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傳感器在食品檢測中的展望

來源:網絡|發布時間:2021-02-13|瀏覽次數:
傳感器在食品檢測中的展望1電化學免疫傳感器概述

電化學免疫傳感器是另一個備受關注的研究方向,這主要是因為電化學傳感技術已經非常成熟和普及,如果能夠將抗原和抗體的結合信號轉化成電化學信號,再經過放大和處理,就可以實現利用電化學信號系統對抗原、半抗原或者帶有該抗原的病原菌進行快速、特異性定量檢測。在這方面面臨的關鍵問題是:抗原和抗體結合的微弱信號如何能夠轉化成足夠強的電化學信號,再進行放大處理[4]。用來提高抗原和抗體結合后的電化學信號變化的方法有:利用辣根過氧化物酶[3,5]、堿性磷酸酶[6]、漆酶[7]和葡萄糖氧化酶[8];利用納米粒子增加抗體的特異性吸附并提高吸附量和量子點;寡核苷酸和染料用來標記所發生的信號變化[9]。這些方法的單獨和聯合使用可以大大提高檢測抗原抗體結合的靈敏度[10]。Castaneda等[11]設計了一個抗原-抗體結合所產生的信號轉化為電化學信號,再通過催化吸附在納米金粒子上的對硝基酚進行信號放大的傳感器。MaoXun等[12]則利用他設計的基于納米金免疫傳感器成功檢測了人IgG。此外,納米材料和酶可以用來在抗原抗體結合時放大電化學信號,Mackey等[13]通過將抗人IgG進行辣根過氧化物酶標記后吸附到納米金粒子上制成電化學免疫傳感電極,結果使其測定靈敏度高于ELISA,達到260pg/mL。電化學免疫傳感器的另一個關鍵性問題是如何為電極吸附更多的抗體,最好的方法就是納米材料的利用。目前這方面已進行了大量研究,所用的納米材料主要有3種:碳納米管[14]、金納米粒子[15]和石墨[16],并取得了較為理想的研究結果[17-18]。在免疫傳感器方面,凈化工程www.schrjh.com,一個主要的挑戰是如何實現商業化應用。因為其商業化應用面臨諸多關鍵問題:1)必須能夠實現快速、定量和大規模的樣品測定。2)高度的特異性,不能有交叉反應形成明顯干擾。3)高質量的操作規范。4)測定費用可以接受。5)重復性和靈敏度足夠高[19]。6)再生性能性好,半壽期足夠長。解決這些問題主要途徑是:1)增加測定靈敏度、提高抗體吸附量以增加其測定樣品數量;2)增加納米免疫電極的半衰期和再生能力。

2納米材料在免疫傳感器中的應用

2.1納米材料

納米材料[20-21]是一種超細的固體材料,即其在微觀結構上至少有一維方向受納米級尺度(1~100nm)所調制。具有表面效應、體積效應、量子效應和宏觀量子隧道效應。此外,由于納米材料還具有特殊的光學性質、催化性質、光電化學性質以及良好的吸附能力和生物兼容性等特點,被廣泛應用于免疫傳感器研究,可顯著提高生物分子的吸附量,同時放大電信號,從而使傳感器的靈敏度、壽命、穩定性等得以提高[22]。納米材料(例如:納米金)與抗體的結合,一般認為是納米金表面負電荷和抗體的正電荷基團因靜電作用而吸附,并形成Au-S等穩定化學鍵作用。湯俊琪等[23]報道了免疫酶吸附法評價納米金對抗體Fc端的吸附效果,表明納米金吸附主要是在抗體Fc端,且吸附率達到92%,抗原結合部位Fab端裸露在外,可與抗原發生特異性反應,納米材料的使用不僅可以增大抗體吸附量,同時也保證了傳感器的穩定性。由于納米材料可以增加其操作的選擇性和特異性識別分子的量,所以大大增加檢測靈敏度。因為極低水平的致病菌足以造成食品安全隱患,所以各國都規定食源性病原菌不得檢出。也就是說,增加測定靈敏度是保證食品安全的關鍵[24]。此外,納米免疫技術不僅可以用來提高食源性病原菌的檢測限,而且用來提高對毒素、蛋白質營養成分、抗生素、農藥等的檢測靈敏度[25-26]。在生物傳感器中,納米材料可以大大增加吸附識別分子的特異性和表面,從而增加檢測靶分子的靈敏度和測定量,這對于提高測定靶細胞(病原菌)的靈敏度至關重要[27]。研究結果證明應用納米生物傳感器檢測E.coliO157:H7的靈敏度比ELISA或異硫氰酸熒光素靈敏度提高了16倍[28]。為適應食品安全檢測的要求,往往需要測定到單個細菌細胞的水平,顯然更需要納米技術的幫助[29]。

