包裝材料及食品中納米材料的檢測(cè)與表征技術(shù)

　　摘要: 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料在包裝行業(yè)及食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，納米材料的安全應(yīng)用高度依賴(lài)于對(duì)其生物及環(huán)境效應(yīng)的了解。有研究表明，納米材料對(duì)人類(lèi)健康及生態(tài)環(huán)境存在著潛在危害，這使得納米材料的安全性成為毒理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。同時(shí)納米材料的安全性問(wèn)題也成為納米復(fù)合包裝材料及納米食品研究和開(kāi)發(fā)的新瓶頸。在對(duì)納米材料沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)的情況下，為了消費(fèi)者和生態(tài)環(huán)境的安全，必須控制包裝材料及食品中納米顆粒的種類(lèi)、來(lái)源、含量及可能的釋放，這就需要可靠的方法對(duì)納米顆粒的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)及表征。首先，綜述了目前納米材料在復(fù)合包裝材料及食品加工中的應(yīng)用，然后總結(jié)了包裝材料及食品中納米材料的檢測(cè)技術(shù)及表征方法，例如顯微技術(shù)、色譜分離技術(shù)、光譜與質(zhì)譜技術(shù)等。由于納米材料的理化性質(zhì)參數(shù)眾多，應(yīng)用多種分析手段來(lái)檢測(cè)和表征納米材料成為必然。最后對(duì)目前檢測(cè)技術(shù)及表征方法的不足和今后發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞: 納米技術(shù); 納米材料; 理化性質(zhì)表征; 包裝材料; 環(huán)境

　　商明慧; 陳強(qiáng); 陳春英， 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)

　　納米科技是指在納米尺度上研究物質(zhì)的特性及相互作用，以及利用這些特性的科學(xué)與技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在原料、化工、醫(yī)藥、通訊、能源等領(lǐng)域。近幾年來(lái), 納米科技在包裝行業(yè)及食品工業(yè)中的應(yīng)用帶來(lái)了一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化的革命，許多新型包裝功能材料、具有特殊功能的保健食品和食品開(kāi)始出現(xiàn)或者被研發(fā)[1]。在包裝行業(yè), 納米復(fù)合材料以其抗菌效果好、機(jī)械強(qiáng)度高、阻隔能力強(qiáng)的特點(diǎn)在現(xiàn)代包裝市場(chǎng)上取得了快速發(fā)展。納米技術(shù)使食品中某些成分的被吸收率成倍增加，營(yíng)養(yǎng)成分在體內(nèi)的運(yùn)輸顯著加快，食品的保質(zhì)期大大延長(zhǎng)等，解決了食品工業(yè)中的一系列難題。根 據(jù) 美 國(guó) iRAP (Innovative Research and Products)調(diào) 查 公 司 的 市 場(chǎng)報(bào)告，僅 2008 年與納米相關(guān)的飲料包裝和食品市場(chǎng)份額為 41.3 億美元，預(yù)期到 2014 年為 73 億美元，年增長(zhǎng)率為 11.65% [2]。

　　然而有不少研究證實(shí)納米材料對(duì)人類(lèi)健康及生態(tài)環(huán)境存在著潛在危害，納米材料開(kāi)始被視為一種潛在的新型污染物，并受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注[3-5]。包裝材料和食品在日常生活中不可或缺，且消耗量巨大，其中的納米材料最終將釋放到生態(tài)環(huán)境或進(jìn)入人體，即使納米材料沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的急性毒性效應(yīng)，但其長(zhǎng)期在生物體內(nèi)的富集及其對(duì)食物鏈的影響程度等均未知。在對(duì)納米材料安全性沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)的情況下，為了消費(fèi)者和生態(tài)環(huán)境的安全，必須控制食品中納米顆粒的種類(lèi)、來(lái)源及含量，我們迫切需要有效的方法對(duì)包裝材料和食品中的納米顆粒進(jìn)行檢測(cè)及定量定性分析。分析表征方法的建立有助于納米包裝材料及納米食品的安全性評(píng)估和推動(dòng)納米材料環(huán)境行為和生態(tài)毒理研究的進(jìn)一步規(guī)范。

