表面等離子共振技術在食品安全檢測中的應用

趙 靜，陶寧萍，盧 瑛，劉 源，叢 健

（上海海洋大學食品學院，上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海201306）

表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一種物理光學現象，而表面等離子共振技術是基于光學技術原理，應用較多的一種檢測方法。最早的光學技術的應用可以追溯到CO2及O2濃度的測定[1]。隨著光學技術日新月異的發展，現如今光學技術已被廣泛應用于航天、航空、國防科研、信息產業、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫學、環保等諸多領域。近年來，隨著食品安全問題越來越得到重視，食品安全保障技術也得到了大力發展。本文綜述了表面等離子共振技術在食品安全領域中的應用，為相關研究提供一定的參考依據。

1 表面等離子共振技術

最早記載的可觀察到的表面等離子共振現象可以追溯到1902年，R Wood[1]第一次報道在多色光照射的金屬光柵而產生的衍生光譜中的深色的狹窄條帶，這一異常現象被稱為“Wood異常”。1957年，Ritchie發現電子穿過金屬薄膜時產生“能量降低”的現象，第一次提出了用于描述金屬內部電子密度縱向波動的“金屬等離子體”的概念。1968年，Ritchie R等[2]首次用表面等離子共振現象解釋了“Wood異常”。1982年，Nylander和Liedberg[3]將表面等離子共振技術應用于生物傳感器的研究，SPR生物傳感器的應用得到了很大的發展。1990年，第一臺研究生物分子相互作用的生物傳感器——Biacore產品正式推出，開啟了“無需標記”、“實時觀測”的檢測技術新紀元。近二十年來，越來越多有關表面等離子技術的相關研究被報道。

圖1 Science Direct數據庫中有關表面等離子共振技術的文獻數量Fig.1 Number of research paper on SRP listed by Science Direct database

一般來說，SPR生物傳感器由以下幾個部分組成：光源、檢測器、轉換膜（一般是金膜）、棱鏡、生物分子（抗體或者抗原）和流動系統，見圖2。轉換膜一般是一層薄金膜（50 ～100nm），將其涂在棱鏡的玻璃表面。除了金以外，轉換膜也可以用銀、銅、鋁來替代，但由于金的穩定性最好，無自由電子，因此金是最好的轉換膜材料[2]。根據樣品類型，在金膜上偶聯上羧基段、氨基端、生物素等，然后采用化學方法將生物分子與金膜表面共價連接，形成不同的功能表面。通入樣品后，樣品會與金膜表面的抗體或抗原特異性結合，不同質量的生物分子與金膜表面特異性結合會引起折射率的變化，得到生物分子之間相互作用的特異性信號。

圖2 表面等離子共振器示意圖Fig.2 Schematic view of the surface plasmon resonance sensor

SPR傳感器一般分為流體動力系統、進樣系統、模式選擇系統及檢測系統四大部分。動力系統一般有蠕動泵、恒壓注射器等，為流動相提供動力；進樣系統分為手動進樣和自動進樣，根據SPR傳感器系列不同，可以選擇不同的進樣方式；模式系統則可以控制樣品在不同的檢測通道內流動。而檢測系統則是SPR傳感器的核心所在，生物分子被固定于傳感器轉換膜表面，一般來說，固定方法分為以下幾種：a.胺基偶聯固定，由于胺基基團的普遍性，所以通過胺基偶聯固定配體適用于絕大部分的生物子，最常用的方法是使用NHS和EDC含水混合物活化羧基產生胺基活性脂；b.親和力捕獲表面組氨酸標簽蛋白（HisCap和HisHiCap芯片），芯片使聚組氨酸標簽蛋白的固定穩定、可逆，也讓檢測系統的制備更加便捷；c.囊泡捕獲膜受體相互作用（VesCap芯片），利用ICX囊泡捕獲（VesCap）芯片可以研究分子與細胞膜、脂質體的相互作用，進行實時、無標記的實驗，在VesCap芯片中，脂雙層好像在自然細胞環境中，自身構造中的各種細胞膜組分可以在細胞膜真實模型中自由混合；d.親和素-生物素固定（BioCap和AvCap芯片），通過親和素-生物素為基礎的方法固定生物分子，操作簡單、效果出色。

