核酸適配體在食品危害物多靶標檢測中的應用進展

高林晨萌 葉 華 黃圣博 李占明 郭元新 李 超 王周平

(1. 江蘇科技大學糧食學院，江蘇 鎮江 212004；2. 江蘇雨潤肉食品有限公司肉品加工與質量控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211806；3. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122)

食品危害物是引發食品安全問題的主要因子，是指食品在生產加工過程中因質量控制不到位而產生的可能導致疾病或傷害的生物性、化學性或物理性因子，包括致病菌、生物毒素、農獸藥殘留、重金屬以及非法添加物等。目前對這些食品危害物檢測方法主要有生物鑒定法、色譜法、免疫分析法等[1-2]，這些方法各有優缺點和適用范圍，比如生物鑒定法需要進行微生物培養，檢測耗時長；色譜法不僅儀器昂貴、前處理繁瑣，而且對操作人員技術要求較高；免疫分析法所使用的抗體制備難且容易變性，同時難以應用于無免疫原性的靶標檢測[3-4]。近年來，核酸適配體的出現為食品危害物檢測技術開辟了一條新途徑。核酸適配體是可以通過指數富集的配體系統進化技術(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment，SELEX)體外篩選獲得的單鏈DNA或RNA功能序列，它們能特異性結合各種靶標，小到Hg2+、Mg2+等金屬離子，大到細胞甚至細菌[5]。由于其具有合成成本低、親和力高、特異性強等特點，在食品安全檢測[6]、生物醫學分析[7]、疾病診斷[8]等方面具有廣闊的應用前景。

隨著人們對食品安全問題的關注，以核酸適配體為分子探針構建的分析檢測方法在食品危害物檢測方面得到了廣泛應用，尤其是在致病菌、生物毒素、重金屬等食品危害物單靶標方面的分析檢測。單靶標檢測技術針對性強，由于無需考慮其他靶標的影響，一般來說試驗設計簡單，很受研究工作者歡迎。然而很多食品危害物如沙門氏菌、大腸埃希氏菌等致病菌，黃曲霉毒素B1、赭曲霉毒素A等真菌毒素并不是單獨存在于某一食品或食品原料中，實際上多是同時共存。因此，單一的危害物靶標檢測有可能顧此失彼，難以全面評價食品的安全性，多靶標同時檢測是未來檢測技術發展的必然趨勢。盡管可以通過多次單靶標檢測進行安全監測和分析，但這樣的檢測方式耗時長，有可能有潛在危害的食品或食品原料已進入流通市場或人們的消費餐桌上，造成食源性疾病事件的發生。另外多次單靶標檢測取樣用量多、經濟成本高，容易造成資源浪費，增加食品安全監管成本。因此，多靶標同時檢測具有良好的時效性、經濟型和高效性。近年來相關研究報道逐年增多，然而目前尚未有基于核酸適配體技術的食品危害物多靶標同時檢測技術的相關綜述報道。基于此，文章擬對近年來利用核酸適配體技術實現食品危害物如致病菌、毒素、重金屬離子的多靶標檢測研究進展進行總結，以期為今后開發基于核酸適配體技術的高靈敏、高通量多靶標快速檢測方法和產品提供借鑒和指導，繼而推動核酸適配體在食品安全檢測領域方面的發展。

1 食品危害物核酸適配體現狀

自20世紀90年代Tuerk等[9]和Ellington等[10]報道核酸適配體技術以來，經過30年的發展，廣大科研工作者開發了很多新的核酸適配體篩選技術，獲得上千種靶標物質的核酸適配體。在食品安全領域，致病菌、生物毒素、農獸藥、重金屬離子等危害物受到廣泛關注，已通過建立的各種篩選方法篩選獲得并得到應用。表1列舉了已報道篩選或應用的各類食品危害物核酸適配體情況。由表1可以看出，自2008年以來，至今已有60余個食品危害物核酸適配體被報道成功篩選獲得，主要為生物毒素、抗生素、致病菌、重金屬和農殘獸殘等幾大類，且大多都是ssDNA核酸適配體，僅有大腸埃希氏菌O157、妥布霉素、達氟沙星、環丙沙星、孔雀石綠5種危害物篩選過RNA核酸適配體。這主要是由于ssDNA比RNA相對穩定，在生物傳感器開發和應用上更受青睞。從序列長度來看，致病菌、生物毒素等大分子危害物核酸適配體序列基本上都是在80 bp左右，即是從篩選文庫中直接篩選獲得的。而抗生素、重金屬離子、有機磷農藥等小分子危害物核酸適配體序列長度大多經過截短優化，縮短為21～66 bp，優化后其仍然具有較好的親和性和特異性，有利于其生物傳感器性能的提升和經濟成本的降低[70]。

