生物傳感器在食品檢測中的應(yīng)用

◎ 彭雪琦

（江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心（江蘇省理化測試中心），江蘇 南京 210000）

目前，生產(chǎn)工藝日趨復(fù)雜，造成食品儲存方式的不科學(xué)、食品安全事故的發(fā)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(jīng)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(jìn)的檢測技術(shù)對食品安全進(jìn)行監(jiān)督和管理。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)設(shè)備具有很強(qiáng)的專業(yè)性，并且價(jià)格昂貴，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速檢測，不能為食品安全監(jiān)督管理工作的實(shí)施提供高質(zhì)量的技術(shù)支撐。而生物傳感器檢測技術(shù)則具有穩(wěn)定、高效、實(shí)用性強(qiáng)、檢測快速準(zhǔn)確等優(yōu)勢，被廣泛地用于食品檢測中，可以為食品安全監(jiān)督管理提供良好的技術(shù)支撐。針對該現(xiàn)狀，本文對其進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)查和分析，以期對其應(yīng)用和發(fā)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(shù)是一門涉及生物、化學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的學(xué)科，能把生物物質(zhì)的含量轉(zhuǎn)化成電信號，從而實(shí)現(xiàn)對生物物質(zhì)的探測。生物傳感器指的是以固定化的生物物質(zhì)為敏感材料（如各種酶、微生物、細(xì)胞等生物活性物質(zhì)），并對其進(jìn)行識別，將所需感受的生物參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為電信號，進(jìn)而展開檢測的一類傳感器。在生物傳感系統(tǒng)中，生物膜的形成與固定以及傳感器的器件設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測的時(shí)候，待檢測的食品樣品會在擴(kuò)散作用下，進(jìn)入生物膜敏感層中，在經(jīng)過分子識別之后，會發(fā)生一系列生物學(xué)上的反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生出分子濃度、光電、熱等各種類型的信息，再由相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可量化和處理的電號，之后再經(jīng)過二次儀表和電極測出其電流值或電壓值，最后利用相關(guān)物理公式，將被檢測的物質(zhì)的量或濃度換算出。

1.2 生物傳感器檢測原理

1.2.1 循環(huán)伏安法

循環(huán)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(gè)三角形，在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行一次或者幾次的重復(fù)，從而在電極表面形成1個(gè)不斷變化的三角形，從而在一定的范圍內(nèi)，記錄下每一次的電位變化，從而形成1個(gè)完整的電壓曲線。在此基礎(chǔ)上，利用循環(huán)伏安法測得電極的參數(shù)，并判定其控制模式。

1.2.2 差分-脈沖伏安法

該方法與傳統(tǒng)的循環(huán)伏安方法不同，它的激勵波形為階躍式，而傳統(tǒng)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(jù)電流和濃度之間的關(guān)系，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行定量分析。

1.2.3 電流-時(shí)間關(guān)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(shí)間的變化進(jìn)行嚴(yán)密的觀測和記錄。將待測物質(zhì)添加到溶液中，隨著電流的增大，溶液的變化曲線呈現(xiàn)階梯狀，隨后逐步穩(wěn)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(jù)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(tài)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(gè)被發(fā)現(xiàn)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(jìn)行測量，到20世紀(jì)70年代晚期，它被開發(fā)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(nèi)的催化特性，實(shí)現(xiàn)對特定底物的反應(yīng)。將該特異性與變化線分析的快速和方便相結(jié)合，從而可以在含有多種有機(jī)物的生物試樣中，快速、高選擇性地將特定物質(zhì)進(jìn)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(jù)DNA或RNA鏈間的高度特異性互補(bǔ)雜交，對特定的物質(zhì)進(jìn)行分析。也可以通過有毒、有害物質(zhì)與DNA發(fā)生的反應(yīng)或作用，進(jìn)行毒性檢測、毒性篩選分析等。在食品和環(huán)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(yīng)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(huán)境監(jiān)測?？蓪Υ蠖惯M(jìn)行電生理學(xué)響應(yīng)，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(zhuǎn)基因石蠅可以用來檢測環(huán)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(jié)合起來，從而達(dá)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(jié)合的SPR生物傳感器，它可以用于食品抗生素、轉(zhuǎn)基因食品和生物毒素的檢測。

3 生物傳感器檢測技術(shù)

3.1 比率技術(shù)