2 SPR生物傳感器在食品安全檢測中的應用

從食物材料的收集開始，前處理、存儲、運輸，直到食用，保證食品質量安全需要一種簡單、快速、高自動化分析系統。目前生物傳感器在食品相關領域，包括農產品中的農藥或除草劑殘留，動物產品，如乳制品，肉類和魚類中的食品防腐劑，營養性添加劑等的檢測已成為熱門。

對于有機污染物、農藥殘留、獸藥殘留、微生物及微生物代謝產物等小分子物質的檢測，常規情況下采用的分析方法有HPLC-MS、HPLC、GC、GC-MS等。這些方法缺點是成本高、費時費力、對環境有污染、前期準備十分繁瑣，無法成為一種高效的自動化常規分析方法。目前國內外已有多種關于采用SPR生物傳感器檢測不同樣品的報道。

2.1 SPR生物傳感器在食品微生物檢測領域中的應用

食品中的微生物能夠引起人體、動物和植物的病害。食源性疾病是我國主要公共衛生問題之一，由餐飲食品微生物污染導致的食物中毒在食源性疾病中占有很高比例。所以快速有效的檢測食品中的微生物對有效控制食源性疾病是很有意義的。表1介紹了文獻中已報道的利用SPR生物傳感器檢測食品中微生物的案例。

2.2 SPR生物傳感器在微生物代謝產物檢測領域中的應用

微生物代謝產物類型眾多，但有些代謝產物，例如真菌毒素，對人體有嚴重的傷害，它能對人體產生長期的影響，尤其是會引起免疫機能的傷害和產生癌癥。Cho YJ等[12]采用此方法檢測伏馬菌素B1，伏馬菌素是一種霉菌毒素，主要污染玉米、玉米制品及蘆筍等。目前國內外已有報道，伏馬菌素屬于致癌物。Sinclair HR等[13]采用SPR生物傳感器檢測到了食品中的霍亂弧菌。表2列舉了其他的一些SPR生物傳感器在食品中的真菌毒素檢測的應用。

表1 SPR生物傳感器在食品中微生物檢測中的應用Table 1 Determination of microorganism in food by SPR biosensor

表2 SPR生物傳感器在食品中真菌毒素檢測中的應用Table 2 Determination of mycotoxins in food by SPR biosensor

2.3 SPR生物傳感器在食品過敏原檢測領域中的應用

食品過敏原是指食物中能夠引起機體免疫系統異常反應的成分。近年來，越來越多的因食用某種食品過敏的報道屢見報端，食品過敏影響到人類的生活質量，甚至危及生命，日益成為讓人頭疼的衛生問題之一。標注食品過敏原也已成為發達國家設置國際技術壁壘的重要手段。目前國外已有采用SPR生物傳感器對食品中的過敏原進行檢測的報道。表3列舉了采用SPR生物傳感器對食品中過敏原檢測的檢測限。

表3 SPR生物傳感器在食品中過敏原檢測中的應用Table 3 Determination of allergen in food by SPR biosensor

2.4 SPR生物傳感器在食品添加劑檢測領域中的應用

食品添加劑的種類有防腐劑、甜味劑、著色劑、增稠劑、懸浮劑、穩定劑、護色劑等類。食品添加劑是當今食品工業的“秘密武器”，幾乎是食品工業產品不可缺少的，但濫用食品添加劑會對人體帶來極大的影響。例如塑化劑、皮鞋膠囊、三聚氰胺都給人們的身體健康帶來了極大的危害。有學者采用SPR生物傳感器檢測食品中營養成分的含量：Vyas[23]采用SPR生物傳感器檢測嬰兒配方奶粉中維生素B12的含量等等，表4列舉了利用SPR生物傳感器對食品中添加劑進行檢測的檢出限。

2.5 SPR生物傳感器在食品藥殘檢測領域中的應用

食品中的藥物殘留對人體的影響也是非常大的。動物性食品中的藥物殘留主要包括抗生素（氨基糖苷類、大環內酯類、四環素類、氯霉素類）、人工合成菌株、抗寄生蟲藥物、生長促進劑、外用殺蟲劑。Shelver[30]采用SPR生物傳感器對奇帕特羅進行了檢測，奇帕特羅是一類β-腎上腺素復合物，普通消費者將此類藥物稱作為瘦肉精。此種藥物對心率失常、高血壓、青光眼、糖尿病、甲狀腺機能亢進等疾病的患者有較大危害。Moeller[31]采用此方法對蜂蜜和原料乳中的四環素進行了檢測。Li[32]、Ferguson[33]、Dumont[34]采用此方法對牛奶和家禽肌肉、蜂蜜、蝦中的抗生素磺胺甲惡唑、氯霉素以及甲砜氯霉素殘留進行了檢測。表5列舉了采用SPR生物傳感器在動物性食品中藥物殘留的檢測應用及其檢出限。

