電化學(xué)生物傳感器在食源性致病菌檢測中的應(yīng)用研究

摘 要：食源性致病菌作為引起食源性疾病的主要因素，受到人們的高度重視。發(fā)展簡便、快速、高靈敏度和低成本的食源性致病菌檢測方法對降低食源性疾病發(fā)病率具有重要意義。傳統(tǒng)的食源性致病菌檢測方法費時、費力、昂貴，無法滿足食品快速檢測的要求。電化學(xué)生物傳感技術(shù)具有簡單、實時、靈敏度高、小型化、檢測速度快與成本低等優(yōu)點，在食源性致病菌檢測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)生物傳感器;致病菌;食品;檢測

在21世紀，食源性疾病是世界范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率都較高的疾病，每年會造成數(shù)百萬人次患病，給社會經(jīng)濟發(fā)展造成重大障礙。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟的進步并不能有效控制食源性疾病的傳播，反而呈上升趨勢。可以產(chǎn)生毒素引起食源性疾病的致病菌種類很多，其中大腸桿菌、蠟狀芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌與產(chǎn)氣莢膜梭菌等最為常見。

目前，生物傳感技術(shù)以其獨特的靈敏度、較低的檢測下限、操作簡單等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的分析方法相比，生物傳感技術(shù)具有不可替代的優(yōu)勢：實時性，它可以與生物大分子相互作用，利用過程中每一刻發(fā)生的變化進行分析;快速，整個過程只需要5～15 min，而且可以在短時間內(nèi)測量大量的樣品;特異性;簡單，不需要標(biāo)記。新興的電化學(xué)生物傳感技術(shù)已被開發(fā)并應(yīng)用于食源性致病菌的分析中，其靈敏度和選擇性可與傳統(tǒng)方法相媲美，這使得食源性致病菌的快速檢測成為可能。

1 電化學(xué)生物傳感器簡介

電化學(xué)生物傳感器是識別生物分子信息信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闉殡娦盘柕囊环N分析檢測裝置，主要由兩部分組成：生物感受器和換能器。生物識別元件是電化學(xué)生物感受器的核心部件，由于生物識別元件對待測物質(zhì)具有特定的識別功能，所以生物傳感器可以選擇性識別目標(biāo)分子并將其捕獲到電極表面，并通過物理或化學(xué)方法固定在電極表面。將生物識別元件通過生物固定化技術(shù)固定在電極上，電極將生物分子間的特異性反應(yīng)中的各種物理、化學(xué)等信號轉(zhuǎn)換成電流、電壓和電阻等物理量，并作為特征檢測信號輸出，以實現(xiàn)對目標(biāo)的定性或定量分析[1]。根據(jù)近幾年有關(guān)電化學(xué)生物傳感器的大量文獻，可以說電化學(xué)生物傳感技術(shù)是食源性致病菌檢測領(lǐng)域中最有前途的技術(shù)之一。

2 電化學(xué)生物傳感器技術(shù)在食源性致病菌檢測中的應(yīng)用

近年來，利用電化學(xué)生物傳感器技術(shù)檢測食源性致病菌受到越來越多的關(guān)注。因此，本文綜述了電化學(xué)生物傳感器在檢測常見食源性致病菌方面的最新進展。

2.1 大腸桿菌

大腸桿菌E.coli是在1885年發(fā)現(xiàn)的，一直被認為是一種非致病性細菌，是腸道菌群的正常組成部分。大約在20世紀中葉，人們認識到一些特殊的大腸桿菌對人和動物是致病的，特別是對嬰幼兒，會導(dǎo)致嚴重的腹瀉和敗血癥。人類可能因飲用受污染的水或食用未成熟的食物而感染大腸桿菌。因此，檢測飲食中的大腸桿菌對保證人們的健康至關(guān)重要。

在食源性致病菌中，應(yīng)用電化學(xué)生物傳感器檢測大腸桿菌的報道很多。早在2003年，R.Mikkelsen等[2]人發(fā)布了可使用絲網(wǎng)印刷傳感器陣列快速測定4個大腸桿菌亞種E.coli、E.coliNetype、E.coliJM105與E.coliHB101。DNA生物傳感器是檢測大腸桿菌的有效手段，Leong等人[3]使用DNA納米棒，錨定大腸桿菌脂多糖、裂解物和整個細菌，有研究人員[4]使用滾環(huán)擴增技術(shù)RCA與過氧化氰模擬酶DNA酶擴增相結(jié)合的方法，構(gòu)建了一種簡單、無標(biāo)記、低成本的高靈敏度檢測大腸桿菌的電化學(xué)生物傳感器。Malhotra等人[5]研制了一種免疫電極，可用于區(qū)分大腸桿菌O157：H7與非致病性大腸桿菌和其他細菌。

2.2 蠟狀芽孢桿菌

蠟狀芽孢桿菌是芽孢桿菌屬的一種，可引起食物中毒。蠟狀芽孢桿菌引起的癥狀是腹痛、嘔吐和腹瀉，這與產(chǎn)氣莢膜梭菌非常相似。因此，研究食品中蠟狀芽孢桿菌的準(zhǔn)確檢測方法十分重要。

