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        應(yīng)用生物傳感器檢測(cè)食品中食源性致病菌的研究進(jìn)展

        2021-06-21 15:54:42吳雅靜
        食品工業(yè)科技 2021年8期
        關(guān)鍵詞:食源性致病菌電化學(xué)

        萬 峰,吳雅靜

        (海軍勤務(wù)學(xué)院,天津 300450)

        民以食為天,食以安為先,食品安全是目前政府和人們最關(guān)心的問題之一。近十年來,全世界的食品安全問題層出不窮,其中一個(gè)重要因素是來自于食源性致病菌的污染。這些能夠引起中毒或疾病的微生物包括沙門氏菌、大腸桿菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌和金黃色葡萄球菌等常見致病菌,它們大多通過食物傳播,且有著非常強(qiáng)大的自我擴(kuò)散能力[1]。食品在采集、加工、運(yùn)輸、貯藏等環(huán)節(jié)極易受到這些微生物的污染。而剛被污染的食品通常沒有明顯的食品屬性變化,感官評(píng)價(jià)檢驗(yàn)極難發(fā)現(xiàn)。人一旦攝入被污染的食品,較為典型的癥狀就是腹瀉,重則甚至?xí):ι踩S纱丝梢?,在攝食前,對(duì)于食品中的食源性致病菌的檢驗(yàn)尤為重要。但傳統(tǒng)的菌落分離培養(yǎng)計(jì)數(shù)法不僅檢出速度慢,而且靈敏度低,不能實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)快速監(jiān)控[2]。因此亟需尋找一種簡(jiǎn)便、高效、快速的檢測(cè)方法。

        目前較常用的手段有依賴DNA 體外擴(kuò)增原理或利用相關(guān)細(xì)菌的特異性基因來實(shí)現(xiàn)對(duì)食源性致病菌快速檢驗(yàn)的PCR 檢測(cè)、基因芯片等分子技術(shù),以抗原與抗體的特異型反應(yīng)為基礎(chǔ)建立的ELISA 檢測(cè)、膠體金免疫層析等免疫學(xué)技術(shù)[3],這些現(xiàn)代化技術(shù)雖能不同程度改進(jìn)傳統(tǒng)方式檢測(cè)的缺陷,但或多或少都存在不足之處,如試驗(yàn)成本高、操作技術(shù)要求高、方法不成熟等問題。近年來,隨著高新科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展及新材料的介入,生物傳感器已成為越來越多科學(xué)家用來檢測(cè)和監(jiān)控食品中食源性致病菌的一條有效途徑,該方法具有高特異性和高精度的同時(shí)又能高效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微生物且成本較低廉,克服了上述方法的缺陷,聯(lián)合目前常用的分子技術(shù)或免疫學(xué)技術(shù)更是表現(xiàn)出優(yōu)良的性能,在食品安全領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值,因此新型傳感器的開發(fā)吸引了眾多科研工作者的目光。

        本文主要對(duì)生物傳感器原理、類型以及幾種目前常用生物傳感器在檢測(cè)食品中食源性致病菌的研究進(jìn)展等方面進(jìn)行系統(tǒng)綜述,闡述其在食品安全中的應(yīng)用和重要價(jià)值,并針對(duì)當(dāng)前生物傳感器存在的相關(guān)問題進(jìn)行總結(jié)和展望,以期為開發(fā)新型生物傳感器和建立快速檢測(cè)食源性致病菌體系奠定一定的理論基礎(chǔ)。

        1 生物傳感器簡(jiǎn)述

        生物傳感器是由生物感受器(識(shí)別元件)和換能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的一種分析檢測(cè)工具。其原理基于包含多種生物活性材料(酶、抗體、抗原、核酸等)的生物感受器與待檢測(cè)物質(zhì)發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的濃度信號(hào),由換能器轉(zhuǎn)換成可定量處理的電信號(hào)等其他信號(hào),經(jīng)二次儀表放大輸出,從而獲得待檢物數(shù)量和濃度的信息[4]。具體來說就是目標(biāo)分析物能夠與抗原或抗體、酶、核酸、受體或噬菌體等生物識(shí)別元件特異性結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生生物信號(hào)經(jīng)過基于電化學(xué)、光學(xué)、壓電、磁力和溫度等一種或多種技術(shù)結(jié)合而設(shè)計(jì)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換器(即換能器)輸出可供檢測(cè)的電信號(hào),信號(hào)再經(jīng)過系統(tǒng)分析處理便可得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        生物傳感器按識(shí)別元件可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器和免疫傳感器等,識(shí)別元件是傳感器的關(guān)鍵。按換能器類型不同又可分為電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器、熱學(xué)生物傳感器和光學(xué)生物傳感器(圖1)[5]。在各種類型的傳感器中,電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器和光學(xué)生物傳感器結(jié)合不同的識(shí)別元件在食品檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛且具有良好的發(fā)展前景。

