應(yīng)用生物傳感器檢測(cè)食品中食源性致病菌的研究進(jìn)展

萬(wàn) 峰，吳雅靜

（海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

民以食為天，食以安為先，食品安全是目前政府和人們最關(guān)心的問(wèn)題之一。近十年來(lái)，全世界的食品安全問(wèn)題層出不窮，其中一個(gè)重要因素是來(lái)自于食源性致病菌的污染。這些能夠引起中毒或疾病的微生物包括沙門氏菌、大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和金黃色葡萄球菌等常見(jiàn)致病菌，它們大多通過(guò)食物傳播，且有著非常強(qiáng)大的自我擴(kuò)散能力[1]。食品在采集、加工、運(yùn)輸、貯藏等環(huán)節(jié)極易受到這些微生物的污染。而剛被污染的食品通常沒(méi)有明顯的食品屬性變化，感官評(píng)價(jià)檢驗(yàn)極難發(fā)現(xiàn)。人一旦攝入被污染的食品，較為典型的癥狀就是腹瀉，重則甚至?xí)：ι踩?。由此可?jiàn)，在攝食前，對(duì)于食品中的食源性致病菌的檢驗(yàn)尤為重要。但傳統(tǒng)的菌落分離培養(yǎng)計(jì)數(shù)法不僅檢出速度慢，而且靈敏度低，不能實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)快速監(jiān)控[2]。因此亟需尋找一種簡(jiǎn)便、高效、快速的檢測(cè)方法。

目前較常用的手段有依賴DNA 體外擴(kuò)增原理或利用相關(guān)細(xì)菌的特異性基因來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)食源性致病菌快速檢驗(yàn)的PCR 檢測(cè)、基因芯片等分子技術(shù)，以抗原與抗體的特異型反應(yīng)為基礎(chǔ)建立的ELISA 檢測(cè)、膠體金免疫層析等免疫學(xué)技術(shù)[3]，這些現(xiàn)代化技術(shù)雖能不同程度改進(jìn)傳統(tǒng)方式檢測(cè)的缺陷，但或多或少都存在不足之處，如試驗(yàn)成本高、操作技術(shù)要求高、方法不成熟等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著高新科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展及新材料的介入，生物傳感器已成為越來(lái)越多科學(xué)家用來(lái)檢測(cè)和監(jiān)控食品中食源性致病菌的一條有效途徑，該方法具有高特異性和高精度的同時(shí)又能高效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微生物且成本較低廉，克服了上述方法的缺陷，聯(lián)合目前常用的分子技術(shù)或免疫學(xué)技術(shù)更是表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，在食品安全領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值，因此新型傳感器的開(kāi)發(fā)吸引了眾多科研工作者的目光。

本文主要對(duì)生物傳感器原理、類型以及幾種目前常用生物傳感器在檢測(cè)食品中食源性致病菌的研究進(jìn)展等方面進(jìn)行系統(tǒng)綜述，闡述其在食品安全中的應(yīng)用和重要價(jià)值，并針對(duì)當(dāng)前生物傳感器存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和展望，以期為開(kāi)發(fā)新型生物傳感器和建立快速檢測(cè)食源性致病菌體系奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 生物傳感器簡(jiǎn)述

生物傳感器是由生物感受器（識(shí)別元件）和換能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的一種分析檢測(cè)工具。其原理基于包含多種生物活性材料（酶、抗體、抗原、核酸等）的生物感受器與待檢測(cè)物質(zhì)發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的濃度信號(hào)，由換能器轉(zhuǎn)換成可定量處理的電信號(hào)等其他信號(hào)，經(jīng)二次儀表放大輸出，從而獲得待檢物數(shù)量和濃度的信息[4]。具體來(lái)說(shuō)就是目標(biāo)分析物能夠與抗原或抗體、酶、核酸、受體或噬菌體等生物識(shí)別元件特異性結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生生物信號(hào)經(jīng)過(guò)基于電化學(xué)、光學(xué)、壓電、磁力和溫度等一種或多種技術(shù)結(jié)合而設(shè)計(jì)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換器（即換能器）輸出可供檢測(cè)的電信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析處理便可得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

