电化学免疫传感器在食品安全检测中的研究进展
发布时间:2018-04-19 09:58

电化学免疫传感器在食品安全检测中的研究进展

电化学免疫传感器在食品检测中的应用
2.1 真菌毒素的检测
真菌毒素是由真菌产生的小分子、高毒性次级代谢产物,通常以痕量形式存在于基质中,不表现为急性毒性,但具有蓄积性,长期摄入易引发癌症、突变及畸形,从而对人类安全造成威胁[16]。真菌毒素对农产品的影响广泛,尤其是谷物和谷物食品[17]。自20世纪60年代初首次发现黄曲霉毒素具有致癌作用以来,大多数国家以及欧盟已经制定了严格的预防措施以减少食品污染问题,并规定了食品中霉菌毒素的允许检出水平。现今,真菌毒素常用仪器分析方法,其通常需要复杂的仪器及样品前处理[18]。而真菌毒素的电化学生物传感器使用特异性抗体、适体、受体和分子印迹聚合物作为亲和配体,显示出潜在的用途[19]。
 
近年来,免疫传感器逐步成为真菌毒素快速检测最活跃的研究领域之一,具有重要的经济价值和社会价值。比如,周琳婷等[20]研发的黄曲霉毒素B1(AFB1)阻抗型电化学免疫传感器成功用于花生样品中AFB1的痕量检测,并且经考察该方法的灵敏度和稳定性均优于现有的文献报告。干宁等[21]研制了一种安培免疫传感器并用于小麦粉中AFB1的检测,响应电流与AFB1浓度在1.0~200 μg·L-1范围内呈良好的线性关系,此外组内组间变异系数均低于3.5%,回收率为97%~104%,检测限为0.3 μg·L-1,该传感器缩短了样品温育所需时间,为免分离一步测定AFB1的现场检测提供了可能性。Zhang等[22]构建了一种基于单壁碳纳米管/壳聚糖修饰电极(SWNTs-COOH/CS/GCE)用于AFB1检测的间接竞争型电化学免疫传感器,在最佳条件下,该方法的检测范围为0.01~100 ng·mL-1,检测限为3.5 pg·mL-1,并成功应用于实样玉米淀粉中AFB1的检测,与高效液相色谱法(HPLC)的检测结果高度一致,与传统检测方法相比较其灵敏度更高,操作更简易。张弦等[23-24]依据间接免疫竞争原理,将游离的赭曲霉毒素A(OTA)和赭曲霉毒素A-牛血清白蛋白(OTA-BSA)与一定量的OTA单克隆抗体竞争结合,成功研制了一种用于OTA快速测定的电化学免疫传感器,线性范围为0.01~100 ng·mL-1,检测限为4 pg·mL-1,低于意大利规定的最低检测值(0.5 μg·kg-1),该传感器将成为OTA在食品安全领域中实现快速定量检测的有力技术方法。Yang等[25-26]基于单壁碳纳米管/壳聚糖复合材料(SWNTs/CS)构建的电化学免疫传感器,可以高效特异地检测玉米样品中FB1的含量,线性范围为0.01~1 000 ng·mL-1,检出限可达2 pg·mL-1,远低于欧盟立法规定的最低检出限(2~4 mg·L-1)。此外,该传感器用于检测人为添加FB1以及天然污染FB1的玉米样品,均获得良好的回收率(96.34%~115.95%),且与HPLC的检测结果具有良好的一致性。该免疫传感器以其优异的灵敏性、特异性和重现性,将成为未来农业及食品安全领域中以市场为导向定量检测FB1的一种潜力工具。
 
2.2 抗生素残留的检测
抗微生物药物广泛应用于动物疾病的预防和治疗,同时还可以促进动物的生长并提高饲料的利用率。然而,科学文献表明可能存在动物源性食品中抗菌药物残留,使它成为一个公众关注食品安全的关键。因此,设计快速准确的动物源性食品中抗菌药物残留监测方法十分必要。许多国家已经制定了立法,以确保抗菌药物的残留量小于最大残留限量(MRL)。在这一背景下,近年来,电化学生物传感器以其独特的分析特性在食品安全领域引起了人们的特别关注[27]。以下对电化学生物传感器监测动物源性食品中抗菌药物残留的研究进展进行了简单概括。
 
