生物传感器在食品安全快速检测中应用研究

收稿日期：2012–01–04 基金项目：国家自然基金项目（20876165）；河北省教育厅科学研究计划（2009329） 作者简介：石亚丽（1988~ ），女，硕士研究生，研究方向：粮油食品科学与安全技术。
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医药化工、生物医学、环境检测等方面有着广泛应用 前景。
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图 1 生物传感器工作原理
生物传感器是近 30 年发展起来一项新型分析测 量 技 术，是 生 命 科 学 与 电 子 信 息 学、纳 米 材 料 科 学、 食品安全科学等相互渗透、结合、交叉学科研究领域。 生物传感器因选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本 低、在复杂体系中能进行在线连续检测及活体在线检 测，特别是其高度自动化、微型化与集成化特点，使其 在近三十年获得快速发展，并在临床诊断、食品安全、
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生物传感器在食品安全快速检测中应用研究
石亚丽，袁 涛，任婷婷，李书国 （河北科技大学， 河北石家庄 050018） 摘 要：该文介绍生物传感器概念、工作原理、分类及特点，综述生物传感器在食品安全快速检测 中应用，分析目前生物传感器研究、开发及其在食品安全快速检测应用中存在主要问题、发展趋 势，并对生物传感器在食品安全快速检测研究、应用及产业化提出一些建议。 关键词：生物传感器；食品安全；食品分析；快速检测
生物传感器研究始于 20 世纪 60 年代，1967 年 Updike 和 Hicks 将葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜 和氧电极组装在一起，首先制成第一种生物传感器， 即葡萄糖酶电极〔2〕。但实验过程和使用时注意到酶 电极寿命一般都较短，提纯酶价格也较贵，而各种酶 多数均来自微生物或动植物组织，因此自然启发人们 研究酶电极衍生型：微生物电极、细胞器电极、动植 物组织电极及免疫电极等新型生物传感器，使生物传 感器类别大大增多。进入上世纪 80 年代后，随着离 子敏场效应晶体管不断完善，1980 年 Caras 和 Janafa 率先研制成功可测定青霉素酶 FET。生物传感器从 总体上可划分为三代，即第一代生物传感器以生物成 分截留在膜上或结合在膜上为基础，这类器件由透析 器（膜）、反应器（膜）和电化学转换器所组成，其实验 设备相当简单。第二代生物传感器是指将生物成分 直接吸附或共价结合在转换器表面上，从而可略去非 活性基质膜。第三代生物传感器是将生物成分直接 固定在电子元件上，例如在 FET 栅极上，可直接感知 和 放 大 界 面 物 质 变 化，从 而 将 生 物 识 别 和 电 信 号 处 理 集 合 在 一 起，这 种 放 大 器 可 采 用 差 分 方 式 消 除 干 扰〔1〕。 2 生物传感器在食品安全分析检测中应用
目 前，应 用 于 食 品 安 全 检 测 技 术 或 方 法 主 要 有 化学法、色谱法、酶法、免疫法和生物检测法等，这些 方法通常需使用较为复杂、昂贵仪器设备和相关预处 理，难以实现现场检测；而生物传感器应用提高分析 速度和灵敏度，使测定过程变得更为简便、快捷，易于 实现现场化、自动化，可大大提高食品安全监督检查 效率。目前国内外已广泛开展生物传感器在食品微生
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黄嘌呤（HX）、一磷酸肌苷（IMP）和肌苷（HXR）浓度， 从而评价鱼的鲜度等〔13〕。丙烯酰胺是含淀粉类食品 经高温焙烤、油炸时所产生一种对人体有害物质，对 其进行分析检测是近年研究热点，除液相色谱法外， Agata Stobiecka 等利用新型微生物传感器法测定薯片 中丙烯酰胺〔14〕；Agnieszka Krajewska 等在传感器基 础上，采用单壁碳纳米管 / 血红蛋白修饰玻碳电极测 定薯片中丙烯酰胺〔15〕。结果表明，生物传感器方法灵 敏度、精确度都要比色谱法高；且不需复杂前处理，操 作简单、仪器费用低。 2.2 在农产品、食品中农药、兽药残留快速检测中应用
reviewed. The main existing problems and developing trend of biosensors research，development and utilization in food safety were analyzed，some constructive suggestions were put forward in the end of this paper. Key words：biosensor；food safety；food analysis；rapid detection
Abstract：This paper briefly introduced the definition，operational principle，classification and distinguishing feature of biosensor. The utilization of biosensors in rapid detection of food safety was
物、农药、兽药残留、食品添加剂、激素、非食用化学物 质、重金属等检测方面应用研究工作，并已开发生产 可实际应用于食品安全检测生物传感器。如北京博奥 生物有限公司依靠其在生物芯片上强大实力开发出 用于食品安全检测传感器系统，可进行 2 种兽药和 13 种食源性致病微生物含量检测；瑞典 Biocore 公司已 推出用于检测蜂产品、肉制品、奶制品中微生物、抗生 素及食源性药物残留的多种生物传感器，检测效果非 常理想。 2.1 在食品品质指标分析中应用