生物傳感器按識(shí)別元件可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器和免疫傳感器等，識(shí)別元件是傳感器的關(guān)鍵。按換能器類型不同又可分為電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器、熱學(xué)生物傳感器和光學(xué)生物傳感器（圖1）[5]。在各種類型的傳感器中，電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器和光學(xué)生物傳感器結(jié)合不同的識(shí)別元件在食品檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛且具有良好的發(fā)展前景。

圖1 傳感器的組成和分類[5]Fig.1 Components and classification of biosensor[5]

2 生物傳感器在食源性致病菌檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 電化學(xué)生物傳感器

電化學(xué)生物傳感器是生物傳感器發(fā)展歷史上第一個(gè)報(bào)告的商業(yè)化生物傳感器[6]。其原理是利用電極作為換能元件，通過(guò)生物識(shí)別元件捕獲目標(biāo)分析物后在電極界面上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)從而引起生物傳感器表面發(fā)生電流、電位、阻抗或電導(dǎo)變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)這些電信號(hào)的變化來(lái)定量目標(biāo)分析物的濃度（圖2）[7]。故按最終測(cè)量信號(hào)的不同可將電化學(xué)生物傳感器分為阻抗型、電流型、電勢(shì)型和電導(dǎo)型4 種類型，其中阻抗型和電流型生物傳感器在檢測(cè)細(xì)菌方面應(yīng)用較多，而電勢(shì)型和電導(dǎo)型生物傳感器主要用于檢測(cè)病毒和微生物毒素，在實(shí)際應(yīng)用并不是很廣泛。

圖2 電化學(xué)生物傳感器的示意圖[7]Fig.2 Schematic representation of the electrochemicalbiosensor[7]

由于電化學(xué)生物傳感器研究相對(duì)較早同時(shí)也較其他傳感器更加成熟，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于研究開(kāi)發(fā)各種類型生物傳感器做了大量的工作并取得了一些重要的成果，基于電化學(xué)的DNA 方法，基于電化學(xué)抗體的方法，基于使用適配體、抗菌肽（Antimicrobial Peptides,AMP）和噬菌體作為識(shí)別元件來(lái)檢測(cè)食源性致病菌的研究越來(lái)越多。如表1 所示列舉了近5 年來(lái)電化學(xué)生物傳感器的重要研究和應(yīng)用。通過(guò)近年來(lái)的文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，一方面，識(shí)別元件多集中在對(duì)核酸和抗體的研究上，同時(shí)AMP 和噬菌體由于穩(wěn)定性高及對(duì)細(xì)菌的專一性強(qiáng)也越來(lái)越受到研究者的重視，具有潛在的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值；另一方面，根據(jù)實(shí)際需要，發(fā)展同時(shí)用于致病菌的多重檢測(cè)并能夠區(qū)分死細(xì)胞和活細(xì)胞的的電化學(xué)生物傳感器已成為新的趨勢(shì)。此外，如何提高電化學(xué)傳感器的靈敏度、特異性、高效性也是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，其關(guān)鍵在于固定在電極表面的電極材料是否能夠與生物識(shí)別元件完美結(jié)合，所以研究者們致力于研究和獲取固定在電極表面的新型材料，其中碳基電極及碳納米修飾材料是電化學(xué)分析科學(xué)家所熱衷研究的電極材料，如石墨烯、碳納米管等。還有報(bào)道關(guān)于對(duì)電化學(xué)生物傳感器的處理組件、分析系統(tǒng)、設(shè)備包裝等的設(shè)計(jì)和改進(jìn)以提高對(duì)樣品檢測(cè)的特異性和準(zhǔn)確度或通過(guò)附加操作賦予傳感器更多的功能性，為電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展提供了更多的選擇[8]。如Wang 等[9]開(kāi)發(fā)了一種基于磁珠與叉指型電極和酶反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合的電化學(xué)阻抗免疫傳感器，用于大腸桿菌O157:H7 檢測(cè)，靈敏度和重復(fù)性較好。

表1 近五年來(lái)電化學(xué)生物傳感器在食品中的研究和應(yīng)用Table 1 Research and application of electrochemical biosensors in food in the past five years

