陈天华， 欧阳建文， 唐海涛

(1.北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048;2.湖南农业大学信息科学技术学院，湖南长沙 410000)

现代生物传感器在食品安全检测中的应用

陈天华1， 欧阳建文2， 唐海涛1

(1.北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048;2.湖南农业大学信息科学技术学院，湖南长沙 410000)

分析了生物传感器的基本原理、结构以及生物传感器的类型和特点，阐述了现代生物传感器技术在微生物检测、食品药物残留与兽药残留、食品添加剂检测和激素检测中的各种应用，讨论了传感技术在食品安全检测中的重要应用及未来发展方向.

食品检测;生物传感器;食品安全

近年来，由于食品安全问题频发，食品安全受到越来越多的人的关注，随着全球经济一体化和食品贸易国际化，食品安全问题已成为全世界关注的热点和国际贸易的敏感问题，已逐步成为全球公共卫生的焦点问题［1］.目前，应用于食品安全检测的技术手段或方法主要有化学方法、色谱法、酶法、免疫法和生物检测方法等［2］.这些方法都需要采集样品数据，在食品种类日益纷繁复杂的情况下，对食品安全检测技术提出了更高的要求，尤其需要更为快速、准确、灵敏的检测方法，因此，传感器技术在食品安全检测中发挥着越来越重要的作用.

由于生物传感器的市场需求，20世纪60年代起，生物传感器技术就受到了科学界的广泛重视.1962年英国学者Clark和Lyons首先提出了酶电极的概念，其基本原理是将酶反应的高度特异性和电极响应的高度灵敏结合起来对特定成分进行检测，1967年，Updike和Hicks成功地研制出了第一个以铂电极为基础的葡萄糖氧化酶传感器［3］.20世纪70年代，出现了基于电流型电极、电位型微生物电极、组织电极、线粒体电极为检测单元的生物传感器，到80年代，已经研制出了各种基于光效应、热效应、场效应和反应物质量变化的各种生物传感器，开始了生物电子学传感器的新时代，国内生物传感器也是开始于这一时期.

1 生物传感器的原理

传感技术是当代科学技术发展的一个重要标志，它是现代电子信息技术、食品检测科学和生物医学工程等领域不可缺少的功能器件，它与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱［4］.生物传感器是将生物感应元件的敏感性、专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合，利用各种生物材料或生物代谢产物如酶、抗体等做成的用于检测、识别生物与食品的化学成分的传感器［5］.生物传感器主要用于食品和生物医学信息的检测，利用被检测物和分子识别元件的特异性结合，检测物进入生物活性材料后发生物理或化学反应，产生的生物学信息经物理或化学换能器转变为可定量、可处理的电信号或光信号，再经电路进行放大或相应的处理后输出，从而实现对被测物的分析和检测.

生物传感器结构上主要包括两部分，如图1.第一部分是识别部件，即来自于生物体分子、组织部分或个体细胞的分子识别组件，如酶、微生物、细胞或组织、抗原或抗体等;另一部称为转换部件，实现物理信号的转换，主要由电化学或光学检测元件，如热电、光电压电元件、离子敏场效应晶体管等组成.其余为辅助部分，完成系统测量或控制功能.

图1 生物传感器结构Fig.1 Structure of biosensor

目前，生物传感器大致经历了3个发展阶段.第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成;由于应用的推动，在第一代生物传感器的基础上开发出了第二代生物传感器，检测时而无需非活性的基质膜，而是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，测定时不必向样品中加入其他试剂;第三代生物传感器将生物识别和信号转换与处理结合在一起，直接将生物活性成分固定在电子元件上，因而可以直接感知和放大检测物的信息变化.

2 生物传感器的分类及特点

生物传感器是通过将生物识别元件和信号转换元件紧密结合，从而实现对目标物成分的分析和监测，不同的生物识别元件和信号转换元件可形成不同类型的生物传感器.

2.1 生物传感器的类型

由于生物传感器的快速发展，其分类方法多种多样，根据生物传感器的两大功能部件材料或原理的不同，可以有不同的分类方法.目前主要有按分子识别元件分类和按换能器类型两种分类方法，如图2.

图2 生物传感器的分类Fig.2 Classification of biosensor

根据生物传感器分子识别元件可分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器、组织传感器、微生物传感器、DNA传感器、分子印迹传感器及智能传感器等.按照传感器转换元件的原理可分为光学生物传感器、热敏生物传感器、声波道生物传感器、电导生物传感器、电化学生物传感器、FET生物传感器、酶电极生物传感器等.

