基于生物傳感器檢測動物源性食品中氨基糖苷類藥物殘留研究進展

蔡萍瑤，王佳，陶曉奇*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學，國家級食品科學與工程實驗教學示范中心，重慶，400715)

氨基糖苷類藥物(aminoglycosides, AGs)是指由氨基糖與氨基環醇經糖苷鍵連接而成的苷類抗生素，可通過不可逆地結合核糖體誘導細菌合成錯誤蛋白并阻礙其釋放，導致細胞膜損傷甚至細胞死亡，從而有效對抗革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌[1-2]。此外，AGs還可作為動物的生長促進劑[3]。因抗菌能力強、價格便宜，AGs成為使用最廣泛的抗生素[4]。

AGs具有耳毒性、腎毒性等副作用，常殘留于牛、豬、禽肌肉、牛奶、蜂蜜等動物源性食品中[5-6]。若長期食用AGs殘留超標的動物源性食品，易引發神經肌肉阻滯、皮疹、發熱、血管性水腫、剝脫性皮炎，甚至過敏性休克等癥狀[7]。因此，歐盟委員會對牛奶和肌肉中的一些AGs設定了最大殘留限量(maximum residue limits, MRLs)：卡那霉素為100 μg/kg(牛、豬、禽肌肉)、150 μg/kg(牛奶)，鏈霉素為200 μg/kg(牛奶)，新霉素為1 500 μg/kg(牛奶)，慶大霉素為50 μg/kg(牛、豬肌肉)等[8]；我國農業部也對部分AGs殘留進行限量：鏈霉素為200 μg/kg(牛奶)，新霉素為500 μg/kg(牛奶，牛、羊、豬肌肉)，慶大霉素為100 μg/kg(牛、豬肌肉)等[9]。

傳統檢測AGs的方法雖各具優勢，但仍有所欠缺：理化方法如液相色譜-質譜聯用[10]、毛細管電泳串聯質譜法[11]等均需要較高的分析條件，前處理相對復雜，且成本高，不適合基層的現場檢測；免疫分析法影響因素多，可能出現假陽性或假陰性結果[12]；微生物法的靈敏度低，存在交叉反應[13]。而新興的生物傳感器法兼具低成本、快速、靈敏、高特異性等優勢，簡化了分析過程，并且設備易微型化，便于攜帶，利于實時檢測。本文梳理了近幾年基于生物傳感器檢測AGs殘留的研究，旨在為完善獸藥殘留檢測體系提供有益參考。

1 生物分子識別元件

生物傳感器主要由生物分子識別元件與信號轉換器兩部分組成。生物分子識別元件，是具有分子識別能力的生物活性物質，決定了生物傳感器的選擇性。根據生物分子識別元件上的敏感物質可分為酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、免疫傳感器、適體傳感器、分子印跡聚合物傳感器等。近五年檢測AGs的研究主要集中在免疫傳感器、適體傳感器和分子印跡聚合物傳感器，它們的生物受體分別為固定化抗體、核酸適配體、分子印跡聚合物，三者的優缺點如表1所示。

1.1 抗體

抗體(antibody, Ab)是目前最常用的識別元件，其技術領域大致可分為多克隆抗體、單克隆抗體及基因工程抗體3個階段[22]。

表1 生物分子識別元件的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of biomolecular recognition components

多克隆抗體由一系列免疫細胞產生，可在不同表位結合抗原，具有不同的結合親和力；單克隆抗體由單個親本細胞產生，對相同抗原的相同表位具有親和力。FERGUSON等[23]以多克隆抗體為生物分子識別元件，建立了檢測鏈霉素和二氫鏈霉素殘留的免疫生物傳感器，檢測限為：牛奶30 μg/kg，蜂蜜15 μg/kg，腎50 μg/kg和肌肉70 μg/kg。CHEN等[24]以單克隆抗體為生物分子識別元件，并基于磁弛豫開關測定和生物素-鏈霉抗生物素蛋白系統，構建了一種用于檢測牛奶中卡那霉素的免疫傳感器，檢測限為0.1 ng /mL，分析時間為45 min。

但動物源性抗體存在動物福利問題，且出于提高可靠性與減少批次間差異的考慮，111名學者和科學家呼吁國際轉向使用重組抗體[25]。LI等[26]制備了抗慶大霉素的重組抗體：利用噬菌體展示技術篩選出2種特異性的雞源單鏈抗體，并通過間接競爭酶聯免疫吸附測定證明該單鏈抗體具有高特異性的優點。此外，與常規抗體相比，仿生生物受體具有在體外制備的優點，避免了對動物的作用，并且可以產生用于識別非免疫原性分子的工具[15]。