本項(xiàng)目擬將比值技術(shù)引入生物傳感體系中，以比值技術(shù)為基礎(chǔ)，以參比物質(zhì)為基礎(chǔ)，采用比值技術(shù)，以參比比值、參考電勢、比值等作為測量指標(biāo)，以減少或消除信號的干擾，從而大幅提升檢測的準(zhǔn)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?qū)崿F(xiàn)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(zhì)進(jìn)行高質(zhì)量的分析，如,參比物質(zhì)的穩(wěn)定性好，對被測物無干擾和反應(yīng)，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(zhì)種類非常有限，并且其制作困難，限制了該技術(shù)的推廣和發(fā)展。

3.2 生物芯片技術(shù)

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(biāo)記的DNA或其他樣本分子進(jìn)行雜交，通過對每一個(gè)探針分子的雜交信號強(qiáng)度的檢測，獲得樣本分子的數(shù)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(chǔ)，將生化分析過程聚焦在芯片表面，實(shí)現(xiàn)對DNA、RNA與蛋白質(zhì)及其他生物組分的高通量、快速檢測。生物芯片技術(shù)已被廣泛地用于食品、醫(yī)藥、衛(wèi)生等領(lǐng)域。

3.3 水凝膠技術(shù)

由于其高彈性和類細(xì)胞外基質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)，使其在生物相容性上有顯著的優(yōu)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(fā)生改變[3]。若將其封裝于水凝膠內(nèi)，則可制成一種擁有“生命”的傳感裝置，用于活體探測，可實(shí)現(xiàn)對活體的精確監(jiān)測。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)主要采用吸附、滴涂或交聯(lián)等方式，利用分子間作用力對其進(jìn)行改性，但存在著穩(wěn)定性差、易發(fā)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(yīng)性能具有影響。

4 生物傳感器在食品檢測領(lǐng)域中的具體應(yīng)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(shù)，以實(shí)現(xiàn)對食物中葡萄糖含量的檢測，從而實(shí)現(xiàn)對果蔬中葡萄糖成分的快速、準(zhǔn)確的檢測，從而達(dá)到監(jiān)測果蔬發(fā)酵過程中葡萄糖成分含量、監(jiān)測其是否合法、是否有效的目的。近年，隨著生物傳感技術(shù)在食品中的廣泛運(yùn)用，人們對其進(jìn)行了快速、準(zhǔn)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(yīng)用生物傳感器檢測技術(shù)時(shí)，它具有電流變化快、底物選擇性好和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以在1.25~40.00 mmol·L-1的范圍內(nèi)快速檢測出食品中葡萄糖氧化酶相關(guān)物質(zhì)[4]。此外，本項(xiàng)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(bǔ)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(xiàng)營養(yǎng)指數(shù)。當(dāng)前，食品中維生素的檢測多采用電流型生物傳感器，僅能實(shí)現(xiàn)基于釀酒酵母的全細(xì)胞型生物傳感器[5]。

4.3 農(nóng)獸殘檢測

農(nóng)獸殘是一種在食物中殘留的農(nóng)藥和獸藥的含量，農(nóng)獸殘的測定受到了社會的高度重視，在食物中的農(nóng)獸殘的測定中，常用的方法就是利用生物傳感技術(shù)。王小明等在對農(nóng)藥進(jìn)行檢測時(shí)，將固定化乙酰膽堿酯酶作為識別原，利用化學(xué)發(fā)光儀器和微流控芯片相結(jié)合的方法，利用流動注射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)藥中有機(jī)磷農(nóng)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(shí)際樣本的測定。

4.4 真菌毒素檢測

食物儲存不合理，易產(chǎn)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(shù)，可實(shí)現(xiàn)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(jìn)行了分析，結(jié)果表明，用時(shí)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(shù)實(shí)現(xiàn)微生物毒素的快速檢測是一種可行的方法。

5 結(jié)語

綜上所述，食品安全檢測的品質(zhì)與人民的生活有很大的聯(lián)系，確保食品安全的檢驗(yàn)結(jié)果是非常重要的，有關(guān)部門要對生物傳感器技術(shù)在食品安全檢驗(yàn)中的運(yùn)用進(jìn)行嚴(yán)格的控制，對食品樣本的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的保存，從而提高生物傳感器在食品檢驗(yàn)中的功能和價(jià)值，確保食品的安全。