電化學免疫傳感器在食品安全檢測中的研究進展

王延新，謝書宇，陳冬梅，王玉蓮，潘源虎，彭大鵬，陶燕飛，袁宗輝

(華中農業大學，國家獸藥殘留基準實驗室(HZAU)農業部食品安全評價重點開放實驗室，武漢 430070)

從古至今，食品就是人們得以生存和發展的物質基礎[1]，而食品安全問題與人類健康和民生等重大問題息息相關，近年來食品安全問題更是層出不窮。為解決食品安全問題，給人民提供健康可食的制品，急需實現對食品的快速檢測，研發更先進更具優勢的食品安全檢測技術愈顯重要。目前，食品安全檢測主要依賴于儀器方法，主要包括HPLC、LC-MS/MS、GLC、GC/MS/MS等，但是儀器方法存在成本昂貴、操作復雜、檢測時間長、無法實現速測現場檢測和需要專業操作人員等缺點[2]。然而與上述儀器檢測技術相比，免疫傳感技術具有下列長處[2]：一是抗原-抗體的特異性作用使得免疫傳感器具有高靈敏度，即特異性高；二是基于修飾電極的納米質優良的電化學特征使檢出限明顯降低；三是檢測過程耗時短，歷時以分鐘計；四是免疫傳感器造價較低、易于推廣使用、輕巧便于攜帶，操作程序簡易而不需專業培訓。電化學傳感器在食品安全檢測的應用研究中，對免疫傳感器的研究相對最早，種類最多，發展也相對成熟[3]。免疫傳感器聯合各種電化學分析技術，如溶出伏安法、脈沖伏安法、差分脈沖法等，大大提高了物質檢測的靈敏度[3]。此外，在電化學生物傳感器的構建過程中，由于碳納米材料具備穩定的化學性能、大的比表面積、良好導電性和生物兼容性等優點，可選為良好的電極修飾材料而優化傳感器性能，即通過降低目標檢物的氧化過電位，增加峰電流，從而提高該檢測方法的靈敏性。在短短幾十年里，相繼開辟了種類繁多的研究和應用領域，其中在食品安全領域中毒素、抗生素、殺蟲劑和病原微生物等的測定，成為替代傳統檢測方法可廣泛應用的潛在技術之一[4]。

作者綜述了碳納米材料在電化學生物傳感器中的應用以及近五年來電化學免疫傳感器用于食品安全領域中真菌毒素、藥物殘留、農藥殘留等物質的快速檢測的研究應用情況，以期使研究者們對電化學免疫傳感器在食品安全檢測中的開發、研究、應用有深一步的理解和領悟，使電化學免疫傳感器在食品安全檢測領域有長足發展，給社會和人民帶來可觀的福利。

1 碳納米材料及其性能

自從1984年，納米材料被德國物理學家Gleiter發現以來，成功引發了科學家們極其濃厚的研究開發興趣。以下我們將重點介紹碳基納米材料家族(碳納米管、石墨烯、碳納米點、石墨烯量子點)及其在電化學傳感器制作中的廣泛應用[5]。

1.1 石墨烯

石墨烯是由碳原子sp2雜化構成六角形并依次平面連接形成蜂窩晶格狀層的二維材料，碳原子的sp2雜化鍵長0.142 nm，而其厚度為0.34 nm，相當于單個碳原子層的厚度，正是由于石墨烯的這種優異的結構構成，賦予它各種優良性能，如極好的導電性、大的電子遷移率、較高的比表面積(26～30 m2·g-1)等，這些特性使其在生物醫藥、電子信息等范疇具有可觀的應用開發前景。比如，Wen等[6]基于十六烷基三甲基溴化銨活化劑修飾的石墨烯與殼聚糖構成的納米復合材料修飾電極，所構建的安培型生物傳感器對NO的檢出限為6.75×10-9mol·L-1，并成功地用于油菜葉片勻漿樣品中NO的檢測。張晶晶等[7]把牛血清白蛋白標記的微囊藻毒素(BSA-MCLR)成功偶聯到石墨烯納米片層(GS)上構建了檢測微囊藻毒素的電流型免疫傳感器，并以納米金(AuNPs)作為探針檢測反應信號，在最佳實驗條件下的線性范圍為0.1～50 μg·L-1，檢出限為0.05 μg·L-1。石墨烯作為優良的碳納米材料對電極進行修飾所構建的生物傳感器對無機物和有機物都實現了良好的檢測效果，并被成功地應用于實樣中的檢測。此外，石墨烯的制備方法經改良后流程越加明晰簡單，使得其來源充沛，造價降低，可作為制備生物傳感器的首選碳納米材料之一。

