李 暉， 廖躍華， 徐曉慧， 王 彬， 曾冬冬*

(1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院,上海 200093；2.上海健康醫(yī)學院上海市分子影像學重點實驗室,上海 201318)

1 前言

隨著人口的不斷增長，人們對食品的需求量隨之增加，對食品的質量提出較高要求。然而食品安全一直是個嚴峻的問題，食品主要受到農(nóng)藥殘留、非法添加物、毒素等的危害[1]。多種成熟的技術已經(jīng)被用于食品檢測，如氣相色譜法(GC)、高效液相色譜法(HPLC)、氣相色譜-質譜法(GC-MS)、液相色譜-質譜法(LC-MS)和酶聯(lián)免疫吸附分析(ELISA)[2]。以上方法大多存在樣品預處理復雜、檢測時間長等缺點，特別是依賴昂貴的儀器和專業(yè)的人員，這限制了方法更廣泛的應用,進而促進了生物傳感器在食品檢測中的應用[3]?；诩{米材料的生物傳感器是一個新型分支，納米材料不僅可以修飾生物分子以提供特異性靶向，而且可以增強生物分子在電極表面的固定。將新型納米材料修飾在電極表面，可以提高生物傳感器的靈敏度和精確度[4]。這些特性激發(fā)了人們對生物傳感器與納米材料的聯(lián)合研究，基于納米材料的生物傳感器越來越廣泛應用于食品檢測方面[5]。

2 基于納米材料的生物傳感器

2.1 納米材料

納米材料由于具有獨特的電學性能、較大的比表面積、良好的生物相容性等特點，近年來發(fā)展迅速[6]。常見的納米材料包括金屬納米材料、碳納米材料、金屬氧化物納米材料、磁性納米材料等。

金屬納米材料如金、鉑、銀等，由于其有效表面積大、吸附能力強、生物相容性好、導電性好，是修飾電化學傳感器的理想候選材料[7,8]。其中金膠體溶液合成于1857年，開創(chuàng)了納米材料的研究[9]。金納米顆粒(Au NPs)具有提高催化尺寸、導電性等電化學性能的優(yōu)勢[10]，可以增強對濃度特別低的分析物的檢測響應信號[11]?；贏u NPs的生物傳感器普遍是將納米粒子直接沉積在電極表面[12]。Liu等[13]提出了一種簡單的化學沉積方法，將Au NPs修飾到電極表面，使得有效催化表面積大大增加，修飾后的聚電解質多層組裝電極的表面積為普通金電極的3.3倍，并使檢測限降低約3個數(shù)量級。

碳納米材料也是生物傳感器常用的納米材料之一，最常見的有碳納米管(CNTs)、石墨烯(GR)[14]等。CNTs的結構研究始于1952年[15]。CNTs對多種電活性物質具有出色的電子轉移能力，同時CNTs對表面吸附的物質具有高敏感性，因此可以作為高度敏感的納米生物傳感器使用[16,17]。而GR自2004年首次被表征以來，不斷用于各種研究中[18]。GR具有超高的電導率和熱傳導率、較大的表面積、低制造成本和良好的生物相容性等優(yōu)點[19]，因此被廣泛應用于電化學傳感器領域。Pyo等[20]研制了基于CNTs-GR混合體的紫外線傳感器，由于CNTs和GR的組合具有良好的吸附性，并且最大程度地降低了接觸電阻的影響，促進它們之間的有效電荷轉移，是對紫外線傳感器的一項重大改進。

眾多納米材料中，磁性納米材料以其獨特的磁性能應用于生物分子傳感技術。磁性納米顆粒通常被親和配體修飾，形成磁性納米顆粒的組裝，實現(xiàn)生物靶標與磁性納米顆粒的親和識別[21]。磁性納米材料主要是金屬氧化物，如納米Fe3O4粒子因其具有高的比表面積、低毒、高活性和熱穩(wěn)定性，以及表面修飾能力和易分散等優(yōu)點而被廣泛研究[22,23]。Dau等[24]將納米Fe3O4嵌入GR薄膜內，對改良的GR進行研究，記錄到的電流響應增加了至少20倍。結果表明，基于Fe3O4的GR具有較大的活性表面積、極高的電催化活性和優(yōu)異的耐久性等特點，可以用于葡萄糖和乙酰膽堿等的檢測。