1.2 核酸適配體

核酸適配體(aptamer, Apt)是從體外通過指數富集配體系統進化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)技術篩選出對目標靶物質有高度親和力的單鏈寡核苷酸序列，分子質量約6～40 kDa，解離常數通常在納摩爾至皮摩爾范圍內。XING等[27]驗證了卡那霉素結合DNA適體(5′-TGG GGG TTG AGG CTA AGC CGA-3′)自身可形成穩定的G-四鏈體結構；并基于G-四鏈體適體的熒光嵌入劑置換測定，以噻唑橙(thiazole orange，TO)作為熒光探針，建立了一種卡那霉素檢測方法，檢測限降低至34.37 μg/L，線性范圍為0.06～11.65 mg/L，牛奶樣品中的回收率達80.1%～98.0%。

HA等[28]篩選出新的卡那霉素結合適體，通過適體截短和分子對接研究將其結構優化至提供高結合親和力與特異性所需的最小序列KBA 3-1，并構建了基于還原氧化石墨烯(reduction of graphene oxide, RGO)的熒光適體傳感器，檢測限低至11.65 ng/L。其傳感原理：以RGO為猝滅劑，以熒光染料5'FAM標記的KBA 3-1通過π-π堆積相互作用吸附在RGO的表面上，通過熒光共振能量轉移，RGO有效地猝滅了FAM的熒光。樣品中的卡那霉素將優先與KBA 3-1結合，形成絡合物，從而誘使KBA 3-1從RGO表面解吸，FAM標記的KBA 3-1熒光增強。

1.3 分子印跡聚合物

分子印跡聚合物(molecular imprinted polymer, MIP)是指采用分子印跡技術合成的有機高分子聚合材料，擁有與模板分子空間結構匹配的空腔和功能基團互補的識別位點，其識別機制類似于抗原-抗體相互作用，對目標分子具有選擇專一性。LIAN等[29]基于殼聚糖-銀納米粒子和石墨烯-多壁碳納米管復合材料裝飾金電極，開發了一種用于檢測牛奶和蜂蜜樣品中新霉素殘留的MIP傳感器。以新霉素為模板，以吡咯為單體，采用電聚合法合成具有高結合親和力和選擇性的MIP。優化條件后，該傳感器檢測限為5.44 μg/L，線性范圍為5～6 μg/L，具有良好的重現性和穩定性。

2 納米技術

納米技術的發展奠定了生物傳感器微型化的基礎，使生物傳感器的多路復用和可移植性成為可能。它包括納米材料和微流體[30]。以納米材料為識別或示蹤探針構建的生物傳感器，可有效提高生物分子識別能力、加速信號傳導，實現信號放大；基于微流體控制系統的設備，可簡單的自動化處理，減少試樣消耗，縮短檢測時間，適合現場檢測。

2.1 納米材料

納米材料通常指三維空間中至少有一維橫向尺寸達1～100 nm的單質、化合物、混合物，具有小尺寸效應、量子效應、極高的反應活性、非凡的電子轉移能力和高比表面積等物化特性，并表現出一系列獨特的光學、電學、磁力學及催化性能，被廣泛用作識別元件的載體和放大檢測信號的探針[31-32]。表2歸納了常用納米材料的優點。

表2 不同納米材料的優點Table 2 Advantages of different nanomaterials

2.2 微流體

基于硅、玻璃或其他聚合物的微流體系統因小型化、集成化和自動化而備受關注[36]。與傳統的體外分析設備相比，紙質微流體設備簡單、成本較低[37]。它不僅可以克服傳統方法諸如消耗大量試劑、檢測時間長的局限性問題，且滿足實時檢測的需求[31]。便攜式側向流動分析(portable lateral flow analysis, LFA)作為一種紙基傳感器被廣泛使用，但仍有半定量檢測和低靈敏度的不足之處。SHI等[38]將其與表面增強拉曼散射檢測巧妙結合，建立了一種同時檢測新霉素(neomycin, NEO)以及包括諾氟沙星(norfloxacin, NOR)在內的8種喹諾酮類抗生素的多檢測體系，NEO和NOR的檢測限(limit of detection, LOD)分別為0.37、0.55 pg/mL，遠低于單獨使用LFA的視覺LOD(10、200 ng/mL)。

3 生物傳感器法

盡管檢測AGs殘留的生物傳感器層出不窮，但最常用的換能器仍是電化學、光學和基于質量的傳感器。根據是否利用標記物產生檢測信號，可將生物傳感器進一步分為標記型和非標記型兩大類。由于標記物需要長時間且復雜的制備過程，以及存在標記后影響生物識別元件選擇性的風險，非標記型生物傳感器更受歡迎[36]。表3歸納了近五年檢測AGs殘留的生物傳感器法。

表3 動物性食品中氨基糖苷類藥物的生物傳感器檢測方法Table 3 Biosensor detection method for aminoglycosides in edible animal foods