        圖1 傳感器的組成和分類[5]Fig.1 Components and classification of biosensor[5]

        2 生物傳感器在食源性致病菌檢測(cè)中的應(yīng)用

        2.1 電化學(xué)生物傳感器

        電化學(xué)生物傳感器是生物傳感器發(fā)展歷史上第一個(gè)報(bào)告的商業(yè)化生物傳感器[6]。其原理是利用電極作為換能元件,通過生物識(shí)別元件捕獲目標(biāo)分析物后在電極界面上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)從而引起生物傳感器表面發(fā)生電流、電位、阻抗或電導(dǎo)變化,根據(jù)監(jiān)測(cè)這些電信號(hào)的變化來定量目標(biāo)分析物的濃度(圖2)[7]。故按最終測(cè)量信號(hào)的不同可將電化學(xué)生物傳感器分為阻抗型、電流型、電勢(shì)型和電導(dǎo)型4 種類型,其中阻抗型和電流型生物傳感器在檢測(cè)細(xì)菌方面應(yīng)用較多,而電勢(shì)型和電導(dǎo)型生物傳感器主要用于檢測(cè)病毒和微生物毒素,在實(shí)際應(yīng)用并不是很廣泛。

        圖2 電化學(xué)生物傳感器的示意圖[7]Fig.2 Schematic representation of the electrochemicalbiosensor[7]

        由于電化學(xué)生物傳感器研究相對(duì)較早同時(shí)也較其他傳感器更加成熟,近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于研究開發(fā)各種類型生物傳感器做了大量的工作并取得了一些重要的成果,基于電化學(xué)的DNA 方法,基于電化學(xué)抗體的方法,基于使用適配體、抗菌肽(Antimicrobial Peptides,AMP)和噬菌體作為識(shí)別元件來檢測(cè)食源性致病菌的研究越來越多。如表1 所示列舉了近5 年來電化學(xué)生物傳感器的重要研究和應(yīng)用。通過近年來的文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),一方面,識(shí)別元件多集中在對(duì)核酸和抗體的研究上,同時(shí)AMP 和噬菌體由于穩(wěn)定性高及對(duì)細(xì)菌的專一性強(qiáng)也越來越受到研究者的重視,具有潛在的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值;另一方面,根據(jù)實(shí)際需要,發(fā)展同時(shí)用于致病菌的多重檢測(cè)并能夠區(qū)分死細(xì)胞和活細(xì)胞的的電化學(xué)生物傳感器已成為新的趨勢(shì)。此外,如何提高電化學(xué)傳感器的靈敏度、特異性、高效性也是近年來研究的熱點(diǎn)問題之一,其關(guān)鍵在于固定在電極表面的電極材料是否能夠與生物識(shí)別元件完美結(jié)合,所以研究者們致力于研究和獲取固定在電極表面的新型材料,其中碳基電極及碳納米修飾材料是電化學(xué)分析科學(xué)家所熱衷研究的電極材料,如石墨烯、碳納米管等。還有報(bào)道關(guān)于對(duì)電化學(xué)生物傳感器的處理組件、分析系統(tǒng)、設(shè)備包裝等的設(shè)計(jì)和改進(jìn)以提高對(duì)樣品檢測(cè)的特異性和準(zhǔn)確度或通過附加操作賦予傳感器更多的功能性,為電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展提供了更多的選擇[8]。如Wang 等[9]開發(fā)了一種基于磁珠與叉指型電極和酶反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合的電化學(xué)阻抗免疫傳感器,用于大腸桿菌O157:H7 檢測(cè),靈敏度和重復(fù)性較好。

        表1 近五年來電化學(xué)生物傳感器在食品中的研究和應(yīng)用Table 1 Research and application of electrochemical biosensors in food in the past five years