2.2 光學(xué)生物傳感器

光學(xué)檢測(cè)使用化學(xué)發(fā)光，顯色或熒光等光信號(hào)來(lái)定量目標(biāo)化合物的濃度。目前常用的技術(shù)有比色、熒光、化學(xué)發(fā)光、表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）、表面等離子體共振成像（Surface Plasmon Resonance imaging,SPRi）技術(shù)和表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS）等。比色生物傳感器可以使人們通過(guò)觀察反應(yīng)液顏色的變化即時(shí)地檢測(cè)到致病菌的存在。利用樣品在濾紙或膜中因毛細(xì)作用流動(dòng)擴(kuò)散以及通過(guò)金納米顆粒（Au NPs）聚集而產(chǎn)生顏色的變化，杜邦公司生產(chǎn)的基于側(cè)流層析檢測(cè)（Lateral Flow Assay,LFA）的生物傳感器以及梅里埃生物公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品分別可以在10 min 內(nèi)通過(guò)特異性抗體檢測(cè)大腸桿菌O157:H7、沙門氏菌、李斯特菌和在15 min內(nèi)檢測(cè)出鏈球菌及嗜肺軍團(tuán)菌[31]；Park 等[32]開(kāi)發(fā)了一種集成的螺旋微流控系統(tǒng)，用于檢測(cè)污染的水和牛奶中的鼠傷寒沙門氏菌和副溶血性弧菌，在80 min內(nèi)達(dá)到的最佳檢測(cè)限是50 CFU/mL。熒光生物傳感器是指通過(guò)熒光染料、量子點(diǎn)（Quantum Dot,QDs）或其他具有熒光效應(yīng)的材料“標(biāo)記”被檢測(cè)物體，并以熒光信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)的一類生物傳感器。Wang等[33]將金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌特異性的適配體修飾在NaYF4:Ce/Tb 和NaGdF4:Eu 納米材料以及納米磁珠上設(shè)計(jì)了一種生物傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種致病菌的定量檢測(cè)；化學(xué)發(fā)光生物傳感器是基于化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為換能反應(yīng)而研發(fā)的，最常見(jiàn)的化學(xué)發(fā)光生物傳感器基于三磷酸腺苷（ATP）感應(yīng)，幾乎所有生物都會(huì)產(chǎn)生ATP 作為主要能量存儲(chǔ)分子，通過(guò)生物發(fā)光或酶促反應(yīng)來(lái)檢測(cè)ATP 發(fā)光。如Kim 等[34]建立了光熱裂解ATP 生物發(fā)光生物傳感器用于快速、靈敏地檢測(cè)多種致病菌；SPR 生物傳感器是依據(jù)光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生反射形成的消逝波與介質(zhì)表面等離子波發(fā)生共振，從而引起反射光強(qiáng)度的大幅度減弱且受介質(zhì)界面折射率的影響，將生物識(shí)別分子結(jié)合在金屬表面，通過(guò)影響這種光學(xué)現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。目前，已有多種商業(yè)傳感器研發(fā)上市，如SPREETA 和BIACORE 3000 等已被廣泛用于檢測(cè)食品中大腸桿菌、腸炎鏈球菌、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌。SERS 檢測(cè)原理主要是依賴于拉曼散射效應(yīng)而產(chǎn)生的指紋圖譜被由特殊材料制備的樣品表面的電磁場(chǎng)增強(qiáng)信號(hào)而達(dá)到特定實(shí)時(shí)檢測(cè)的一種方法。

Yoo 等[35]綜述了2016 年以前已應(yīng)用于檢測(cè)微生物的一些重要光學(xué)傳感器，討論了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和開(kāi)發(fā)策略提出建議。在最近的研究中，Zhou 等[36]設(shè)計(jì)了一種基于AMPs 的光纖SPR，可以檢測(cè)水、水果和蔬菜汁中大腸桿菌O157:H7。在這一研究中，均勻?qū)拥你y納米顆粒還原的氧化石墨烯（AgNPs-rGO）納米復(fù)合材料在金膜層之前被固定在光纖上，大大增強(qiáng)了SPR 響應(yīng)。Masdor 等[37]研究了一種SPR 技術(shù)，使用特定的多克隆抗體作為識(shí)別元素，用于檢測(cè)食品樣品中的空腸彎曲桿菌。Tokel 等[38]開(kāi)發(fā)了一種便攜式，多重且廉價(jià)的微流體集成SPR 平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌快速定量檢測(cè)。Aura 等[39]報(bào)道了一種金納米顆粒（AuNPs）增強(qiáng)的表面等離子體共振成像（SPRi）生物傳感器，用于快速靈敏地檢測(cè)金黃色葡萄球菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌。相似地，Morlay 等[40]開(kāi)發(fā)了一種基于SPRi 技術(shù)的生物傳感器用來(lái)特異性檢測(cè)單核細(xì)胞增生李斯特氏菌的免疫傳感器，30 min 內(nèi)即可對(duì)完成萵苣樣品中病原菌的檢測(cè)。Duan 等[41]最近報(bào)道了一種基于納米金顆粒修飾聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜作為增強(qiáng)拉曼散射的活性基質(zhì)與適配體（Apt）結(jié)合后形成Apt-Au-PDMS 三明治夾心復(fù)合物為探針的新型SERS 傳感器方法可同時(shí)快速檢測(cè)的海鮮樣品中的副溶血性弧菌和沙門氏菌，檢測(cè)限分別為18 和27 CFU/mL，目標(biāo)菌的回收率為82.9%～95.1%。

