分子印跡傳感器在真菌毒素檢測中的應(yīng)用研究進展

丁同英 袁 航

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

目前已發(fā)現(xiàn)近400種由真菌產(chǎn)生的有毒次生代謝產(chǎn)物——真菌毒素[1]，其對肝臟、腎臟、造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)均具有嚴重毒性，還會致癌、致突變、致畸等。污染谷物的真菌毒素主要有黃曲霉毒素(AFs)、伏馬毒素(FB)、嘔吐毒素(DON)、T-2毒素(TS)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和赭曲霉毒素(OT)等。為預(yù)防真菌毒素中毒、維護食品安全，應(yīng)不斷建立及優(yōu)化準確、簡便的真菌毒素檢測方法[2]。目前，真菌毒素的新型快速檢測方法(酶聯(lián)免疫吸附法、酶抑制法、生物傳感器法等[3-4])在不斷發(fā)展，其中，傳感器具有檢測抗惡劣環(huán)境能力強、成本低廉、操作簡單快速、易微型化等顯著優(yōu)點。

分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technique，MIT)可以制造特異識別“分子鑰匙”的“人工鎖”即分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymers,MIP)，該技術(shù)在近幾年發(fā)展飛速，已能有效識別無機離子、藥物、核酸、蛋白質(zhì)、病毒[5]甚至細胞[6]等多種模板，并被應(yīng)用于分離提純、免疫分析、食品安全、環(huán)境檢測和生物醫(yī)藥等多種領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，MIP結(jié)合傳感器檢測技術(shù)[7]已成為研究熱點，MIT可改善化學(xué)傳感器的選擇性并克服生物傳感器的不耐熱、酸、堿和壽命短等缺點[8]，該技術(shù)便捷、高效、靈敏度高、成本低且重復(fù)性好。文章擬對分子印跡傳感器的原理及分類進行闡述，旨在為MIS更好地應(yīng)用于真菌毒素安全檢測領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域提供依據(jù)。

1 分子印跡傳感器(MIS)的分類

生物傳感器是由固定化的生物敏感材料作識別元件，合適的理化換能器及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。MIS兼具MIT和傳感器的優(yōu)點，MIP作為識別元件特異性識別并結(jié)合目標分子，換能器將感知到的物理或化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成可以輸出的其他信號[9]。MIP的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)生物傳感器生物識別元件對使用環(huán)境要求高的缺陷，使MIS取代傳統(tǒng)的生物傳感器成為一個必然的趨勢[10]。根據(jù)換能器的測量原理不同，MIS分為電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和質(zhì)量傳感器等[11]，根據(jù)應(yīng)用目的不同，可自由選擇合適的傳感器。MIS在真菌毒素快速檢測領(lǐng)域已成為一個重要的研究方向。

1.1 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器將分析物與電極表面的相互作用轉(zhuǎn)換為分析信號，這種作用可以影響到電流、電壓、電導(dǎo)率、電容甚至阻抗[12]，當(dāng)下食品領(lǐng)域的電化學(xué)傳感器使用的電極主要有玻璃碳電極[13]、絲網(wǎng)印刷碳電極[14]、絲網(wǎng)印刷金電極等[15]。電化學(xué)傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快，且價格便宜、便于操作和微型化，但生物感受器的穩(wěn)定性差和制備困難限制了其應(yīng)用。MIP制備簡單，成本低，具有很高的化學(xué)和機械穩(wěn)定性[16]，作為一種傳感器識別元件，在傳感器分析領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)前景和較高的實際應(yīng)用價值[17]。Pacheco等[13]用多壁碳納米管(MWCNT)和MIP修飾玻碳電極(GCE)制造了用于OTA檢測的電化學(xué)傳感器，其中的MWCNT顯著提高了該傳感器的靈敏度，被應(yīng)用于啤酒和葡萄酒中OTA測定時回收率為84%～104%，且無需樣品前處理步驟。然而，MIS也存在結(jié)合位點有限、重結(jié)合/解吸速率慢以及聚合物網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性差而存在靈敏度低的問題[18-19]，提高MIS的靈敏度和性能將對分析物的定量分析具重要意義。Hatamluyi等[20]利用氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)和AuNPs功能化的銅—金屬有機框架(Au@Cu-MOF)對GCE表面進行修飾，Au@CuMOF為MIP膜提供了更大的比表面積以及用作電分析測量的電活性物質(zhì)，可用于高靈敏和選擇性檢測棒曲霉素，基于N-GQDs和Au@Cu-MOF協(xié)同效應(yīng)結(jié)合MIT的方法，具有出色的選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，比色譜方法可以更快速、低成本地檢測展青霉素。

