鱼、虾、牛肉、羊肉6种样品中进行了添加回收试验，检出限为 5 μg/kg。

2.2.2 激素和内分泌干扰物

激素和内分泌干扰物通过摄入、蓄积等方式经食物链进入生物体，在极低剂量下即会造成内分泌失衡，进而对动物和人体产生慢性毒性，造成生殖系统障碍、生殖能力下降、幼体死亡等后果，严重威胁人类和野生动物的物种繁衍和长期生存，是重点监测的食品污染物。

Li Qiaofeng等[34]将金纳米颗粒和上转换荧光纳米颗粒（NaYF4：Yb，Er，Gd）经修饰后制成一种三联结构，实现对双酚A和雌二醇的同时检测（如图4），线性范围分别为2 ng/mL～200 ng/mL 和 10 ng/mL～150 ng/mL，检出限分别为0.2 ng/mL和0.5 ng/mL，检测结果与高效液相色谱一致。

图4 上转换发光-适配体三联结构同时检测双份A和雌二醇示意图Fig.4 Schematic illustration of efficient detection of BPA and E2 by AuNP-AuNP-UCNP sensing system

王瑜等[35]将上转换荧光纳米颗粒偶联己烯雌酚单克隆抗体作为荧光探针，制备免疫层析试纸条快速测定己烯雌酚，检出限20.84 ng/mL，线性范围25 ng/mL～10 000 ng/mL，在牛奶样品中的添加回收率为90.1%～115.2%。姜会聪[36]将上转换荧光纳米颗粒NaYF4：Yb，Er与雌二醇单克隆抗体偶联并固定在结合垫上，雌二醇包被原固定在检出线上，羊抗鼠抗体固定在控制线上，制备免疫层析试纸条对雌二醇进行快速检测，线性范围为5 ng/mL～2 000 ng/mL，检出限2.75 ng/mL，检测时间小于15 min，在牛奶样品的添加回收率为97.01%～103.9%。背景干扰低，特异性强，稳定性好，检测结果与高效液相色谱法相比具有较好的可比性。

2.2.3 抗生素

我国抗生素滥用情况严重，主要来源为生活污水、医疗废水、畜牧业和水产养殖业。抗生素主要通过饮用水、禽畜产品、水产品等途径进入人体，产生耐药性并造成严重的健康和环境问题。

Hui Zhang等[37]通过配体修饰上转换荧光纳米颗粒 NaYF4：Yb，Tm，结合染料 SYBR Green I组成 LRET体系，建立了牛奶中土霉素的检测方法（如图5），线性范围 0.1 ng/mL～10 ng/mL，检出限 0.054 ng/mL。

图5 上转换发光-适配体LRET检测土霉素示意图Fig.5 Schematic illustration of the sensitive aptasensor for oxytetracycline based on upconversion LRET

Shijia Wu等[38]和Qin Ouyang等[39]利用经配体修饰的上转换荧光纳米颗粒为信号探针，结合磁性纳米颗粒进行分离和富集，对牛奶样品中氯霉素和四环素进行检测，线性范围分别为0.01 ng/mL～1 ng/mL和0.01 ng/mL～100 ng/mL，检出限分别为0.01 ng/mL和0.006 2 ng/mL。在牛奶样品中进行添加回收试验，并通过商业化的酶联免疫试剂盒进行方法验证，结果显示所建立方法结果与已有方法一致，能够满足检测分析的要求，具有一定的应用潜力。

2.2.4 违禁添加物等其他类

除上述几类小分子有机污染物外，瘦肉精、罗丹明、三聚氰胺、苏丹红、塑化剂等违禁添加物也是食品监管部门关注的重点。基于上转换发光技术的食品中违禁添加物快速检测技术是近年来研究的热点之一。

Xincui Jin等[40]利用上转换荧光纳米颗粒开发用于克伦特罗检测的分子印迹电化学发光传感器，将氧化石墨烯作为上转换荧光纳米颗粒的载体，通过其高导电性和大比表面积增强上转换荧光纳米颗粒的电化学发光响应信号（如图6），所建立方法的线性范围为 10 nmol/L～100 μmol/L，检出限为 6.3 nmol/L。在猪肉、肝脏、肾脏样品中添加回收率为89.0%～100.4%，并且通过相应试验证明该传感检测系统具有较好的稳定性和重现性。

图6 上转换发光-石墨烯-分子印迹电化学传感检测克伦特罗示意图Fig.6 Schematic illustration of the graphene-molecularly imprinted electrochemical sensor for clenbuterol based on upconversion luminescence

Hanping Xiong 等[41]利用 NaGdF4：Yb3+，Er3+@NaGdF4上转换荧光纳米颗粒建立了基于辐射能量转移（radiation energy transfer，RET）的罗丹明B固体生物传感检测器，可对小于4 mg/L浓度的罗丹明B实现检出，灵敏度超过已有报道方法。Xiaofeng Wu等[42]以NaGdF4：Yb3+，Er3+为探针，建立了基于FRET的豆芽中罗丹明B检测方法，将上转换荧光纳米颗粒应用于对植物体内残留染料的追踪分析。Qiongqiong Wu[43]等以上转换荧光纳米颗粒和金纳米颗粒的荧光淬灭效应研制传感器，用于检测牛奶中的三聚氰胺，可有效避免其他氨基酸对检测的干扰，方法线性范围32 nmol/L～500 nmol/L，检出限18 nmol/L，在稀释牛奶样品中的添加回收率为98.8%～102%。Aijin Fang等[44]将十六烷基三甲基溴化铵固定在上转换荧光纳米颗粒（NaYF4：12%Yb3+，0.2%Tm3+）上制成纳米传感器，当苏丹红存在时产生荧光淬灭，从而准确测定苏丹红 I、II、III、IV 的含量，检测线性范围分别为 0.05 ng/L～40 ng/L、0.01 ng/L～20 ng/L、0.01 ng/L～20 ng/L 和 0.05 ng/L～40 ng/L，最低检出限分别为 15.1、2.83、3.52、16.7 ng/mL，以 1 μg/mL 浓度在辣椒粉中进行添加回收试验，回收率分别为97%、102%、98%和101%。该传感方法在食品中违禁添加物实时监测领域具有潜在的应用价值。