2.2 生物傳感器

生物傳感器一般是基于目標化合物和識別元件之間的選擇性相互作用，產(chǎn)生與所研究化合物濃度相關的電信號[25]。大多數(shù)傳感器產(chǎn)生的光或電信號通常與分析物生物受體相互作用的量成正比[26]。產(chǎn)生的信號繼而被相應的換能器轉變成電信號，再經(jīng)過二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。為了提高檢測物的靈敏度和降低檢測限，可以將納米材料作為電極材料，其在分析檢測靶分子的高性能中起到重要作用，除修飾電極外，功能性納米材料還具有催化性、電導性和生物相容性，同時有放大電化學信號的能力[27]。通常納米材料是修飾生物傳感器的敏感界面，在修飾電極后，生物傳感器的靈敏度和其他分析特性得到了極大的提高，因其同時能夠固定增強量的生物受體單元，甚至可以將自身作為轉導元件[28]。

3 基于納米材料修飾生物傳感器在食品檢測中的應用

納米材料修飾的生物傳感器在食品檢測中應用廣泛，納米材料可以將各種信號放大，結合不同的電化學方法，超靈敏地檢測出微量的各種分析物[29]，因而準確地檢測食品中的農(nóng)藥殘留、微生物毒素和轉基因序列等。納米材料與高性能的生物傳感器結合，極大提高了分析檢測速度、靈敏度和準確性[30]。

3.1 農(nóng)藥殘留檢測

農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛應用，然而農(nóng)藥殘留會導致農(nóng)產(chǎn)品質量的下降，危害人體健康。傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留檢測方法包括氣相色譜、高效液相色譜、毛細管電泳等多種色譜技術。雖然這些方法檢測限低、選擇性好，但是需要昂貴的試劑、費時的樣品預處理和專業(yè)的技術人員[31 - 33]。所以目前使用納米材料修飾電極對農(nóng)藥殘留檢測的研究也是層出不窮。不同納米材料的生物傳感器用于檢測農(nóng)藥如表1。

表1 用于檢測農(nóng)藥的生物傳感器Table 1 Biosensors for the detection of pesticides

有機磷和氨基甲酯類殺蟲劑是一類重要的有毒化合物，其毒性的基礎是抑制乙酰膽脂酶。乙酰膽脂酶對人類和昆蟲的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能至關重要，它的減少導致乙酰膽堿神經(jīng)遞質積累，干擾肌肉反應，導致呼吸和心肌功能障礙，甚至死亡[34]。因此通過固定乙酰膽堿酶檢測食品中農(nóng)藥殘留的生物傳感器便層出不窮。Wang等[36]設計了一種以羧化GR-硝基聚乙胺和乙酰膽堿酯酶為復合材料，檢測有機磷農(nóng)藥的電化學發(fā)光生物傳感器，該傳感器在1.0 pmol/L～5.0 μmol/L范圍具有寬線性范圍，檢測限為0.3 pmol/L。Lu等[37]研究了一種基于雙金屬鈀和金納米(Pd@Au NRs)修飾的高靈敏乙酰膽堿酯酶(AChE)生物傳感器，檢測有機磷農(nóng)藥。Pd@Au NRs具有良好導電性和生物相容性，為AChE的粘附提供了合適的區(qū)域，在最佳條件下，對氧磷(OPs模型化合物)的抑制量與濃度在3.6 pmol/L～100 nmol/L范圍內成線性關系，檢出限為3.6 pmol/L。Zhang等[40]以納米銀線、GR、TiO2溶膠凝膠、殼聚糖和乙酰膽堿酯酶為基礎，制備了用于有機磷農(nóng)藥檢測的電化學生物傳感器。銀納米線和GR具有優(yōu)異的電學性能，這兩種納米材料的自組裝也使生物傳感器具有很高的靈敏度，該傳感器對敵敵畏的檢測線性范圍為0.036～22.63 μmol/L，檢測限是7.4 nmol/L。Yao等[41]制備了一種新型的金納米/石墨烯氧化物-殼聚糖納米復合修飾碳電極，用于毒死蜱的檢測。殼聚糖(CS)功能化的氧化石墨烯(GO)比表面積大，分散性好，附著力好，因此用它們來加載更多的金納米簇(Au NCs)。Au NCs增大了表面積，促進了電子轉移，放大了生物傳感器的電流信號強度。該生物傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復性，為有機磷農(nóng)藥提供了良好的檢測。

