生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

徐 霞 吳笑天 徐嘉鈺 胡之恒 巫麗君 丁玉庭 周緒霞

(1浙江工業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 杭州 310014；2國(guó)家遠(yuǎn)洋水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)分中心(杭州),浙江 杭州 310014)

水產(chǎn)品味道鮮美,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,富含蛋白質(zhì)、氨基酸和脂肪等人體所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),是人們?nèi)粘Ｉ攀辰Y(jié)構(gòu)中的重要組成部分,水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源[1]。但水產(chǎn)品在儲(chǔ)藏和銷售過(guò)程中易受內(nèi)源性蛋白酶和微生物的共同作用而發(fā)生腐敗變質(zhì),使得水產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低,產(chǎn)生異味,甚至?xí)a(chǎn)生有毒物質(zhì),引發(fā)食品安全問(wèn)題[2]。新鮮度是反映水產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo),很大程度上決定了水產(chǎn)品的價(jià)值。目前水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)仍以傳統(tǒng)檢測(cè)方法為主,結(jié)果較準(zhǔn)確,但存在主觀性大、耗時(shí)長(zhǎng)、操作程序復(fù)雜、需要專業(yè)人員、對(duì)產(chǎn)品有破壞性等缺點(diǎn)[3]。因此,在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、加工和銷售過(guò)程中對(duì)水產(chǎn)品的新鮮度進(jìn)行快速檢驗(yàn)已成為重要的研究課題,具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

生物傳感器具有快速、特異性和靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)。生物傳感技術(shù)主要是通過(guò)酶等生物識(shí)別元件對(duì)水產(chǎn)品在腐敗過(guò)程中產(chǎn)生的一系列特征物質(zhì)如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)降解產(chǎn)物或胺類物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng),然后由換能器件將生化信號(hào)轉(zhuǎn)換成可定量的電或光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮度的檢測(cè)。生物元件的特異性識(shí)別功能使其能直接應(yīng)用于復(fù)雜食品樣品的測(cè)定[4]。

近年來(lái)隨著納米材料在傳感領(lǐng)域的快速發(fā)展,生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)應(yīng)用方面迎來(lái)了新的突破。本文將綜述生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)上的應(yīng)用及其研究進(jìn)展,并概述當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì),以供深入研究參考。

1 水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)方法

根據(jù)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,可將水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)方法分為傳統(tǒng)檢測(cè)方法與新型檢測(cè)方法(表1)。目前傳統(tǒng)檢測(cè)方法仍是主流,通常結(jié)合感官評(píng)定、物理評(píng)定、化學(xué)評(píng)定和微生物評(píng)定4 種方法中的幾種或全部進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),其測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確,但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。現(xiàn)代新型檢測(cè)方法因快速、操作簡(jiǎn)單、可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),主要包括感官仿生技術(shù)、光譜技術(shù)和生物傳感器技術(shù)等,其中生物傳感器技術(shù)所需設(shè)備簡(jiǎn)單、可隨身攜帶,檢測(cè)耗時(shí)短且靈敏度高,在水產(chǎn)品新鮮度的快速檢測(cè)上極具潛力。

表1 水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)方法Table 1 Detection methods for freshness of aquatic products

2 生物傳感器概述

生物傳感器一般都含有2 個(gè)結(jié)構(gòu)：一種或數(shù)種生物敏感材料(生物識(shí)別元件)以及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)或光信號(hào)的物理或者化學(xué)換能器(信號(hào)轉(zhuǎn)換器)；其主要通過(guò)生物識(shí)別元件對(duì)所檢測(cè)樣品的特征性物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng),并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器將這種持續(xù)、有規(guī)律性的信息轉(zhuǎn)換成為人們可以理解的信息從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某一種物質(zhì)的測(cè)定[11],具體原理如圖1所示。

根據(jù)生物分子識(shí)別元件的不同,生物傳感器可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA/RNA傳感器、細(xì)胞傳感器等；根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的不同,可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲學(xué)生物傳感器等。目前,生物傳感器已被廣泛研究并應(yīng)用于獸藥殘留[12]、毒素[13]、致病菌[14]、重金屬[15]等威脅水產(chǎn)品食用安全的有害物質(zhì)檢測(cè)以及新鮮度等水產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。