　　1 納米材料在包裝材料及食品中的應(yīng)用

　　1.1 包裝材料中的納米材料

　　對(duì)于包裝材料，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究最多的是聚合物基納米復(fù)合材料(polymeric nanometered composites, PNMC)，其工藝是將納米材料以分子水平(10 nm 數(shù)量級(jí))或超微粒子的形式分散在柔性高分子聚合物中而形成的復(fù)合材料。常用的聚合物有聚乙烯 (polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚酰胺 (polyamide, PA)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)、聚對(duì) 苯 二 甲 酸 乙 二 醇 酯 (polyethylene terephthalate, PET)等; 常用的納米材料有金屬、金屬氧化物、無(wú)機(jī)物等 3 大類(lèi)[6]。目前根據(jù)不同的包裝需求，已有多種復(fù)合材料面市，如納米 Ag/PE 類(lèi)、納米 TiO2 /PP 類(lèi)、納米蒙脫石粉(montmorillonite, MTT)/PA 類(lèi)等，其某些性能如可塑性、穩(wěn)定性、阻隔性、抗菌性、保鮮性等有大幅度提高，在啤酒、飲料等食品包裝工業(yè)中也已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用，并取得了較好的包裝效果[7]。

　　納米材料的特殊效應(yīng)使其在包裝領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景，但也正是其特殊效應(yīng)使我們不得不面對(duì)和重視其生物安全性問(wèn)題。納米包裝材料的主要威脅來(lái)自于包裝中納米材料向食品及環(huán)境中的遷移。研究證實(shí)，包裝材料中的納米材料有向環(huán)境及食品中遷移的動(dòng)力和趨勢(shì)。Avella 等[8,9]采用馬鈴薯淀粉和 MMT 為原料合成了一種新型的生物可降解淀粉—MMT 納米復(fù)合薄膜，然后對(duì)其進(jìn)行了遷移實(shí)驗(yàn)。他們將萵苣和菠菜放入復(fù)合包裝袋中，然后將其置于 40℃ 下進(jìn)行 10 d 的遷移實(shí)驗(yàn)。遷移實(shí)驗(yàn)完成后，利用原子吸收光譜(atomic absorption spectrometry, AAS)測(cè)定了蔬菜中的 Si 元素的含量。分析結(jié)果表明，與未接觸復(fù)合包裝袋的蔬菜相比，Si 的含 量 有 大 幅 增 加。由 于 MMT 的 主 要 成 份 是 SiO2，這說(shuō)明復(fù)合包裝薄膜中的納米級(jí) MMT 向被包裝物中發(fā)生了明顯的遷移。但目前納米包裝材料的潛在健康危害尚待研究。

　　1.2 納米包裝材料對(duì)食品的污染

　　Joseph 和 Morrison[10]定義在種植、生產(chǎn)、加工、包裝過(guò)程中，凡利用了納米技術(shù)和納米工具的均可稱(chēng)為納米食品。目前，納米技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下 4 個(gè)方面: 新型功能原料的開(kāi)發(fā)、微納米加工工藝、納米產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及用于食品安全和生物安全的檢測(cè)方法和儀器[11]。在食品中，除人為添加的工程納米材料外，食品從原料到加工到包裝、貯存整個(gè)過(guò)程中，均可受到周?chē)h(huán)境中納米材料的污染，如圖 1 所示。有研究表明，環(huán)境中的納米污染物如 CeO2、ZnO、C70可被植物如黃瓜[12]、花生[13]、水稻[14]吸收，并在植物中積累。

　　現(xiàn)階段，在缺乏公眾輿論及法律監(jiān)管的條件下，各種標(biāo)識(shí)及未標(biāo)識(shí)的納米產(chǎn)品已悄然無(wú)聲地出現(xiàn)在超市的貨架上。表 1 列舉了部分市場(chǎng)可見(jiàn)的納米包裝材料及納米食品。

　　1.3 納米材料健康危害評(píng)價(jià)

　　任何一項(xiàng)新的技術(shù)，都是一把“雙刃劍”，在積極作用的背后存在著無(wú)法預(yù)料的倫理、道德和健康危害等問(wèn)題，這是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的共識(shí)，納米科技也不例外[19]。在納米材料廣泛應(yīng)用的同時(shí)，不可避免地會(huì)在生產(chǎn)、使用過(guò)程中釋放到周?chē)h(huán)境中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境產(chǎn)生不可預(yù)知的影響。由于納米顆粒較小，可以越過(guò)機(jī)體的生理屏障[20]。它能穿過(guò)生物膜到達(dá)細(xì)胞、組織及器官，一旦進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，納米顆粒便可以到達(dá)潛在的敏感靶部位，例如骨髓、淋巴結(jié)、脾臟和心臟，從而損害機(jī)體。美國(guó)著名毒理學(xué)家 Oberdrster 小組首先證實(shí)了納米顆粒從肺組織向腦組織的遷移[21-23]，繼后人們發(fā)現(xiàn)納米顆?？梢钥缭窖X屏障進(jìn)入腦組織[24-27]，甚至發(fā)現(xiàn)納米顆?？稍斐梢欢ǖ?DNA 損傷[28-31]。表 2 列出了近年來(lái)在包裝材料及食品中有應(yīng)用價(jià)值的幾種納米材料的健康危害特性。

