生物传感快速检测技术的探讨

生物传感快速检测技术的探讨

王炳志

（深圳市易瑞生物技术股份有限公司，广东深圳 518101）

摘　要：生物传感器技术对医疗保健、环境和食品质量控制有着重要的影响，近几年材料科学、纳米技术和仿生设计的创新使生物传感器领域的应用范围更广。本文对生物传感快速检测技术进行了探讨，以便为目标分析物的现场检测提供依据。

关键词：生物传感技术；食品；快速检测

 

生物传感技术在制药、医疗保健、环境和食品等主要领域的影响力日益增强。在农业和食品工业集约化发展的现实背景下，食品安全已然成为一个全球性问题。材料科学、纳米技术和仿生设计的进步推动了生物传感领域的发展，食品生物监测仪器如图1所示。在检测中最常用的纳米材料，可以提高传感器或整个生物传感器的性能，也可以作为生物受体的固定基质。最近研究学者对相关技术进行了讨论，特别强调了在这一领域要做的工作—从基准到市场。微型化、自动化分析、低试剂消耗、便携性、对用户时间或技能的最小要求以及连通性代表了向商用生物传感器过渡的需求。

1　食品快速检测技术概述

生物传感器是一种结合了生物成分或生物受体（分离的酶、细胞器、整个细胞、组织、免疫系统、核酸和适配体等）的分析仪器，用于检测化合物。常用的传感器有以电化学、光学、质量为基础的传感器和热传感器，利用目标分子与生物成分之间的特殊相互作用产生的电信号，分析测量标的物中含有的小分子和蛋白质。

同传统的食品分析方法，如分光光度法或色谱法相比，生物传感器具有以下优点。①选择性高，可直接检测分析物，不需要任何样品的预处理，也不需要极少量的样品进行预处理，在几分钟内快速分析结果。②低成本、小型化和便携。③使用方便，不需要经过严格培训的人员，能够轻易地将商业设备推向消费市场。

1.1　生物传感器类型

1.1.1　基于酶的生物传感器

第1类生物传感器是基于酶催化的反应。其中，氧化还原酶是基于酶的生物传感器最常用的酶种类。如生物胺、腐胺、组胺、亚精胺、酪胺、尸胺、苯乙胺和色胺等，这些主要是由微生物脱羧作用形成的氨基酸，可以用单胺氧化酶或多胺氧化酶测定。酶生物传感器代表了电化学生物传感器在食品分析中的主要应用。底物检测通过其转换在酶催化的反应消耗或形成电活性化合物和酶抑制剂的检测。底物检测主要使用氧化还原酶类的酶（氧化酶、过氧化酶、脱氢酶），检测到的主要电活性化合物是过氧化氢或还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。测定抑制剂是通过测量酶活性在无抑制剂和存在抑制剂的抑制程度与抑制剂浓度的相关性。亲和力生物传感器是一类广泛的传感器[1]，但本文仅对基于分子印迹聚合物的电化学传感器在食品分析中的应用进行综述。

目前食品分析中，对食品新鲜度的检测主要是基于生物胺检测。设计了一种基于石墨烯的量子传感酶生物化学装置，该装置通过在石墨烯量子点上生成乙酰胆碱氧化酶和胆碱氧化酶，在石墨烯量子点溶液中加入乙酰胆碱，氧化酶能终止量子点荧光，大大降低量子点的荧光信号。在体系中加入有机磷酸盐化学农药，可以取消酶的活化，消除淬火效应，增加荧光信号，进而进行定量分析检测。鱼体中的组胺浓度是腐败的标志，摄入过多会引起鱼类中毒。因此，开发便携式快速检测和现场分析工具具有重要意义。研究者们也开发了基于丝网印刷的碳电极和二胺氧化酶的组胺酶传感器的简易测定[2]。用简单的戊二醛和牛血清白蛋白将酶固定在电极表面，进行简单的交联。采用时间流法测定交替酶。该酶可重复使用7次。通过对鱼提取物中的组胺进行深度分析，验证了传感器的可行性。通过对开发电路的改进，研制了一种用于葡萄糖的有机晶体管酶传感器，该传感器利用有机晶体管的源漏电流，连续监测不同浓度的葡萄糖。酶敏感元件包括固定生物传感膜和能量传递系统。这一新的检测技术将电化学传感和高灵敏度的电化学电极结合在一起，使其具有高度的选择性，可用于对复杂样品的精确测定和量化。如用L-乳酸检测番茄和婴幼儿食品的新鲜度。除了生物胺，黄嘌呤被认为是衡量鱼类新鲜度的重要生物标志物。酶作为生物受体，在生物传感器的作用不仅是确定底物，还可以检测其效应，特别是抑制剂[3]。基于酶抑制的生物传感器在有毒化合物（农药、霉菌毒素）的检测中得到了广泛报道。乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）是检测有机磷和氨基甲酸酯类农药最常用的酶[4]。酶传感器的工作原理如图2所示。

1.1.2　亲和力生物传感器

亲和生物传感器是基于分析识别系统，如抗原抗体、激素受体或DNA链之间的相互作用。亲和生物传感器和酶生物传感器之间的主要区别是在与生物受体相互作用后，被分析物没有生物化学转化。分析物与亲和配合物之间的相互作用是可逆的，亲和配合物的形成和分解是通过在温和条件下改变物理化学参数，如pH值或离子强度来实现的。