3 生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)中的應(yīng)用

生物傳感器檢測(cè)水產(chǎn)品新鮮度主要以酶為生物識(shí)別元件,并以ATP 降解產(chǎn)物或生物胺等物質(zhì)為主要的檢測(cè)目標(biāo)；同時(shí)采用電化學(xué)電極(固體電極、離子選擇電極和修飾電極等)作為固定載體或信號(hào)轉(zhuǎn)換器,將酶等生物敏感材料固定于電極表面,用電化學(xué)電極將生物敏感材料識(shí)取的生物化學(xué)信息轉(zhuǎn)化成能夠處理測(cè)量的、與檢測(cè)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(電流、電壓、電導(dǎo)),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特征物質(zhì)的定量測(cè)定[17]。也有少量以微生物細(xì)胞為敏感材料的電化學(xué)傳感器檢測(cè)水產(chǎn)品腐敗變質(zhì)程度的相關(guān)報(bào)道,在利用此生物傳感器測(cè)定水產(chǎn)品新鮮度時(shí),需要對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理以獲得特征物質(zhì)提取液,預(yù)處理過(guò)程主要包括酸提、均質(zhì)和離心等,通常需要30 min[18]。

圖1 生物傳感器工作原理示意圖[16]Fig.1 Schematic diagram of the working principle of biosensor[16]

3.1 酶?jìng)鞲衅?/h3>

3.1.1 ATP 降解物的測(cè)定 水產(chǎn)動(dòng)物死后肌體內(nèi)ATP 一般按以下順序分解：ATP →二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)→一磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)→肌苷酸(inosinemonphosphate,IMP)→肌苷(inosine,HxR)→次黃嘌呤(hypoxanthine,Hx)→尿酸(uric acid,UA)。其中,次黃嘌呤能在黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)的作用下生成黃嘌呤(xanthine),而后生成尿酸,具體反應(yīng)式如下：

研究發(fā)現(xiàn),水產(chǎn)品中次黃嘌呤、黃嘌呤含量與揮發(fā)性鹽基氮(volatile base nitrogen,TVB-N)值和細(xì)菌菌落總數(shù)之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性[19-20],可以用來(lái)表征魚(yú)類等水產(chǎn)品的新鮮度。基于此理論目前已開(kāi)發(fā)多種電極上耦合有XOD 的電化學(xué)生物傳感器,通過(guò)測(cè)定XOD催化反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)氧化氫濃度來(lái)測(cè)定次黃嘌呤或黃嘌呤的含量,從而實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)。Lawal等[21]以聚吡咯膜包裹的鉑電極作為XOD 的固定載體,設(shè)計(jì)了兩款檢測(cè)水產(chǎn)品中次黃嘌呤含量的電位型和電流型生物傳感器并比較其性能,結(jié)果顯示,電流型傳感器的線性檢測(cè)范圍更寬,電位型傳感器的檢測(cè)靈敏度更高。Devi 等[22]為提高電流型傳感器的檢測(cè)性能,選擇以氧化鋅納米粒子和聚吡咯復(fù)合物作為XOD的固定載體,得到了檢測(cè)范圍更寬(0～40 μmol·L-1),檢測(cè)限更低(0.8 μmol·L-1)的黃嘌呤生物傳感器,并且有效地提高了傳感器的使用壽命,經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),傳感器測(cè)定的結(jié)果與酶比色法測(cè)定的結(jié)果之間呈現(xiàn)良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.93,此外還驗(yàn)證了黃嘌呤含量可指示魚(yú)體的新鮮度。Agüí 等[23]以電沉積金納米顆粒為XOD 的固定載體設(shè)計(jì)了一款電流型生物傳感器,不僅能大幅度減少電活性物質(zhì)如抗壞血酸等對(duì)檢測(cè)的影響,而且能夠提高酶的穩(wěn)定性,為解決傳統(tǒng)酶?jìng)鞲衅饕资芨蓴_,檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題提供了新思路。耦合有XOD 的電化學(xué)傳感器的新鮮度檢測(cè)以過(guò)氧化氫為媒介,但直接檢測(cè)過(guò)氧化氫需要在高于0.3 Ⅴ的電位下操作,水產(chǎn)品中的電活性物質(zhì)會(huì)對(duì)檢測(cè)有干擾。Shan 等[24]利用辣根過(guò)氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)催化過(guò)氧化氫分解以降低檢測(cè)過(guò)程中的操作電位,并以碳酸鈣納米材料為載體固定HRP和XOD,能夠顯著提高酶的穩(wěn)定性和催化活性,減少電活性物質(zhì)對(duì)檢測(cè)的干擾,并進(jìn)一步提高電化學(xué)酶?jìng)鞲衅鲬?yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

