電化學檢測技術與生物識別元件聯用在食品安全檢測中的應用進展

＊劉瑞 鄭琳蕙 黃筱洋 王婧 鮑悅忻 任婧楠 呂優優

（華中農業大學 食品科學技術學院 湖北 430070）

“食在口，安在心”，飲食安全一直是人們生活中至關重要的一環。隨著社會的發展和生活水平的提高，食品安全問題日益凸顯，不僅關系著民生安全，還直接關系著國民經濟的可持續發展和社會的和諧穩定。近年來，食品安全事件頻發，引發了公眾對食品安全與健康的關注。因而加強食品安全監測體系的建設，推動食品安全檢測技術的創新，是確保人們飲食安全的關鍵舉措。隨著電化學技術的不斷創新和發展，它正日益受到廣泛關注和應用，在食品安全領域持續發揮著重要作用，為確保食品的質量和安全提供強大支持。本文對常用電化學技術的檢測機理和近年來其與生物識別元件的聯用技術在食品安全方面的應用進行綜述。

1.電化學檢測技術及原理

電化學檢測技術是一種廣泛應用于分析化學、材料科學、環境科學等領域的重要分析方法。它利用電化學原理來研究和檢測化學物質的性質，通過測量電荷、電流和電勢等電學參數來實現分析和檢測的目的。

（1）電化學阻抗譜技術。電化學阻抗譜技術（EIS）的基本原理為在不同頻率下施加交流電壓信號，測量電極界面對電流的阻抗響應，以研究系統中與化學反應相關的界面電現象。EIS 具有穩態分析、小信號分析和探測大范圍頻率的能力等優勢，可用于研究電化學系統的交流阻抗隨頻率的變化關系。

電化學電池的整個系統的阻抗Z 可用式（1）表示。

式中，Z 為復阻抗；R 為電子和離子在電解質、電極和電解質-電極界面中的電阻；X 為電池系統的電抗。

（2）伏安技術。伏安法是一種利用電極電位和電流之間的關系進行電化學分析的方法，基本原理是在電化學電位下，通過改變電位并測量相應的電流，以繪制電流-電位曲線（伏安曲線），其形狀取決于交換電子、傳質現象、時間尺度測量、耦合化學反應和電化學電池中發生的表面現象。

伏安技術種類多樣，應用廣泛。循環伏安法（CV）通過在電極之間施加一定的電位并記錄電流的變化，可以得到關于電化學反應動力學和溶液中存在的電化學物質濃度的信息[1]；差分脈沖伏安法（DPV）以脈沖電位的形式進行電極電位的掃描從而測量電流響應，可以用于研究電化學反應的性質，優化實驗條件和檢測低濃度化合物[2]；方波伏安法（SWV）通過在電極上施加方波電位脈沖使電極表面產生氧化還原反應從而導致電流的變化，可用于評估樣品中分析物的存在與濃度及分析方法的穩定性、選擇性和分析性能。

（3）電位傳感器法。電位傳感器法通過測量電化學電池中兩個電極之間的電位差來獲得樣品中目標分析物濃度的信息[3]。

根據能斯特方程，電位變化與待測離子的濃度之間存在對數關系：

式中，Ecell為被測電池電位；E0cell為標準電池電位；R 為通用氣體常數；T 為溫度；n 為電子轉移數；F 為法拉第常數；[A-]是陰離子濃度；[Aion]是待測離子濃度。

電位傳感器法采用對氫離子敏感的特定材料作為pH 電極，通過測量電位變化確定溶液的pH 值，具有快速響應、寬pH 感應范圍、卓越的靈敏度等優勢。

2.電化學技術與生物識別元件聯用

生物傳感器被廣義地定義為檢測分析物并放大、處理和生成可測量信號的分析設備。典型的生物傳感器由生物識別元件、換能器和電子系統組成[4]。生物識別元件包括噬菌體、抗體、適配體、酶等生物分子，它們獨特的識別、催化活性可以高靈敏度和高選擇性地檢測目標物（圖1）。電化學生物傳感器將生物相互作用轉化為不同種類的可測量和可處理的電信號，以此實現對不同物質的檢測。

圖1 電化學生物傳感器相關的組件和測量方式[5]

（1）噬菌體。噬菌體是一種可以特異性感染某種微生物的病毒，主要由核酸和蛋白質外殼組成。噬菌體只能在活細菌內感染和復制，因此可用于檢測細菌活力。將噬菌體作為特異性的生物識別元件與多種檢測技術聯用開發傳感器受到了許多研究者的關注。主要針對電化學與噬菌體聯用技術進行綜述，這些方法中電化學技術主要用于信號的放大和靈敏的傳導，檢測的特異性依賴于噬菌體。