3.2 微生物毒素

食品微生物毒素不僅種類很多而且毒性大，長期攝入，會有致癌、致畸、致突變的危害。因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。基于納米材料的生物傳感器對微生物毒素與病毒的檢測具有特異性強的特點。不同納米材料的生物傳感器用于檢測微生物毒素如表2。

表2 用于檢測微生物毒素的生物傳感器Table 2 Biosensors for the detection of microbial toxins

黃曲霉毒素是一類雜環(huán)芳香烴次生代謝產(chǎn)物，主要由黃曲霉和寄生曲霉在濕熱條件下產(chǎn)生，在1993年，世界衛(wèi)生組織將黃曲霉毒素列為一類致癌物。黃曲霉毒素在食品中廣泛存在，主要污染糧油、動物類食品等[43]。Rijian等[44]利用GO修飾的多孔陽極氧化鋁膜和黃曲霉毒素B1適配體，制備了一種新型黃曲霉毒素B1生物傳感器。該適配體是通過共價鍵固定在氧化鋁表面，GO通過π-π鍵連接其表面增加比表面積，黃曲霉毒素B1添加后，由于黃曲霉毒素B1與適配體的特異性結合產(chǎn)生電流，電流的增加與黃曲霉毒素B1的濃度成正比。該傳感器的檢測限約為0.13 ng/mL，線性范圍為1～20 ng/mL。

家禽類食品可能存在葡萄球菌。Shi等[45]研制了一種基于石墨烯量子點(GQDs)和金納米顆粒(Au NPs)的熒光共振能量轉移生物傳感器，用于金黃色葡萄球菌特異性基因序列檢測。檢測了加入目標物前后的熒光信號，用100 nmol/L低聚物對目標物的熒光猝滅效率可達87%左右。該熒光生物傳感器的檢測限為1 nmol/L左右。Hao等[46]以Co2+增強的N-氨基丁基-N-乙基異構體(ABEI)功能性金納米粒為供體，以WS2納米片為受體，制備了一種用于金黃色葡萄球菌檢測的化學發(fā)光共振能量轉移傳感器。該傳感器的線性范圍是50～1.5×105CFU/mL，檢測限為15 CFU/mL，這種傳感器在檢測肉類樣品時具有較高的敏感性和特異性。

Sun等[48]設計一種新型比色免疫傳感器來檢測豬肉中萊克多巴胺(RAC)的微量含量?；讦?環(huán)糊精修飾的四氧化三鐵(Fe3O4@β-CD)作為捕獲探針，鉑膠體納米顆粒(Pt NPs)作為信號探針，在最佳條件下，測得吸光度值與RAC濃度在0.03～8.1 ng/mL范圍內呈線性關系，檢出限為0.01 ng/mL。

Ahmet等[49]研制了一種針對常見食品致病菌大腸桿菌O157∶H7的電化學免疫傳感器，提出了基于PPy/Au NP/MWCNT復合生物修飾石墨電極(PGE)的新型免疫傳感器，檢測限為30 CFU/mL。

Sobhan等[50]開發(fā)一種快速的單壁碳納米管(SWCNTs)生物傳感器，以檢測腸結腸炎耶爾森氏菌。以1-芘丁酸琥珀酰亞胺酯為連接，用鼠疫桿菌抗體固定SWCNTs，制備SWCNTs生物傳感器，對泡菜中的腸結腸炎桿菌進行檢測。該生物傳感器最佳濃度范圍為104～106CFU/mL，檢測限為104CFU/mL。檢測結果表明，固定化的生物傳感器對革蘭氏陰性菌中腸結腸炎桿菌的特異性強。