　　納米顆粒的理化特性是決定其生物活性的關(guān)鍵因素。許多參數(shù)如: 大小、形狀、化學(xué)活性、結(jié)晶度、表面性質(zhì)(表面積、孔隙、電荷、表面修飾、涂層風(fēng)化)、聚集狀態(tài)、生物持久性和劑量水平等決定了納米顆粒的生物活性和生物代謝動(dòng)力學(xué)，但其作用機(jī)制目前仍不很清楚。納米材料具有怎樣的劑量—反應(yīng)特征? 用怎樣的測(cè)試程序、模型和生物標(biāo)志物來(lái)評(píng)價(jià)納米材料在生物體內(nèi)潛在的毒性效應(yīng)? 評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)納米材料安全性的外推模型是什么等一系列問(wèn)題一直困擾著納米材料的安全性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。如 Oberdrster 等[42]列舉了評(píng)價(jià)過(guò)程中需測(cè)量的物理化學(xué)參數(shù)高達(dá) 16 個(gè)，這是與傳統(tǒng)毒物分析截然不同的地方，納米材料的分析是一個(gè)“多參數(shù)”的分析。然而，盡管使用的評(píng)價(jià)方法和生物體系很多[43-47]，但目前國(guó)際上尚未形成統(tǒng)一的針對(duì)納米材料生物安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所以，對(duì)于包裝材料及食品中納米材料的安全性評(píng)估我們?nèi)悦媾R著許多挑戰(zhàn)[48]。我們必須對(duì)包裝材料及食品中納米顆?？赡艿尼尫?、遷移以及這些材料對(duì)人類(lèi)及生態(tài)環(huán)境健康的危害做出評(píng)估，以保證人類(lèi)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。納米材料的安全性問(wèn)題也已經(jīng)成為納米復(fù)合包裝材料及納米食品研究和開(kāi)發(fā)的新瓶頸。

　　2 包裝材料及食品中納米材料的檢測(cè)與表征

　　由于納米材料的理化性質(zhì)參數(shù)眾多，與傳統(tǒng)有機(jī)小分子, 無(wú)機(jī)化合物和低聚物的檢測(cè)相比, 納米材料的檢測(cè)要復(fù)雜很多，應(yīng)用多種分析手段來(lái)檢測(cè)和表征納米材料成為必然。下面著重介紹幾種常用的納米材料表征方法。

　　2.1 顯微鏡及相關(guān)技術(shù)

　　顯微技術(shù)包括光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以及原子力顯微鏡等，是最直觀表征納米顆粒形貌和尺寸的技術(shù)手段，真正做到“眼見(jiàn)為實(shí)”。由于納米顆粒較小，只有高分辨率的顯微鏡才能對(duì)食品及生物樣品中的納米顆粒進(jìn)行定位。