2.2 生物传感器的特点

生物传感器具有选择性好、无需试剂、操作简便、可重复使用及在线分析等优点［6－7］.通常具有如下特点［1］［3］.

1)专一性好，可选择特异性强，只对特定的底物起反应，且不易受到外界干扰.

2)采用固定化生物活性物质作催化剂，对于一些贵重的检测试剂可重复多次使用.

3)检测速度快，可以在几分钟甚至几秒钟内完成对特定成分的检测.

4)测试准确度高，一般相对误差可以达到1%以内.

5)成本低，由于技术的进步，各种生物化学试剂成本不断下降，对于多次连续测试，其单次测试成本仅几分钱.

6)操作简单，容易实现自动检测、自动分析.

3 生物传感器的应用

传统的食品安全检测通常需要使用较为复杂、昂贵的仪器设备和相关的预处理，且难以实现现场检测，生物传感器的应用提高了分析速度和灵敏度，使测定过程变得更为简单，便于实现自动化.使传感器从定性检测发展到了定量测量阶段，延伸了检测人员的感觉器官，扩大了观测范围，提升了检测的稳定性.目前，传感器已广泛应用于食品中微生物监测、药物残留监测、添加剂监测和激素检测等.

3.1 微生物检测

生物传感器在微生物检测方面的应用是当今检测技术研究的热点.据美国疾病预防控制中心资料显示，微生物及其产生的毒素是危害食品安全的重要因素之一，1993～1997年美国食物中毒事件55.6%与微生物有关［8］.而生物传感器可以实现对食品中的微生物进行监测.

Matssunage等开发了一种用于检测啤酒酵母和乳酸杆菌浓度的传感器，其测定范围较宽，可达5×107～4×108细胞/ml.Liu等用光学免疫传感器实现了鼠伤寒沙门菌的快速检测［9］，利用抗体抗原原理，采用含有抗沙门菌的磁性微珠分离出待测溶液中的沙门菌，加入用碱性磷酸酯酶作标记的二抗，形成抗体“沙门菌一酶标抗体”的结构，经磁性分离后，在酶的水解作用下，底物对硝基苯磷酸产生对硝基苯酚，通过在404nm下测定对硝基苯酚的吸光度来测量沙门菌的总数.大量的实验表明，在2.2×104～2.2×106cfu/ml范围内，该测试方法具有良好的线性关系.国内卢智远等人研制了可快速测定乳制品细菌含量总数的电化学生物传感器，可快速测定鲜牛奶中的微生物含量［7］.

Wayne等用表面等离子体共振(SPR)免疫传感器检测玉米抽提物中的FB1(伏马菌素B1 Fumonisins B1))浓度［5］，该方法检测时间为 10分钟左右，检测下限为50g/L.其基本原理是将抗FB1的多克隆抗体吸附到Kretschmamn装置中的玻璃棱镜的金膜上，二极管产生的光束通过棱镜聚焦于膜表面以激发等离子体共振，加入检测物时引起反射光角度改变，且FB1浓度大小与该角度变化成正比.Carlson等人研制了用于检测农产品中的黄曲霉毒素的生物传感器，主要基于免疫荧光原理，可在2 min内检测出0.1～50 ppb的浓度，连续使用100次数可达 100 次［10］.

基因芯片检测技术也可以用于检测食品中的微生物信息［11］.即将数以万计的核酸探针固化于支持物表面，采用原位合成或显微打印手段与标记的检测样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对样品快速、并行的准确检测.在食品安全检测中，基因芯片技术具有信息量大、操作简单、重复性好、可靠性高、可重复利用等诸多特点，是鉴别有害微生物和转基因成分最快速、有效的手段之一.

近年来，国内外许多学者开始利用基因芯片对食品中的致病菌进行分析检测.Volokhovd等通过单管复合体扩增和基因芯片技术检测和鉴别了6种李斯特菌［12］.Jack等通过设计通用引物扩增细菌核糖体16S rRNA，并将扩增产物与含有探针的低密度芯片进行杂交，实现了对多种微生物的直接检测.在食品安全检测中，核酸探针检测技术可以用于检测致病性病原菌.Wilson等采用病原体诊断区基因扩增和20寡核苷酸藻红素标记探针，开发出一套多病原体识别微阵列，可以准确识别18种致病性病毒、原核生物和真核生物［13］.