近年来,抗生素生物传感器也取得了一定的发展,由于其灵敏度高、分析速度快、操作简便、易于集成和微型化、制作成本低廉等特点,已经被广泛应用于抗生素的检测研究中。其中用于检测抗生素的生物传感器主要有免疫传感器和酶生物传感器。例如,韩志钟等[28]构建青霉素酶-氧化苏木精修饰Au/ZnO/GN(PH-AZG)的电流型传感器在PBS水溶液(pH=7.0)中对青霉素钠检测线性范围为2.5×10-14~3.3×10-6mol·L-1,检出限达到1.5×10-14mol·L-1,并有较高的选择性和稳定性。同时还实现了对实际牛奶制品中低浓度青霉素钠的检测,在5×10-14~5×10-7mol·L-1范围内有显著的响应值。阙小华[29]用氧化石墨烯做基底,原位生成铂-石墨烯复合纳米材料,并作为小分子半抗原标记物,构建竞争型免疫传感器。在优化实验条件下, 该竞争型电化学免疫传感器电信号对四环素标准品浓度成反比变化,线性范围是0.05~100 ng·mL-1,检测限为6.0 pg·mL-1。Moraes等[30]制备了一种基于垂直排列的单壁碳纳米管(SWCNTs)电化学传感器,并用于左氧氟沙星的检测。该传感器利用π-π堆积作用将单链DNA(ssDNA)与SWCNTs进行杂化后,自组装于金电极表面。该有序组装的表面对左氧氟沙星的电氧化行为展现了良好的选择性和较高的电催化活性,检测限达到75.2 nmol·L-1。该电化学传感器已被成功应用于尿液中左氧氟沙星的检测。Borowiec等[31]合成了一种氮掺杂石墨烯修饰的纳米金复合材料(Au/N-G),滴涂于玻碳电极表面。氯霉素在该电化学传感器上的电化学行为表明Au/N-G具有良好的电子传递能力,有效提高了氯霉素检测的伏安响应,检测限为0.59 μmol·L-1。该Au/N-G电极制备过程简单快速,且具有良好的重复性与稳定性。在实际样品的检测中,该传感器对氯霉素滴眼液中氯霉素含量的检测结果(2.05 mg·mL-1)与传统的HPLC法(2.07 mg·mL-1)一致。Wang等[32]开发了一种基于AuNPs/cMWCNTs的新型分子印迹电化学传感器(MIECS),并应用于OLA的痕量检测。在优化条件下,MIECS对OLA具有高灵敏度和选择性,检测限为2.7 nmol·L-1,实际样品(猪肉和鱼肉)中检测OLA时,回收率高达80.7%~115.8%,相对标准偏差(RSD)小于11.4%。Xu等[33]利用多壁纳米碳管修饰玻碳电极构建简易且具有高灵敏度的电化学方法并用于喹乙醇的检测,检测范围与检测限分别为0.3~180 μg·mL-1、0.26 μg·mL-1,RSD为3.5%,在考察中展现了良好的重复性和抗干扰性。
 
2.3 农药残留的检测
有机磷农药(OPPs)、氨基甲酸酯类农药(CBs)、拟除虫菊酯类农药(PYRs)和三嗪类除草剂(TRZs)等农药可以消灭虫害从而增加谷物产量,目前在农业生产中比较常用[34]。但是大多数农药具有生物蓄积性风险和对人类的毒性相对较高的共性[35]。近年来,生物食品安全问题越来越受关注,农药残留成为危害食品安全的重要问题之一,这对快速检测农药残留提出高要求,研究方便、快捷的检测农药残留方法已成为当务之急[36]。生物传感器技术作为一种新的检测分析仪器,在食品检验的领域具有广阔的应用前景[37]。
 