        2.2 光學(xué)生物傳感器

        光學(xué)檢測(cè)使用化學(xué)發(fā)光,顯色或熒光等光信號(hào)來定量目標(biāo)化合物的濃度。目前常用的技術(shù)有比色、熒光、化學(xué)發(fā)光、表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)、表面等離子體共振成像(Surface Plasmon Resonance imaging,SPRi)技術(shù)和表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)等。比色生物傳感器可以使人們通過觀察反應(yīng)液顏色的變化即時(shí)地檢測(cè)到致病菌的存在。利用樣品在濾紙或膜中因毛細(xì)作用流動(dòng)擴(kuò)散以及通過金納米顆粒(Au NPs)聚集而產(chǎn)生顏色的變化,杜邦公司生產(chǎn)的基于側(cè)流層析檢測(cè)(Lateral Flow Assay,LFA)的生物傳感器以及梅里埃生物公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品分別可以在10 min 內(nèi)通過特異性抗體檢測(cè)大腸桿菌O157:H7、沙門氏菌、李斯特菌和在15 min內(nèi)檢測(cè)出鏈球菌及嗜肺軍團(tuán)菌[31];Park 等[32]開發(fā)了一種集成的螺旋微流控系統(tǒng),用于檢測(cè)污染的水和牛奶中的鼠傷寒沙門氏菌和副溶血性弧菌,在80 min內(nèi)達(dá)到的最佳檢測(cè)限是50 CFU/mL。熒光生物傳感器是指通過熒光染料、量子點(diǎn)(Quantum Dot,QDs)或其他具有熒光效應(yīng)的材料“標(biāo)記”被檢測(cè)物體,并以熒光信號(hào)為檢測(cè)信號(hào)的一類生物傳感器。Wang等[33]將金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌特異性的適配體修飾在NaYF4:Ce/Tb 和NaGdF4:Eu 納米材料以及納米磁珠上設(shè)計(jì)了一種生物傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種致病菌的定量檢測(cè);化學(xué)發(fā)光生物傳感器是基于化學(xué)發(fā)光反應(yīng)為換能反應(yīng)而研發(fā)的,最常見的化學(xué)發(fā)光生物傳感器基于三磷酸腺苷(ATP)感應(yīng),幾乎所有生物都會(huì)產(chǎn)生ATP 作為主要能量存儲(chǔ)分子,通過生物發(fā)光或酶促反應(yīng)來檢測(cè)ATP 發(fā)光。如Kim 等[34]建立了光熱裂解ATP 生物發(fā)光生物傳感器用于快速、靈敏地檢測(cè)多種致病菌;SPR 生物傳感器是依據(jù)光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生反射形成的消逝波與介質(zhì)表面等離子波發(fā)生共振,從而引起反射光強(qiáng)度的大幅度減弱且受介質(zhì)界面折射率的影響,將生物識(shí)別分子結(jié)合在金屬表面,通過影響這種光學(xué)現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。目前,已有多種商業(yè)傳感器研發(fā)上市,如SPREETA 和BIACORE 3000 等已被廣泛用于檢測(cè)食品中大腸桿菌、腸炎鏈球菌、鼠傷寒沙門氏菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌。SERS 檢測(cè)原理主要是依賴于拉曼散射效應(yīng)而產(chǎn)生的指紋圖譜被由特殊材料制備的樣品表面的電磁場(chǎng)增強(qiáng)信號(hào)而達(dá)到特定實(shí)時(shí)檢測(cè)的一種方法。