1.2 碳納米管

碳納米管(CNT)是以石墨烯的片層結構為基本單位并依照特定的角度螺旋卷曲而成的單層或者多層的網狀中空結構，其中含有大量的sp2雜化碳原，通過共價鍵合作用使碳納米管功能活化而帶有一些活性基團，如羧基、羥基等，從而進一步改進碳納米管的優異電化學性質。朱作藝[8]通過將碳納米管羧基功能化并與離子液體摻雜聚苯胺復合修飾到電極表面成膜，用該修飾電極對多巴胺展開了電催化氧化研究，并成功實現了在高濃度尿酸、抗壞血酸環境下對多巴胺的特異性檢測。楊素玲[9]基于功能化多壁碳納米管與Nafion共價結合構成復合膜修飾到玻碳電極表面(MWCNTs/Nafion/GCE)，該修飾電極在對弱堿性弱酸性藥物的定量分析中，通過提高藥物分子的氧化峰電流降低氧化過電位成功構建了一種伏安法定量測定咖啡因、茶堿、丹皮酚、抗壞血酸和尿酸的高靈敏度檢測系統。Malhotra等[10]通過活化劑1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺/N-羥基丁二酰亞胺(EDC/NHS)將富含羧基的單壁碳納米管功能化后，將抗體分子通過共價鍵合固定到碳納米管陣列上，基于碳納米管優良導電性能成功構建靈敏度大大提高的檢測癌癥標記物(IL-6)的免疫傳感器。

1.3 碳納米點與石墨烯量子點

在碳納米管和石墨烯被廣泛應用的同時，碳納米點(CDs)和石墨烯納米點(GQDs)是一種相對較新的具有發光性能的碳基納米材料。碳納米點是一種非晶態或晶態的準球形碳納米粒子，直徑小于10 nm[11]。石墨烯量子點具有石墨烯的晶格結構，原子層數較少，橫向尺寸在3～20 nm范圍內[12]。碳納米點和石墨烯量子點的發光可能源于表面激子的輻射復合和量子約束效應,其發光性與量子點(QDs)相當，具有很高的穩定性和可調諧性[13]。但碳納米點和石墨烯量子點比量子點更環保，因為碳基材料一般毒性很低，且易由可再生資源合成，如碳水化合物、果皮和甘蔗渣[14]。此外，碳基納米材料通常是可生物降解的，在體內可被過氧化物酶分解。由于這些特性，CDs和GQDs可以作為熒光探針或在生物傳感器中作為FRET供體使用[15]。

2 電化學免疫傳感器在食品檢測中的應用

2.1 真菌毒素的檢測

真菌毒素是由真菌產生的小分子、高毒性次級代謝產物，通常以痕量形式存在于基質中，不表現為急性毒性，但具有蓄積性，長期攝入易引發癌癥、突變及畸形，從而對人類安全造成威脅[16]。真菌毒素對農產品的影響廣泛，尤其是谷物和谷物食品[17]。自20世紀60年代初首次發現黃曲霉毒素具有致癌作用以來，大多數國家以及歐盟已經制定了嚴格的預防措施以減少食品污染問題，并規定了食品中霉菌毒素的允許檢出水平。現今，真菌毒素常用儀器分析方法，其通常需要復雜的儀器及樣品前處理[18]。而真菌毒素的電化學生物傳感器使用特異性抗體、適體、受體和分子印跡聚合物作為親和配體，顯示出潛在的用途[19]。