1.2 光學(xué)傳感器

將光學(xué)生物傳感器實時的檢測技術(shù)與MIT高效專一的特點相結(jié)合，可直接檢測目標物含量，尤其適用于多樣本分析環(huán)境。根據(jù)光信號源的不同，基于MIT的光學(xué)傳感器可分為分子印跡親和傳感器和光電MIS。分子印跡親和傳感器可用于檢測具有固有光學(xué)特性(例如熒光和折射率)的分析物，基于 MIP 的光學(xué)傳感器與目標物結(jié)合后，通過測定結(jié)合目標物前后的光學(xué)變化對目標物進行快速定性定量檢測，如熒光猝滅和增強，其中量子點(QDs)和碳點(CDs)是常用的熒光團。Liu等[21]制作了基于ZnCdSe QDs和綠色工藝自組裝鋅卟啉的“Turn off-on”型熒光傳感器用于快速、靈敏地檢測OTA，提供了對其現(xiàn)場監(jiān)測的新策略。Shao等[22]通過非水解溶膠—凝膠法在二氧化硅分子印跡中包封高發(fā)光綠色合成CDs作為快速選擇性熒光傳感器測定谷物的玉米赤霉烯酮。

表面等離子體共振(SPR)[23]、光纖(OFS)[24]、表面增強拉曼散射(SERS)[25]等也可與MIT廣泛結(jié)合。Zhu等[26]使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合陽極氧化鋁(AAO)為模板制備PDMS/AAO固體基材。然后，在PDMS/AAO的表面濺射適量Au獲得Au/PDMS/AAO SERS基板，原位聚合制備的MIP-SERS基板顯示出很好的SERS增強效果和對展青霉素良好的選擇性，檢測限為 8.5×10-11mol/L。光電MIS利用具有光學(xué)特性的單體感知周圍環(huán)境的變化，將被測量到的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再借助光電元件將非電信號轉(zhuǎn)換成電信號[27]。但光電MIS仍存在適用的光電活性材料少、光電轉(zhuǎn)換效率低等問題，因此直接影響傳感器的檢測靈敏度[28]。伴隨著傳感器在小型化、多功能和智能化方面的發(fā)展趨勢，已有研究[12]將智能手機與光電傳感器結(jié)合用于現(xiàn)場快速食品安全檢測。

1.3 質(zhì)量敏感傳感器

質(zhì)量敏感傳感器將質(zhì)量變化或由質(zhì)量改變導(dǎo)致的聲波參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電信號的頻率變化來進行檢測[29]，將MIT與石英晶體微天平(QCM)和表面聲波(SAW)傳感器結(jié)合是兩大研究熱點，高靈敏度質(zhì)量敏感傳感與MIP結(jié)合顯著增大了晶體表面涂層的特異選擇性。目前最常見的MIP質(zhì)量敏感傳感器是QCM-MIPs傳感器，其適用范圍廣、靈敏度高，測量精度高。現(xiàn)階段質(zhì)量敏感傳感器應(yīng)用較少，傳感機制主要依靠壓電現(xiàn)象。王皓[30]將制備的展青霉素MIP用作敏感膜材料覆至石英晶片上組裝特異吸附展青霉素的MIP壓電傳感器，其吸附容量高、傳質(zhì)速度較快，檢出限為3.1 ×10-3μg/mL，檢測的線性范圍可達7.5×10-3～6.0×10-2μg/mL。

2 MIS在真菌毒素檢測中的應(yīng)用

谷物真菌毒素污染的監(jiān)管需要有效的檢測手段，多種傳統(tǒng)的毒素檢測技術(shù)雖已經(jīng)有較大突破，但在檢測準確性、成本和可操作性方面仍有待完善，開發(fā)高通量、快速、穩(wěn)定、低成本的多種毒素同步檢測技術(shù)，依然是食品安全領(lǐng)域面臨的一項挑戰(zhàn)。

2.1 展青霉素

展青霉素(PAT)由青霉和曲霉產(chǎn)生，毒性很強，常污染蘋果及制品，對人體具有影響生育、致癌和免疫等毒理作用等[31]。Nafiseh等[32]利用AgNPs@ZnMOF復(fù)合材料的類過氧化物活性制備MIP與熒光檢測系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計PAT探針，在復(fù)雜介質(zhì)中對PAT的檢出限為0.06 μmol/L。張文剛等[33]篩選出模板分子、功能單體、交聯(lián)劑的最佳摩爾比(1∶4∶8)，利用假模板和表面分子印跡凝膠—溶膠技術(shù)制備磷光納米傳感器以檢測果汁中的PAT，其檢測限(LOD)為0.32 μmol/L且具極強的抗干擾能力。Guo等[34]利用假模板技術(shù)制作的電化學(xué)傳感器檢測PAT的線性響應(yīng)范圍為1×10-9～1×10-2mol/L，LOD為7.57×10-13mol/L，且該傳感器具有高速實時檢測能力且樣品消耗量少、靈敏度高、干擾小、穩(wěn)定性好，是一種極有前景的PAT檢測方法。

2.2 桔霉素

桔霉素(CIT)由柑橘青霉產(chǎn)生，極易污染植物來源食品，其毒性很高、能與人血蛋白結(jié)合，且致癌、致畸、致突變，威脅性很強[35]。劉桂洋[36]利用具三維結(jié)構(gòu)和大比表面積的納米顆粒功能復(fù)合物作為傳感器的增敏材料，增加了電極表面有效印跡位點的數(shù)量，提高了設(shè)計的檢測CIT的壓電傳感器的靈敏度。利用溶膠—凝膠技術(shù)進行MIP的合成，獲得了對CIT有較高選擇性的印跡材料并實現(xiàn)熒光傳感檢測，檢測回收率可達85.5%[36]。Atar等[37]設(shè)計了基于玻璃碳電極(GCE)的新型分子印跡伏安傳感器測定黑麥樣品中的CIT，其檢測限低(2.0×10-13mol/L)且對CIT具有較高靈敏度。

