基于納米材料的生物傳感器檢測食物過敏原的研究新進展

于 寧，李 洋,2，張九凱，康文瀚，鄧婷婷，邢冉冉，黃文勝，陳 穎,

（1.中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100176；2.天津科技大學食品科學與工程學院，天津 300457）

據報道，在全球范圍內食物過敏患病率高達10%，且日益增加[1]。嚴重的食物過敏反應會導致休克甚至死亡，但目前食物過敏尚無有效治療方法，避免攝入或接觸食物過敏原仍是過敏體質者的最佳選擇[2]。隨著食品工業的快速發展，新原料、新工藝和新食品不斷出現，飲食回避難度很大，極大增加了過敏人群的健康風險[3-4]。食品過敏原檢測與食品生產、標識和風險管理息息相關，是保證食品安全的關鍵。因此，開發高靈敏度、高特異性及標準化的檢測方法具有重要實際意義[5]。

新興的生物傳感技術分析明間短、成本低、操作簡單，且同明具備檢測精度高、靈敏度高、可商業化等優勢，在食物過敏原檢測應用方面擁有光明的發展前景。生物識別元件是生物傳感器的重要組成部分，參與目標分子的特異性識別和捕獲工作，可協助生物傳感器實現對靶向目標物的分析和檢測[6]。納米材料因其優良的電、光、機械和熱性能，具有增強信號、易分離和良好的生物相容性等優點，賦予生物傳感器設備微型化、高通量和低檢測限（limit of detection，LOD）等優勢，使其在食物過敏原的現場檢測中具有巨大潛力，被認為是開發新一代生物傳感器最有前景的材料之一[7]。因此，本文旨在概述生物傳感器中不同生物識別元件特異性識別食物過敏原的原理及應用，總結基于納米材料的生物傳感器在食物過敏原檢測領域的研究進展，綜合分析該領域目前所面臨的挑戰，為該領域未來的發展方向提出思考和建議。

1 生物傳感器在食物過敏原檢測中的應用

生物傳感器被分為3 個部分，包括生物識別元件、傳感元件和信號讀取裝置。生物傳感器將生物識別元件的高度特異性與傳感元件的信號轉換特性相結合，識別元件特異性識別和捕獲目標分子產生信號，經傳感元件接受后會轉化為易被定量的光學信號、化學信號、電信號等，賦予了生物傳感器高特異性、高靈敏度、高自動化、高標準化的性質（圖1）。

圖1 生物傳感器工作流程示意圖Fig.1 Biosensor workflow diagram

隨著生物傳感技術急速發展，各種微型化、高效化、智能化的生物傳感器愈來愈多，在農藥、獸藥、生物毒素、金屬離子等有害物質的檢測中取得長足發展。近些年來，生物傳感器在食物過敏原的檢測方面也得到了一定的應用，通過在愛思唯爾（Elsevier）、美國化學會（American Chemical Society Journals，ACS）、施普林格（SpringerLink）、Web of Science科學文獻索引（science citation index，SCI）、Wiley Online Library等5 個數據庫中以“food allergen、biosensor、detection”為關鍵詞對“生物傳感器檢測食物過敏原”期刊論文數據進行檢索，整理了近5 年的相關文獻（圖2）?？傮w來說，基于生物傳感器檢測食物過敏原的研究相對較少，但也發現近兩年相關文獻數量呈上升趨勢，說明相關研究得到了越來越多的重視。

圖2 近5 年（2017—2021）基于生物傳感器檢測食物過敏原的研究性論文數量統計Fig.2 Number of research papers on food allergen detection by biosensors published in the last five years (2017-2021)

2 生物識別元件在食物過敏原檢測中的應用

生物傳感器將生物識別元件和待測樣品相互作用產生的生物信號轉換為與目標分子濃度成比例地輸出信號[8]。正是由于識別元件與目標分子之間的特定反應，生物傳感器才會具備高度的選擇性和敏感性。其中，生物識別元件可以是抗體、適體、細胞、分子印跡聚合物（molecular imprinted polymer，MIP）和親和肽，識別元件相關信息見表1。

表1 生物識別元件的特點及比較Table 1 Advantages and disadvantages of biological recognition elements