有机磷农药由于在环境中的半衰期较短,对哺乳动物毒性相对较低,应用范围广泛,价格低廉等优点,占据了绝大多数市场[38]。Mehta等[39]基于功能化的石墨烯量子点构建了丝网印刷电化学免疫传感器,并用于硫磷的测定,线性检测范围是0.01~106 pg·mL-1,检测限为46 pg·mL-1,对其稳定性、响应重现性和再生性的考察充分支持了它潜在的实用性。Liu等[40]将单壁碳纳米管与重氮盐分子修饰电极,通过修饰材料表面稳定的共价键将对氧磷单克隆抗体涂层稳定修饰到电极表面,从而成功构建了基于芳香重氮盐单分子层和单壁碳纳米管修饰的对氧磷电化学免疫传感器。该传感器具有较强的特异性和很高的灵敏度,检测范围为2~25 000 ng·mL-1,检出限可达2.0 ng·mL-1,能实现对氧磷的现场检测,具有较大的市场应用潜力。再如,Belkhamssa等[41]研发了一种快速、一次性、无标记免疫传感器用于莠去津除草剂的测定,在最佳条件下,线性范围为0.001~10 ng·mL-1,检测限为0.001 ng·mL-1,回收率为87.3%~108.0%,并且可用于环境中莠去津的低浓度检测。
 
2.4 致病菌的检测
对细菌细胞检测分两种:(1)检测特定的细菌种类或菌株,(2)总菌数,即样品中所有种类的细菌总数。检测特异性细菌和细菌总数与细菌细胞壁的分子相互作用有关。在大多数革兰阴性细菌中富含肽聚糖、蛋白质、脂多糖(LPS)以及支链酸(主要是革兰阳性细菌)。特异性细菌的检测依赖于特异性分子受体(抗体/适配体)与细菌抗原(细胞壁上的蛋白质和脂多糖)的结合。而计细菌总数利用了细菌之间的共性,例如静电作用下细菌细胞壁的表面电荷特性,或细菌细胞壁上的糖类与糖类结合分子(凝集素或硼酸)。细菌细胞壁含有细菌抗原(特定细菌种类或菌株特有的蛋白质和脂多糖),这种抗原可以被特定的抗体或适配体识别。将相应的抗体/适配体作为分子受体与纳米材料结合从而实现特定细菌的检测。利用两个不同吸光度的mNPs,如金纳米棒(AuNRs),可在30 min内对多种细菌(如大肠杆菌和鼠伤寒沙门菌)进行多重检测(10~108 cfu·mL-1),该设计提供了快速、简单的混合检测方法。结合QDs或MNPs的抗体被用于湖水样品中大肠杆菌、食品样品中金黄色葡萄球菌、食物提取物或复合液体(牛奶、血清、尿液)中鼠伤寒沙门菌的检测[42-45]。
 
2.5 其他物质的检测
电化学生物传感器因其具有操作简单、响应时间短、灵敏度高、成本低等诸多优势,在临床分析(标记物、肿瘤细胞、病毒)[46-47]的快速检测中的应用也渐渐发展起来,近几年尤盛。相关情况见表 1。

3 总结与展望
作者综述了纳米粒子支持和增强免疫化学生物传感领域的最新进展、挑战和发展趋势。该研究主题展现了跨学科的科研努力,即将纳米粒子独特的电子、磁性、光学、催化和力学特性与具有优秀识别功能的生物元件(如抗体)结合起来的应用研究,介绍了纳米材料广泛的应用背景,并讨论了纳米粒子在免疫传感中的作用。此外,本文还主要对近几年电化学免疫传感器在生物学领域中分子水平、细胞水平的物质检测的应用情况进行了概括,虽然免疫分析技术在三十多年前就已出现,但是现在仍有很多研究者致力于电化学免疫分析及免疫传感器的研究。免疫分析技术与电化学检测相结合的体系是更简单、更快、更经济的拥有高灵敏度、高特异性的分析方法,但该方法存在稳定性差、装置构成复杂等缺点,使其在现场检测和便携优势还未充分发挥作用。
目前,该领域的研究人员似乎集中精力于传感器最佳性能限制的实现,即小分子水平上的最低检测阈值。然而,其他易被忽略的方面也是至关重要的,比如整个分析过程持续时间(从样品的分析到结果的读取)长。高灵敏度和极低的测量浓度确实是很好的指标,但它们应始终与实样中的实际需要和样品中分析物的现有水平进行比较。
所以,我们至少需要从三个方面进行考虑:(1)克服抗原抗体在电极表面固载的稳定性问题,选取合适的结合方法提高电极表面抗原抗体的稳定性;(2)保持探针稳定优异的功能化性能使得对物质的检测更加精确稳定;(3)把理想实验室条件下的检测结果实际应用到实样的检测中去,实现便携式的快速检测技术的市场化需求。总之,希望在不久的将来免疫传感器技术在各领域中都有长足的发展,使得人们食有所保。