3.1 電化學生物傳感器

3.1.1 標記型電化學傳感器

電化學傳感器主要通過固定于電極表面的生物識別元件識別待測目標物并與其作用，引起電極表面結構的變化，從而改變電化學信號，如電流或電勢。近年來，電化學適配體傳感器逐步成為研究熱點。由于適配體本身不具備電活性，且親和性可能受電化學調制的影響，因此許多電化學適配體傳感器通過采用標記功能性物質的方式獲得定量檢測信號[32]。

LI等[39]以中孔碳-金納米顆粒和碳納米纖維修飾絲網印刷碳電極(screen printing carbon electrode, SPCE)，以CdS和PbS分別標記卡那霉素(kanamycin, KAN)和鏈霉素(streptomycin, STR)的適體，并將互補的適體鏈固定在SPCE表面上；在KAN和STR存在的情況下，適體與靶標優先結合，導致電流峰變化，以此構建定量檢測加標牛奶中KAN和STR的電化學適體傳感器，LOD分別低至50.86、26.17 ng/L，線性范圍為0.1～1000 nmol/L。該傳感器具有一次性使用和便攜式的特點，可滿足真實牛奶樣品中KAN和STR的現場監測要求。

3.1.2 非標記型電化學傳感器

非標記型電化學傳感器大多通過檢測生物分子識別前后法拉第阻抗的變化，從而實現對目標分析物的定量檢測。除了常用的納米材料，導電聚合物因官能團可確保生物分子在電極上的穩定性且能增加結合位點的表面積，也可用于修飾電極。DAPR等[42]建立了首個無標記全聚合物微流體電化學適體傳感器。該傳感器是一次性使用設備，以Topas?為基底，采用雙層導電聚合物PEDOT: TsO和PEDOT- OH: TsO作為電極材料，使用電化學阻抗譜檢測法，可測定牛奶中質量濃度為0.03～349.40 μg/L的氨芐青霉素和5.83 μg/L～582.58 mg/L的卡那霉素，具有可靠性、低樣品消耗、經濟實惠和快速響應的優勢。

3.2 光學生物傳感器

3.2.1 熒光適體傳感器

熒光因具有高選擇性、高靈敏度、多功能性的優勢，成為生物傳感器中最常用的換能器信號[48]。熒光適體傳感器根據測定形式的不同可分為直接、競爭、夾心、置換免疫測定四類；其傳感原理主要基于熒光共振能量轉移，常采用納米材料作為能量受體、供體、猝滅劑、輔助載體和接頭，采用有機熒光染料作標記物。LIAO等[43]建立了一種熒光猝滅適體傳感器。以熒光素FAM標記KAN適體，并將其通過非共價吸附固定于熒光猝滅劑碳納米管(carbon nanotube, CNT)上，同時加入互補鏈(complementary DNA, cDNA)，由于適體和cDNA的雜交，熒光不被CNT淬滅。在KAN存在的情況下，KAN競爭結合適體，導致cDNA的解離，從而使熒光淬滅。優化條件后，LOD為0.23 μg/L，線性范圍為0.58～29.13 μg/L，平均回收率98.5%～103%，相對標準偏差為3.81%～4.67%。

LIU等[44]以磁性納米顆粒作為適體的載體，以熒光染料FAM、ROX分別標記土霉素和KAN適體的cDNA，采用直接競爭模型，可同時定量檢測豬肉、牛奶和蜂蜜樣品中的土霉素和KAN，測得線性范圍為1～50 ng/mL，分析時間為80 min， LOD分別為0.85、0.92 ng/mL，回收率為76.5%～94.7%、77.8%～93.1%，相對標準偏差<10.0%。適體磁捕獲試驗的主要優點有：操作簡單，可縮短孵育時間；增加生物分子固定的表面積；提高識別探針和分析物的結合效率；提高靈敏度。

ZHANG等[37]基于紙基微流體技術建立了熒光適體傳感器，并成功應用于同時檢測重金屬離子Hg2 +、Ag+以及NEO殘留。該傳感器以氧化石墨烯(graphene oxide，GO)為猝滅劑，以熒光染料Cy5為適配體標記物，采用兩種檢測方式：初始熒光被部分淬滅，若新霉素存在，將與適配體結合形成雙鏈體，與GO表面之間通過酰胺偶聯結合得更加緊密，導致熒光強度降低;若樣品中含有Hg2 +、Ag+，使得適配體從GO表面釋放，最終導致熒光恢復。經優化條件后，Hg2+、Ag+和NEO檢測限分別為2.43、5.07、110 μg/L，平均回收率為87.5%～116%(Hg2+)、91%～126%(Ag+)、95%～101%(NEO)。這是一種低成本、易制造、高靈敏、可多重檢測的生物傳感器。