2 食品危害物多靶標同時檢測

2.1 致病菌多靶標同時檢測

主要的食源性致病菌如金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌和致病性大腸埃希氏菌等，目前已有利用核酸適配體作為分子探針，構建了對多種致病菌的同時檢測方法，效果良好。如Zhang等[71]基于核酸適配體特異性識別技術和納米離子增強拉曼信號原理，構建了對鼠傷寒沙門氏菌和金黃色葡萄球菌進行同時檢測的拉曼核酸適配體生物傳感器，最低檢測限分別達15，35 CFU/mL。Li等[72]也采用表面增強拉曼技術和金納米棒建立了大腸埃希氏菌O157：H7和鼠傷寒沙門氏菌的同時檢測。這個生物傳感器的設計策略是適配體不僅作為生物識別分子，還和拉曼報告分子一起誘導金納米棒生長成特定的形狀從而增強拉曼信號實現靈敏檢測。Wang等[73]則將鼠傷寒沙門氏菌核酸適配體和金黃色葡萄球菌核酸適配體分別標記在NaGdF4:Eu和NaYF4:Ce/Tb兩種摻鑭時間分辨熒光納米顆粒上作為信號探針，以Fe3O4磁性納米顆粒固定化的核酸適配體作為捕獲探針，在同一波長的激發光下進行激發，產生不重疊的發射光譜，從而實現了鼠傷寒沙門氏菌和金黃色葡萄球菌的核酸適配體同時檢測技術。通過優化試驗條件，檢測限分別達15，20 CFU/mL，且在102～105范圍內具有很好的線性關系，在實際樣品檢測中與平板計數法結果具有較好的一致性。

除兩種致病菌同時檢測之外，Lu等[74]基于雙適配體夾心模型設計了一種核酸適配體測流試紙條，實現了鼠傷寒沙門氏菌、大腸埃希氏菌O157：H7和金黃色葡萄球菌3種致病菌的同時檢測，檢測原理如圖1所示。但該方法靈敏度相對較低，其LOD分別達103，104，104CFU/mL。由此可見，兩種以上的致病菌多靶標檢測由于標記的多樣性和體系的復雜性，其檢測難度加大，檢測限下降明顯，還有提升的空間。

2.2 生物毒素多靶標同時檢測

生物毒素是引發食品安全問題的主要因素之一。生物毒素按其來源可分為細菌毒素、真菌毒素、動物毒素、植物毒素、海洋生物毒素等，種類繁多、分布廣泛，通常以某種高特異性方式作用于離子通道、酶、受體、基因等靶位，其中微生物毒素不僅影響范圍廣，而且危害極大。目前已報道篩選獲得的生物毒素類核酸適配體有金黃色葡萄球菌腸毒素核酸適配體、黃曲霉毒素B1核酸適配體、赭曲霉毒素A核酸適配體、T-2毒素核酸適配體、微囊藻毒素等，這些毒素核酸適配體篩選的獲得為它們的多靶標檢測技術的構建奠定了良好的基礎。Huang等[75]則利用篩選獲得的金黃色葡萄球菌腸毒素A、B和C1核酸適配體分別作為識別探針，以互不干擾的多色鑭系參雜納米顆粒為信號探針，利用氧化石墨烯作為熒光猝滅劑構建了基于多色時間分辨熒光共振能量轉移的檢測技術，實現了3種腸毒素的同時檢測，其檢測限分別達0.062，0.069，0.040 ng/mL，具有較好的靈敏性和高通量特點。