　　傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡因分辨率低，一般無(wú)法對(duì)納米材料進(jìn)行成像分析。但近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡 (near field scanning microscope, NSOM)作為一種掃描探針顯微鏡的衍生技術(shù)，空間分辨率已達(dá)到 10 nm 以下，對(duì)生物樣品無(wú)損傷，可在自然和生理?xiàng)l件下研究生物樣 品。Maynard 等[49] 用分 辨 率 50 ～ 100 nm 的 NSOM 對(duì)納米顆粒的團(tuán)聚情況進(jìn)行了成像分析。激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope, CLSM)可利用熒光分析方法對(duì)納米材料本身發(fā)光或外接熒光標(biāo)記物進(jìn)行成像檢測(cè)，從而得到樣品中納米材料的分布情況。雖然普通商用激光共聚焦顯微鏡的檢測(cè)限約為 200 nm，但這并不影響其對(duì)納米顆粒及其團(tuán)聚體的準(zhǔn)確定位。Johnston 等[50]借助相干反斯托克斯拉曼散射顯微鏡(coherent antistokes raman scattering, CARS)檢測(cè)了虹鱒魚(yú)對(duì)納米氧化物的生物可吸收性，從獲得的顯微鏡圖片中可直接觀察到納米顆粒在虹鱒魚(yú)鰓片部位的團(tuán)聚。電子掃描探針顯微鏡在納米材料表征中使用最為廣泛，其分辨率可達(dá)到亞納米級(jí)別。透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)不僅可以對(duì)納米顆粒成像，也可對(duì)顆粒的團(tuán)聚情況、粒度分布、大小、形狀等參數(shù)進(jìn)行分析。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，多將電子顯微鏡與能譜聯(lián)用，在對(duì)材料進(jìn)行成像的同時(shí)也對(duì)材料進(jìn)行元素分析。Bedre 等人[51] 合成了聚苯胺-氧化鈷納米復(fù)合包裝材料(polyaniline-Co3O4 nanocomposites)并利用 SEM、TEM 表征了材料的形貌及尺寸大小。Vermogen 等人[52] 利用 TEM 對(duì)采用單螺桿擠壓機(jī)和雙螺桿擠壓機(jī)等不同擠壓法生產(chǎn)的 PP-MMT 復(fù)合包裝薄膜進(jìn)行了納米顆粒的形貌和結(jié)構(gòu)表征。結(jié)構(gòu)分析表明，不同擠壓法得到的復(fù)合薄膜中納米材料的形貌及尺寸均不同。上海大學(xué)陳欣欣等[53] 利用萃取、離心等物理方法從口香糖中分離出 TiO2納米添加劑，利用透射電鏡與能量散射 X-射線光譜儀聯(lián)用(transmission electron microscopy-energy-dispersive X-ray spectroscopy, TEM-EDX)、SEM 及納米 粒 子 跟 蹤 分 析 ( nanoparticle tracking analysis, NTA)技術(shù)對(duì)分離提純的 TiO2進(jìn)行了形貌及粒徑表征。分離出的 TiO2納米添加劑的粒徑多集中在 80 ～ 160 nm。

　　對(duì)于 TEM 和 SEM 而言，必須在真空條件下操作，樣品必須進(jìn)行干燥、低溫固定或嵌入等前處理，納米顆粒的真實(shí)狀態(tài)受樣品制備過(guò)程的影響較大，這嚴(yán)重限制了其在食品及環(huán)境檢測(cè)分析中的應(yīng)用。環(huán)境掃描電子顯微鏡(environmental scanning electron microscope, ESEM)和環(huán)境透射電子顯微鏡(environmental transmission electron microscope, ETEM)保留了傳統(tǒng) SEM、TEM 的優(yōu)點(diǎn)，取消了對(duì)樣品環(huán)境必須是高真空的限制、能夠在一定程度上反映納米顆粒的真實(shí)存在狀態(tài)，是分析食品及環(huán)境介質(zhì)中納米顆粒的有效手段，但需要犧牲一定的分辨率。濕法-掃描透射顯微鏡(wet-scanning transmission electron microscope, wet-STEM) 可直接對(duì)液體樣品進(jìn)行高分辨率成像分析，無(wú)需復(fù)雜的樣品制備過(guò)程[54]。Dudkiewicz 等[55]詳細(xì)闡述了電子顯微鏡如低溫顯微鏡、暗場(chǎng)顯微鏡、ETEM、ESEM、聚焦離子束電子顯微鏡、wet-SEM 等在食品中納米材料檢測(cè)及表征中方面的應(yīng)用，并介紹了樣品的制備方法(干燥、干燥—冷凍、染色等)和測(cè)量效果的關(guān)系。原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)利用的是探針與樣品表面間的相互作用力(包括靜電、范德華力、摩擦力、表面張力和磁力)成像，既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，在常壓及全液體環(huán)境下都可以良好工作，大大擴(kuò)展了分析樣品的范圍。費(fèi)斐等[56]研究了 PVC 包裝薄膜中增塑劑鄰苯二甲酸二異辛酯(diethylhexyl phthalate, DEHP)向食品模擬液中的遷移行為，同時(shí)利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 沉 積 (plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD )在PVC表 面 沉 積 納 米 級(jí)SiOx和 類(lèi) 金 剛 石 (DLC)阻隔層，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化的條件下，可以實(shí)現(xiàn)將 DEHP 遷移率降低 98.7% ，這說(shuō)明納米阻隔層能有效限制 PVC 中增塑劑 DEHP 向食品中遷移。該實(shí)驗(yàn)小組利用 AFM 對(duì)食品模擬液浸泡前后阻隔層的形貌進(jìn)行了表征，如圖 4 所示。