光學(xué)生物傳感器與電化學(xué)傳感器的主要識(shí)別元件大體相似，其中以抗體、核酸和酶報(bào)道居多，材料的折射率是提高SPR 傳感器靈敏度的關(guān)鍵，目前較理想的材料就是納米顆粒，通常選擇表面修飾Au 納米顆粒，能夠提高顆粒的分散性，增強(qiáng)光學(xué)傳感的表面積，提供更多的結(jié)合位點(diǎn)。較電化學(xué)生物傳感器來(lái)說(shuō)，光學(xué)生物傳感器最顯著的優(yōu)勢(shì)就是可開(kāi)發(fā)用于現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)的可視化生物傳感器，微流控和光學(xué)一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，使開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)變得更加可行。此外，前人已對(duì)基于智能手機(jī)系統(tǒng)研發(fā)的既有光源又有光檢測(cè)器的生物傳感器研究開(kāi)發(fā)多年，既可以提供簡(jiǎn)單使用界面又可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)[31]。由于不同類型的光學(xué)生物傳感器有各自的優(yōu)勢(shì)，為了提高檢測(cè)的靈敏度和特異性，在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)的生物傳感器并不是使用單一技術(shù)，往往包含多種光學(xué)手段?？梢暬鈱W(xué)生物傳感器是今后研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

2.3 壓電生物傳感器

壓電生物傳感器是指基于壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的生物傳感器，由于其簡(jiǎn)單和低成本而廣泛使用，其典型代表是聲表面波傳感器（Surface Acoustic Wave,SAW）和石英晶體微天平傳感器（Quartz Crystal Microbalance,QCM）。SAW 生物傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)以及聲表面波特性受環(huán)境因素影響這一原理而制成的；QCM 生物傳感器的原理是將分析物結(jié)合在晶體傳感器表面而引起石英晶體共振頻率的變化，共振頻率取決于與傳感器表面結(jié)合的分析物的質(zhì)量，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地檢測(cè)微量分析物濃度[42]。Shen 等[43]研究了基于免疫磁性納米粒子（Beacon Immunomagnetic Nanoparticles,BIMP）的QCM 傳感器，可以高特異性，高穩(wěn)定性地成功檢測(cè)出牛奶中的大腸桿菌O157:H7，檢出限為53 CFU/mL，整個(gè)過(guò)程僅用了4 h。Masdor 等[44]設(shè)計(jì)納米粒子增強(qiáng)的QCM 生物傳感器用于檢測(cè)空腸彎曲桿菌，通過(guò)晶體表面固定的抗體來(lái)特異性識(shí)別空腸彎曲桿菌。Dong等[45]開(kāi)發(fā)了基于AMPs 的QCM 方法進(jìn)行檢測(cè)水體中的大腸桿菌O157:H7，檢出限為400 CFU/mL，10 min 之內(nèi)即可完成快速檢測(cè)。Yu 等[46]構(gòu)建了基于ssDNA 適配體的QCM 傳感器，能夠與大腸桿菌O157:H7 特異性結(jié)合，檢測(cè)限和檢測(cè)時(shí)間分別為1.46×103CFU/ml 和50 min。在對(duì)食源性致病菌檢測(cè)的研究中，大部分集中在QCM 生物傳感器上，SAW 在食品中的應(yīng)用較少，盡管尚未報(bào)道便攜式SAW 生物傳感器，但基于SAW 的設(shè)備是用于病原體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是較有前途的工具，對(duì)其研究?jī)r(jià)值不可忽視。Xu 等[47]采用覆蓋膜材料對(duì)SAW 傳感器定量檢測(cè)金黃色葡萄球菌作了對(duì)比研究，結(jié)果表明勒夫波（Love Wave）檢測(cè)可以得到高靈敏度和低檢測(cè)限的結(jié)果，但諧振器損耗大、品質(zhì)因數(shù)低?；诖朔N情況，齊曉琳等[48]采用叉指電極中間內(nèi)置敏感區(qū)域的諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型SAW 傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌實(shí)時(shí)特異性檢測(cè)。