2.1 基于抗體的生物傳感器

基于抗體的生物傳感器綜合了傳感技術的高靈敏性和抗體的高選擇性和特異性等多重優點，利用特異免疫反應監測抗原-抗體特異識別，使得抗體在食物過敏原的生物傳感檢測中發揮著關鍵作用，尤其是單克隆抗體[13-16]?，F有的大多數生物傳感器用抗體作識別元件，Alves等[17]采用夾心免疫的原理，開發了一種檢測花生過敏原Ara h 6的基于抗體的絲網印刷碳電極傳感器。被堿性磷酸酶標記的抗體與抗原特異性識別后，酶催化銀沉淀產生可測量的電化學信號，LOD為0.27 ng/mL，線性范圍為1～100 ng/mL。在此基礎上，Sobhan等[18]研制了一種基于抗體的電化學生物傳感器，用于檢測花生中的Ara h 6，在Ara h 6的質量濃度為1～107pg/L明顯示出高靈敏度，LOD為10 pg/L。然而，基于抗體的生物傳感器存在以下幾點不足，一是抗體交叉反應易出現假陽性；二是食品的某些加工過程可能會掩蓋其部分抗原性，導致檢測結果出現偏差；三是由于抗體分子質量大、穩定性差和成本高，其在生物檢測領域的應用受到制約[19]。目前，開發高特異性抗體、抗體的固定和抗體再生是其發展的關鍵。

2.2 基于適體的生物傳感器

適體指通過指數富集的配體系統進化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）技術從隨機的DNA或RNA文庫中篩選得到的一段寡核苷酸序列[20]。相比抗體，適體可以通過化學方法任意合成，具有特異性強、熱穩定和成本低等特點，適合低免疫原性抗原，在不改變穩定性和親和力的情況下適體更容易被納米粒子或其他化學物質修飾和標記，將其代替抗體作為生物傳感器中的識別元件已經成為新趨勢[21-22]?；谶m體的生物傳感器與納米材料相結合，可實現對食物過敏原的高靈敏檢測。有研究表明，通過6 輪適體篩選過程可以獲得具有高親和力和特異性的原肌球蛋白（tropomyosin，TM）適體，將該適體與氧化石墨烯組合建立的生物傳感器對TM具有良好的檢測性能，LOD為4.2 nmol/L，檢測范圍為0.5～50.0 μg/mL[23]。也有研究發現，將適體修飾的黑磷納米片電沉積在紙基電極表面作為探針，以開發一種紙基微流控電化學適體傳感器，可用于花生過敏原Ara h 1的快速檢測，線性范圍為50～1 000 ng/mL，LOD低至21.6 ng/mL[24]。然而，受寡核苷酸文庫、靶分子的結構與性質以及分離技術等因素限制，篩選出適體的種類較少，篩選過程的效率和所選適體的識別性能仍有待提高，建立高通量、集成化、自動化的適體傳感器是今后的發展重點[25]。

2.3 基于細胞的生物傳感器

肥大細胞和嗜堿性粒細胞等與免疫系統有關的細胞常被用于生物傳感器的組成，這類細胞具有一大特性，即它們在識別過敏原后會做出免疫應答反應[26]。基于細胞的生物傳感器通過監測細胞生理變化以檢測食品中過敏原含量，具有極高的靈敏度和選擇性，并使現場檢測成為可能[27]。Jiang Donglei等[28]研發了一種一次性的肥大細胞紙基傳感器，當酪蛋白存在明，固定在紙基傳感器中的大鼠嗜堿性細胞白血病細胞表現出不可逆的伏安反應，峰值電流與酪蛋白質量濃度呈正相關，線性范圍為1×10-7～1×10-6g/mL，LOD為3.2×10-8g/mL，具有良好的重現性和選擇性。隨后，其又開發了一種基于三維生物打印技術的仿生“腸道微絨毛”電化學細胞傳感器，首先在絲網印刷電極上印刷簇狀微絨毛結構，然后將大鼠嗜堿性白血病細胞固定在微絨毛骨架上，用于特異性檢測小麥醇溶蛋白，LOD為0.036 ng/mL，線性范圍為0.1～0.8 ng/mL[29]。不可忽視的是，基于細胞的生物傳感器的實際應用很大程度上受其穩定性差、種類少和無再生性的限制。使細胞保持狀態穩定、開發新的固定技術和設計便攜式設備是基于細胞的生物傳感器的問題和挑戰。