　　2.2 色譜及相關(guān)分離技術(shù)

　　色譜技術(shù)是一種用來(lái)分離多分散體系中納米顆粒的方法。常見(jiàn)的尺寸排阻色譜(size exclusion chromatography, SEC )、流體動(dòng)力色譜法 (hydrodynamic chromatography, HDC)和高效液相色譜((high performance liquid chromatography, )均可用于納米材料的分離及表征分析。對(duì)于包裝材料而言，色譜技術(shù)主要用于其中納米材料及小分子的遷移實(shí)驗(yàn)研究。將色譜分離技術(shù)與質(zhì)譜等各種分析設(shè)備聯(lián)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)包裝材料遷移實(shí)驗(yàn)?zāi)M液、食品、水等樣品中納米材料的分離，還能對(duì)分離的納米材料進(jìn)行元素及量化分析，是分離科學(xué)中的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。

　　SEC 又稱(chēng)為凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography, GPC)，通常使用溶劑作流動(dòng)相，多孔填料(如多孔硅膠、多孔玻璃)或多孔交聯(lián)高分子凝膠作分離介質(zhì)。當(dāng)納米顆粒分散液隨載流液通過(guò)色譜柱時(shí)，大顆粒因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)入多空填料或凝膠的小空穴而先于小顆粒被洗脫。這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到量子點(diǎn)[57]、碳納米管[58,59] 等納米材料的尺寸表征。SEC 的主要缺點(diǎn)是粒徑分離范圍較窄，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)原始納米顆粒及其團(tuán)聚體的同時(shí)分離。

　　流體動(dòng)力色譜(HDC)多利用無(wú)孔剛性固體顆粒來(lái)填充其色譜柱。其分離機(jī)理可描述為: 當(dāng)流動(dòng)相從填料顆粒間經(jīng)過(guò)時(shí)，由于水動(dòng)力效應(yīng)的存在使其流型為層流拋物面型，溶質(zhì)在這種情況下的分離主要是借助于靠近填料表面的低流速區(qū)域所產(chǎn)生的排斥效應(yīng)，大顆粒由于受到的排斥效應(yīng)大于小顆粒，更容易遠(yuǎn)離填料表面而進(jìn)入高流速區(qū)域，而先于小顆粒被洗脫出來(lái)。HDC 測(cè)定的粒徑分布交較寬, 涵蓋了 5 ～ 1 200 nm 的范圍，主要缺點(diǎn)就是峰的分辨率較差。Tiede 等[60]將 HDC 與電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICPMS)聯(lián)用，在 TiO2、SiO2、Al2O3、Fe2O3等納米顆粒的表征中取得了較好的效果。Dekkers 等人[17]成功利用 HDC-ICP-MS 將咖啡伴侶、速溶湯、奶粉等 27 種食品中納米級(jí) SiO2 (E551)抗結(jié)劑進(jìn)行分離，并檢測(cè)了納米級(jí) SiO2 (E551) 抗結(jié)劑的含量。SiO2納米顆粒的大小由色譜圖中的停留時(shí)間確定，顆粒的濃度根據(jù)峰面積計(jì)算得出。

　　高效液相色譜主要用于有機(jī)納米材料如 C60和 C70的分離。Chao Wang 等人[61]將高效液相色譜與 ICP-MS 及紫外可見(jiàn)光吸收光譜 (ultraviolet-visible spectroscopy, UV-vis)相結(jié)合，對(duì)環(huán)境水樣品中的富勒烯及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行了分離與量化分析。