鑒于由壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的生物傳感器具有較高的靈敏度，即使目前在食源性致病菌檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，但有充分的理由相信它在未來(lái)食品安全中將占有一席之地。為了更好地提高檢測(cè)性能，在現(xiàn)有研究中，壓電傳感器常需要與其他技術(shù)結(jié)合，將各種方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)以發(fā)揮最優(yōu)功效。例如，電化學(xué)、光學(xué)原理與壓電技術(shù)相結(jié)合可以獲得更多的樣品檢測(cè)信息。

2.4 其他生物傳感器

此外，還有一些其他生物傳感器如半導(dǎo)體感器、磁力傳感器、微流控系統(tǒng)集成的生物傳感器、核磁共振生物傳感器也在病原菌檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用[49]。這類生物傳感器基于最新的科技手段，具有靈敏度好、特異性強(qiáng)和快速高效等特點(diǎn)，其在致病菌檢測(cè)和監(jiān)控應(yīng)用方面的前景非?？捎^。相信隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，將不斷涌現(xiàn)出越來(lái)越多新型生物傳感器應(yīng)用到食源性致病菌的檢測(cè)。

3 商業(yè)化生物傳感器

近年來(lái)，生物傳感器因具有優(yōu)越性能而在食品以及醫(yī)療領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在醫(yī)療方面，生物傳感器主要用作藥物分析、診斷和監(jiān)測(cè)腫瘤、自動(dòng)檢測(cè)血糖等；在食品工業(yè)中，與生物傳感器相關(guān)的主要集中在食品安全檢測(cè)和監(jiān)管方面，包括致病菌的快速檢測(cè)和食品中農(nóng)藥及毒素的殘留等，其中尤以在發(fā)酵乳制品、肉制品和蔬菜中的應(yīng)用最為廣泛，主要是由于乳制品和肉制品富含微生物生長(zhǎng)繁殖的蛋白質(zhì)，因此極易受到污染引起腐敗變質(zhì)，而在蔬菜中主要是檢測(cè)農(nóng)藥或毒素的殘留。據(jù)報(bào)道，越來(lái)越多具有快速、靈敏、專一、高效的生物傳感器被成功研發(fā)并投放到市場(chǎng)，截至目前全球市場(chǎng)已有超過(guò)幾十余種產(chǎn)品，并根據(jù)食品的特點(diǎn)結(jié)合傳感器的不同類型以達(dá)到對(duì)致病菌的精準(zhǔn)檢測(cè)。常見(jiàn)應(yīng)用于檢測(cè)食源性致病菌的商業(yè)化生物傳感器見(jiàn)表2。

表2 用于食品檢測(cè)常見(jiàn)的商業(yè)化生物傳感器Table 2 Maincurrently commercial biosensors in food detection

4 各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

雖然生物傳感器對(duì)于檢測(cè)食源性致病菌較傳統(tǒng)方法和其他一些檢測(cè)手段來(lái)說(shuō)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如靈敏度高、檢測(cè)快速等。但不可忽視的是它仍然存在著諸多問(wèn)題，其中最重要和最關(guān)鍵的就是穩(wěn)定性和精確度。不同類型的生物傳感器雖各有所長(zhǎng)但同時(shí)也有一定的缺陷，其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下（表3）。總體來(lái)說(shuō)，商業(yè)化的生物傳感器還是少之又少，目前正在研發(fā)和報(bào)道的傳感器仍然存在一些問(wèn)題有待解決：區(qū)分死菌和活菌能力。傳統(tǒng)的平板菌落計(jì)數(shù)法反映的活菌的數(shù)量，而多數(shù)生物傳感器往往檢測(cè)的死細(xì)胞和活細(xì)胞總的數(shù)量；檢測(cè)樣品有限。大部分生物傳感器只適用于檢測(cè)液體樣品，如牛奶，果汁或肉湯等，應(yīng)用于復(fù)雜食物可能會(huì)引起食物基質(zhì)的嚴(yán)重干擾；目標(biāo)菌的檢測(cè)較為單一，大部分生物傳感器只能檢測(cè)單一病原菌，而在食品質(zhì)量監(jiān)控中往往需要檢測(cè)多種微生物[53]。