3.1.2 生物胺的測(cè)定 生物胺是蛋白質(zhì)降解過(guò)程中通過(guò)游離氨基酸脫羧產(chǎn)生的簡(jiǎn)單含氮化合物,在食品中常見(jiàn)的有組胺、腐胺、尸胺、酪胺、β-苯基乙胺、精胺和亞精胺等。適量的生物胺有利于生物體的正常生理活動(dòng),但其過(guò)量積累會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生不良反應(yīng),其中,組胺的毒性最大[25]。肉制品中高含量的生物胺,尤其是組胺、腐胺、尸胺和酪胺等,與細(xì)菌的降解有關(guān),因此,其組成和含量可以反映肉制品的腐敗變質(zhì)程度[26-27]。郭慧[28]研究了不同海洋魚(yú)類生物胺變化與TVB-N 之間的相關(guān)性,得出小黃魚(yú)特征生物胺為腐胺、尸胺、組胺、酪胺,帶魚(yú)特征生物胺為腐胺、尸胺、酪胺,米魚(yú)特征生物胺為腐胺、尸胺。可見(jiàn),不同水產(chǎn)品與其新鮮度關(guān)聯(lián)的特征生物胺存在差異,這就對(duì)生物傳感器的構(gòu)建提出了挑戰(zhàn)。

Bóka 等[29]設(shè)計(jì)了3 種電流型酶?jìng)鞲衅?分析不同胺氧化酶構(gòu)建的生物傳感器快速檢測(cè)水產(chǎn)品中多種生物胺含量的可行性；研究了固定二胺氧化酶/HRP的傳感器用于檢測(cè)總生物胺的含量,固定單胺氧化酶/HRP 的傳感器用于檢測(cè)酪胺、色胺和苯乙胺的含量,固定腐胺氧化酶/HRP 的傳感器用于檢測(cè)腐胺的含量。結(jié)果顯示,基于單胺氧化酶的傳感器不適用于肉類新鮮度的測(cè)定,其余2 種傳感器可以有效地檢測(cè)水產(chǎn)品中生物胺的含量。Keow 等[30]用甲基丙烯酸二羥甲基酯的水凝膠膜固定二胺氧化酶,設(shè)計(jì)了一種電流型生物傳感器用于測(cè)定斑節(jié)對(duì)蝦中的組胺含量,這種傳感器重復(fù)性好,且與常規(guī)高效液相色譜法測(cè)定結(jié)果具有良好的相關(guān)性。

3.2 微生物傳感器

微生物傳感器是由固定化微生物細(xì)胞與具有信號(hào)轉(zhuǎn)換功能的介質(zhì)結(jié)合而成的生物傳感器,一些主要的微生物傳感器依據(jù)微生物的呼吸或代謝作用產(chǎn)生電流、電壓、電導(dǎo)的變化達(dá)到測(cè)定的目的[31-32]。Hoshi等[33]以腐敗酵母(Alteromonas putrefaciens)為生物識(shí)別元件制備了微生物傳感系統(tǒng),用于藍(lán)鰭金槍魚(yú)表面氨基酸含量的測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)魚(yú)肉的新鮮度與傳感器的響應(yīng)值具有良好的相關(guān)性。由于生物識(shí)別元件即微生物細(xì)胞的選擇較為單一,制約了微生物傳感器的進(jìn)一步發(fā)展[34],近年來(lái)后續(xù)的研究報(bào)道相對(duì)較少。

4 水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用生物傳感器最新研究成果

生物傳感器要真正應(yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè),必須解決兩個(gè)問(wèn)題：一是要簡(jiǎn)化檢測(cè)前的預(yù)處理過(guò)程；二是要提高生物傳感器的選擇性和靈敏度等性能,降低傳感器的成本或提高重復(fù)利用率。目前的研究重點(diǎn)在于突破現(xiàn)有傳感器在靈敏度、檢測(cè)范圍和重復(fù)使用率方面的瓶頸,隨著相關(guān)研究的不斷深入,在信號(hào)轉(zhuǎn)化器方面的研究基本成熟,想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的就需要對(duì)酶等生物識(shí)別元件進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。納米材料的快速發(fā)展為生物傳感器的研究和應(yīng)用提供了新的契機(jī),尤其為XOD 或各種胺氧化酶固定載體的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及新型傳感器的構(gòu)建提供了更多可能。