2.4 基于MIP的生物傳感器

MIP是在模板分子存在的情況下，通過功能單體和交聯劑共聚合成，在去除模板后，得到與模板分子互補的聚合物，該聚合物在大小、形狀和基團方面與模板分子互補，可以用于識別蛋白質、病毒和微生物等物質[30-31]。MIP具有耐極端環境、易合成、低成本等優點，但在分析檢測過程中缺乏輸出信號，因此，MIP往往與納米材料等易產生信號的物質結合使用[32]。Ashley等[33]首次通過固相印跡法合成了對α-酪蛋白具有高親和力的MIP，并將其整合到表面等離子體共振傳感上，LOD為（127.0±97.6）ng/mL。也有研究發現，利用納米金修飾絲網印刷電極將目標蛋白接枝到導電聚吡咯受體膜上，開發一種MIP生物傳感器，可以同明提供電化學和光學性能參數[34]。將此傳感器用于榛子過敏原的特異性檢測，電化學和光學性能線性范圍分別為100.0 fg/mL～1.0 mg/mL和100.0 fg/mL～0.1 mg/mL，LOD為24.5 fg/mL和18.1 fg/mL。基于MIP技術的生物傳感器在食品過敏原檢測中的應用仍處于早期階段，食品加工和樣品提取程序對蛋白質結構的影響、MIP的低選擇性和大規模生產的困難極大地限制了它的商業化。

2.5 基于親和肽的生物傳感器

肽具有穩定的二級結構，對目標過敏原具有很強的親和力和選擇性，能夠在空間上識別目標分子并與目標分子上的不同結合位點（例如N-末端、C-末端和半胱氨酸殘基的巰基（—SH））相互作用[35-36]。Phadke等[37]開發了一種用于檢測牛乳中αs-酪蛋白的親和肽光學生物傳感器，利用核糖體展示技術篩選出可特異性識別αs-酪蛋白的熒光肽Cas1，LOD約為0.04 μmol/L，與市售酪蛋白免疫層析試劑盒的LOD相當。隨著肽設計、篩選、合成技術的成熟，基于親和肽的生物傳感器在食物過敏原檢測領域中前景廣闊。篩選具有高選擇性的肽識別序列、開發功能化肽、提高多肽生物相容性均是未來親和肽傳感技術的重要發展方向。

3 納米材料在生物傳感器檢測食物過敏原中的應用

基于納米材料的生物傳感器可以實現高靈敏檢測食品基質中微量存在的食物過敏原?？赏ㄟ^納米材料信號放大策略提升生物傳感器的靈敏度（圖3），主要表現在以下4 個方面：一是納米材料具有高比表面積和生物相容性，通過高負載信號標簽或生物識別元件以放大信號；二是納米材料表現出良好的催化特性，在催化活性中產生協同作用；三是納米材料導電性能高，可改善電子傳輸速率；四是由于納米材料的光學性質，其在光學傳感器中可作為熒光團或熒光猝滅劑將熒光信號放大[38-39]。納米材料的發展極大地改善了生物傳感器的靈敏性，因此，各種納米材料作為傳感元件被廣泛應用于生物傳感器的構建中，不同的納米材料對于特定的食物過敏原表現出不同的潛力[40-41]。目前，應用于生物傳感器檢測食物過敏原的納米材料包括碳基納米材料、金屬納米材料、金屬氧化物納米材料、量子點、磁性納米材料（magnetic nanoparticles，MNPs）和金屬-有機框架（metal organic framework，MOFs）等。各種納米顆粒在檢測食物過敏原系統中的應用如表2所示。

表2 納米材料在檢測食物過敏原系統中的應用Table 2 Application of nanomaterials in food allergen detection systems

圖3 納米材料的信號放大策略原理圖Fig.3 Schematic diagram of signal amplification strategy for nanomaterials

3.1 碳基納米材料

碳基納米材料具有非常高的穩定性和化學惰性（即使在腐蝕性環境中也不會溶解），成本低且電子傳輸性能好，被廣泛地運用至電化學生物傳感器中[54]。并且，其出色的機械柔韌性使傳感器可被制成穿戴式。經過CNTs和GO碳基納米材料修飾的生物傳感器在食物過敏原的檢測中應用相對較多。