　　同色譜方法類(lèi)似，場(chǎng)流分級(jí)(field flow fractionation, FFF)也是一種洗脫技術(shù)，不同的是 FFF 沒(méi)有固定相，所以被稱(chēng)為“單相色譜”。場(chǎng)流分級(jí)分離法結(jié)合了色譜和場(chǎng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本要素，樣品組分除隨流動(dòng)相流動(dòng)外，還受到與分離流道垂直或成某種角度的分離場(chǎng)力作用下向流道管壁一側(cè)移動(dòng)。不同組分受分離場(chǎng)力作用不同，小顆粒受到場(chǎng)作用力小，處于流道中心附近，流速快; 大顆粒受到的場(chǎng)作用力大而向流道側(cè)壁聚集，在柱內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，后流出，從而實(shí)現(xiàn)不同粒徑納米材料的分離。FFF 技術(shù)可與紫外吸收、ICP-MS、多角度光散射(multi-angle light scattering, MALS)、動(dòng) 態(tài) 光 散 射(dynamic light scattering, DLS)等其他在線檢測(cè)設(shè)備聯(lián)用，樣品從分離管道的一 端 注 入 ，另一端收集檢測(cè) ，分 離 的 同 時(shí) 也 實(shí)現(xiàn)了樣品的檢測(cè)和表征。FFF 常用的外場(chǎng)為沉降場(chǎng) (sedimentation fieId fIow fractionation, SdFFF)、流體場(chǎng) (flow field-flow fractionation, F4 )，兩者均可用于復(fù)雜食品及環(huán)境樣品中納米材料的分離。Schmidt 等人[62]研究了食品級(jí)復(fù)合包裝材料中納米級(jí)粘土向食品模擬物中的遷移行為，通過(guò)非對(duì)稱(chēng)流體場(chǎng)場(chǎng)流分級(jí)(asymmetrical flow field-flow fractionation, aF4 )、 MALS 和 ICP-MS 技術(shù)聯(lián)用，在食品模擬液中檢測(cè)出粒徑在 50 ～ 800 nm 的納米顆粒，并對(duì)遷移物進(jìn)行了定量分析。

　　2.3 光譜及相關(guān)技術(shù)

　　光譜分析方法是研究納米顆粒結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要手段之一，各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況不同，所以它們發(fā)射光的波長(zhǎng)也不同。

　　紫外可見(jiàn)光吸收光譜(UV-vis)是利用物質(zhì)的分子吸收 200 ～ 800 nm 光譜區(qū)的輻射來(lái)進(jìn)行分析測(cè)定的方法。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道了不同粒徑 ZnO[63-64] 及 C60膠體[65]的 UV-vis 吸收光譜，并建立了根據(jù)吸收光譜分析其粒徑分布的理論模型，這些研究表明納米膠體吸收峰的位置與粒子尺寸有關(guān)，粒徑小吸收峰的位置會(huì)發(fā)生藍(lán)移，粒徑大或分布范圍寬則吸收紅移。另外，納米顆粒的形貌也會(huì)影響表面等離子體共振吸收帶的形狀。Au 納米棒有一個(gè)強(qiáng)的紅移峰和一個(gè)弱的藍(lán)移峰，且隨著納米棒長(zhǎng)徑比的增加，對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)軸的表面等離子體共振峰明顯紅移[66]。

　　紅外光譜是基于基團(tuán)振動(dòng)的光譜技術(shù)，最常用的是傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)。利用 FTIR 可以對(duì)沉積在包裝材料表面或摻雜在其中納米材料進(jìn)行定性分析。費(fèi)斐等[67]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)在 PVC 表面沉積了納米級(jí) SiOx 功能阻隔層，借助 FTIR 對(duì)不同 O2及單體六甲基二硅氧烷(hexamethyldisiloxane, HMDSO )比例條件下沉積在 PVC 表 面 的 SiOX的元素組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。從圖 5 中可以看出，808 和 1 057cm-1 附近分別出現(xiàn)了 Si-O-Si 基團(tuán)的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明在 PVC 上制備了 SiOx 薄膜。通過(guò)對(duì)紅外光譜進(jìn)行的分峰擬合，探討了不同氧氣與單體比例對(duì) SiOx 薄膜 Si-O-S 結(jié)構(gòu)的影響，隨著 O2比例的增加 SiOx 網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的成分逐漸增加，而線性(或環(huán)狀)和籠狀結(jié)構(gòu)成分不斷減少。這說(shuō)明了薄膜的結(jié)構(gòu)由線性亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)狀 SiO2結(jié)構(gòu)。