4.1 酶固定載體

天然酶存在易變性、不能反復(fù)利用、催化反應(yīng)不可控的缺點(diǎn)。因此,在設(shè)計(jì)酶生物傳感器時(shí)需要對(duì)酶進(jìn)行固定,解決游離態(tài)酶帶來(lái)的問(wèn)題。固定載體的材料大致可以分為三類,即傳統(tǒng)膜材料、導(dǎo)電高分子和納米材料。傳統(tǒng)膜材料主要包括Nafion 膜、磷脂膜、醋酸纖維素膜和聚氯乙烯膜等,這些傳統(tǒng)膜載體存在穩(wěn)定性差、易碎、彈性差的缺點(diǎn),影響其在傳感器領(lǐng)域的發(fā)展[22]。高分子材料作為酶固定載體相對(duì)而言測(cè)定速度更快、靈敏度更高,但也存在著吸附酶量過(guò)少的問(wèn)題[35]。納米材料具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等獨(dú)特的物理化學(xué)特性,作為固定載體可提高酶的催化效率、穩(wěn)定性,具有較大的比表面積可提高固定酶量,還能減少被測(cè)物質(zhì)的特異性吸附,提高傳感器的靈敏度,擴(kuò)大檢測(cè)范圍[36]。固定載體作為酶?jìng)鞲衅鞯闹匾M成部分,其結(jié)構(gòu)和性能直接影響酶催化活性、穩(wěn)定性,以及傳感器的重復(fù)使用率和靈敏度[37]。因此,近年來(lái)對(duì)應(yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)的生物傳感器的酶固定載體的研究和報(bào)道層出不窮。

表2 統(tǒng)計(jì)了近5年基于不同酶固定載體的電化學(xué)生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)方面的代表性研究?？梢园l(fā)現(xiàn),近年來(lái)大部分研究采用復(fù)合材料作為XOD和各種胺氧化酶的固定載體,其中高分子材料和納米材料的復(fù)合或多種納米材料的復(fù)合是此類傳感器酶固定載體發(fā)展的趨勢(shì)。原因在于：一方面多種材料復(fù)合可互相彌補(bǔ)缺陷,如用納米材料和殼聚糖復(fù)合來(lái)解決殼聚糖導(dǎo)電性差的問(wèn)題[38]；另一方面通過(guò)多種材料的復(fù)合強(qiáng)化載體材料的性能,能夠獲得最佳的工作性能,如用多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotube,MWCNT)和二氧化鈦(TiO2)納米材料復(fù)合來(lái)改變工作電極,使其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和靈敏度[39]。通過(guò)不同材料在性能上的取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同效應(yīng),使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料并能夠滿足不同的要求,令復(fù)合材料大量應(yīng)用于傳感器的構(gòu)建。下面列舉幾種典型的酶固定載體材料及其復(fù)合材料在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用傳感器方面的研究進(jìn)展。

殼聚糖,一種天然高分子材料,具有良好的可降解性、生物相容性和優(yōu)異的成膜能力。殼聚糖的羥基和氨基官能團(tuán)可以與生物活性分子反應(yīng)用作酶共價(jià)固定的底物,是最常用來(lái)固定酶的高分子材料,但是殼聚糖的導(dǎo)電性能較差,以其為固定載體的傳感器,電子信號(hào)傳遞存在一定的問(wèn)題[38]。利用多種材料修飾殼聚糖可改善其固定酶的弊端,如羧化多壁碳納米管[40]、珍珠狀氧化錳納米材料[41]、氧化鈷納米材料[42]等。其中Dervisevic 等[38]提出用金納米顆粒和聚吡咯修飾的殼聚糖作為XOD 的固定載體,憑借金納米顆粒優(yōu)異的生物相容性和導(dǎo)電性顯著提高了酶的穩(wěn)定性以及傳感器的電子傳遞能力,所設(shè)計(jì)的黃嘌呤生物傳感器檢測(cè)范圍(1～200 μmol·L-1)更廣、靈敏度(1.4 nA·μmol·L-1)更高,更適用于水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè),但是在抗干擾能力、響應(yīng)時(shí)間方面還有待加強(qiáng)。