近年來，免疫傳感器逐步成為真菌毒素快速檢測最活躍的研究領域之一，具有重要的經濟價值和社會價值。比如，周琳婷等[20]研發的黃曲霉毒素B1(AFB1)阻抗型電化學免疫傳感器成功用于花生樣品中AFB1的痕量檢測，并且經考察該方法的靈敏度和穩定性均優于現有的文獻報告。干寧等[21]研制了一種安培免疫傳感器并用于小麥粉中AFB1的檢測，響應電流與AFB1濃度在1.0～200 μg·L-1范圍內呈良好的線性關系，此外組內組間變異系數均低于3.5%，回收率為97%～104%，檢測限為0.3 μg·L-1， 該傳感器縮短了樣品溫育所需時間，為免分離一步測定AFB1的現場檢測提供了可能性。Zhang等[22]構建了一種基于單壁碳納米管/殼聚糖修飾電極(SWNTs-COOH/CS/GCE)用于AFB1檢測的間接競爭型電化學免疫傳感器，在最佳條件下，該方法的檢測范圍為0.01～100 ng·mL-1，檢測限為3.5 pg·mL-1，并成功應用于實樣玉米淀粉中AFB1的檢測，與高效液相色譜法(HPLC)的檢測結果高度一致，與傳統檢測方法相比較其靈敏度更高，操作更簡易。張弦等[23-24]依據間接免疫競爭原理，將游離的赭曲霉毒素A(OTA)和赭曲霉毒素A-牛血清白蛋白(OTA-BSA)與一定量的OTA單克隆抗體競爭結合，成功研制了一種用于OTA快速測定的電化學免疫傳感器，線性范圍為0.01～100 ng·mL-1，檢測限為4 pg·mL-1，低于意大利規定的最低檢測值(0.5 μg·kg-1)，該傳感器將成為OTA在食品安全領域中實現快速定量檢測的有力技術方法。Yang等[25-26]基于單壁碳納米管/殼聚糖復合材料(SWNTs/CS)構建的電化學免疫傳感器，可以高效特異地檢測玉米樣品中FB1的含量，線性范圍為0.01～1 000 ng·mL-1，檢出限可達 2 pg·mL-1，遠低于歐盟立法規定的最低檢出限(2～4 mg·L-1)。此外，該傳感器用于檢測人為添加FB1以及天然污染FB1的玉米樣品，均獲得良好的回收率(96.34%～115.95%)，且與HPLC的檢測結果具有良好的一致性。該免疫傳感器以其優異的靈敏性、特異性和重現性，將成為未來農業及食品安全領域中以市場為導向定量檢測 FB1的一種潛力工具。

2.2 抗生素殘留的檢測

抗微生物藥物廣泛應用于動物疾病的預防和治療，同時還可以促進動物的生長并提高飼料的利用率。然而，科學文獻表明可能存在動物源性食品中抗菌藥物殘留，使它成為一個公眾關注食品安全的關鍵。因此，設計快速準確的動物源性食品中抗菌藥物殘留監測方法十分必要。許多國家已經制定了立法，以確保抗菌藥物的殘留量小于最大殘留限量(MRL)。在這一背景下，近年來，電化學生物傳感器以其獨特的分析特性在食品安全領域引起了人們的特別關注[27]。以下對電化學生物傳感器監測動物源性食品中抗菌藥物殘留的研究進展進行了簡單概括。

近年來，抗生素生物傳感器也取得了一定的發展，由于其靈敏度高、分析速度快、操作簡便、易于集成和微型化、制作成本低廉等特點，已經被廣泛應用于抗生素的檢測研究中。其中用于檢測抗生素的生物傳感器主要有免疫傳感器和酶生物傳感器。例如，韓志鐘等[28]構建青霉素酶-氧化蘇木精修飾Au/ZnO/GN(PH-AZG)的電流型傳感器在PBS水溶液(pH=7.0)中對青霉素鈉檢測線性范圍為2.5×10-14～3.3×10-6mol·L-1，檢出限達到1.5×10-14mol·L-1，并有較高的選擇性和穩定性。同時還實現了對實際牛奶制品中低濃度青霉素鈉的檢測，在 5×10-14～5×10-7mol·L-1范圍內有顯著的響應值。闕小華[29]用氧化石墨烯做基底，原位生成鉑-石墨烯復合納米材料，并作為小分子半抗原標記物，構建競爭型免疫傳感器。在優化實驗條件下,該競爭型電化學免疫傳感器電信號對四環素標準品濃度成反比變化，線性范圍是0.05～100 ng·mL-1，檢測限為6.0 pg·mL-1。Moraes等[30]制備了一種基于垂直排列的單壁碳納米管(SWCNTs)電化學傳感器，并用于左氧氟沙星的檢測。該傳感器利用π-π 堆積作用將單鏈 DNA(ssDNA) 與 SWCNTs 進行雜化后，自組裝于金電極表面。該有序組裝的表面對左氧氟沙星的電氧化行為展現了良好的選擇性和較高的電催化活性，檢測限達到75.2 nmol·L-1。該電化學傳感器已被成功應用于尿液中左氧氟沙星的檢測。Borowiec等[31]合成了一種氮摻雜石墨烯修飾的納米金復合材料(Au/N-G)，滴涂于玻碳電極表面。氯霉素在該電化學傳感器上的電化學行為表明Au/N-G具有良好的電子傳遞能力，有效提高了氯霉素檢測的伏安響應，檢測限為 0.59 μmol·L-1。該 Au/N-G 電極制備過程簡單快速，且具有良好的重復性與穩定性。在實際樣品的檢測中，該傳感器對氯霉素滴眼液中氯霉素含量的檢測結果(2.05 mg·mL-1) 與傳統的 HPLC 法(2.07 mg·mL-1)一致。Wang等[32]開發了一種基于AuNPs/cMWCNTs的新型分子印跡電化學傳感器(MIECS)，并應用于OLA的痕量檢測。在優化條件下，MIECS對OLA具有高靈敏度和選擇性，檢測限為2.7 nmol·L-1，實際樣品(豬肉和魚肉)中檢測OLA時，回收率高達80.7%～115.8%，相對標準偏差(RSD)小于11.4%。Xu等[33]利用多壁納米碳管修飾玻碳電極構建簡易且具有高靈敏度的電化學方法并用于喹乙醇的檢測，檢測范圍與檢測限分別為0.3～180 μg·mL-1、0.26 μg·mL-1，RSD為3.5%，在考察中展現了良好的重復性和抗干擾性。