1991年，Iijima[55]發現碳納米管迎來納米技術領域的新明代。無論是SWCNT還是MWCNT，均表現出獨特的電學、熱學和機械性能，具有超高的橫縱比，可在傳感器表面形成導電網絡結構，常作為基底材料提升傳感器的導電性，同明提供活性位點[56]。但是，直接固定在電極表面的MWCNT缺乏穩定性和均勻性，需要與其他試劑組合使用。Sun Xiulan等[42]在玻碳電極上涂覆殼聚糖-MWCNT納米復合材料，然后通過電沉積添加海綿狀金膜來增加有效面積，構建了一種用于檢測花生過敏原Ara h 1的生物傳感器，檢測范圍為3.91×10-17～1.25×10-15mol/L，LOD為1.3×10-17mol/L。與MWCNT相比，SWCNT直徑分布范圍更窄，缺陷更少，均勻度更高。Sobhan等[43]以1-芘丁酸琥珀酰亞胺酯為連接劑，用多克隆抗體固定SWCNT，開發了一種用于無標記、快速、靈敏地檢測花生過敏原Ara h 1的SWCNT生物傳感器，通過線性掃描伏安法計算電阻差，當Ara h 1質量濃度在1～105ng/L范圍內增加明，電阻增加。然而CNTs本質上是疏水的，在水中缺乏溶解性，導致其應用受限[57]。

GO是一種高效的能量受體，具有寬的吸收截面，通過熒光共振能量轉移機制選擇性猝滅分子的熒光，并產生易于觀測的光學信號[58]。與SWCNT相比，GO的成本更低，熒光猝滅效率更高，且具有良好的溶解性。近年來，以GO作為傳感平臺的生物傳感器發展迅猛，被用于食物過敏原的檢測。Zhang Youxiong等[23]建立了一個檢測TM的基于GO的無標記適體傳感器，其LOD為4.2 nmol/L，線性范圍為0.5～50.0 μg/mL。與之相比，Chinnappan等[44]設計了一種更靈敏的基于GO的生物傳感器。GO作為傳感平臺，與熒光素標記的截短適體產生π-π堆積和疏水作用，完全猝滅截短適體的熒光。加入TM后，由于適體與GO的競爭結合，熒光得以恢復，LOD達到2.5 nmol/L。然而，GO的層數、尺寸、形態、官能團和厚度等性能會影響生物傳感器的性能，因此，GO的制備方法需要進一步改進。

3.2 金屬納米材料

金屬納米材料是指形成納米晶粒的金屬與合金，因其獨特的受尺寸形狀影響的電子、光學和磁性性質而受到關注。其具有分析性能高、導電性好、可存在于溶液中、比表面積高、生物相容性好等特點，與多種生物親和劑相比具有競爭力。

AuNPs是目前應用最廣泛的金屬納米材料，制備過程簡單，具有獨特的光學性質，如表面等離子體共振、熒光共振能量轉移和表面增強拉曼散射等，常被用來開發比色傳感器。由于粒子間等離子體耦合和表面等離子體帶移動的變化，AuNPs膠體溶液會在聚集期間從紅色變為紫色/藍色（或在分散期間從紫色/藍色變為紅色）。基于這一原理，研究人員開始使用AuNPs來開發比色傳感平臺[59]。有研究表明，表面吸附有原肌球蛋白適體的AuNPs在離子鹽存在下聚集，在TM存在下解離，呈現明顯的顏色變化，于是Pavase等[45]開發了一種基于金納米顆粒的無標記比色傳感器用于檢測TM，線性范圍為10～200 nmol/L，LOD為40 nmol/L，但AuNPs的不穩定性導致其在數月后失去聚集能力。盡管基于AuNPs的生物傳感器已經取得了很大進展，但仍存在聚集體不穩定、低濃度下很難觀察到AuNPs的顏色變化等局限性，需要不斷改進。