2.3 重金属元素

重金属在自然环境中不可被生物降解，通过食物链富集并最终进入人体，无法被肝脏分解代谢和完全排出体外，会在大脑和肾脏等器官蓄积，造成多种慢性损伤和毒性效应，是主要的食品污染物之一。

Shijia Wu 等[45]通在 NaYF4：Yb，Ho 和 NaYF4：Yb，Er，Mn上转换荧光纳米颗粒上修饰配体，在金纳米颗粒上修饰互补DNA链，在无目标物存在时发生荧光淬灭，当体系中存在Pb2+或Hg2+时，配体与Pb2+形成G-四联体结构，与Hg2+形成弯道结构，体系恢复发光。以之建立了可以同时检测Pb2+和Hg2+的传感方法，线性范围分别为 0.1 nmol/L～100 nmol/L和 0.5 nmol/L～500 nmol/L，检出限分别为50 pmol/L和150 pmol/L，在鱼和虾中的添加回收率分别为96.3%～110.6%和91.4%～102.3%。Min Chen等[46]以上转换荧光纳米颗粒NaYF4：Yb，Ho和双硫腙建立基于内过滤效应（inner filter effect，IFE）的比率荧光检测方法（如图 7），同时检测Pb2+和Cd2+。在不同pH值时，Pb2+和Cd2+存在条件下657 nm处和546 nm处吸收带发生移动导致上转换荧光恢复，而758 nm处荧光强度不受影响，根据二者的比率（I657/I758和I546/I758）准确定量体系中重金属离子浓度。Pb2+和Cd2+线性范围分别为0.025 μmol/L～1.0 μmol/L 和 0.01 μmol/L～1.0 μmol/L，检出限分别为8.4 nmol/L和3.7 nmol/L，在红茶和自来水中添加回收率分别为96%～103.2%和99.6%～108%。

图7 上转换发光-双硫腙系统检测Pb2+和Cd2+示意图Fig.7 Schematic illustration of the process developing UCNPs-dithizone mixed system to detect Cd2+and Pb2+

表1 近年基于上转换发光材料的食品污染物检测方法汇总Table 1 Summary of food pollutants detecting methods based on upconversion luminescent materials in recent years

续表1 近年基于上转换发光材料的食品污染物检测方法汇总Continue table 1 Summary of food pollutants detecting methods based on upconversion luminescent materials in recent years

3 发展现状、趋势及展望

我国上转换发光材料在食品污染物检测领域的应用研究，是从病原微生物检测展开的，早期研究集中在制备水溶性好、生物亲和性高的UCLM，结合免疫层析技术，构建中多种病原微生物同时检测的多通道快检系统，实现了相关产品在临床检测领域的商品化。随着研究的深入和发展，相关研究开始向农兽药残留、违禁添加物等小分子有机污染物检测领域扩展。基于抗体和UCLM的免疫层析试纸条是该类研究的主要方向，但相关研究多停留在实验室阶段，鲜有成熟的商业产品。究其原因，主要是小分子污染物单克隆抗体不易制备、环境稳定性差，以及食品样品基质复杂，缺乏适用于快速检测的成熟前处理方法。国内近期研究主要集中在掺杂镧系稀土元素的上转换发光系统的应用，以及通过核酸适配体等弥补生物抗体稳定性差、小分子目标物单克隆抗体不易制备等不足，以期开发出可以实际应用于食品污染物快速检测的上转换发光检测新技术。

近年来UCL技术在食品污染物检测领域的研究进展和发展现状显示，目前利用UCLM构建能量共振转移系统进行标记，结合生物抗体、核酸适配体、分子印迹等材料实现目标物特异性识别，仍是上转换发光技术在食品污染物检测领域应用的主要方式。针对该技术在应用研究中存在的问题，以下几点不仅是其能否快速发展和实际应用的关键，也是后续研究的热点和趋势。1）UCLM发光性能研究，通过控制粒径、研究同质/异质外壳、优化表面物理形貌、提高生物相容性，进一步提高UCLM的发光、辐射等能量转移效率和与其他新型材料的相容性，将是此类研究的主要目标；2）高特异性、灵敏、稳定的识别材料研究，通过完善半抗原合理设计理论和发展生物抗体制备工艺，提高单克隆抗体的制备效率和环境稳定性；提高核酸适配体筛选效率和成功率，发展有效的适配体结构鉴定手段；3）在免疫层析技术的基础上，深入研究UCLT与分子印迹、石墨烯、磁性纳米微球、生物芯片、传感器等新材料和技术结合的复合型技术，简化前处理过程、提高检测通量，研发能够实际应用于食品污染物快速检测的便携式现场筛查技术和设备。

上转换发光材料由于独特的发光机制，相比传统染料等标记物，具有抗干扰性强、标记信号稳定、便于修饰改造、适合多重分析等优点，是近年来的研究聚焦点，虽然其应用研究仍待完善，但其在食品污染物检测领域具有强大的市场需求和广阔的应用前景及发展潜力。