3.2 食品中的药物残留检测

3.2.1 农药残留检测

随着检测技术和食品科学技术的发展，人们对食品中的农药与兽药残留更加关注和重视，对如何实现食品中的农药残留的快速检测进行了持续的研究与探索.Starodub等根据农药对靶标酶的活性抑制作用，分别以乙酰胆碱酯酶(AchE)和丁酰胆碱酯酶(BchE)作为敏感元件，研制出了不同的离子酶场效应晶体管酶传感器，可测量蔬菜中有机磷农药，检测限为10－5～10－7mol/L.Fernando以鳗鱼乙酰胆碱作为生物敏感材料，采用酯酶光寻址电位型传感器测定了有机磷和氨基甲酯类农药，并具有较高的灵敏度，可检测出10 mmol/L的马拉硫磷和恶虫威.Zhao等人用多克隆抗PCB抗体制作的敏感膜光纤免疫传感器可测定水、食物和牛奶中的多氯联苯(PCBs杀虫剂)，检测时间在几分钟内，检测下限为10 ng/mol［14］.

基于免疫原理的生物传感器也可用于食品中农药残留的检测.Pribyl等将莠去津(atrazine)的单克隆抗体用蛋白A法固定在压电晶体上的金电极表面［15］，检测样品中的莠去津的吸附作用可引起石英晶体的振荡频率发生改变，根据频率的变化可检测待测物浓度，其检测下限可达1.5 ng/ml.该项目人员通过实验还发现，也可将莠去津固定在压电晶体表面，采用间接方法测定莠去津，检测下限可达0.025 ng/m.

3.2.2 兽药残留检测

食品中的兽药残留通常采用基于表面等离子体共振技术的生物传感器进行检测［10］.SPR是一种新的生物化学检测技术，是基于表面等离子体共振的物理光学现象的敏感折射率的高精度光学传感器，通过感测传感器表面折射率的微小变化而实现定量检测.如果金属表面介质的折射率或被测物介电常数发生变化，其共振峰的位置共振角或共振波长将发生改变，因此通过测定角度或波长的变化，即可测量出被测物在界面上发生反应的信息.SPR技术具有无须标记、实时快速、专一性、灵敏度高以及大量平行筛选等优点.GE的Biacore仪器是应用最广泛的SPR生物传感器，因而SPR生物传感器已由最初的生物大分子相互作用(例如:蛋白质－蛋白质、药物－蛋白质、蛋白质－核酸、核酸－核酸之间的相互作用分子间)研究逐渐发展到用于食品安全和环境污染物中众多小分子化合物的检测.SPR生物传感器主要用于食品安全、品质检测，包括病原体、毒素、药物残留、维生素、抗体、化学污染物、过敏源、蛋白和寄生虫等方面，可实现牛奶、牛肉、苹果汁中的E.coliO157:H7的检测，其检测下限可达102－103cfu/ml.

包括内酰胺类抗生素在内的一些青霉素常用于治疗奶牛炎症，因此，内酰胺类抗生素是牛奶中常见抗生素残留物.2002年，Gustavsson等将带有羧肽酶活性的微生物受体蛋白作为探测分子，采用基于表面等离子共振技术的生物传感器检测牛奶中内酰胺类抗生素，通过检测酶的活性值检测奶品中的抗生素，其检测极门限可达2.6 g/kg，达到了欧洲4 g/kg的最大残留(MRL)标准［12］.磺胺和盘尼西林是兽药中常用的抗生素之一，其残留会污染动物性食品.Stemesjoes采用免疫传感器测定牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出下限为1×10－9mol/L.

3.3 食品添加剂检测

食品添加剂对食品工业的发展和益处是无容置疑的，但过量的使用添加剂也会对人体产生一定的危害性.目前，已研制出了一些检测食品添加剂的生物传感器［13］.Camoannella等将氨气敏电极与天门冬酶聚合并固定在渗析膜上，成功研制出了可直接检测甜味素(天门冬酰苯丙氨酸甲酯)的生物传感器，并具有较高的灵敏度，其测量线性范围为3.8×10－3～ 2.6 ×10－2mol/L，检测下限可达 2.6 ×10－3mol/L.

亚硝酸盐在一些存放过久的熟蔬菜、蔬菜制品和泡菜中具有一定的含量，目前的研究表明它具有潜在的致癌作用，并可导致婴儿高铁血红蛋白血症.Carla CRosa等利用光生物传感器原理对亚硝酸盐进行检测，其检测下限为0.93mol/L，完全满足了欧盟对亚硝酸盐的限定标准［14］.该传感器基于络合沉淀凝胶法(CPG法)将亚硝酸盐还原酶固定在光纤一端的可控微孔玻璃珠上，根据亚硝酸盐与酶接触时引起的分光变化与亚硝酸盐的浓度在一定范围内呈线性关系，从而实现对亚硝酸盐的定量检测.

