核酸適配體電化學傳感技術在食品安全中的應用

摘 要：本文論述核酸適配體、電化學傳感技術等的原理和特點，并分析核酸適配體電化學傳感技術在食品中塑化劑等污染物、赭曲霉毒素A等真菌毒素、卡那霉素和氯霉素等抗生素檢測中的應用。通過探討核酸適配體電化學傳感技術的高特異性、高靈敏度和快速檢測等優(yōu)點，提出篩選穩(wěn)定核酸適配體、優(yōu)化電極材料、高通量篩查等發(fā)展方向，以期為核酸適配體電化學傳感技術在食品安全中的進一步應用提供有益參考。

關鍵詞：核酸適配體；電化學傳感器；食品安全

Application of Aptamer Electrochemical Sensing Technology in Food Safety

LIU Huan1，2，3， WANG Enting4， CHEN Yujiao5， LUO Xiaofang4*， LIU Fangjing1，3， DING Long6

（1.Chongqing Institute for Food and Drug Control， Chongqing 401121， China; 2.Bioengineering College， Chongqing University， Chongqing 400044， China; 3.Key Laboratory of Condiment Supervision Technology for State Market Regulation， Chongqing 401121， China; 4.Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection， Chongqing 401121， China; 5.Jinfeng Laboratory， Chongqing 401329， China; 6.College of Food Science and Engineering， Northwest Aamp;F University， Xianyang 712100， China）

Abstract： This paper discusses the principle and characteristics of aptamer and electrochemical sensing technology， and analyzes the application of aptamer electrochemical sensing technology in food detection of plasticizers， mycotoxins such as oclatoxin A， kanamycin and chloramphenicol. By discussing the advantages of high specificity， high sensitivity and rapid detection of aptamer electrochemical sensing technology， the development direction of screening stable nucleic acid aptamer， optimizing electrode materials and high throughput screening is proposed， in order to provide useful reference for further application of nucleic acid aptamer electrochemical sensing technology in food safety.

Keywords： aptamer; electrochemical sensor; food safety

1 核酸適配體電化學傳感技術的原理和特點

1.1 核酸適配體的特性

核酸適配體是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術（Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment，SELEX）篩選獲得的能夠特異性與目標分子結合的單鏈脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）或核糖核酸（RibonucleicAcid，RNA）分子。與傳統(tǒng)抗體相比，核酸適配體能夠與目標分子形成穩(wěn)定的三維結構，具有高特異性、識別能力和穩(wěn)定性[1]，同時可以在核酸序列上進行各種化學修飾，便于與傳感器結合。

1.2 核酸適配體文獻情況

以“核酸適配體”或“Aptamer”為檢索詞，在中國知網(wǎng)資源總庫中進行檢索，檢索到2020—2024年每年的期刊文獻數(shù)量在1 866～2 411篇，每年發(fā)表的文章數(shù)量基本保持穩(wěn)定。詳見圖1。

通過分析文獻發(fā)現(xiàn)，核酸適配體的研究技術方向主要包括新型適配體的篩選和應用、檢測策略的優(yōu)化以及傳感器的開發(fā)等。新型適配體的篩選和應用主要是針對不同類型的物質(zhì)，篩選高特異性的核酸適配體，以提高檢測的靈敏度和選擇性[2]。檢測策略的優(yōu)化即通過引入信號放大技術、目標循環(huán)放大等策略，提高檢測的靈敏度。傳感器的開發(fā)即利用核酸適配體的特異性，開發(fā)能夠同時檢測多種物質(zhì)的傳感器，進一步滿足實際應用需求。

1.3 電化學傳感技術的基本原理

電化學傳感技術是利用被測物質(zhì)與傳感器接觸而產(chǎn)生電化學反應，引起電流、電位或阻抗等信號變化的基本原理，通過監(jiān)測信號的變化情況，從而達到檢測目標物質(zhì)的目的。常用的電化學檢測方法包括伏安法、電位法和電化學阻抗譜法。伏安法通過測量電流與電位之間的關系，獲取目標物質(zhì)的濃度信息。鄧曉春等[3]采用煅燒法制備氮摻雜石墨相氮化碳（N/g-C3N4），再用滴涂法將此復合材料負載于玻璃碳電極（Glassy Carbon Electrode，GCE）表面，構建了N/g-C3N4/GCE電化學傳感器，同時將該傳感器用于檢測地表水中的磺胺甲噁唑，采用伏安法測定其加標回收率在94.20%～104.55%，相對標準偏差為3.61%。電位法主要是測量電極電位的變化從而達到測定食品中目標物質(zhì)含量的目的。信建豪等[4]通過研制咖啡因聚氯乙烯玻璃涂膜電極測定電池電動勢等，實現(xiàn)食品中咖啡因含量的快速測定，響應范圍在3.0×10-6～1.0×10-2 mol·L-1，斜率為