　　X 射 線 光 譜 包 括 X 射 線 吸 收 光 譜 ( X -rayabsorption spectroscopy, XAS)、X 射線衍射(X-ray diffraction, XRD)、X 射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS )、X 射 線 熒 光 (X-ray fluorescence, XRF)。X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)(X-ray absorption fine structure，XAFS)是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的同步輻射特有的結(jié)構(gòu)分析方法。它的基本原理是吸收 X 光的原子激發(fā)出的光電子與最近鄰和次近鄰原子發(fā)生多重散射，以此來(lái)確定吸收原子附近的局域結(jié)構(gòu)(如鍵長(zhǎng)、鍵角、配位數(shù)以及配位原子種類(lèi)等)和電子結(jié)構(gòu)(如金屬原子的價(jià)態(tài)，費(fèi)米面附近的態(tài)密度等) [68]。XAFS 分為 X 射線近邊吸收(Xray absorption near edge structure, XANES)和擴(kuò)展 X 射線吸收(extended X-ray absorption fine structure, EXAFS)。XANES 對(duì)吸收原子周?chē)脑胤N類(lèi)和空間幾何結(jié)構(gòu)有著很高的靈敏度，可以研究復(fù)雜食品基質(zhì)中任一種元素周?chē)膸缀闻湮画h(huán)境和電子結(jié)構(gòu)，因而能反映出包裝材料及食品中納米添加劑元素化學(xué)形態(tài)的信息，及其在生產(chǎn)、貯存過(guò)程中可能的價(jià)態(tài)變化。

　　XRD 可依據(jù) X 射線對(duì)不同晶體產(chǎn)生不同的衍射效應(yīng)來(lái)鑒定物相及其含量，是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。其測(cè)定內(nèi)容主要包括各組分的結(jié)晶狀態(tài)、晶相、晶體結(jié)構(gòu)及各元素在晶體中的價(jià)態(tài)等。常見(jiàn)的納米顆粒如 Al2 O3、SiO2、TiO2 等均具有多種晶型，納米顆粒晶相的確定是進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用及安全性研究的重要前提。Vaia1 等[9,69]利用小角 X 射線散射(small angle X-ray scattering, SAXS)技術(shù)對(duì)聚合物中 MMT 的相變過(guò)程及其對(duì)聚合物基質(zhì)相變的影響進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過(guò)調(diào)整 MMT 相變可以改變復(fù)合薄膜的物理性能。

　　X 射線能量色散光譜(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)借助于分析試樣發(fā)出的元素特征、X 射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料元素成分及相對(duì)含量的分析。通常配套于 SEM 等顯微鏡技術(shù)中進(jìn)行掃描微區(qū)的元素分析。Gatti 等[70]研究了納米、亞微米材料對(duì)面包的污染，利用 STEM-EDS 聯(lián)用技術(shù)對(duì)污染物進(jìn)行了成像及元素分析，從中發(fā)現(xiàn)了對(duì)人體有害的重金屬鎢、鉭和鈷(見(jiàn)圖 6)。

　　動(dòng)態(tài)光散射(DLS)可用來(lái)測(cè)量納米顆粒在溶液或懸浮液中的水合粒徑大小及粒度分布，測(cè)量的粒徑范圍為 2 ～ 3 000 nm。其測(cè)量原理是基于納米顆粒在溶液中的布朗運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)使得散射光強(qiáng)相對(duì)于某一平均值產(chǎn)生隨機(jī)漲落，并且這種漲落與顆粒的粒徑有關(guān)，顆粒越小，漲落越快，通過(guò)計(jì)算這種漲落變化的時(shí)域自相關(guān)函數(shù)，就可以得到影響這種變化的顆粒粒徑信息。因此，DLS 也稱(chēng)光子相關(guān)光譜(photon correlation spectroscopy, PCS)[71]。由于 DLS 測(cè)量的是粒徑的平均值，強(qiáng)度分析可能會(huì)偏置于樣本中的大顆粒或污染顆粒，從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般的動(dòng)態(tài)光散射儀還可以用來(lái)分析顆粒的 Zeta 電位，Zeta 電位是表征納米顆粒分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，Zeta 電位的絕對(duì)值越高，體系的穩(wěn)定性就越好。

　　納米粒子跟蹤分析(NTA)同樣是基于粒子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光散射原理實(shí)現(xiàn)的。NTA 可以對(duì)每個(gè)顆粒單獨(dú)觀測(cè)，將每一個(gè)進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)在液體中擴(kuò)散的顆粒的直徑計(jì)算出來(lái)，測(cè)量的粒徑范圍在 10 ～ 1 000 nm。NTA 的優(yōu)點(diǎn)為: 測(cè)量前無(wú)需提供溶液的折射率; 對(duì)顆粒單獨(dú)分析以獲得高精度的粒徑分布，強(qiáng)度分析不會(huì)偏置于大顆粒，從而彌補(bǔ)了 DLS 設(shè)備的缺陷; 可獲得實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)納米顆粒影像。由于 DLS 和 NTA 技術(shù)僅可以用來(lái)對(duì)液體中的納米材料進(jìn)行表征，所以實(shí)際操作中必須將納米顆粒從包裝材料和食品中提取出來(lái)才可進(jìn)行檢測(cè)，這極大地限制了兩者的使用范圍。