3.2.2 液晶適體傳感器

液晶是一種介于固態與液態的中間態物質，兼具流動性與雙折射性。液晶傳感器通過生物分子識別，使得液晶分子的有序垂直排列被擾亂，從而導致偏光圖像顏色與亮度的變化，以此定性檢測目標分析物[49]。WANG等[45]建立了以適配體作為識別元件的液晶傳感器，用以現場檢測動物性食品中殘留的KAN。適體與KAN相互作用，將形成穩定的G-四鏈體，從而破壞液晶分子的定向排列，利用交叉偏振器，可觀測到從粉紅色到綠色的顏色變化，檢測限達0.58 μg/L。 該傳感器的檢測結果肉眼可見，無需儀器讀數，具有操作簡單、成本低廉、無需標記、高靈敏度等優點，但同時也存在半定量檢測的不足。

3.3 重力生物傳感器

3.3.1 壓電晶體免疫傳感器

壓電晶體免疫傳感器的基本原理是抗原與抗體相互作用，導致電極表面質量變化，由于石英晶體的壓電效應，進一步轉化為振蕩電路輸出電信號的頻率變化。MISHRA等[46]將鏈霉素的單克隆抗體通過硫醇化抗體的自組裝單層固定于金晶表面，建立了基于流動注射分析-電化學石英晶體納米天平技術檢測牛奶樣品中STR殘留的超靈敏生物傳感器。該傳感器檢測限為0.3 μg/L，回收率達98%～99.33%，相對標準偏差為0.351%，具有良好的重現性；且快速響應，可在17 min內完成分析。這些結果充分體現該傳感器的高靈敏度、可靠性與可重復性。

3.3.2 懸臂式適體傳感器

懸臂式生物傳感器同樣是常見的重力生物傳感器之一。通過吸附分子，引起懸臂梁的撓曲以及振動頻率的改變，從而將分子相互作用轉換為機械運動。它分為2種工作模式：靜態模式與動態模式。在靜態模式中，可通過測量靜態彎曲或撓度，實現定量分析；動態模式下，則通過測量諸如共振頻率等動態特性實現。值得一提的是，動態模式下的懸臂梁傳感器受介質黏性的影響，而在靜態模式下則不然，故在檢測液體樣品時，通常優選靜態模式。BAI等[47]建立了一種懸臂陣列適體傳感器，用以檢測牛奶的KAN。以適體作為受體分子，對傳感懸臂進行功能化；利用6-巰 基-1-己醇修飾參考懸臂，以消除環境干擾因素。KAN與適體間的相互作用將引起懸臂表面的應力變化，使得傳感懸臂和參考懸臂對之間發生差異偏轉。結果顯示，表面應力變化與KAN濃度在58.26 mg/L～5.83 g/L呈線性關系，相關系數為0.995；在信噪比為3時，檢測限為29.13 μg/mL。同時，該傳感器對其他抗生素如新霉素，核糖霉素和氯霉素也具有良好選擇性。

4 展望

獸藥殘留仍是當今重要的動物源性食品安全問題之一，建立完善的獸藥殘留檢測體系之于人體健康有著非凡的意義。盡管生物傳感器法作為一門多學科交叉的高新技術，以其靈敏度高、響應快、操作簡單、低成本以及便于攜帶等優勢，在眾多檢測AGs殘留的分析方法中脫穎而出，但它在該領域仍存在一些挑戰和不足：(1)電化學傳感器雖具有高靈敏度，易于小型化和低成本等優點，但需要電極改性；(2)熒光傳感器常需要信號探針標記，這可能改變生物識別分子活性結合位點的構型，從而影響靶結合親和力；(3)懸臂傳感器雖無需標記，但它們的靈敏度和可重復性仍然有很大的提升空間。

大量研究表明，開發更有效的生物傳感器主要取決于3個因素：生物分子識別元件，傳感器和納米技術。雖然抗體是目前最常用的生物識別元件，但更多選擇性好、穩定性高、親和力高、易于修飾、制備簡單的新型受體正在不斷被研發，尤其是重組抗體、核酸適配體和分子印跡聚合物有著良好的前景。此外，金屬納米顆粒、量子點、磁性納米粒子、碳納米材料等功能化納米材料被廣泛用作標記支持物和信號增強劑，以提高靈敏度和線性范圍；通過增加表面相互作用，降低檢測限。納米技術有助于減少微流體回路，從而縮短檢測時間，使生物傳感器朝著高度集成化、自動化、簡單化、小型化的方向發展。

隨著納米技術的飛速發展，新型標記材料、新型抗體、新型檢測模式的深入研究，建立新型便攜化、高通量、高靈敏、多殘留快速檢測的生物傳感器檢測體系指日可待。