2　基于金纳米粒子的食品安全生物传感器研究应用

非法添加剂是指在法律禁止的农产品、食品和畜牧业中存在或过量使用某些物质。非法添加剂包括但不限于鱼类的孔雀石绿（MG），牛奶中的三聚氰胺，胡萝卜汁中的赤藓糖b，奶粉中的17β-雌二醇等，这些都可能对人体构成威胁。以简单且方便的方式检测非法添加剂，可帮助消费者降低受骗的风险。

2.1　金纳米粒子在检测孔雀石绿中的应用

2.1.1　作为SERS探针检测MG

孔雀石绿是一种抗菌活性极强的三苯甲烷染料，对人体神经、免疫、消化和生殖系统均有一定危害。用金纳米棒在薄膜上沉积，可作为表面增强拉曼散射（SERS）探针检测MG，其最低检测浓度为0.1 nmol/L。另外，通过核酸适配体（RNA序列）和核酸适配体（AuNPs）的颜色变化，可以有效地定量检测MG。NaCl溶液因适配体的保护作用，被MG适配体修饰的AuNPs保持单分散，呈红色。MG的存在使MG能和AuNPs上的MG适配体紧密结合，并将MG适配体从AuNPs中释放出来。MG适配体的脱离会破坏AuNPs的静电稳定性，并导致AuNPs聚集，使AuNPs由红变蓝。该方法的检测限为15.95 nmol/L，线性范围为20～300 nmol/L。

2.1.2　通过固体衬底的SERS信号检测MG

检测鱼样品中孔雀石绿的干扰很小，如三苯甲烷染料、抗生素、氨基酸、维生素和金属离子等其他物质，表明该生物传感器具有良好的特异性。固体基片上的SERS信号也能被MG探测到。为了显著增强SERS信号，金纳米棒被放置在光栅-介质间隔-镜面衬底上以产生高的局域电磁场。与平板基片相比，该光栅基片的SERS信号增强了30倍，检测MG异硫氰酸酯的LOD值达到10 nm。

2.2　金纳米颗粒在检测三聚氰胺中的应用

2.2.1　在AuNPs上功能化以检测三聚氰胺

除了谷胱甘肽，其他分子也可在AuNPs上功能化以检测三聚氰胺。例如，对氯苯磺酸可以通过其磺酸基团在AuNPs上修饰。在没有三聚氰胺的情况下，对氯苯磺酸修饰的聚苯乙烯单分散，呈现红酒色。相反，三聚氰胺通过-h与对氯苯磺酸的-Cl之间的氢键聚集，使改性的金属氧化物发生红蓝变色。这种以氢键为基础的方法具有很高的选择性。即使干扰金属离子（Ca2+、Mg2+和Zn2+）浓度为三聚氰胺的1 000倍，对三聚氰胺的检测没有影响。这种方法的检测限为0.29 μg/L，线性范围为75～190 μg/L。

为了进一步提高三聚氰胺的检测灵敏度，金纳米颗粒被用来实现婴儿配方奶粉中约0.01 mg/L的灵敏度和巧克力样品中约0.1 mg/L的灵敏度，与金纳米颗粒相比灵敏度提高了10倍。

2.2.2　通过固体衬底的SERS信号检测三聚氰胺

SERS传感器还可检测到低至12.6 μg/L的三聚氰胺（C3H6N6）[5]。三聚氰胺被非法用作牛奶中的添加剂，过量摄入会导致肾脏损害，三聚氰胺会在肾脏中形成不溶的三聚氰胺-氰尿酸盐共晶体。金纳米材料为快速、便携地检测三聚氰胺做出了巨大贡献。包裹谷胱甘肽的金纳米团簇能够快速识别三聚氰胺。金纳米团簇是具有荧光特性的超小纳米粒子。谷胱甘肽的巯基可以稳定金纳米团簇，谷胱甘肽的羧基和胺基可以与三聚氰胺形成氢键。金纳米团簇在三聚氰胺存在下会发生聚集，在没有三聚氰胺存在时呈现单分散状态。金纳米团簇的荧光可以作为读出剂量，检测限为3.56 mg/L，线性范围为12.6～630 mg/L。

3　结语

粮食安全与质量是全球性关注的问题，必须采用合适的分析方法来实现快速检测。虽然生物传感器具有明显的优势，但与传统的分析方法相比，研究实验室向市场发展还有很大的距离。近年来，生物传感器在检测食品污染物的能力、灵敏度、选择性等方面取得了很大的进步，生物传感器在检测范围、灵敏度、选择性等方面取得了重要进展。很多研究表明，在生物传感器的制备中，使用纳米材料来改善某些分析特性。目前已达到nmol/L到 fmol/L的检测极限，一般来说，低于欧洲食品法规中公认的最高标准。当生物传感器长期储存，稳定性较低时，生物受体的稳定性仍是一个挑战。此外，复杂基质和环境条件下生物传感器的重复使用也是影响其稳定性的重要因素。

参考文献

[1]李燕.食品安全快速检测技术现状及应用[J].医学食疗与健康,2020(8):212-213.

[2]朱婧旸,董旭华,张维宜,等.微流控技术在食品安全快速检测中的应用[J].化学试剂,2021,43(5):632-639.

[3]李超莹.快速检测技术在食品微生物检测中的运用[J].中国食品,2021(5):110.

[4]王蕾,张莉蕴,王玉可,等.快速检测技术在食品真菌毒素检测中的研究进展[J].食品研究与开发,2021,42(4):187-192.

[5]康鹏伟.食品安全监督管理中快速检测技术的应用[J].首都食品与医药,2018,25(1):100-101.