然而目前生物毒素多靶標檢測報道較多的還是兩種靶標的同時檢測，且其檢測靈敏度明顯高于3種毒素的同時檢測。如王成全[76]將赭曲霉毒素A和伏馬菌素B1核酸適配體偶聯量子點形成納米生物復合物，建立了基于SiO2@Cd Te和SiO2@Pb S為標記物的電化學核酸適配體生物傳感器實現了玉米樣品中兩種真菌毒素的同時檢測，最低檢測限分別達5，20 pg/mL。Qian等[77]利用核酸適配體構建了一種磁控熒光生物傳感器實現了赭曲霉毒素A和黃曲霉毒素B1的同時檢測，檢測原理如圖2 所示。不僅檢測線性范圍寬，而且檢測限達到皮克數量級，分別達0.67，1.70 pg/mL。Wang等[78]將玉米赤霉烯酮核酸適配體和赭曲霉毒素A核酸適配體分別標記Cy3和Alexa Fluor488熒光基團作為分子探針，設計了一種基于氧化石墨烯的核酸適配體生物傳感器，實現了兩種毒素的同時檢測，最低檢測限分別達1.797，1.484 ng/mL。綜上，利用熒光標記技術在生物毒素同時檢測方面應用更為常見，主要是利用在不同的核酸適配體分子上標記不同的熒光分子構建相應的檢測方法從而實現檢測，但是熒光標記一定程度上增加了檢測成本。

2.3 農獸藥殘留多靶標同時檢測

在農作物生產和畜產養殖過程中，為了保證其良好生長和健康成長，通常要使用農藥和獸藥，因此農獸藥殘留在農產品、畜產品中較為常見。中國是農業大國，農獸藥殘留是食品安全監督管理部門重點監測方向之一。農獸藥分子的核酸適配體篩選目前報道將近20種(見表1)，以它們為分子探針開發的同時檢測技術報道近年來逐漸增多。如周佳偉[79]基于核酸適配體識別和量子點技術構建了一種熒光生物傳感器用于卡那霉素和妥布霉素的同時檢測，最低檢測限分別為0.11，0.21 mg/L，并成功應用于牛奶產品中的卡那霉素和妥布霉素殘留檢測。王葉[80]結合熒光法和微流控方法構建了一種新型的適配體生物傳感器用于同時檢測卡娜霉素和氯霉素殘留，經優化試驗條件，其最低檢測限分別為0.7，0.9 pg/mL。

表1 已報道的食品危害物核酸適配體情況

圖1 構建核酸適配體測流試紙條實現3種致病菌同時檢測原理圖[74]

圖2 磁控熒光生物傳感器同時檢測OTA和AFB1設計原理圖[77]

除了利用多條核酸適配體實現多靶標同時檢測之外，人們還通過改進篩選技術或裁剪優化序列獲得廣譜型核酸適配體，用于同一類危害物分子的同時檢測。如Kwon等[70]對長度76 bp的土霉素OTC核酸適配體進行一級結構序列同源性分析，獲得保守序列并對其加以優化最終獲得一條長8 bp的廣譜型四環素類核酸適配體，它能同時識別四環素、土霉素、脫氧土霉素、氯四環素4種抗生素，并以此為分子探針構建了超靈敏比色法實現了多種抗生素的同時檢測，檢測原理如圖3所示。該方法的最低檢測限達0.1 nmol/L。而Zhang等[81]通過裁剪、突變等手段設計了一種有機磷農藥的廣譜適配體，并結合分子信標技術實現了對4種有機磷農藥(甲拌磷、丙溴磷、水胺硫磷和氧化樂果)的同時檢測。這些通過下游工程改造核酸適配體分子探針為廣譜型探針，實現了一個核酸適配體分子探針能同時識別多個危害物靶標，在定性分析中具有較好的應用前景。

2.4 重金屬多靶標同時檢測

隨著工業化進程的加快發展，工業三廢給生態環境帶來嚴重危害，尤其是汞、鎘、砷、鉛等的排放不僅污染了土壤、水資源，還對其周圍種植養殖的農作物、畜產品及水產品等帶來危害，進而通過食物鏈進入人體，可能聚集于某些器官造成慢性中毒，對人類健康危害極大[82]。目前汞、鎘、砷、鉛等重金屬的核酸適配體均已成功篩選并報道，因此，基于核酸適配體的多種重金屬同時檢測方法相應受到關注。如Wu等[83]引入雙色上轉換熒光納米顆粒構建了一種可控的金納米材料為熒光能量受體的雙重熒光共振能量轉移檢測體系，實現了Pb2+和Hg2+的同時檢測，其檢測限分別為50，150 pmol/L。Khoshbin等[55]開發了一種簡單易行、快速靈敏的紙基核酸適配體傳感器，可在10 min內完成Hg2+和Ag+的同時檢測，其檢測限分別低至1.33，1.01 pmol/L，且成功應用于水、牛奶等實際樣品的分析檢測。周羽婷等[54]用Hg2+、Pb2+和Sr2+離子核酸適配體作為分子探針，根據核酸結構轉換原理，結合納米孔膜技術開發了一種新型高靈敏電化學傳感器，實現了3種金屬離子的分步同時檢測。該電化學傳感器具有優秀的靈敏性和選擇性，最低檢測限分別達0.013，0.017，0.022 nmol/L。