2.2納米材料在生物傳感器中的應用

通過抗細菌的特異性抗原制備抗體,在經過納米材料吸附抗體來完成食源性病原菌的測定一直是一個熱點領域。病原菌的QDs(量子點)熒光標記被用來測定食源性病原菌,如:單增李斯特菌[30]、致病大腸桿菌(E.coliO157:H7)[31]和志賀氏菌(Shigellaflexneri)等[32]。一項對白條雞洗滌液中鼠傷寒菌的QDs為基礎的免疫測定中,靈敏度可以達到103CFU/mL[33]。這些納米粒子上結合事件的發生點數和位置可以通過定位性SPR、LSPR(localizedSPR)或納SPR進行測定[34-35]。Marinakos等[36]用固定了抗體的金納米粒子同時測定了E.coli鼠傷寒菌的LSPR變化,結果表明,檢測限達到102CFU/mL,比傳統檢測時間減少30min,WangChungang等[37]用此方法結合抗體連接的納米金粒子雙光子瑞利散射測定E.coliO157:H7,其檢測限達到50CFU/mL。Andre等[38]用間接抗沙門氏菌多克隆抗體吸附在納米磁珠上,然后再和含沙門氏菌樣品液(含沙門氏菌的脫脂奶樣品)混合培養,通過微分脈沖伏安法進行測定,檢測限達到143細胞/mL。并在103~106細胞/mL呈線性關系。KangXinhuang[39]和WuHong[40]等研究小組等報道了以天然分子殼聚糖分散石墨烯并結合鉑納米顆粒制備的葡萄糖氧化酶傳感器,研究表明,由于石墨烯的加入使得該新型傳感器展現出良好的穩定性和抗干擾能力,具有靈敏度高、響應快、檢測限低等優點。韓玉花等[41]報道了一種基于金包覆磁性納米粒子的電位型免疫傳感器檢測小鼠的IgG,該傳感器的響應電位與抗原(小鼠IgG)質量濃度的對數在2×10-5~1×104ng/mL范圍內呈良好的線性關系,檢測下限為3.1×10-4ng/mL,響應時間為8min。該傳感器的制備方法簡單,無需標記過程、成本低廉、響應靈敏、性能穩定,具有潛在的應用前景,對制備其他類型免疫傳感器具有重要參考價值。閔紅等[42-43]將金摻雜的四氧化三鐵納米顆粒用殼聚糖交聯后制備生物傳感器,在檢測有機磷農藥時發現,在優化條件下,對有機磷農藥敵敵畏線性檢測范圍為8.0×10–13~1.0×10–10mol/L,最低檢出限達到4.0×10–13mol/L,遠遠優于我國GB/T5009.20—2003《食品中有機磷農藥殘留量的測定息》(0.1mg/L)。另外,在以殼聚糖為交聯劑制備金摻雜的二氧化鈦復合納米粒子修飾電化學傳感器對有機磷農藥對硫磷進行檢測研究時發現,金摻雜二氧化鈦復合納米粒子大的比表面積能增加對底液中對硫磷吸附量,提高檢測靈敏度;所制備電化學傳感器利用示差脈沖伏安法在最優條件下對對硫磷進行檢測,檢測范圍為1.0~7.0×103ng/mL,檢測限達到0.5ng/mL。