2.6 SPR生物傳感器在食品中海洋生物毒素檢測領域中的應用

海洋生物毒素為海洋生物體內存在的一類高活性的特殊代謝成分，一般擁有劇烈毒性，是海洋生物活性物質中研究進展最迅猛的領域。海洋生物毒素主要由藻類或浮游植物產生，可根據化學結構將其大致分為多肽類毒素、聚醚類毒素、生物堿類毒素等三大類，也可以根據毒性作用機制分為腹瀉性貝毒（DSP）、麻痹性貝毒（PSP）、神經性貝毒（NSP）和記憶缺損性貝毒（ASP）四類。海洋生物毒素可以在濾食性的軟體貝殼類動物的組織內蓄積。海洋中有不少像河豚魚一樣含有天然生物毒素的魚貝類及海洋植物，如食用這些海洋生物往往使人發生食物中毒，乃至威脅到生命安全。表6介紹了文獻中已報道的利用SPR生物傳感器檢測食品中海洋生物毒素的案例。

表4 SPR生物傳感器在食品中添加劑檢測中的應用Table 4 Determination of addictive in food by SPR biosensor

表5 SPR生物傳感器在食品中藥物殘留檢測中的應用Table 5 Determination of drug residues in food by SPR biosensor

表6 SPR生物傳感器在食品中海洋生物毒素檢測中的應用Table 6 Determination of marine biotoxins in food by SPR biosensor

3 討論與展望

SPR生物傳感器的應用涉及例如化學、生物學、材料學等眾多領域。近幾年發展尤為迅猛。隨著SPR生物傳感器的不斷完善和生物分子膜構建能力的不斷增強，其在分子級別物質的檢測方面是占有優勢的。它可以實時動態檢測生物分子互相作用的全過程，無需標記樣品，保持了分子活性，可檢測的樣品種類廣、上樣量小、操作簡單且制作成本較低及SAM可重復使用。

但此項技術仍存在著一些問題：

a.檢測精度低，SPR生物傳感器檢測結果受到前處理好壞的影響，食物的組成一般來說都較為復雜，待測樣品中存在的蛋白、脂類、糖類、鹽類以及樣品所處體系都會對偶聯在生物傳感器膜表面上的生物分子產生干擾，從而影響結果的準確性。因此，研究發展出一種快捷、簡便、適用于SPR生物傳感器的前處理方法是極為重要的。

b.某些食品中的成分檢測結果表明，SPR生物傳感器還具有靈敏度差的缺點，對分子量小于1000的小分子物質來說，其檢測結果還未達到理想水平。因此，積極探索高靈敏度的分析方法有著重要的意義。例如可以嘗試與其他技術的聯用來進一步完善SPR生物傳感器。

c.SPR生物傳感器檢測過程時間短，且可實時動態監測分子互相作用全過程，實驗結果一目了然，且樣品取樣量小，不易影響食品整體，是一種理想現場檢測方法。但SPR生物傳感器存在設備較為昂貴，便攜性差，且使用前需穩定系統等問題。這些問題使得此項技術無法應用于現場快速檢測。目前，已有較多實驗室可以自行搭建SPR生物傳感器以降低實驗成本。但由于其需要不同系統的實驗器材支撐，因此不適用于現場檢測。如何精簡實驗設備或使其一體化，進一步完善SPR生物傳感器，值得探討。

目前，國外利用此項技術對樣品進行檢測的報道較多，國內采用SPR檢測技術的報道還較少。尤其是利用此項技術對食品安全進行保障的研究也較為少見。隨著人們對SPR生物傳感器的研究不斷深入，及對食品安全問題的日益重視，人們需要一種安全可靠、快捷方便的檢測技術，相信表面等離子共振技術的運用會擁有更加廣闊的發展空間。

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