金屬及金屬氧化物納米材料,是一類具有獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì),具有優(yōu)秀的傳質(zhì)、傳熱、催化、導(dǎo)電性能且存在大量吸收抗體、酶和抗原的位點(diǎn)[43],其中在酶固定載體方面應(yīng)用較多的是金、銀、TiO2以及一些多孔金屬氧化物納米材料等。金納米顆粒具有高化學(xué)穩(wěn)定性,出色的催化活性和其他顯著特性,能與多種生物大分子結(jié)合且不影響其生物活性,因此研究廣泛[44]；多孔金屬氧化物具備的孔洞結(jié)構(gòu)能夠保證納米金屬氧化物性能的均一性和穩(wěn)定性[45]。Kant 等[46]用三氧化二鉭作為XOD 固定載體設(shè)計(jì)的黃嘌呤生物傳感器除了在檢測(cè)限、酶穩(wěn)定性方面有優(yōu)異表現(xiàn)外,在檢測(cè)范圍、靈敏度方面的表現(xiàn)較差,因此,金屬及金屬氧化物一般不單獨(dú)作為酶固定載體。

由于殼聚糖本身存在的問(wèn)題限制了其成為理想的酶固定載體,研究人員將目光轉(zhuǎn)向了碳基納米材料。石墨烯是目前最具有前景的新型材料,相對(duì)于殼聚糖,其可以顯著提高水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)生物傳感器的性能,更適合作為酶的固定載體。石墨烯是由碳原子以六邊形排列組成的二維納米材料,具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、高電子遷移率、較高的酶負(fù)載能力等特點(diǎn)[47]。但是石墨烯形成的膠體穩(wěn)定性差,固定在石墨烯上的蛋白不穩(wěn)定,容易被洗脫,因此石墨烯一般和其他材料聚合使用。Albelda 等[48]利用TiO2修飾石墨烯,能夠顯著提高石墨烯對(duì)蛋白質(zhì)的吸附能力,可以有效防止XOD 被洗脫,并且表現(xiàn)出了極寬的次黃嘌呤檢測(cè)范圍(20～512 μmol·L-1),與標(biāo)準(zhǔn)酶比色法測(cè)定的水產(chǎn)品中次黃嘌呤含量相關(guān)性良好,相關(guān)系數(shù)r＝0.979 5。但如何提高石墨烯作為固定載體的酶?jìng)鞲衅鞯臋z測(cè)限、靈敏度是亟待解決的問(wèn)題。

碳納米管也是一種優(yōu)質(zhì)的碳基納米材料,具有可變的導(dǎo)電性,可與不同化學(xué)基團(tuán)共價(jià)或者非共價(jià)結(jié)合,特別是碳納米管與胺和羧基等官能團(tuán)結(jié)合能夠增加傳感器電子轉(zhuǎn)移的速率。碳納米管是研究和應(yīng)用最為廣泛的酶固定載體材料之一,包括多壁和單壁碳納米管[47]。Narang 等[39]設(shè)計(jì)了一款基于XOD 的黃嘌呤電化學(xué)傳感器,以碳納米管和TiO2納米復(fù)合材料作為XOD 的固定載體,通過(guò)2 種物質(zhì)的協(xié)同作用提升傳感器的性能,在酶的穩(wěn)定性(60 d 內(nèi)活性只降低40%)、傳感器的檢測(cè)范圍(0.5～500 μmol·L-1)等方面均有較大的提升,且抗干擾能力優(yōu)異,是目前性能最好的檢測(cè)水產(chǎn)品新鮮度的生物傳感器之一,但是該傳感器響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、靈敏度較低,限制了其在市場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。

表2 基于不同酶固定載體的電化學(xué)生物傳感器應(yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)Table 2 Electrochemical biosensors with different enzyme immobilization carriers for freshness of aquatic products

表2(續(xù))

4.2 新型納米傳感器

納米材料除作為酶固定載體外,還可使生物傳感器朝著多元化的方向發(fā)展,如納米材料優(yōu)秀的催化性能使其能夠代替酶,又如金納米棒和銀納米棒[61]等納米材料吸收波長(zhǎng)可隨尺寸變化而調(diào)控,由此建立的各種光學(xué)檢測(cè)方法已成為生物傳感器研究熱點(diǎn)之一。此外,組胺抗體等生物敏感材料也可作為酶的替代物,應(yīng)用于水產(chǎn)品新鮮度的檢測(cè)。下面介紹幾種新型的納米生物傳感器在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)中的最新研究應(yīng)用。