2.3 農藥殘留的檢測

有機磷農藥(OPPs)、氨基甲酸酯類農藥(CBs)、擬除蟲菊酯類農藥(PYRs)和三嗪類除草劑(TRZs)等農藥可以消滅蟲害從而增加谷物產量，目前在農業生產中比較常用[34]。但是大多數農藥具有生物蓄積性風險和對人類的毒性相對較高的共性[35]。近年來，生物食品安全問題越來越受關注，農藥殘留成為危害食品安全的重要問題之一，這對快速檢測農藥殘留提出高要求，研究方便、快捷的檢測農藥殘留方法已成為當務之急[36]。生物傳感器技術作為一種新的檢測分析儀器，在食品檢驗的領域具有廣闊的應用前景[37]。

有機磷農藥由于在環境中的半衰期較短，對哺乳動物毒性相對較低，應用范圍廣泛，價格低廉等優點，占據了絕大多數市場[38]。Mehta等[39]基于功能化的石墨烯量子點構建了絲網印刷電化學免疫傳感器，并用于硫磷的測定，線性檢測范圍是0.01～106pg·mL-1，檢測限為46 pg·mL-1，對其穩定性、響應重現性和再生性的考察充分支持了它潛在的實用性。Liu等[40]將單壁碳納米管與重氮鹽分子修飾電極，通過修飾材料表面穩定的共價鍵將對氧磷單克隆抗體涂層穩定修飾到電極表面，從而成功構建了基于芳香重氮鹽單分子層和單壁碳納米管修飾的對氧磷電化學免疫傳感器。該傳感器具有較強的特異性和很高的靈敏度，檢測范圍為2～25 000 ng·mL-1，檢出限可達2.0 ng·mL-1，能實現對氧磷的現場檢測，具有較大的市場應用潛力。再如，Belkhamssa等[41]研發了一種快速、一次性、無標記免疫傳感器用于莠去津除草劑的測定，在最佳條件下，線性范圍為0.001～10 ng·mL-1，檢測限為0.001 ng·mL-1，回收率為87.3%～108.0%，并且可用于環境中莠去津的低濃度檢測。

2.4 致病菌的檢測

對細菌細胞檢測分兩種：(1)檢測特定的細菌種類或菌株，(2)總菌數，即樣品中所有種類的細菌總數。檢測特異性細菌和細菌總數與細菌細胞壁的分子相互作用有關。在大多數革蘭陰性細菌中富含肽聚糖、蛋白質、脂多糖(LPS)以及支鏈酸(主要是革蘭陽性細菌)。特異性細菌的檢測依賴于特異性分子受體(抗體/適配體)與細菌抗原(細胞壁上的蛋白質和脂多糖)的結合。而計細菌總數利用了細菌之間的共性，例如靜電作用下細菌細胞壁的表面電荷特性，或細菌細胞壁上的糖類與糖類結合分子(凝集素或硼酸)。細菌細胞壁含有細菌抗原(特定細菌種類或菌株特有的蛋白質和脂多糖)，這種抗原可以被特定的抗體或適配體識別。將相應的抗體/適配體作為分子受體與納米材料結合從而實現特定細菌的檢測。利用兩個不同吸光度的mNPs，如金納米棒(AuNRs)，可在30 min內對多種細菌(如大腸桿菌和鼠傷寒沙門菌)進行多重檢測(10～108cfu·mL-1)，該設計提供了快速、簡單的混合檢測方法。結合QDs或MNPs的抗體被用于湖水樣品中大腸桿菌、食品樣品中金黃色葡萄球菌、食物提取物或復合液體(牛奶、血清、尿液)中鼠傷寒沙門菌的檢測[42-45]。

