生物傳感快速檢測技術的探討

王炳志

摘 要：生物傳感器技術對醫療保健、環境和食品質量控制有著重要的影響，近幾年材料科學、納米技術和仿生設計的創新使生物傳感器領域的應用范圍更廣。本文對生物傳感快速檢測技術進行了探討，以便為目標分析物的現場檢測提供依據。

關鍵詞：生物傳感技術;食品;快速檢測

生物傳感技術在制藥、醫療保健、環境和食品等主要領域的影響力日益增強。在農業和食品工業集約化發展的現實背景下，食品安全已然成為一個全球性問題。材料科學、納米技術和仿生設計的進步推動了生物傳感領域的發展，食品生物監測儀器如圖1所示。在檢測中最常用的納米材料，可以提高傳感器或整個生物傳感器的性能，也可以作為生物受體的固定基質。最近研究學者對相關技術進行了討論，特別強調了在這一領域要做的工作—從基準到市場。微型化、自動化分析、低試劑消耗、便攜性、對用戶時間或技能的最小要求以及連通性代表了向商用生物傳感器過渡的需求。

1 食品快速檢測技術概述

生物傳感器是一種結合了生物成分或生物受體（分離的酶、細胞器、整個細胞、組織、免疫系統、核酸和適配體等）的分析儀器，用于檢測化合物。常用的傳感器有以電化學、光學、質量為基礎的傳感器和熱傳感器，利用目標分子與生物成分之間的特殊相互作用產生的電信號，分析測量標的物中含有的小分子和蛋白質。

同傳統的食品分析方法，如分光光度法或色譜法相比，生物傳感器具有以下優點。①選擇性高，可直接檢測分析物，不需要任何樣品的預處理，也不需要極少量的樣品進行預處理，在幾分鐘內快速分析結果。②低成本、小型化和便攜。③使用方便，不需要經過嚴格培訓的人員，能夠輕易地將商業設備推向消費市場。

1.1 生物傳感器類型

1.1.1 基于酶的生物傳感器

第1類生物傳感器是基于酶催化的反應。其中，氧化還原酶是基于酶的生物傳感器最常用的酶種類。如生物胺、腐胺、組胺、亞精胺、酪胺、尸胺、苯乙胺和色胺等，這些主要是由微生物脫羧作用形成的氨基酸，可以用單胺氧化酶或多胺氧化酶測定。酶生物傳感器代表了電化學生物傳感器在食品分析中的主要應用。底物檢測通過其轉換在酶催化的反應消耗或形成電活性化合物和酶抑制劑的檢測。底物檢測主要使用氧化還原酶類的酶（氧化酶、過氧化酶、脫氫酶），檢測到的主要電活性化合物是過氧化氫或還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。測定抑制劑是通過測量酶活性在無抑制劑和存在抑制劑的抑制程度與抑制劑濃度的相關性。親和力生物傳感器是一類廣泛的傳感器[1]，但本文僅對基于分子印跡聚合物的電化學傳感器在食品分析中的應用進行綜述。

目前食品分析中，對食品新鮮度的檢測主要是基于生物胺檢測。設計了一種基于石墨烯的量子傳感酶生物化學裝置，該裝置通過在石墨烯量子點上生成乙酰膽堿氧化酶和膽堿氧化酶，在石墨烯量子點溶液中加入乙酰膽堿，氧化酶能終止量子點熒光，大大降低量子點的熒光信號。在體系中加入有機磷酸鹽化學農藥，可以取消酶的活化，消除淬火效應，增加熒光信號，進而進行定量分析檢測。魚體中的組胺濃度是腐敗的標志，攝入過多會引起魚類中毒。因此，開發便攜式快速檢測和現場分析工具具有重要意義。研究者們也開發了基于絲網印刷的碳電極和二胺氧化酶的組胺酶傳感器的簡易測定[2]。用簡單的戊二醛和牛血清白蛋白將酶固定在電極表面，進行簡單的交聯。采用時間流法測定交替酶。該酶可重復使用7次。通過對魚提取物中的組胺進行深度分析，驗證了傳感器的可行性。通過對開發電路的改進，研制了一種用于葡萄糖的有機晶體管酶傳感器，該傳感器利用有機晶體管的源漏電流，連續監測不同濃度的葡萄糖。酶敏感元件包括固定生物傳感膜和能量傳遞系統。這一新的檢測技術將電化學傳感和高靈敏度的電化學電極結合在一起，使其具有高度的選擇性，可用于對復雜樣品的精確測定和量化。如用L-乳酸檢測番茄和嬰幼兒食品的新鮮度。除了生物胺，黃嘌呤被認為是衡量魚類新鮮度的重要生物標志物。酶作為生物受體，在生物傳感器的作用不僅是確定底物，還可以檢測其效應，特別是抑制劑[3]。基于酶抑制的生物傳感器在有毒化合物（農藥、霉菌毒素）的檢測中得到了廣泛報道。乙酰膽堿酯酶（AChE）和丁酰膽堿酯酶（BChE）是檢測有機磷和氨基甲酸酯類農藥最常用的酶[4]。酶傳感器的工作原理如圖2所示。

1.1.2 親和力生物傳感器

親和生物傳感器是基于分析識別系統，如抗原抗體、激素受體或DNA鏈之間的相互作用。親和生物傳感器和酶生物傳感器之間的主要區別是在與生物受體相互作用后，被分析物沒有生物化學轉化。分析物與親和配合物之間的相互作用是可逆的，親和配合物的形成和分解是通過在溫和條件下改變物理化學參數，如pH值或離子強度來實現的。