3.3 轉基因食品

轉基因是將人工合成的某些外源性基因轉移到動物、植物或微生物體內后，與生物體自身基因進行重組后得到穩(wěn)定的遺傳表達，進而獲得滿足人類不同需求的新生物體。以轉基因生物作為原料或初級產(chǎn)品進行生產(chǎn)加工而得到的食品即為轉基因食品[51]。隨著轉基因食品進入人們的餐桌，其安全性也引起廣泛關注。轉基因原材料通常含有特定的啟動子、終止子、標記基因等，所以檢測食品中是否存在啟動子、終止子和標記基因等就能判斷出是否為轉基因食品[52]。不同納米材料的生物傳感器用于檢測轉基因食品如表3。

表3 用于檢測轉基因食品的生物傳感器Table 3 Biosensors for the detection of genetically modified foods

通過對轉基因序列的檢測可以判斷食品是否為轉基因食品。He等[53]成功地設計了一種基于DNA雜交的新型生物傳感器，用于超靈敏檢測終止基因序列(NOSt)。該生物傳感器以單鏈DNA標記的氧化石墨烯量子點(QDs-sDNA)為熒光探針，QDs-sDNA與互補目標DNA之間可以發(fā)生基于雜交組合的檢測原理。實現(xiàn)了NOSt的快速、簡單、靈敏、高效、環(huán)保的檢測。該生物傳感器的檢測限為0.008 nmol/L，線性范圍為0.05～50 nmol/L。

Li等[54]利用光電化學生物傳感器對轉基因和非轉基因大豆樣品進行檢測。在光電化學生物傳感系統(tǒng)中，納米金還原氧化石墨烯作為納米載體固定硫醇功能探針，帶有氨基功能的二氧化硅和碲化鎘(SiO2@CdTe)量子點納米顆粒作為信號指標。光電化學信號的增加依賴于目標DNA(tDNA)的濃度，線性范圍在0.1 pmol/L～0.5 nmol/L，檢測限為0.05 pmol/L。該生物傳感器已成功用于轉基因大豆與非轉基因大豆的鑒別。Chen等[55]基于滾動圓擴增和納米金立方體標記多探針技術，研制了一種新型電化學DNA生物傳感器，檢測了大豆轉基因基因序列MON89788，電流信號在1.0×10-16～1.0×10-7mol/L范圍內與目標DNA濃度的對數(shù)呈良好線性關系，檢測限為4.5×10-17mol/L。該傳感器是目前最敏感的遺傳序列評價傳感器之一。

Ye等[56]研究一種用于檢測菜花花葉病毒35S(CaMV35S)基因的電化學基因傳感器。該傳感器采用金銀殼(Au@Ag)負載Fe3O4納米復合材料作為信號DNA探針(sDNA)，通過捕獲探針和目標CaMV35S(tDNA)之間的相互作用，在沉積了金納米以及修飾了羧基化多壁碳納米管的玻碳電極界面上實現(xiàn)電化學傳感。Fe3O4-Au@Ag可以使電催化活性增強，同時H2O2放大還原信號提高了檢測靈敏度。最佳實驗條件下，在1.0×10-16～1.0×10-10mol/L線性范圍內，隨CaMV35S濃度的對數(shù)呈線性增加，檢測限為1.26×10-17mol/L。

Jbs等[57]使用，鍍金的磁性納米粒子作為納米粒子對玉米分類群特異性(HMGA基因)進行檢測。超順磁性核殼Fe3O4@Au納米粒子通過共價固定玉米類DNA探針，在納米顆粒表面羧基化自組裝單層膜上進行基因測定。該電化學傳感器分析，線性濃度范圍為0.5～5 nmol/L，檢測限為90 pmol/L。

4 展望

納米材料修飾電極的生物傳感器對食品檢測，包括對農(nóng)殘、微生物、轉基因等的檢測更加準確，并且有針對性。對未來關于納米材料修飾電極的生物傳感器在食品檢測中的應用提出以下幾點展望：(1)便捷化。今后用于檢測食品安全的納米材料生物傳感器，應該趨于攜帶方便，常規(guī)化和家用化，從而提高傳感器的使用率。(2)準確性。提高檢測的準確性是一種必然的發(fā)展趨勢，研究更加準確的納米材料電極的生物傳感器，引進新的納米材料結合生物傳感器，使其準確性提高。(3)可移植性。隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，通過將電化學傳感器與日常生活所用到的電子產(chǎn)品進行連接和集成，如手機、平板、電腦等，從而提高傳感器的可移植性。