　　2.4 質(zhì)譜法

　　質(zhì)譜法是一種與光譜并列的譜學(xué)方法，通過(guò)將納米顆粒轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)離子，并通過(guò)對(duì)其質(zhì)荷比的分析而實(shí)現(xiàn)樣品定性和定量。質(zhì)譜有很多種類(lèi)，根據(jù)電離方法可大體分為電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)、基質(zhì)輔助激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption ionization- time of flightmass spectrometry, MALDI-TOF-MS)、電噴霧質(zhì)譜(electronic spray ion-mass spectrometry, ESI-MS)等。目前應(yīng)用較為 普 遍 的 是 ICP-MS，其 檢 測(cè) 限 可 達(dá) ppt 級(jí)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的生物樣品[72,73] 和環(huán) 境 樣品[64]中納米材料的元素測(cè)定及準(zhǔn)確定量。在生物學(xué)上，利用 ICP-MS 可實(shí)現(xiàn)納米材料在生物體內(nèi)的代謝動(dòng)力學(xué)研究。國(guó)家納米科學(xué)中心陳春英課題組將 ICP-MS 和 XANES 等其他表征手段相結(jié)合研究了 Au、TiO2、ZnO、Cu 等納米材料在生物體內(nèi)的吸收、分布、代謝、排泄和元素形態(tài)轉(zhuǎn)化，建立了生物體內(nèi)納米材料代謝動(dòng)力學(xué)研究的系統(tǒng)集成分析方法[66,75-79]。此外，葛翠翠等[80]將 ICP-MS 與中子活化分析(neutron activation analysis, NAA)方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了碳納米管中金屬雜質(zhì)的絕對(duì)定量及高靈敏分析，并在此基礎(chǔ)上建立了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS 13278-2011，該標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)建立的第 1 個(gè)納米技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些研究工作為以后包裝材料及食品中納米材料的定量、元素分析及安全性分析提供了很好的參考和借鑒。另外，光譜中的電感偶合等離子原子發(fā)射光譜 (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, ICP-OES)和 AAS 也可用于納米材料的定量分析，但兩者的檢出限均低于 ICP-MS。

　　不同的表征方法靈敏度各有不同，圖 7 總結(jié)了以上主要方法的檢測(cè)范圍。鑒于食品材料及環(huán)境樣品本身的復(fù)雜性，目前多采用多種分析方法聯(lián)用的方式對(duì)納米材料進(jìn)行檢測(cè)及表征。表 3 總結(jié)了目前部分研究結(jié)果。

　　3 總 結(jié)

　　目前，對(duì)于包裝材料及食品中納米顆粒的檢測(cè)及表征尚處于起始階段，研究方法的建立也在不斷摸索的過(guò)程中，納米材料的特殊性質(zhì)和他們?cè)诃h(huán)境中的轉(zhuǎn)化給納米材料的健康以及環(huán)境安全評(píng)價(jià)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在研究工作的問(wèn)題在于沒(méi)有可靠的工具對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)及量化分析，任何方法都存在一定的局限性，這也極大限制了納米技術(shù)及納米食品工業(yè)的發(fā)展。檢測(cè)分析工具對(duì)所檢樣品的體積及大小往往有限制，加之納米材料在包裝材料及食品中的含量一般較少且分布未必均勻，所得的分析結(jié)果未必準(zhǔn)確。關(guān)于納米顆粒性質(zhì)的表征需要結(jié)合多種分析手段，甚至針對(duì)某一性質(zhì)也需要采用多種方法表征，以確保結(jié)果的可靠性。現(xiàn)階段，多種分析工具聯(lián)用是相對(duì)明智的選擇。相信在不久的將來(lái)，檢測(cè)手段的不斷發(fā)展會(huì)為包裝材料及食品中納米材料的安全性研究提供更多的技術(shù)保障。納米材料在食品包裝以及食品行業(yè)中的安全問(wèn)題會(huì)得到客觀的評(píng)價(jià), 這些評(píng)價(jià)也會(huì)為人們放心享受納米材料帶來(lái)的便捷和進(jìn)步提供科學(xué)的依據(jù)。