3電化學納米免疫傳感器在食品檢測方面的應用

電化學免疫傳感器由于具有高靈敏度、低成本、靈活便攜等優點,在食品安全檢測方面有著巨大的應用前景,以下從蛋白分子、細菌、毒素及農藥殘留幾方面簡要敘述。康曉斌等[44]研制的牛IgG電流型納米免疫傳感器定量檢測牛初乳制品及乳制品中牛IgG的含量,以響應電流的變化率ΔI對牛免疫球蛋白G的質量濃度的對數做圖,結果表明,該傳感器在牛IgG質量濃度0.1~10000ng/mL范圍內呈線性相關關系,與傳統檢測方法相比較,無需對檢測樣品進行提取或預濃縮等復雜的前處理,檢測靈敏度高,操作簡便快捷,但僅僅可以保存15d左右,壽命較短。GengPing等[45]報道了一種阻抗型電化學免疫傳感器檢測河水中的大腸桿菌,該傳感器線性范圍在3.0×103~3.0×107CFU/mL,最低檢測限達到1.0×103CFU/mL,同樣也存在壽命較短的問題。KangXiaobin等[46]研制的雙層納米金蠟樣芽胞桿菌免疫傳感器以電流在免疫前后的變化率ΔI與蠟樣芽孢桿菌的菌落數(用甘露醇卵黃多粘菌素培養基進行平板菌落計數)作圖,結果該傳感器的響應電流與菌濃度在5×101~5×104CFU/mL范圍內呈線性關系,以3倍空白值的標準偏差計算該傳感器的檢測限為10CFU/mL,靈敏度可與PCR檢測方法相媲美,凈化工程www.schrjh.com,幾乎達到了細菌檢測的極限,但保存20d后電流響應信號為初始電流的93.56%,表明使用壽命也較短。Masoomi等[47]報道了一種檢測黃曲霉素B1非酶標記電化學納米金免疫傳感器,響應范圍0.6~110ng/mL,最低檢測限為0.2ng/mL;ZhouLinting等[48]報道了一種檢測黃曲霉毒素B1的超靈敏電化學納米免疫傳感器,其響應范圍為3.2×10-16~0.32×10-13mol/L,最低檢測限為1×10-16mol/L(RSN=3),可穩定保存26周;LiZaijun等[49]也報道了一種檢測蜂蜜中黃曲霉毒素B1的阻抗型免疫傳感器,阻抗響應范圍為0.1~10ng/mL,最低檢測限為0.01ng/mL,在4℃保存180d后仍具有95%的活性,且不受黃曲霉毒素B2、G1、G2和M1的干擾;Gautam等[50]報道了一種檢測牛奶中黃曲霉毒素M1的阻抗型免疫傳感器,靈敏度可達0.001ng/mL。對黃曲霉毒素的檢測近年來發展迅速,無論是靈敏度或者穩定性上都體現了電化學免疫傳感器巨大的應用潛力。杜淑媛[51]報道的克百威農藥殘留檢測用電化學免疫傳感器,在最優條件下其具有較寬的線性范圍:0.1ng/mL~1μg/mL,檢測限為0.021ng/mL(RSN=3),保存15d后響應電流保留了原來的93.5%,盡管農藥生物傳感器發展速度很快,但商業化產品的研制仍處于初期階段,還有待于進一步的發展。本文來自于《食品科學》雜志。食品科學雜志簡介詳見

4展望

電化學納米免疫傳感器是一種將電化學分析方法與免疫學技術相結合而發展起來的具有快速、靈敏、選擇性高、操作簡便等特點的生物傳感器,同時結合納米材料良好的吸附能力、表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應等特點[51],大大提高了傳感器靈敏度、穩定性和抗體分子吸附量。更重要的是,目前已有抗體(病原體、毒素、腫瘤表面標記物、遺傳標記、細胞因子、抗生素、農藥)絕大多數都是以Balb/c小鼠制備的單克隆抗體。顯然,這可以成為一個針對目前所制備的非常廣泛的單克隆抗體的檢測平臺,凈化工程www.schrjh.com,因為其抗體來源于一個相同的無性系小鼠,其Fc序列、結構和功能是相同的,因此,其操作和檢測方案是基本相同的,而且還可以針對需要隨時通過成熟的雜交瘤技術定制待測靶標的單克隆抗體。電化學納米免疫傳感器將在食品檢測領域發揮極其重要的作用。但就目前來說,電化學納米免疫傳感器的發展仍面臨著多方面挑戰,需要在使用壽命、再生性、穩定性等方面投入更多精力,從而推進其商品化應用進程。

作者:魯丁強 龐廣昌 單位:天津商業大學生物技術與食品科學學院 天津市食品生物技術重點實驗室  在线看日本免费不卡资源,日本免费网址大全在线观看,日本不卡免费一区二区

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