Soleimarian-Zad[6]等人研制了一種基于DNA納米金顆粒修飾鉛筆石墨電極PGE的蠟樣芽孢桿菌電化學(xué)生物傳感器。利用納米金顆粒GNPs與硫醇連接物固定nheA基因的某一單鏈組裝成傳感元件，可以識別并捕獲靶標(biāo);研究人員還用此傳感器檢測了牛奶和嬰兒配方奶粉中的細菌，表明該生物傳感器適用于牛奶和嬰兒配方奶粉中細菌的檢測。有研究者[7]發(fā)表了一種新型蠟樣芽孢桿菌電化學(xué)傳感器，將蠟樣芽孢桿菌單克隆抗體固定在雙層金納米粒子上，并用殼聚糖將傳感元件與GCE連接。該傳感器具有檢測響應(yīng)快、長期穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點。

2.3 金黃色葡萄球菌

金黃色葡萄球菌S.aureus是一種典型的革蘭氏陽性菌，可引起人類嚴重的化膿性感染，引起肺炎等全身性感染。在美國和加拿大，由金黃色葡萄球菌腸毒素引起的食物中毒分別占所有細菌性食物中毒的33%到45%[8]。在中國也有很多中毒事件。

有關(guān)人員報道了[9]一種用于檢測金黃色葡萄球菌的電化學(xué)傳感器，該傳感器以單鏈DNA為適配子，通過阻抗譜連接到還原的氧化石墨烯-金納米復(fù)合材料rGO-AuNP上。Mansour等[10]通過監(jiān)測金黃色葡萄球菌感染前后電阻的變化，用固定在金電極上的鐵氰化物/亞鐵氰化物為氧化還原探針識別金黃色葡萄球菌。研制的這種生物傳感器可進一步檢測處于應(yīng)激和復(fù)蘇狀態(tài)的致病菌。

2.4 產(chǎn)氣莢膜梭菌

Pu等人[11]發(fā)表了一種使用RCA技術(shù)檢測產(chǎn)氣莢膜梭菌DNA的電化學(xué)發(fā)光傳感器，該研究小組同年報告了另一種基于絲網(wǎng)印刷電極的產(chǎn)氣莢膜梭菌DNA生物傳感器。他們使用具有穩(wěn)定發(fā)夾結(jié)構(gòu)的初始分子信標(biāo)，它與靶DNA結(jié)合后，鏈霉親和素適配子被重新激活，DPV的電化學(xué)信號可以通過“三明治”結(jié)構(gòu)反應(yīng)被檢測到。最近，有研究者[12]介紹了一種基于CeO2/殼聚糖修飾電極的電化學(xué)生物傳感器，通過監(jiān)測阻抗的變化來檢測產(chǎn)氣莢膜梭菌的DNA。

2.5 同時檢測多種食源性致病菌

電化學(xué)生物傳感器用于生物病原體的同時、多點檢測已成為一種發(fā)展趨勢.有研究人員[13]構(gòu)建了一種利用聚乙烯亞胺功能化的單壁碳納米管在金鎢絲上制成2×2連接陣列結(jié)構(gòu)的傳感器，用于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌電勢復(fù)用檢測的多結(jié)傳感器。該傳感器檢測時間短，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的檢出限分別為10 ?L和100 ?L。Li等[14]人研制了一種基于Au/GCP的夾心式電化學(xué)生物傳感器，用于同時檢測大腸桿菌O157：H7和霍亂弧菌O1，所制備的生物傳感器性能優(yōu)良，該方法易于擴展，可用于其他致病菌的檢測，在食品安全領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。此外，Ai等[15]人基于二茂鐵-PAMAM-多壁碳納米管-殼聚糖納米復(fù)合修飾熱解石墨電極，他們構(gòu)建了一種高效的消除飲用水中大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的電化學(xué)電極。當(dāng)電位為0.4 V，作用10 min時，幾乎所有病原菌都會被殺滅，為病原菌的消毒提供了一種有效的電化學(xué)方法。

綜上所述，傳統(tǒng)的食源性致病菌檢測方法雖然靈敏，但大多耗時長幾天到一周，限制了它的實際應(yīng)用。因此，開發(fā)檢測食源性致病菌的新方法十分必要。經(jīng)過探索和發(fā)展，電化學(xué)生物傳感技術(shù)已成熟應(yīng)用于病原體的快速檢測。基于核酸或適配子的電化學(xué)生物傳感器具有較高的靈敏度和較低的檢測下限，但其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有待提高。食源性致病菌的檢測方法仍有進一步改善。一種快速、靈敏、低成本的食源性致病菌檢測方法具有巨大的市場前景。鑒于電化學(xué)傳感的需求和優(yōu)勢，在不久的將來，其在食源性致病菌檢測方面仍有很大的發(fā)展空間。

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作者簡介：張華（1984—），男，陜西咸陽人，碩士，工程師。研究方向：食品檢驗。