生物傳感器及其在微生物檢測中的應用

鄧國杰

摘要：本文將簡單介紹生物傳感器的原理和分類，并對最近的生物傳感器在微生物檢測中的應用進行概括。

關鍵詞：生物傳感器；微生物檢測

一、生物傳感器

生物傳感技術經過三十幾年的發展，憑借著其優良的性質—檢測靈敏度高、選擇性好、準確度高、檢測速度快、低成本—廣泛應用在食品質檢和環境污染物監測中，例如生物傳感技術應用于水體中重金屬的檢測研究，檢測限低至10-12mol/L，擁有十分廣闊的發展前景[1]。

生物傳感器通常由敏感元件和信號轉換器組成，敏感元件一般為生物分子活性物質，如酶、抗原、抗體、核酸等。生物傳感器的檢測原理為待測物質與敏感元件相結合，這種結合信號可以通過信號轉換器也就是換能器放大或增強，將其轉變為人們易于檢測的電信號或光信號，說產生的電信號與光信號被傳送出來，并且信號強弱顯示為與被測物質濃度相關[1]。

按照敏感元件的不同來分，可以將生物傳感器分為酶傳感器、免疫傳感器、核酸傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織傳感器；按照轉換器轉換原理的不同來分，可以分為電化學生物傳感器、光學生物傳感器、熱生物傳感器、半導體生物傳感器和聲生物傳感器，其中電化學生物傳感器是將待測物質濃度信號轉換為電信號，以電流、電壓、電容和電勢信號傳送出來[1]。

二、生物傳感器在微生物檢測中的應用

1.微生物數量的檢測

食品常常因為保存不當，受到微生物污染，污染食品的微生物一般有兩種，病原菌和腐敗菌。腐敗菌一般沒有致病性，但它會使食物分解腐敗，產生有毒物質，因此需要嚴格控制食品中的腐敗菌數量[4]。

食品中常見的腐敗菌有枯草芽孢桿菌、乳酸菌、釀酒酵母等[3]。食品中腐敗菌數量檢測有兩種方法，兩者都是利用腐敗菌呼吸代謝過程的特性來進行檢測。其一是通過檢測腐敗菌在分解代謝過程中產生的電子，將其連接到電極上產生相應的電流，電流大小即可判斷待測液中微生物濃度，這一檢測方法能夠快速準確的進行檢測，操作簡單，但無法測量出微生物的濃度。另一種方法是用光纖傳感器，利用腐敗菌在分解代謝過程產生二氧化碳的特性，通過測定二氧化碳的釋放量來計算腐敗菌在待測液中的大致濃度，該方法可以克服原先無法得到微生物濃度的缺點，為快速檢測微生物數量做出了很大貢獻。

2.病原菌的檢測

食品中的病原菌也就是致病菌不僅會將食品中的營養物質分解，而且還有致病性，所以食品中的病原菌的檢測十分重要。食品中常見的致病菌有產氣莢膜梭菌、金黃色葡萄球菌、李斯特菌以及蠟樣芽孢桿菌[3]。李斯特菌的檢測主要依賴于光纖傳感器以及聚合酶鏈式反應的信號放大作用，對食品中存在的大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌可以用電化學免疫傳感器進行檢測[3]。例如我們檢測金黃色葡萄球菌時，將蛋白A作為標記物，光纖上固定有抗體蛋白用來結合蛋白A，蛋白A與抗體結合產生的信號即可作為檢測信號檢出，該方法檢出限低，檢測速度快，檢測靈敏度高，相較于傳統方法更加具有優勢。

3.生物毒素的檢測

毒素作為生物的產物，極少量即可對人體健康造成損害，對食品安全危害極大，因此生物毒素的檢測至關重要。

3.1.細菌毒素

細菌毒素分為內毒素和外毒素。

內毒素是革蘭氏陰性菌細胞壁上的特殊結構，由O特異鏈、核心多糖和類脂組成，對熱不敏感，抗原性差，不能轉化為類毒素，毒性弱。有研究表明，根據內毒素的致病性研究開發出了基于消失波的光纖傳感器和石英晶體微天平生物傳感器用于內毒素的檢測，并獲得較為優良的特性。

外毒素主要是由革蘭氏陽性菌分泌到菌外的一種毒性蛋白質，破傷風桿菌、肉毒桿菌、白喉桿菌、金黃色葡萄球菌都能分泌外毒素。外毒素對人敏感，抗原性強，能夠轉化成類毒素，毒性強，所以對人類造成的傷害巨大。對外毒素的檢測，我們常用光纖傳感器、光尋址電位傳感器和壓電晶體傳感器，但由于壓電晶體傳感器特異性不強，會造成非特異性吸附，最后導致選擇性差，所以壓電晶體傳感器不常用于外毒素的檢測中。有學者研究表明，可以用光纖傳感器檢測食品中肉毒桿菌毒素A，檢測在短短一分鐘之內檢測線可以低至5μg＼L。

3.2.真菌毒素

真菌毒素是由真菌分泌產生的有毒物質，生活中常常污染食品的真菌毒素有黃曲霉毒素、雜色曲霉毒素、T-2毒素、展青霉素等。真菌毒素的檢測通常是以免疫生物傳感器為基礎建立的快速檢測方法，最廣泛應用與黃曲霉毒素B1和伏馬素B1的檢測中。研究表明，用微生物傳感器或以纖毛蟲微生物作為敏感材料的傳感器也可以用來檢測展青霉素、黃曲霉素B1和T-2毒素。

3.3.其他生物毒素

自然界中不僅僅是細菌毒素和真菌毒素一直在污染我們的食品，破壞我們的食品安全，損害人類的身體健康，還存在著一些動植物毒素，比如蓖麻毒素、河豚毒素和沙蠶毒素。研究表明，利用壓電傳感器、光纖傳感器、電化學免疫傳感器、酶免疫傳感器就可以很好的達到檢測生物毒素的目的，并且擁有線性范圍合理，檢出限低的優點。

4.其他生物類霉菌的檢測[2]

生物傳感器不僅用來檢測以上的細菌毒素和真菌毒素，還用來監控食品中的其他生物霉素。生物霉素是微生物的代謝產物，毒性強，大多具有致癌、致畸性，所以利用生物傳感器對食品中生物霉素的檢測也是十分重要的。

參考文獻：

[1]馮婉娟.新型高靈敏、高特異性電化學納米生物傳感器的構建及應用研究[D].上海，華東師范大學，2008.

[2]楊君，馮志彪.生物傳感器在微生物毒素檢測中的應用研究[J].農產品加工（學刊），2007（05）：80-84.

[3]孫黎波，孫慶欣.生物傳感器在微生物檢測中的創新研究[J].科技創新導報，2012（23）：30-32.