表3 不同類型傳感器的比較Table 3 A comparison of the different types of biosensors

基于各類傳感器的特點(diǎn)和適用范圍，如何針對(duì)性地改進(jìn)和完善傳感器的性能仍需科研工作者為此不懈努力，將各類傳感器的優(yōu)勢(shì)更好地整合到一起需要進(jìn)一步積極探索和研究。

5 前景與展望

相較于傳統(tǒng)方法，生物傳感器技術(shù)操作簡(jiǎn)單，檢出速度快，已在食品檢測(cè)領(lǐng)域取得突破并日趨成熟，但由于抗干擾能力差，可靠性低及各種復(fù)雜的因素限制了其在病原菌檢測(cè)中的應(yīng)用，影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用，尤其是對(duì)于起步和發(fā)展較晚的我國(guó)來(lái)說(shuō)，許多方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)今尚無(wú)可靠的商業(yè)化傳感器走向市場(chǎng)，大量的基礎(chǔ)研究工作仍有待開(kāi)展。理想的傳感器的不僅要求靈敏度高，在短時(shí)間內(nèi)提供實(shí)時(shí)可靠的結(jié)果，而且能夠特異性區(qū)分復(fù)雜食品中的目標(biāo)細(xì)菌。如何提高傳感器的靈敏度和特異性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性、降低成本以及使其更加便攜化和智能化是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

解決生物傳感器目前存在的一些主要問(wèn)題的關(guān)鍵是要選擇更具體的受體和更靈敏的基質(zhì)材料，大量的文獻(xiàn)報(bào)道有越來(lái)越多的新型材料，如石墨烯、金屬納米粒子、分子印跡聚合物被應(yīng)用到生物傳感器上，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的納米技術(shù)、3D 技術(shù)、CRISPR 技術(shù)、微流體技術(shù)等就可能成功地構(gòu)建靈敏的生物分析工具，但同時(shí)還需要開(kāi)展更深層次的理論研究，以更好地理解新興材料與生物分子的相互作用機(jī)制。如何區(qū)分死菌體和活菌體，目前AMPs 和免疫磁球是一種有效的手段，基于AMPs 和免疫磁球方法研制的生物傳感器均有報(bào)道。在實(shí)際應(yīng)用中樣品組成非常復(fù)雜，為了避免干擾，用于檢測(cè)快速食品中病原菌的生物傳感器的開(kāi)發(fā)必須依賴于食品的類型和食品中所含的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如脂肪、蛋白質(zhì)和纖維。因此，在今后實(shí)際應(yīng)用中，可能需要為每種食品開(kāi)發(fā)特定的傳感器或特定的分析工具和取樣方法。關(guān)于樣品的預(yù)處理，多數(shù)文獻(xiàn)中沒(méi)有過(guò)多描述，需要明確的是大部分生物傳感器均需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，只有少數(shù)生物傳感器無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，液體樣本大多使用緩沖液稀釋、過(guò)濾或離心方法，更復(fù)雜的液體樣品也可能需要?jiǎng)驖{處理。動(dòng)物性食品樣本需要額外的步驟，通常是要在合適的溶液中消化，然后進(jìn)行離心、稀釋或過(guò)濾。因此，生物傳感器自動(dòng)化或便攜式預(yù)處理系統(tǒng)同樣是未來(lái)研究的重要方向，檢測(cè)設(shè)備趨向于小型化、簡(jiǎn)單化、成本低廉、高通量和集成多元化發(fā)展。此外，還有一些技術(shù)和手段尚處在起步階段，如納米顆粒碰撞電化學(xué)和智能包裝等，為開(kāi)發(fā)新一代的智能生物傳感器提供了新的思路。

綜上所述，生物傳感器技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)引起食源性致病菌檢測(cè)方法的變革與創(chuàng)新，在食品安全領(lǐng)域中有著巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。