        Yoo 等[35]綜述了2016 年以前已應(yīng)用于檢測(cè)微生物的一些重要光學(xué)傳感器,討論了它們各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)和開發(fā)策略提出建議。在最近的研究中,Zhou 等[36]設(shè)計(jì)了一種基于AMPs 的光纖SPR,可以檢測(cè)水、水果和蔬菜汁中大腸桿菌O157:H7。在這一研究中,均勻?qū)拥你y納米顆粒還原的氧化石墨烯(AgNPs-rGO)納米復(fù)合材料在金膜層之前被固定在光纖上,大大增強(qiáng)了SPR 響應(yīng)。Masdor 等[37]研究了一種SPR 技術(shù),使用特定的多克隆抗體作為識(shí)別元素,用于檢測(cè)食品樣品中的空腸彎曲桿菌。Tokel 等[38]開發(fā)了一種便攜式,多重且廉價(jià)的微流體集成SPR 平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌快速定量檢測(cè)。Aura 等[39]報(bào)道了一種金納米顆粒(AuNPs)增強(qiáng)的表面等離子體共振成像(SPRi)生物傳感器,用于快速靈敏地檢測(cè)金黃色葡萄球菌和單核細(xì)胞增生李斯特菌。相似地,Morlay 等[40]開發(fā)了一種基于SPRi 技術(shù)的生物傳感器用來特異性檢測(cè)單核細(xì)胞增生李斯特氏菌的免疫傳感器,30 min 內(nèi)即可對(duì)完成萵苣樣品中病原菌的檢測(cè)。Duan 等[41]最近報(bào)道了一種基于納米金顆粒修飾聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜作為增強(qiáng)拉曼散射的活性基質(zhì)與適配體(Apt)結(jié)合后形成Apt-Au-PDMS 三明治夾心復(fù)合物為探針的新型SERS 傳感器方法可同時(shí)快速檢測(cè)的海鮮樣品中的副溶血性弧菌和沙門氏菌,檢測(cè)限分別為18 和27 CFU/mL,目標(biāo)菌的回收率為82.9%~95.1%。

        光學(xué)生物傳感器與電化學(xué)傳感器的主要識(shí)別元件大體相似,其中以抗體、核酸和酶報(bào)道居多,材料的折射率是提高SPR 傳感器靈敏度的關(guān)鍵,目前較理想的材料就是納米顆粒,通常選擇表面修飾Au 納米顆粒,能夠提高顆粒的分散性,增強(qiáng)光學(xué)傳感的表面積,提供更多的結(jié)合位點(diǎn)。較電化學(xué)生物傳感器來說,光學(xué)生物傳感器最顯著的優(yōu)勢(shì)就是可開發(fā)用于現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)的可視化生物傳感器,微流控和光學(xué)一體化技術(shù)的不斷發(fā)展,使開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)變得更加可行。此外,前人已對(duì)基于智能手機(jī)系統(tǒng)研發(fā)的既有光源又有光檢測(cè)器的生物傳感器研究開發(fā)多年,既可以提供簡(jiǎn)單使用界面又可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)[31]。由于不同類型的光學(xué)生物傳感器有各自的優(yōu)勢(shì),為了提高檢測(cè)的靈敏度和特異性,在實(shí)際應(yīng)用中,開發(fā)的生物傳感器并不是使用單一技術(shù),往往包含多種光學(xué)手段??梢暬鈱W(xué)生物傳感器是今后研究和開發(fā)的重點(diǎn)。

        2.3 壓電生物傳感器

        壓電生物傳感器是指基于壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的生物傳感器,由于其簡(jiǎn)單和低成本而廣泛使用,其典型代表是聲表面波傳感器(Surface Acoustic Wave,SAW)和石英晶體微天平傳感器(Quartz Crystal Microbalance,QCM)。SAW 生物傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)以及聲表面波特性受環(huán)境因素影響這一原理而制成的;QCM 生物傳感器的原理是將分析物結(jié)合在晶體傳感器表面而引起石英晶體共振頻率的變化,共振頻率取決于與傳感器表面結(jié)合的分析物的質(zhì)量,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地檢測(cè)微量分析物濃度[42]。Shen 等[43]研究了基于免疫磁性納米粒子(Beacon Immunomagnetic Nanoparticles,BIMP)的QCM 傳感器,可以高特異性,高穩(wěn)定性地成功檢測(cè)出牛奶中的大腸桿菌O157:H7,檢出限為53 CFU/mL,整個(gè)過程僅用了4 h。Masdor 等[44]設(shè)計(jì)納米粒子增強(qiáng)的QCM 生物傳感器用于檢測(cè)空腸彎曲桿菌,通過晶體表面固定的抗體來特異性識(shí)別空腸彎曲桿菌。Dong等[45]開發(fā)了基于AMPs 的QCM 方法進(jìn)行檢測(cè)水體中的大腸桿菌O157:H7,檢出限為400 CFU/mL,10 min 之內(nèi)即可完成快速檢測(cè)。Yu 等[46]構(gòu)建了基于ssDNA 適配體的QCM 傳感器,能夠與大腸桿菌O157:H7 特異性結(jié)合,檢測(cè)限和檢測(cè)時(shí)間分別為1.46×103CFU/ml 和50 min。在對(duì)食源性致病菌檢測(cè)的研究中,大部分集中在QCM 生物傳感器上,SAW 在食品中的應(yīng)用較少,盡管尚未報(bào)道便攜式SAW 生物傳感器,但基于SAW 的設(shè)備是用于病原體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是較有前途的工具,對(duì)其研究?jī)r(jià)值不可忽視。Xu 等[47]采用覆蓋膜材料對(duì)SAW 傳感器定量檢測(cè)金黃色葡萄球菌作了對(duì)比研究,結(jié)果表明勒夫波(Love Wave)檢測(cè)可以得到高靈敏度和低檢測(cè)限的結(jié)果,但諧振器損耗大、品質(zhì)因數(shù)低?;诖朔N情況,齊曉琳等[48]采用叉指電極中間內(nèi)置敏感區(qū)域的諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型SAW 傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)金黃色葡萄球菌實(shí)時(shí)特異性檢測(cè)。

