生物傳感器在食品檢測中的應用

◎ 彭雪琦

（江蘇省生產力促進中心（江蘇省理化測試中心），江蘇 南京 210000）

目前，生產工藝日趨復雜，造成食品儲存方式的不科學、食品安全事故的發生，對人民群眾的身體健康造成了極大的威脅。食品安全問題已經越來越引起人們的重視，要想讓食品安全得到提升，就必須借助先進的檢測技術對食品安全進行監督和管理。傳統的檢測技術設備具有很強的專業性，并且價格昂貴，不能實現實時監控和快速檢測，不能為食品安全監督管理工作的實施提供高質量的技術支撐。而生物傳感器檢測技術則具有穩定、高效、實用性強、檢測快速準確等優勢，被廣泛地用于食品檢測中，可以為食品安全監督管理提供良好的技術支撐。針對該現狀，本文對其進行了進一步的調查和分析，以期對其應用和發展起到一定的借鑒作用。

1 生物傳感器的基本概述

1.1 生物傳感器

生物傳感技術是一門涉及生物、化學、物理學、計算機等學科的學科，能把生物物質的含量轉化成電信號，從而實現對生物物質的探測。生物傳感器指的是以固定化的生物物質為敏感材料（如各種酶、微生物、細胞等生物活性物質），并對其進行識別，將所需感受的生物參數信息轉化為電信號，進而展開檢測的一類傳感器。在生物傳感系統中，生物膜的形成與固定以及傳感器的器件設計是影響其檢測性能的重要因素[1]。在使用生物傳感器對食品安全進行檢測的時候，待檢測的食品樣品會在擴散作用下，進入生物膜敏感層中，在經過分子識別之后，會發生一系列生物學上的反應，進而產生出分子濃度、光電、熱等各種類型的信息，再由相應的信號轉換器轉換成可量化和處理的電號，之后再經過二次儀表和電極測出其電流值或電壓值，最后利用相關物理公式，將被檢測的物質的量或濃度換算出。

1.2 生物傳感器檢測原理

1.2.1 循環伏安法

循環伏安法是一種最常見的測試手段，可以通過改變電極的電位，在電極表面形成1個三角形，在一定的范圍內進行一次或者幾次的重復，從而在電極表面形成1個不斷變化的三角形，從而在一定的范圍內，記錄下每一次的電位變化，從而形成1個完整的電壓曲線。在此基礎上，利用循環伏安法測得電極的參數，并判定其控制模式。

1.2.2 差分-脈沖伏安法

該方法與傳統的循環伏安方法不同，它的激勵波形為階躍式，而傳統的激勵波形則為三角形，且其主要受電流的影響，因此該方法的敏感性較高。根據電流和濃度之間的關系，可以準確地進行定量分析。

1.2.3 電流-時間關系圖

該分析方法在使用過程中，必須在一定的電壓條件下，對電流隨時間的變化進行嚴密的觀測和記錄。將待測物質添加到溶液中，隨著電流的增大，溶液的變化曲線呈現階梯狀，隨后逐步穩定。

1.2.4 交流阻抗法

它以測量和分析電極表面的阻抗為目的，利用不同頻率上的小幅值正弦波干擾信號來干擾電極體系，并根據干擾信號的變化來分析電極體系的阻抗，從而得到電極的阻抗，這種分析方法被廣泛用于測量和測量電極的動態和表面。

2 生物傳感器的分類

2.1 酶生物傳感器

在所有的生物傳感器中，酶生物傳感器是第一個被發現的，它是在1962年被clark提出的，隨后被updike建立起來的，它的作用是利用葡萄糖氧化酶電極來對樣本中的葡萄糖含量進行測量，到20世紀70年代晚期，它被開發出了一種新型的葡萄糖分析檢測儀。酶傳感器的作用主要是通過它在生物體內的催化特性，實現對特定底物的反應。將該特異性與變化線分析的快速和方便相結合，從而可以在含有多種有機物的生物試樣中，快速、高選擇性地將特定物質進行測定。

2.2 核酸生物傳感器

核酸生物傳感器的工作原理是根據DNA或RNA鏈間的高度特異性互補雜交，對特定的物質進行分析。也可以通過有毒、有害物質與DNA發生的反應或作用，進行毒性檢測、毒性篩選分析等。在食品和環境中，被PCBS和黃曲霉毒素等污染的檢測中，可以使用DNA生物傳感器。另外，DNA生物傳感器也可應用于食品中致病微生物的檢測。

2.3 組織（器官）生物傳感器

近幾年，以大豆、短尾石蠅、海藻等為代表的植物組織和動物器官已被作為生物傳感器用于環境監測。可對大豆進行電生理學響應，如酸雨等；將微藻固定在光纖上，可以檢測重金屬和堿性磷酸酶的活性，轉基因石蠅可以用來檢測環境脅迫等。

2.4 抗體與受體生物傳感器

抗體和受體生物傳感器是通過將抗體和受體結合起來，從而達到快速檢測和分析的目的。其中最典型的例子就是與抗體相結合的SPR生物傳感器，它可以用于食品抗生素、轉基因食品和生物毒素的檢測。