圖3 四環素類廣譜型核酸適配體設計原理圖

2.5 非同類型危害物多靶標同時檢測

除了同一類型危害物多靶標的同時檢測技術外，還有學者報道了不同類型食品危害物混合多靶標同時檢測技術。這種不同類型危害物多靶標同時檢測體系可能更復雜，但是更能適應實際需求。如Yan等[84]利用Fe3O4和SiO2納米顆粒作為載體，將赭曲霉毒素A適配體和ATP適配體通過非共價鍵方式固定在納米顆粒上，建立了一種發光化學分析法，實現了啤酒樣品中赭曲霉毒素A和ATP的同時檢測。該檢測方法線性范圍寬，回收率好，最低檢測限分別達9.02，9.31 nmol/L。除了兩種不同類型危害物同時檢測外，Jin等[85]還設計了3種不同類型危害物的同時檢測方法，將Hg2+、赭曲霉毒素A和沙門氏菌核酸適配體分別標記在不同上轉換納米材料上，構建了一種測流適配體分析技術，并結合智能手機開發了一種便攜式檢測設備，該方法靈敏特異、操作方便，可滿足現場快速檢測要求，其最低檢測限分別為5 ng/mL，3 ng/mL 和85 CFU/mL，進一步研究表明其可在30 min內完成水樣中3種危害物的同時檢測。He等[86]則將卡那霉素、黃曲霉毒素M1和17β-雌二醇3種核酸適配體分子探針組裝到磁性納米顆粒上，建立了一種微流控芯片技術實現了多靶標同時檢測，檢測原理如圖4所示。最低檢測限分別達0.32，0.95，6.80 pg/mL。該微流控芯片不僅解決了復雜基質的干擾問題，還極大地增強了檢測的靈敏性和選擇性，而且檢測性能穩定，耗時短，3 min即能實現牛奶樣品中卡那霉素、黃曲霉毒素M1和17β-雌二醇3種靶標的同時檢測。

圖4 基于磁納米三元DNA分子探針的微流控芯片同時檢測卡那霉素、黃曲霉毒素M1和17β-雌二醇原理圖[86]

3 展望

綜上所述，核酸適配體作為分子探針在食品安全檢測研究領域的應用已取得了一定的成果，多靶標高通量檢測技術的開發是未來發展必然趨勢。結合當前研究開發現狀和未來實際應用需求，基于核酸適配體技術的食品危害物生物傳感器的研發還需在以下4個方面加強研究：① 要進一步加大單靶標檢測向多靶標同時檢測轉變的力度，結合新興的科學技術進行學科和技術交叉融合，開發更多、更靈敏、更快速而準確的高通量檢測方法，其中微流控芯片是未來重點發展的方向之一；② 要進一步通過截短、裁剪等方式優化核酸適配體序列，在獲得性能更好的分子探針基礎上，短序列不僅有利于多靶標同時檢測生物傳感器的設計還有利于降低經濟成本；③ 要進一步拓寬多靶標食品危害物檢測方法范圍，當前主要以熒光法為主，核酸適配體需要進行熒光標記，這在一定程度上增加了檢測成本，因此免標記的同時檢測方法具有較好的開發和應用前景；④ 要進一步加強快速、靈敏、便攜的檢測設備的研發，可利用大數據技術、可視化技術、人工智能技術等開發基于核酸適配體分子探針的現場快速檢測設備，以滿足實際應用需求。相信隨著科技的不斷發展和廣大科研工作者的不懈努力，基于核酸適配體的高靈敏、高通量的多靶標快速檢測技術必將迎來美好的春天。