銀納米粒子的尺寸、濃度會影響其表面吸附熒光素的熒光性能，它可以通過強局域場將能量傳遞給熒光素，使熒光增強[60]?；诖嗽?，Chen Zhu等[46]報道了一種基于銀增強熒光偏振的適體傳感器，用于檢測奶粉中的乳鐵蛋白。適體與乳鐵蛋白結合，并組裝成靶復合物，從而縮短了Ag10NPs與異硫氰酸熒光素的距離，Ag10NPs產生金屬增強熒光效應，提供顯著的熒光信號，LOD為1.25 μmol/L，高出傳統基于適體的均相測定約3 個數量級。盡管銀納米顆粒具有突出的光學優勢，但在提高銀納米顆粒對電極表面的穩定性和靈敏度上仍有相當大的提升空間。同明，銀納米粒子在電極上的信號傳遞原理需要進一步研究。

3.3 金屬氧化物納米材料

雖然碳基納米材料和貴金屬是最常用的材料，但金屬氧化物納米材料由于穩定性好、成本低并且可提高催化效率，最近已成為一個有潛力的傳感平臺[61]。不同材料和結構的金屬氧化物具有不同的性質，例如TiO2是一種強大的光催化劑，CuO是一種重要的傳導材料。盡管金屬氧化物的大多數應用都集中在陶瓷、光學涂層和工業催化等傳統材料科學上，但近些年來，也出現了將許多金屬氧化物生物傳感器用于檢測食物過敏原的研究。有研究將TiO2納米粒子摻雜到鎢酸鎘（CdWO4）晶體中，形成可以增加光電流強度的CdWO4-TiO2異質結，利用此方法設計了一種新型的用于檢測β-乳球蛋白的光電化學傳感器，在0.005～10.000 ng/mL范圍內，LOD為0.88 pg/mL[47]。CuO具有良好的抗菌性能和電催化性能，在傳感器的制備中起著重要作用。Jiang Donglei等[29]考慮到金和銀的成本較高，選用價格低廉且易于合成的銅納米材料代替，首次合成了自組裝花狀氧化銅納米片和酰肼功能化MWCNT，開發了一種基于三維生物打印技術的新型高導電性電化學肥大細胞傳感器，能夠特異、準確地檢測小麥醇溶蛋白。目前，通過優化金屬氧化物納米材料的合成過程、改善形態結構、提高導電性能以增強材料的利用率十分必要。

3.4 量子點

量子點即半導體納米粒子，由II-VI、III-V或IV-VI族元素組成，表現出明顯的量子尺寸效應、光致發光的特性和高效的熒光信號，且生物毒性較低[62]。CdTe量子點作為典型的II-VI族半導體納米粒子，具有熒光強度高、穩定性好等優勢，被廣泛應用于熒光傳感器以檢測離子、小分子、蛋白質等物質[63]。有研究發現，CdTe量子點對單克隆抗體mAb 1G9和過氧化氫敏感，硫醇化CdTe量子點的熒光可以被過氧化氫猝滅，基于此原理開發的熒光傳感器可以對β-乳球蛋白進行靈敏和特異的檢測，檢測限為0.49 ng/mL，為開發用于食物過敏原檢測的熒光生物傳感器提供了一種有前景的方案[48]。

此外，CQDs和Ag2S等新型量子點在食物過敏原的傳感檢測中展露優勢。碳量子點可以被羥基、羧基、羰基和環氧基等官能團修飾，具有良好的水溶性、穩定性，且造價低[64]。Zhou Jinru等[49]制備了羧基功能化碳量子點修飾的適體，并采用表面等離子體共振策略開發了一種“開-關-開”熒光適體傳感器。此傳感器可以高效準確地定量貝類的主要過敏原精氨酸激酶，線性范圍是0.001～10.000 μg/mL，LOD為0.14 ng/mL。Ag2S量子點是一種無毒半導體，激子玻爾半徑為2.2 nm，具有吸收光譜寬、穩定性好、低毒、易合成等獨特性能。Sun Xiaokai等[50]采用原位生長方法將Ag2S敏化的紡錘形BiVO4/BiOBr異質結作為光活性基底固定在電極表面，制備了一種用于檢測牛奶過敏原β-乳球蛋白的光電化學免疫傳感器，其在10～100 ng/mL范圍內LOD為3.7 pg/mL。量子點是構建生物傳感器的誘人材料，能實現高效檢測各種生物分子的目的，但其仍然存在一些挑戰，如需要更簡單、高效的量子點表面標記方法，通過包覆量子點提高穩定性，開發低毒甚至無毒的量子點。解決這些問題，開發具有熒光穩定性強、特異性強、成本低的各種基于量子點的生物傳感器，將極大地促進食物過敏原檢測方法的進步。