2 基于金納米粒子的食品安全生物傳感器研究應用

非法添加劑是指在法律禁止的農產品、食品和畜牧業中存在或過量使用某些物質。非法添加劑包括但不限于魚類的孔雀石綠（MG），牛奶中的三聚氰胺，胡蘿卜汁中的赤蘚糖b，奶粉中的17β-雌二醇等，這些都可能對人體構成威脅。以簡單且方便的方式檢測非法添加劑，可幫助消費者降低受騙的風險。

2.1 金納米粒子在檢測孔雀石綠中的應用

2.1.1 作為SERS探針檢測MG

孔雀石綠是一種抗菌活性極強的三苯甲烷染料，對人體神經、免疫、消化和生殖系統均有一定危害。用金納米棒在薄膜上沉積，可作為表面增強拉曼散射（SERS）探針檢測MG，其最低檢測濃度為0.1 nmol/L。另外，通過核酸適配體（RNA序列）和核酸適配體（AuNPs）的顏色變化，可以有效地定量檢測MG。NaCl溶液因適配體的保護作用，被MG適配體修飾的AuNPs保持單分散，呈紅色。MG的存在使MG能和AuNPs上的MG適配體緊密結合，并將MG適配體從AuNPs中釋放出來。MG適配體的脫離會破壞AuNPs的靜電穩定性，并導致AuNPs聚集，使AuNPs由紅變藍。該方法的檢測限為15.95 nmol/L，線性范圍為20～300 nmol/L。

2.1.2 通過固體襯底的SERS信號檢測MG

檢測魚樣品中孔雀石綠的干擾很小，如三苯甲烷染料、抗生素、氨基酸、維生素和金屬離子等其他物質，表明該生物傳感器具有良好的特異性。固體基片上的SERS信號也能被MG探測到。為了顯著增強SERS信號，金納米棒被放置在光柵-介質間隔-鏡面襯底上以產生高的局域電磁場。與平板基片相比，該光柵基片的SERS信號增強了30倍，檢測MG異硫氰酸酯的LOD值達到10 nm。

2.2 金納米顆粒在檢測三聚氰胺中的應用

2.2.1 在AuNPs上功能化以檢測三聚氰胺

除了谷胱甘肽，其他分子也可在AuNPs上功能化以檢測三聚氰胺。例如，對氯苯磺酸可以通過其磺酸基團在AuNPs上修飾。在沒有三聚氰胺的情況下，對氯苯磺酸修飾的聚苯乙烯單分散，呈現紅酒色。相反，三聚氰胺通過-h與對氯苯磺酸的-Cl之間的氫鍵聚集，使改性的金屬氧化物發生紅藍變色。這種以氫鍵為基礎的方法具有很高的選擇性。即使干擾金屬離子（Ca2+、Mg2+和Zn2+）濃度為三聚氰胺的1 000倍，對三聚氰胺的檢測沒有影響。這種方法的檢測限為0.29 μg/L，線性范圍為75～190 μg/L。

為了進一步提高三聚氰胺的檢測靈敏度，金納米顆粒被用來實現嬰兒配方奶粉中約0.01 mg/L的靈敏度和巧克力樣品中約0.1 mg/L的靈敏度，與金納米顆粒相比靈敏度提高了10倍。

2.2.2 通過固體襯底的SERS信號檢測三聚氰胺

SERS傳感器還可檢測到低至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劑，過量攝入會導致腎臟損害，三聚氰胺會在腎臟中形成不溶的三聚氰胺-氰尿酸鹽共晶體。金納米材料為快速、便攜地檢測三聚氰胺做出了巨大貢獻。包裹谷胱甘肽的金納米團簇能夠快速識別三聚氰胺。金納米團簇是具有熒光特性的超小納米粒子。谷胱甘肽的巰基可以穩定金納米團簇，谷胱甘肽的羧基和胺基可以與三聚氰胺形成氫鍵。金納米團簇在三聚氰胺存在下會發生聚集，在沒有三聚氰胺存在時呈現單分散狀態。金納米團簇的熒光可以作為讀出劑量，檢測限為3.56 mg/L，線性范圍為12.6～630 mg/L。

3 結語

糧食安全與質量是全球性關注的問題，必須采用合適的分析方法來實現快速檢測。雖然生物傳感器具有明顯的優勢，但與傳統的分析方法相比，研究實驗室向市場發展還有很大的距離。近年來，生物傳感器在檢測食品污染物的能力、靈敏度、選擇性等方面取得了很大的進步，生物傳感器在檢測范圍、靈敏度、選擇性等方面取得了重要進展。很多研究表明，在生物傳感器的制備中，使用納米材料來改善某些分析特性。目前已達到nmol/L到 fmol/L的檢測極限，一般來說，低于歐洲食品法規中公認的最高標準。當生物傳感器長期儲存，穩定性較低時，生物受體的穩定性仍是一個挑戰。此外，復雜基質和環境條件下生物傳感器的重復使用也是影響其穩定性的重要因素。

參考文獻

[1]李燕.食品安全快速檢測技術現狀及應用[J].醫學食療與健康，2020（8）：212-213.

[2]朱婧旸，董旭華，張維宜，等.微流控技術在食品安全快速檢測中的應用[J].化學試劑，2021，43（5）：632-639.

[3]李超瑩.快速檢測技術在食品微生物檢測中的運用[J].中國食品，2021（5）：110.

[4]王蕾，張莉蘊，王玉可，等.快速檢測技術在食品真菌毒素檢測中的研究進展[J].食品研究與開發，2021，42（4）：187-192.

[5]康鵬偉.食品安全監督管理中快速檢測技術的應用[J].首都食品與醫藥，2018，25（1）：100-101.