Mesarost等曾采用卟啉微电极可检测食品中的亚硝酸盐，这种方法简便而快速，准确度和精确度较好［15］.此外，高效液相色谱(HPLC)技术可用于食品添加剂和生物毒素的定量检测和分析，并具有成本较低、操作简便、灵敏度高、重复好、结果准确可靠等优势.

3.4 激素的检测

在肉类食品中，激素的积累和残留也是人们关注的重点，激素检测通常可以采用免疫学方法.酶联免疫吸附试验(ELISA)就是其中的一种重要方法，基本原理是利用抗原和抗体的特异性免疫反应和酶的高效催化作用检测激素残留［16］，即在不破坏其免疫活性的条件下，将抗原或抗体预先结合到某一固相载体表面，检测过程中根据特定程序将酶标抗原或抗体和受检样品与结合在固相载体上的抗原或抗体进行反应，形成抗原或抗体复合物，固相载体上酶标抗原或抗体被结合量(免疫复合物)与被测样本中待检抗体或抗原的量存在线性关系，并经过其他相关处理后，可确定样品中待测物质及其含量.研究表明，ELISA测定方法具有快速、简便、成本低、自动化程度高，对仪器设备要求不高，试剂保存时间较长等特点［17－18］，目前 ELISA 已广泛应用于食品安全分析的各个领域.

国内在激素残留检测方面也取得了很多成果.上海交通大学农业与生物学院研究人员根据竞争酶免疫反应原理，采用己烯雌酚抗体膜和过氧化氢电极组成传感器主体，将一定量的己烯雌酚和过氧化氢酶标记加到受检物品中，酶标记的和未标记的己烯雌酚将与膜上的己烯雌酚抗体产生竞争反应，根据酶标己烯雌酚与抗体的结合率可检测食品中己烯雌酚激素的含量［12］.目前，该类型传感器在检测肉类食品激素残留方面得到了较好的应用.

上海交通大学农业与生物学院研究人员根据竞争酶免疫反应原理设计的传感器在检测肉类食品中的激素残留获得了较好的效果［11］.其设计的己烯雌酚传感器是由过氧化氢电极和己烯雌酚抗体膜组成，将一定量的过氧化氢酶标记的己烯雌酚加到待测样品中，酶标记的及未标记的己烯雌酚会与膜上的己烯雌酚抗体发生竞争反应，测定酶标己烯雌酚与抗体的结合率便可知食品中己烯雌酚的含量.

4 生物传感器的前景

生物传感器是一个多学科交叉、融合的高技术领域，未来生物传感器的发展趋势和主要方向是以微型化、多功能化、芯片化和智能化为前提，开发新一代低成本、高灵敏度、高可靠性、高寿命和具有仿生功能的生物传感器，特别是具有生物视觉、听觉和触觉等功能的仿生生物传感器，适应食品安全的复杂形势，实现食品中各种有害成分的快速、准确测试.未来，生物传感器将在食品检测、医疗保健、疾病诊断、环境监测、发酵工业等多个领域得到更加广泛的应用.

21世纪是生命科学的世纪，为生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇.各种新型生化物感器微系统将逐步进入人们生活之中，在食品检测、生物信息学和基因检测分析等方面发挥越来越重要的作用.将现代传感器检测技术引入食品安全监测中，积极开展食品安全检测，对保证食品安全和保护人民身体健康有重要的意义.

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(责任编辑:王 宽)

Application of Modern Biosensors in Food Safety Inspection

CHEN Tian-hua1， OUYANG Jian-wen2， TANG Hai-tao1
(1.School of Computer Science and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;2.Information Science and Technology College，Hunan Agricultural University，Changsha 410000，China)

The basic principles，structure，types and characteristics of biosensors were introduced in this review.The applications of modern biosensor technology in microbial testing，drug residues and veterinary drug residues detection，food additives and hormones detection in food were elaborated.The important application and development of biosensor technology in food safety inspection were presented.

food testing;biosensors;food safety

TS207

A

1671-1513(2011)01-0070-05

2011-01-08

陈天华，男，教授，主要从事智能信息处理、计算机网络测控等方面的研究.