        鑒于由壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)的生物傳感器具有較高的靈敏度,即使目前在食源性致病菌檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較少,但有充分的理由相信它在未來食品安全中將占有一席之地。為了更好地提高檢測(cè)性能,在現(xiàn)有研究中,壓電傳感器常需要與其他技術(shù)結(jié)合,將各種方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來以發(fā)揮最優(yōu)功效。例如,電化學(xué)、光學(xué)原理與壓電技術(shù)相結(jié)合可以獲得更多的樣品檢測(cè)信息。

        2.4 其他生物傳感器

        此外,還有一些其他生物傳感器如半導(dǎo)體感器、磁力傳感器、微流控系統(tǒng)集成的生物傳感器、核磁共振生物傳感器也在病原菌檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用[49]。這類生物傳感器基于最新的科技手段,具有靈敏度好、特異性強(qiáng)和快速高效等特點(diǎn),其在致病菌檢測(cè)和監(jiān)控應(yīng)用方面的前景非常可觀。相信隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步,將不斷涌現(xiàn)出越來越多新型生物傳感器應(yīng)用到食源性致病菌的檢測(cè)。

        3 商業(yè)化生物傳感器

        近年來,生物傳感器因具有優(yōu)越性能而在食品以及醫(yī)療領(lǐng)域中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在醫(yī)療方面,生物傳感器主要用作藥物分析、診斷和監(jiān)測(cè)腫瘤、自動(dòng)檢測(cè)血糖等;在食品工業(yè)中,與生物傳感器相關(guān)的主要集中在食品安全檢測(cè)和監(jiān)管方面,包括致病菌的快速檢測(cè)和食品中農(nóng)藥及毒素的殘留等,其中尤以在發(fā)酵乳制品、肉制品和蔬菜中的應(yīng)用最為廣泛,主要是由于乳制品和肉制品富含微生物生長(zhǎng)繁殖的蛋白質(zhì),因此極易受到污染引起腐敗變質(zhì),而在蔬菜中主要是檢測(cè)農(nóng)藥或毒素的殘留。據(jù)報(bào)道,越來越多具有快速、靈敏、專一、高效的生物傳感器被成功研發(fā)并投放到市場(chǎng),截至目前全球市場(chǎng)已有超過幾十余種產(chǎn)品,并根據(jù)食品的特點(diǎn)結(jié)合傳感器的不同類型以達(dá)到對(duì)致病菌的精準(zhǔn)檢測(cè)。常見應(yīng)用于檢測(cè)食源性致病菌的商業(yè)化生物傳感器見表2。

        表2 用于食品檢測(cè)常見的商業(yè)化生物傳感器Table 2 Maincurrently commercial biosensors in food detection

        4 各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

        雖然生物傳感器對(duì)于檢測(cè)食源性致病菌較傳統(tǒng)方法和其他一些檢測(cè)手段來說具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如靈敏度高、檢測(cè)快速等。但不可忽視的是它仍然存在著諸多問題,其中最重要和最關(guān)鍵的就是穩(wěn)定性和精確度。不同類型的生物傳感器雖各有所長(zhǎng)但同時(shí)也有一定的缺陷,其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下(表3)??傮w來說,商業(yè)化的生物傳感器還是少之又少,目前正在研發(fā)和報(bào)道的傳感器仍然存在一些問題有待解決:區(qū)分死菌和活菌能力。傳統(tǒng)的平板菌落計(jì)數(shù)法反映的活菌的數(shù)量,而多數(shù)生物傳感器往往檢測(cè)的死細(xì)胞和活細(xì)胞總的數(shù)量;檢測(cè)樣品有限。大部分生物傳感器只適用于檢測(cè)液體樣品,如牛奶,果汁或肉湯等,應(yīng)用于復(fù)雜食物可能會(huì)引起食物基質(zhì)的嚴(yán)重干擾;目標(biāo)菌的檢測(cè)較為單一,大部分生物傳感器只能檢測(cè)單一病原菌,而在食品質(zhì)量監(jiān)控中往往需要檢測(cè)多種微生物[53]。