3 生物傳感器檢測技術

3.1 比率技術

本項目擬將比值技術引入生物傳感體系中，以比值技術為基礎，以參比物質為基礎，采用比值技術，以參比比值、參考電勢、比值等作為測量指標，以減少或消除信號的干擾，從而大幅提升檢測的準確性[2]。雖然目前已有的研究表明，在單一比例型生化傳感器中，能夠實現銅離子、過氧化氫等多離子的同步檢測，但其使用過程中，需要對參比物質進行高質量的分析，如,參比物質的穩定性好，對被測物無干擾和反應，并能被探測到的電信號等。然而，目前能夠被廣泛使用的參考物質種類非常有限，并且其制作困難，限制了該技術的推廣和發展。

3.2 生物芯片技術

生物芯片主要是將大量的探針分子固定在載體上，并將其與帶有熒光標記的DNA或其他樣本分子進行雜交，通過對每一個探針分子的雜交信號強度的檢測，獲得樣本分子的數目和序列信息。主要以生物分子之間的特異性和相互作用原理為基礎，將生化分析過程聚焦在芯片表面，實現對DNA、RNA與蛋白質及其他生物組分的高通量、快速檢測。生物芯片技術已被廣泛地用于食品、醫藥、衛生等領域。

3.3 水凝膠技術

由于其高彈性和類細胞外基質的孔隙結構，使其在生物相容性上有顯著的優勢。在此特征下，某些明教對溫度，pH的敏感度更高，并且在溫度和pH的改變下，其孔的大小也會發生改變[3]。若將其封裝于水凝膠內，則可制成一種擁有“生命”的傳感裝置，用于活體探測，可實現對活體的精確監測。傳統的表面改性技術主要采用吸附、滴涂或交聯等方式，利用分子間作用力對其進行改性，但存在著穩定性差、易發生脫落等問題，且存在分布不均和厚度不均勻等問題，對其響應性能具有影響。

4 生物傳感器在食品檢測領域中的具體應用

4.1 葡萄糖檢測

葡萄糖氧化酶（Glucosal Oxidase,Glucose）為人們所熟悉，在食品中多采用生物傳感技術，以實現對食物中葡萄糖含量的檢測，從而實現對果蔬中葡萄糖成分的快速、準確的檢測，從而達到監測果蔬發酵過程中葡萄糖成分含量、監測其是否合法、是否有效的目的。近年，隨著生物傳感技術在食品中的廣泛運用，人們對其進行了快速、準確的檢測。已有研究表明，在纖維素改性的電極上，可以最大程度地保留葡萄糖氧化酶的活性。在應用生物傳感器檢測技術時，它具有電流變化快、底物選擇性好和穩定性好等特點，可以在1.25~40.00 mmol·L-1的范圍內快速檢測出食品中葡萄糖氧化酶相關物質[4]。此外，本項目還將研制出一種適用于左虎糖含量為0.082~34.000 mmol·n-1的葡萄糖生物傳感器。

4.2 維生素檢測

維生素是我們每天都要補充的一種微量元素。為了解決這一問題，一些食物中的維他命是其中的一項營養指數。當前，食品中維生素的檢測多采用電流型生物傳感器，僅能實現基于釀酒酵母的全細胞型生物傳感器[5]。

4.3 農獸殘檢測

農獸殘是一種在食物中殘留的農藥和獸藥的含量，農獸殘的測定受到了社會的高度重視，在食物中的農獸殘的測定中，常用的方法就是利用生物傳感技術。王小明等在對農藥進行檢測時，將固定化乙酰膽堿酯酶作為識別原，利用化學發光儀器和微流控芯片相結合的方法，利用流動注射技術，實現了對農藥中有機磷農藥濃度的測定。其中，在食物中，敵敵畏和樂果的濃度在0.08~10.00/0.80~15.00 ug·mL-1，檢出量為0.054/0.388 ug·mL-1。該方法靈敏度高、快速，適用于實際樣本的測定。

4.4 真菌毒素檢測

食物儲存不合理，易產生霉菌，使人食用霉菌毒素，對身體造成傷害。針對該問題，利用生物傳感技術，可實現對食物中霉菌毒素的快速探測[6]。本文介紹了用黃曲霉菌快速氧化酶法對花生中的黃曲霉菌B1進行了分析，結果表明，用時20 s左右，相對誤差小于2%。目前，我國食品中的微生物毒素因其微量存在著檢出率低、敏感性差等問題，而利用生物傳感技術實現微生物毒素的快速檢測是一種可行的方法。

5 結語

綜上所述，食品安全檢測的品質與人民的生活有很大的聯系，確保食品安全的檢驗結果是非常重要的，有關部門要對生物傳感器技術在食品安全檢驗中的運用進行嚴格的控制，對食品樣本的檢驗數據進行準確的保存，從而提高生物傳感器在食品檢驗中的功能和價值，確保食品的安全。