59.6 mV/pC，回收率在91.1%～107.1%。電化學阻抗譜法是一種通過測量電極界面的阻抗變化來提供界面過程動態(tài)信息的電化學分析技術。王琪[5]通過電化學阻抗譜法，實現(xiàn)了對有機農(nóng)藥噻嗪酮在玻碳電極上電還原行為的定性分析。

1.4 核酸適配體電化學傳感器的構建

核酸適配體電化學傳感器主要由工作電極、核酸適配體和信號轉換元件組成，通常通過如金納米粒子、碳納米管、石墨烯等物質(zhì)對工作電極進行修飾，以此提高傳感器的靈敏度，再通過共價鍵合、物理吸附或生物素-親和素相互作用等方式，將核酸適配體固定在電極表面，然后通過目標物與適配體結合后引起的電化學信號的變化，實現(xiàn)對目標物質(zhì)的測定。核酸適配體電化學技術在食品檢測中應用較為廣泛。

2 核酸適配體電化學傳感技術的應用

2.1 塑化劑等污染物的檢測

組胺是微生物代謝產(chǎn)物，通常出現(xiàn)在腐敗的食物中。張永芳等[6]通過將G-四鏈體和適配體5’端修飾的巰基和納米金共價結合，從而制備成DNA-金納米顆粒（Au Nanoparticles，AuNPs）復合物，將組胺靜電吸附在電極的表面，組胺與復合物中的適配體進行特異性結合，當組胺濃度為1×10-6～1×10-4 μg·mL-1時，檢測限為0.5 μg·mL-1，傳感效果較

好。塑化劑一種是廣泛使用的高分子材料助劑，又稱為增塑劑，主要用于提高塑料制品的柔韌性和可塑性，在建筑的塑料模板、醫(yī)療針管、食品包裝等多個領域產(chǎn)品中都有應用[7]。塑化劑中最常見的鄰苯二甲酸酯類（Phthalate Esters，PAEs），是由鄰苯二甲酸酐與醇通過醇解反應形成苯環(huán)和兩個可塑非線性脂肪酸[8]，結構式如圖2所示[9]。陸琪[10]以鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（Di-（2-Ethylhexyl）Phthalate，DEHP）為研究對象，對DEHP進行核酸適配體篩選和電化學阻抗譜檢測方法開發(fā)，篩選核酸適配體Aptamer 31為識別元件，核酸適配體以金-巰鍵共價結合固定在金電極表面，當與DEHP發(fā)生特異性識別后，通過監(jiān)測阻抗信號的變化來測定DEHP的含量，測定其回收率在76.07%～141.32%。劉禹堯[11]通過將三維還原氧化石墨烯（3 Dimensional-Reduced Graphene Oxide，3D rGO）和鎳鐵氰納米粒子（Nickel Hexacyanoferrate Nanoparticles，NiHCF NPs）復合，合成NiHCF NPs-3D rGO雜化納米復合材料，在一定程度上提高了導電性，然后將經(jīng)過共價鍵修飾的DEHP適配體氨基與NiHCF NPs-3D rGO雜化納米復合材料結合，構建用于檢測DEHP的免標記電化學適配體傳感平臺，線性范圍為0.01～1 000.00 ng·L-1，檢出限為3.64 pg·L-1。