Hu 等[62]設(shè)計(jì)了一種新型的光學(xué)生物傳感器用于次黃嘌呤的檢測(cè),魚(yú)樣經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理后,先用XOD 催化魚(yú)樣中的次黃嘌呤產(chǎn)生過(guò)氧化氫,然后加入鄰苯二胺和可作為過(guò)氧化物酶相似物、具有熒光特性的氨基功能化金屬有機(jī)骨架(NH2-Cu-MOF)納米片,以NH2-Cu-MOF 催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生的羥基自由基來(lái)氧化鄰苯二胺為鄰苯二甲酸二烯丙酯,可以猝滅NH2-Cu-MOF 的熒光效應(yīng),熒光的強(qiáng)度與次黃嘌呤的濃度成反比,基于這個(gè)原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)次黃嘌呤含量的檢測(cè)此傳感器對(duì)次黃嘌呤的檢測(cè)范圍為10～2 000 μmol·L-1,具有高靈敏度和高選擇性,在食品分析檢測(cè)次黃嘌呤和水產(chǎn)品新鮮度方面具有巨大前景。

Chen 等[63]設(shè)計(jì)了一款測(cè)定水產(chǎn)品新鮮度的多彩比色生物傳感器。在XOD 作用下次黃嘌呤被分解產(chǎn)生過(guò)氧化氫,而后過(guò)氧化氫通過(guò)Fe2＋誘導(dǎo)蝕刻金納米棒形成不同尺寸,由于金納米棒局域表面等離子體共振的作用導(dǎo)致傳感系統(tǒng)顏色豐富多彩的變化,從而實(shí)現(xiàn)以肉眼觀察直接半定量檢測(cè)次黃嘌呤濃度的目的。該傳感器的檢測(cè)范圍為0.05～0.63 mmol·L-1,能夠通過(guò)肉眼觀察系統(tǒng)的顏色評(píng)估魚(yú)的新鮮度,以光學(xué)可視化方法替代電化學(xué)電極等設(shè)備,為未來(lái)該領(lǐng)域傳感器的發(fā)展提供了新的方向。

Ye 等[64]設(shè)計(jì)了一種用于水產(chǎn)品中組胺檢測(cè)的電化學(xué)阻抗免疫傳感器。將組胺抗體固定在納米多孔氧化鋁膜上,組胺存在條件下納米氧化鋁膜上會(huì)發(fā)生免疫反應(yīng)導(dǎo)致傳感器阻抗響應(yīng),阻抗的變化與組胺的含量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性。這是一種具有高靈敏度、高特異性的傳感體系。此外,用抗體替代穩(wěn)定性較差的酶作為生物識(shí)別元件,也為水產(chǎn)品新鮮度快速檢測(cè)用生物傳感器的制作提供了一種新的思路。

5 結(jié)論與展望

綜上,生物傳感器憑借其高效、操作簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境友好以及可直接檢測(cè)水產(chǎn)品腐敗引起的化學(xué)成分變化等優(yōu)勢(shì)在水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用方面受到了廣泛關(guān)注。納米材料是目前水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用生物傳感器的研究熱點(diǎn),因其強(qiáng)化了傳感器的性能,拓展了新鮮度檢測(cè)生物傳感器的類型。但是目前所設(shè)計(jì)的水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用生物傳感器在檢測(cè)范圍、靈敏度、抗干擾能力、重現(xiàn)性、造價(jià)或重復(fù)使用率等方面仍存在一定的不足。隨著新型納米材料的不斷發(fā)現(xiàn)以及測(cè)試技術(shù)、微流控技術(shù)、紙基芯片和人工智能等技術(shù)的不斷突破,生物傳感器將進(jìn)一步發(fā)展,走出實(shí)驗(yàn)室,真正應(yīng)用于市場(chǎng)。

當(dāng)前生物傳感器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)次黃嘌呤、黃嘌呤、尿酸、組胺、腐胺等物質(zhì)的快速檢測(cè),針對(duì)不同的水產(chǎn)品建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)模型有效判斷新鮮度也是未來(lái)水產(chǎn)品新鮮度評(píng)估研究的一個(gè)前進(jìn)方向。此外,多檢測(cè)指標(biāo)的融合必然更加貼合水產(chǎn)品實(shí)際新鮮度檢測(cè)和漁業(yè)生產(chǎn)需求,也是水產(chǎn)品新鮮度檢測(cè)用生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。