        表3 不同類型傳感器的比較Table 3 A comparison of the different types of biosensors

        基于各類傳感器的特點(diǎn)和適用范圍,如何針對(duì)性地改進(jìn)和完善傳感器的性能仍需科研工作者為此不懈努力,將各類傳感器的優(yōu)勢(shì)更好地整合到一起需要進(jìn)一步積極探索和研究。

        5 前景與展望

        相較于傳統(tǒng)方法,生物傳感器技術(shù)操作簡(jiǎn)單,檢出速度快,已在食品檢測(cè)領(lǐng)域取得突破并日趨成熟,但由于抗干擾能力差,可靠性低及各種復(fù)雜的因素限制了其在病原菌檢測(cè)中的應(yīng)用,影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用,尤其是對(duì)于起步和發(fā)展較晚的我國來說,許多方法仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,現(xiàn)今尚無可靠的商業(yè)化傳感器走向市場(chǎng),大量的基礎(chǔ)研究工作仍有待開展。理想的傳感器的不僅要求靈敏度高,在短時(shí)間內(nèi)提供實(shí)時(shí)可靠的結(jié)果,而且能夠特異性區(qū)分復(fù)雜食品中的目標(biāo)細(xì)菌。如何提高傳感器的靈敏度和特異性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性、降低成本以及使其更加便攜化和智能化是當(dāng)前亟需解決的問題也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

        解決生物傳感器目前存在的一些主要問題的關(guān)鍵是要選擇更具體的受體和更靈敏的基質(zhì)材料,大量的文獻(xiàn)報(bào)道有越來越多的新型材料,如石墨烯、金屬納米粒子、分子印跡聚合物被應(yīng)用到生物傳感器上,結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的納米技術(shù)、3D 技術(shù)、CRISPR 技術(shù)、微流體技術(shù)等就可能成功地構(gòu)建靈敏的生物分析工具,但同時(shí)還需要開展更深層次的理論研究,以更好地理解新興材料與生物分子的相互作用機(jī)制。如何區(qū)分死菌體和活菌體,目前AMPs 和免疫磁球是一種有效的手段,基于AMPs 和免疫磁球方法研制的生物傳感器均有報(bào)道。在實(shí)際應(yīng)用中樣品組成非常復(fù)雜,為了避免干擾,用于檢測(cè)快速食品中病原菌的生物傳感器的開發(fā)必須依賴于食品的類型和食品中所含的營養(yǎng)物質(zhì),如脂肪、蛋白質(zhì)和纖維。因此,在今后實(shí)際應(yīng)用中,可能需要為每種食品開發(fā)特定的傳感器或特定的分析工具和取樣方法。關(guān)于樣品的預(yù)處理,多數(shù)文獻(xiàn)中沒有過多描述,需要明確的是大部分生物傳感器均需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,只有少數(shù)生物傳感器無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,液體樣本大多使用緩沖液稀釋、過濾或離心方法,更復(fù)雜的液體樣品也可能需要?jiǎng)驖{處理。動(dòng)物性食品樣本需要額外的步驟,通常是要在合適的溶液中消化,然后進(jìn)行離心、稀釋或過濾。因此,生物傳感器自動(dòng)化或便攜式預(yù)處理系統(tǒng)同樣是未來研究的重要方向,檢測(cè)設(shè)備趨向于小型化、簡(jiǎn)單化、成本低廉、高通量和集成多元化發(fā)展。此外,還有一些技術(shù)和手段尚處在起步階段,如納米顆粒碰撞電化學(xué)和智能包裝等,為開發(fā)新一代的智能生物傳感器提供了新的思路。

        綜上所述,生物傳感器技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)引起食源性致病菌檢測(cè)方法的變革與創(chuàng)新,在食品安全領(lǐng)域中有著巨大的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

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