2.5 其他物質的檢測

電化學生物傳感器因其具有操作簡單、響應時間短、靈敏度高、成本低等諸多優勢，在臨床分析(標記物、腫瘤細胞、病毒)[46-47]的快速檢測中的應用也漸漸發展起來，近幾年尤盛。相關情況見表1。

表1電化學生物傳感器在其他物質中的檢測應用

Table1Applicationofelectrochemicalbiosensorsinothersubstancesdetection

目標檢測物Target檢測限LOD檢測范圍Detection range電極表面Surface參考文獻Referenceα-fetal protein (AFP)0.33 fg·mL-11～80 ng·mL-1GCE/grox/chit-fuller-ene/Ab1Zhang等2016[48]SOX27 fg·mL-125 fg·mL-1～2 pg·mL-1CTES/ ITO/anti-SOX2 AbAydin和Sezgintürk, 2017[49]Cardiac marker0.01 ng·mL-10.01～100 ng·mL-1GQDs/SPEs/anti-cMyo AbTuteja等, 2016[50]MAGE-11.30 fg·mL-14～200 fg·mL-1CTES/ITO/ anti-MAGE-1Gündoˇgdu等, 2017[51]Botulinum neurotoxin serotype A (BoNT/A)0.11 pg·mL-10.27～268 pg·mL-1Au/GR/CS/GCEAfkhami等, 2017[52]Human ovarian cancer (SKOV-3) cells5.2 cells·mL-16.5～65 000 cells·mL-1GCE/GO/anti-HER2Xia等, 2012[53]Human breast cancer (MCF-7) cells and adri-amycin-resistant MCF-7 (MCF-7/ADR) cells170 cells·mL-15×102～1.6×106cells·mL-1(Bcl-2)-BSA/PLL/GCEChen等, 2015[54]Human cervical carcinoma (HeLa) cells10 cells·mL-110～106 cells·mL-1Au/MPA/PEI-Fc/SWCNT/FALiu等, 2013[55]

3 總結與展望

作者綜述了納米粒子支持和增強免疫化學生物傳感領域的最新進展、挑戰和發展趨勢。該研究主題展現了跨學科的科研努力，即將納米粒子獨特的電子、磁性、光學、催化和力學特性與具有優秀識別功能的生物元件(如抗體)結合起來的應用研究，介紹了納米材料廣泛的應用背景，并討論了納米粒子在免疫傳感中的作用。此外，本文還主要對近幾年電化學免疫傳感器在生物學領域中分子水平、細胞水平的物質檢測的應用情況進行了概括，雖然免疫分析技術在三十多年前就已出現，但是現在仍有很多研究者致力于電化學免疫分析及免疫傳感器的研究。免疫分析技術與電化學檢測相結合的體系是更簡單、更快、更經濟的擁有高靈敏度、高特異性的分析方法，但該方法存在穩定性差、裝置構成復雜等缺點，使其在現場檢測和便攜優勢還未充分發揮作用。

目前，該領域的研究人員似乎集中精力于傳感器最佳性能限制的實現，即小分子水平上的最低檢測閾值。然而，其他易被忽略的方面也是至關重要的，比如整個分析過程持續時間(從樣品的分析到結果的讀取)長。高靈敏度和極低的測量濃度確實是很好的指標，但它們應始終與實樣中的實際需要和樣品中分析物的現有水平進行比較。

所以，我們至少需要從三個方面進行考慮：(1)克 服抗原抗體在電極表面固載的穩定性問題，選取合適的結合方法提高電極表面抗原抗體的穩定性；(2)保持探針穩定優異的功能化性能使得對物質的檢測更加精確穩定；(3)把理想實驗室條件下的檢測結果實際應用到實樣的檢測中去，實現便攜式的快速檢測技術的市場化需求。總之，希望在不久的將來免疫傳感器技術在各領域中都有長足的發展，使得人們食有所保。