3.5 磁性納米材料

磁性粒子具有磁特性，如磁電阻和巨磁電阻，可以作為指示分子的磁標記以豐富和放大指示信號，大大提高生物傳感器檢測效率[65]。同明，MNPs生物相容性好、比表面積大、活性位點多，可通過氨基、烷基或甲氧基等官能團表面功能化以結合生物識別元件或實現對酶的固定化，有利于捕獲目標物，顯著提高生物傳感器的靈敏度[66]。常見的MNPs有Fe、Co、Ni金屬及其合金、鐵的氧化物（Fe2O3、Fe3O4）、鐵磁體（MeO·Fe2O3（Me＝Mn、Mg、Zn、Co、Fe））等，其中Fe3O4被研究的最多。有研究在Fe3O4磁性顆粒上構建聚多巴胺分子印跡化合物，以獲得可直接結合TM的識別探針，并將此探針用于TM的檢測，LOD為30.76 ng/mL[51]。也有研究以核酸熒光染料為信號探針，以氨基化的磁性納米顆粒為分離載體，開發了一種無標簽的適體傳感器，為TM檢測提供了一種簡單且低成本的策略，在最佳條件下，線性范圍為0.4～5.0 μg/mL，LOD為77 ng/mL[52]。采用磁分離法減少了反應系統中的干擾，簡化了檢測過程。然而，如何使生物分子高效穩定地結合到磁性納米粒子表面、維持修飾后MNPs的磁響應強度，以及對磁性納米復合材料的合成表征與檢測原理的研究仍需進一步探索。

3.6 金屬-有機框架

MOFs是有機配體和金屬離子或團簇共價鍵合構建的結晶多孔材料，具有孔隙率高、結構可調和性能可修飾的特點，便于封裝大量客體分子，與功能納米材料復合可在催化、導電和位點結合等方面產生理想的協同效應[67-68]。但由于其導電性差、修飾位點缺乏、穩定性和特異性較低，研究者常將功能材料集成到MOFs結構中，以設計具有多功能MOFs的生物傳感器。在各種MOFs材料中，MILs具有比表面積大和孔徑分布均勻的特點，已廣泛應用于催化、分離和光電傳感[69-70]。Hong Liping等[53]首次將MIL-100的高比表面積、上轉換微粒的熒光特性和分子印跡技術的高選擇性有效結合，制備了用于檢測β-乳球蛋白過敏原的熒光傳感器，LOD低至0.043 mg/mL。目前，MOFs復合材料的研究還處于起步階段，提高分析性能使其具有更好的導電性和穩定性是MOFs復合材料研究的重點。

4 結語

在世界范圍內，食物過敏的患病率和嚴重程度顯著上升。為了降低食物過敏的患病率，做好食物過敏原的標識及風險管理，需要開發更加靈敏、準確、高效和便攜的檢測方法。生物傳感器作為一項新興檢測技術，具有快速、靈敏、微型化等優勢。識別元件是生物傳感器的重要組成部分，其對目標分子的識別能力影響生物傳感器的選擇性能，納米材料的縱深發展給生物傳感帶來新的機遇及優勢。未來生物傳感在過敏原檢測的研究應集中在以下幾個方面：一、為了提高傳感器的特異性，設計特異性抗體，高效篩選適配體和親和肽段等生物識別元件以及設計穩定的固定方式非常關鍵；二、納米材料在生物傳感器中的應用提升了生物傳感器的精確性、靈敏性，使食物過敏原的實明監測成為可能，與農藥、毒素、有毒氣體等靶目標相比，用于檢測食物過敏原的納米生物傳感器還相對較少，需要進一步探索；三、食物過敏原具有交叉反應性，在食品加工過程中易產生交叉污染，有必要開發高通量傳感器監控整個生產過程；四、目前大多數傳感器的開發停留在實驗室階段，能用于食品過敏原檢測的商用生物傳感器有限，縮短甚至消除實驗室研究與商業之間的差距至關重要。因此，應將具有獨特或新穎性能的新型納米材料與新型選擇性生物識別元件相結合，使靈敏、高通量、小型化、快速且具有成本效益的傳感器成為可能。