2.2 赭曲霉毒素A等真菌毒素的檢測

真菌毒素是真菌在食品中代謝所產(chǎn)生的產(chǎn)物，常見的真菌毒素有黃曲霉毒素、赭曲霉毒素等。陳文倩等[12]開發(fā)了一種基于核酸適配體與DNA長距自組裝的電化學傳感器，用于赭曲霉毒素A的檢測，傳感器的線性范圍為0.012～0.120 pg·mL-1，相關系數(shù)為0.992 25，檢出限為0.6 fg·mL-1。GOUD等[13]使用亞甲基藍氧化還原探針標記的適體作為信號片段，以功能性氧化石墨烯（Functional Graphene Oxide，F(xiàn)GO）為信號放大平臺，開發(fā)了一種電化學適體傳感器，線性范圍為0.05～6.00 ng·mL-1，檢出限為0.05 ng·mL-1。

2.3 卡那霉素和氯霉素等抗生素的檢測

卡那霉素是一種氨基糖苷類抗生素，可抑制蛋白質(zhì)的生物合成，對大腸埃希菌等有較好的藥物作用。馮榮榮[14]通過將納米金（Gold Nanoparticles，GNPs）/石墨烯（Graphene，GR）復合納米材料運用電化學共沉積法修飾在電極表面，將卡那霉素適配體雙鏈和帶巰基的探針單鏈固定在修飾電極表面，形成電化學傳感器，從而實現(xiàn)對牛奶中卡那霉素的檢測，卡那霉素的檢出限為0.03 pmol·L-1。氯霉素是一種廣譜抗生素，被列入《食品動物中禁止使用的藥品及其他化合物清單》。劉順等[15]通過改變電極修飾物，實現(xiàn)了對牛奶中氯霉素的檢測，其通過石墨烯（Reduced Graphene Oxide，rGO）/銀納米粒子（Ag Nanoparticles，Ag NPs）復合物修飾電極，再與氯霉素核酸適配體組裝即可制得所需的生物傳感器，通過捕捉氯霉素在納米復合物的催化作用下產(chǎn)生的電化學信號，從而實現(xiàn)牛奶中氯霉素殘留的選擇性檢測。

3 結語

目前，核酸適配體電化學傳感技術在食品檢測中優(yōu)勢凸顯。其優(yōu)勢主要包括核酸適配體具有較強的特異性和親和力，可以產(chǎn)生電化學放大的效應，提高傳感器的選擇性和靈敏度；樣品前處理過程簡單、響應速度快，適用于現(xiàn)場快速檢測，同時傳感器能多次利用[16-17]。雖然核酸適配體電化學傳感技術前期應用效果較好，但是實際中仍存在一定的局限性。例如，在復雜食品基質(zhì)中，適配體的使用可能會受到一定的影響；各類真菌毒素、污染物種類較多，而對應的核酸適配體的類別較少，無法實現(xiàn)所有項目的檢測；現(xiàn)行核酸適配體電化學傳感技術缺乏統(tǒng)一有效的檢測手段、方法以及評價體系，這在一定程度上也限制了產(chǎn)品的開發(fā)及技術推廣應用[18]。

為推動核酸適配體在食品中的檢測應用，可從以下4個方面進行考慮。①合理設計適配體序列，通過化學修飾或者分子生物工程技術，篩選優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的適配體。②進一步優(yōu)化電極材料，采用新型納米材料或者修飾加工技術，構建傳感性能更強、靈敏度更高的傳感器。③開發(fā)同時檢測多種指標的核酸適配體傳感方法，實現(xiàn)高通量檢測。④通過前序方法的開發(fā)、驗證，形成統(tǒng)一的標準和操作規(guī)范，實現(xiàn)便攜式、可視化的檢測產(chǎn)品和設備研發(fā)。核酸適配體電化學傳感技術在食品檢測中有廣泛的應用前景，通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新，相信能為食品安全監(jiān)管提供有力的技術支撐。

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基金項目：國家市場監(jiān)督管理總局科技計劃項目（2022MK109）；重慶市自然科學基金項目資助（CSTB2023NSCQ-MSX0806）；重慶市市場監(jiān)督管理局科研資助項目（CQSJKJ2020027）；重慶市科研機構績效激勵引導專項項目（cstc2020jxjl120007）。

作者簡介：劉歡（1990—），女，四川蒼溪人，碩士，工程師。研究方向：食品安全檢測。

通信作者：駱小方（1988—），女，河南安陽人，碩士，高級工程師。研究方向：食品安全檢測。E-mail： lynn2022cqu@163.com。