Wang 等人[6]從湖水中分離純化出一株特異性識別沙門氏菌的噬菌體SEP37，采用逐層組裝的方式將納米金（AuNPs），巰基乙胺（Cys）和Phage SEP37 固定在金圓盤電極（GDE）上。其中，AuNPs 在電極表面的沉積，可以加速電子的轉移，Cys 是一種優異連接AuNPs 和Phage SEP37 的橋梁，Phage SEP37 用于特異性識別沙門氏菌。當金電極表面的噬菌體捕獲沙門氏菌后，能夠形成生物分子層，阻礙電極表面電子的轉移，從而導致電極表面電阻增加。電阻值與沙門氏菌濃度之間呈現線性變化，基于此,實現對沙門氏菌的快速檢測，該方法還可以區分活細菌和死細菌，避免假陽性結果的產生。同時該方法還可以實現對湖水和生菜基質中沙門氏菌的加標檢測，具有在實際應用的潛力。

（2）抗體。抗體是一種重要的生物標志物，其是抗原的高親和力的天然結合劑。將抗體作為識別元件構建電化學傳感器也被廣泛研究，其中在傳感器制造過程中抗體的固定化是關鍵步驟。

Poudyal 等人[7]將草甘膦（Glyp）和毒死蜱（Chlp）的抗體固定在雙重金電極表面，當靶抗原與特異性抗體（一側的Glyp-Ab 和另一側的Chlp-Ab）結合，金電極表面的阻抗增加，電極表面的阻抗信號隨著添加的抗原濃度而變化。該方法通過改進的便攜式免疫測定電化學傳感器,可以同時檢測Glyp 和Chlp，并且能夠用于未經前處理樣品的直接準確檢測。Sun 等人[8]基于抗原抗體特異性結合的原理，使用抗S.鼠傷寒抗體用于識別鼠傷寒沙門氏菌，構建了一種夾心型電化學免疫傳感器。首先，研究者將殼聚糖沉積在玻璃電極表面用于固定anti-S.鼠傷寒抗體，經辣根過氧化物酶（HRP）標記的anti-S.鼠傷寒抗體用作二抗。HRP 可以催化H2O2并實現電子從還原活性中心到電極的轉移，通過測量鼠傷寒免疫反應前后還原峰值的電流變化以分析樣品中沙門氏菌的濃度。

（3）適配體。適配體具有高親和力與強特異性，因此，基于適配體的生物傳感器被廣泛應用。適配體與電化學傳感器的聯用是生物傳感器中最有前景的方法之一，主要的難點在于寡核苷酸序列的開發。

Hui 等人[9]設計了一種截斷的鏈霉素適配體S03（僅35 個堿基），以S03為識別分子，使用聚苯胺@氮摻雜碳納米管/Au 納米粒子（PANI@N-CNTs/AuNPs）作為載體，建立了一種電化學適配體傳感器用于鏈霉素的檢測。該方法中開發的小尺寸適配體具有低成本、高親和力的優點，為改進適配體的親和力提供了新思路。Zhong 等人[10]提出一種利用雙核適配體識別系統進行準確鑒定的新方法。首先，研究者硫化鎘量子點（CdS）修飾的適配體進行初級標記，然后將第二個適配體固定在石墨烯/殼聚糖復合電極上以進行重新捕獲。該方法提高了核酸適配體捕獲過程的準確性。基于此，分析電極和電化學活性微生物之間的連續電子轉移時產生的電極電位，以檢測大腸桿菌的濃度。

（4）酶。電化學酶傳感器是將酶與其底物相互作用的特異性與電化學的強大分析能力相結合構成的一種生物傳感器。

Wu 等人[11]開發了一種基于酶誘導Cu2+/Cu 轉化用于測定氨基甲酸乙酯（EC）。主要原理為使用堿性磷酸酶（ALP）催化2-磷酸-l-抗壞血酸（AAP）水解生成抗壞血酸（AA）。AA 可以與Cu2+相互作用，介導Cu2+/Cu 的轉化。當樣品中存在EC 時，以通過“三明治”免疫測定模型橋接ALP 酶，隨即引發上述的一系列反應。Cu2+/Cu 轉換可以方波伏安法（SWV）技術來檢測，以指示EC 的濃度水平。劉等人[12]使用植物來源的小麥酯酶（wPLaE）作為檢測酶源，構建基于酶抑制作用的電化學技術用于檢測有機磷農藥敵敵畏。為了增強電化學傳感的靈敏性，研究者使用多壁碳納米管（MWNT）和納米金（AuNPs）的協同催化效應構建新型電化學酶傳感器NF/wPLaE-CS/AuNPs/MWNT/GCE。

3.總結

電化學傳感器具有如低成本、高靈敏度、快速檢測及檢測限低等顯著優勢，因此,基于電化學傳感技術的生物傳感器被廣泛研究。電化學傳感器與生物識別元件的聯用技術中，納米材料如量子點、納米卟啉、碳納米管、石墨烯等常常被用于改進電極的導電性及提高生物分子的穩定性和活性，這大大提高了檢測的靈敏度和穩定性。然而基質效應帶來的影響，有害試劑對檢測樣品的污染仍是需要克服的問題，也是阻礙電化學生物傳感器商業化的關鍵問題。進一步隨著分子生物學及新型納米材料的不斷發展，電化學生物傳感器也將不斷進步。