Review on utilization of biosensor in fast detection technique of food safety
SHI Ya-li1，YUAN Tao，REN Ting-ting，LI Shu-guo （Hebei University of Science and Technology，Hebei Shijiazhuang 050018，China）
农产品及食品若加工或贮运条件不当，会发生品 质劣变，不但影响产品感官，如果指标超过国家食品 安 全 标 准 限 量 要 求，且 还 会 对 人 体 产 生 一 定 程 度 危 害，所以利用生物传感器快速测定食品安全指标对保 护消费者健康具有十分重要意义。Campanella 等研 究一种有机相过氧化氢酶传感器，可直接在 n– 癸烷 和甲苯中测定精制橄榄油中氢过氧化枯烯和丁酯过 氧化物含量〔3〕。Wang 等研究辣根过氧化物酶在有机 相介质中活性及酶电极对不同有机过氧化物催化活 性，并应用于测定植物油过氧化值〔4~8〕。Mannino 等 利用 Eastman AQ 聚合物膜包埋辣根过氧化物酶，以 二茂铁为电子介体，作为酶活性中心与电极表面电子 介体，构建有机相酶电极，用于快速流动注射分析检 测未经处理食用油样品中过氧化物（过氧化值）测定。 酶电极作为流动探测器，氯仿作为载体，HRP 酶电极 与油样中过氧化物反应迅速（仅需 15 秒），检测限约为 2.5ppm〔9〕。Li 等利用硅溶胶―凝胶法在碳糊电极表 面包埋固定化 HRP 制备电流型 HRP 酶电极，以二茂 铁作为电子介体在辣根过氧化物酶活性中心与电极 之间进行电子传递，并利用该酶电极测定有机相中过 氧化氢、过氧化月桂酰、丁酮过氧化物和特丁基过氧 化物等；其实验证明，硅溶胶―凝胶固定化 HRP 酶电 极在甲醇、乙腈和 2– 丙醇有机相溶液中具有良好稳定 性〔10〕。Garcia–Moreno 等研究聚 N 甲基吡咯―辣根 过氧化物酶修饰电极制备及其在测定有机相中有机 过氧化物应用，对过氧化二丁酮、特丁基氢过氧化物 线性检测范围分别为 5~8.5×10–6M、2~4.8×10–2M， 其最低检测限分别为 8.6×10–7M 和 3.2×10–5M；该电 流型聚 N 甲基吡咯―辣根过氧化物酶传感器可用于 生物样品、食品、药品中有机过氧化物检测分析〔11〕。 李 书 国 等 制 备 Nafion/MB/HRP 酶 电 极 应 用 于 植 物 油过氧化值检测，结果表明，检测灵敏度为 1.63×10–2 mol/L，最低检测限为 2.75×10–7 mol/L，该法无需任何 油样预处理程序，是一种简捷、方便测定过氧化值方 法，所需油样量小，有效避免因油样色泽或混浊对测 定结果干扰〔12〕。Volpe 等用氧化酶为生物敏感材料， 并结合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生次
生物传感器一般可按如下三种方式分类：根据生 物传感பைடு நூலகம்中分子识别元件（敏感元件），即生物活性物 质不同，如酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和 抗体等可分为酶传感器（enzymesensor）、微生物传感器 （microbialsensor）、细 胞 传 感 器（organallsensor）、组 织 传 感 器（tissuesensor）和 免 疫 传 感 器（immunolsensor）等。 根据生物传感器换能器，即信号转换器不同，如电化学 电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等可分 为：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器 （semiconductbiosensor）、光生物传感器（opticalbiosensor）、 热生物传感器（calorimetricbiosensor）、及压电晶体生物 传感器（piezoelectricbiosensor）等。按照生物敏感物质 相互作用类型可分为亲和型和代谢型两种，如激素与受 体、抗原与抗体特异性亲和，即生物亲合型生物传感器 （affinitybiosensor）〔1〕。 1.2 生物传感器发展历程
中图分类号：TS201.6
文献标识码：A
文章编号：1008― 9578（2012）02― 0005― 05
食 品 安 全 对 于 国 民 经 济 发 展 至 关 重 要，不 仅 影 响人民群众生命健康和切身利益、也关系到社会稳定 和政府公信力、并关系到我国食品工业健康可持续发 展、维护中国产品信誉和国家形象问题。近年来国内 外食品安全事件频发，如二噁英、瘦肉精、苏丹红、三 聚氰胺、O157 ∶ H7 大肠杆菌、O104 ∶ H4 出血性大肠 杆菌、李斯特杆菌及沙门氏菌感染等事件，加之公众 对转基因食品、克隆食品及新资源食品安全性争议、 困惑与担忧，使食品安全问题成为各国政府和全球消 费者关注热点。2011 年益普索（Ipsos）公司调查结果 表明，90% 受访消费者非常关注食品安全。为此，各 级食品安全监管机构加大对食品市场监督检查频率， 这就要求食品安全分析检测方法快捷、方便、准确；但 传统化学分析法和现代分析仪器法由于检测精度不 足或检测程序复杂都无法实现现场快速检测。生物传 感器则具有选择性高、特异性好、分析速度快、仪器价 格便宜、易于携带和操作简捷等优势；且其精确度高、 灵敏度好、其检测下限可达到亚微摩尔水平，试样需 要量少、能在短时间内分析大量样品，能快速、准确获 取样品中多种信息，检测效率远比传统检测手段高， 是食品安全快速检测技术重要发展方向之一。本文将 对生物传感器发展现状、趋势及在食品安全快速检测 中应用进行论述。 1 生物传感器定义、分类及发展现状 1.1 生物传感器概念、特点及分类