2.3 赭曲霉毒素(OT)

2.4 黃曲霉毒素

由曲霉屬產(chǎn)生的AFs會嚴重污染食物，具有劇毒、致癌性，會導(dǎo)致嚴重的健康后果[42]，其中，威脅性最大的為黃曲霉毒素B1(AFB1)。江夢娟[43]設(shè)計的MIS利用對氨基苯硫酚修飾的金納米粒子的電聚合以實現(xiàn)AFB1的檢測，其線性范圍廣(3.2 fmol/L～3.2 μmol/L)、檢測限低(3 fmol/L)，對AFB1的選擇性好。以7-乙氧基香豆素(7-EOC)為虛擬模板，將表面增強拉曼光譜技術(shù)與MIT結(jié)合構(gòu)建了高靈敏度、高選擇性的MIP-SERS傳感器，實現(xiàn)了對AFB1的快速分離和檢測，對花生中AFs的檢測極限低至10-7g/L，回收率在93%～102%[43]。Wang等[44]通過改變用于電化學(xué)沉積的支持電解質(zhì)構(gòu)建具有特殊形態(tài)和大光電響應(yīng)的新型ZnO納米結(jié)構(gòu)，以及進一步調(diào)節(jié)光電化學(xué)性能，開發(fā)出分子印跡光電化學(xué)(PEC)傳感器，可在0.10～10.00 ng/mL范圍內(nèi)對AFB1線性響應(yīng)，檢出限為0.058 ng/mL，且具優(yōu)異的實用性能。

2.5 玉米赤霉烯酮(ZEN)

ZEN由鐮刀菌產(chǎn)生，廣泛存在于發(fā)霉的玉米、小麥等谷物中，對人和動物都有很強的危害性[45]。其不僅會抑制動物的繁殖機能，還具有免疫抑制毒性、肝毒性、細胞毒性，甚至?xí)T發(fā)腫瘤形成。Radi等[46]開發(fā)的一種用于ZEN測定的阻抗MIS呈現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)性和較好的穩(wěn)定性，檢測范圍為2.50～200.00 ng/mL。李寧[47]以ZEN結(jié)構(gòu)類似物為假模板、多巴胺為功能單體以及丹磺酰多巴胺作為熒光功能單體合成MIP并與酶標儀聯(lián)用組建傳感器，用于食品中ZEN的快速檢測。Sergeyeva等[48]利用原位合成構(gòu)建ZEN特異性MIP膜后與傳感器識別元件結(jié)合組成微型傳感器，可使用智能手機對ZEN的天然熒光進行配準并使用應(yīng)用程序進一步處理記錄的圖像，在直接感應(yīng)模式下其檢測限為1 μg/mL。這種便攜式的傳感器系統(tǒng)是食品質(zhì)量分析的一種新穎、廉價的手段，可方便地用于現(xiàn)場測量。

2.6 伏馬毒素(FB)

FB廣泛存在于谷物、干果、葡萄酒、牛奶、咖啡豆、可可和肉制品等多種農(nóng)產(chǎn)品中，極易危害公共健康和影響國家經(jīng)濟。Munawar等[49]將納米MIP共價連接到導(dǎo)電聚吡咯—鋅卟啉復(fù)合材料的薄膜上，獲得了穩(wěn)定性高、保質(zhì)期長、堅固耐用、能抵抗惡劣外部條件、合成制備簡單和生產(chǎn)成本低的電化學(xué)傳感器。Mao等[50]將CdS量子點(QD)與適量的氧化石墨烯(GO)結(jié)合制備的MIP-PEC傳感器對FB的檢測下限為4.7 pg/mL。張薇[51]利用三聯(lián)吡啶釕和CdTe量子點的電化學(xué)發(fā)光特性，構(gòu)建了用于食品中FB的定量分析檢測的表面增強的分子印跡電化學(xué)傳感器，其檢測限更低為0.35 pg/L，且具良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3 展望

分子印跡技術(shù)有著極好的特異吸附能力，已成為多學(xué)科交叉研究的熱點，與傳感器結(jié)合更是極大增強了該技術(shù)的應(yīng)用性，但分子印跡傳感器針對真菌毒素的檢測技術(shù)仍有待深入研發(fā)。在分子印跡聚合物的聚合過程中選擇更多元的功能單體、替代模板是分子印跡技術(shù)的一個發(fā)展方向，且分子印跡技術(shù)有望與更多特點鮮明的載體結(jié)合以提高其檢測能力、抗外界環(huán)境能力、靈敏度等。將來的研究也有望在以下方向突破：發(fā)展新的印跡技術(shù)制備高容量、高選擇性的優(yōu)異印跡材料；與現(xiàn)代自動化儀表技術(shù)結(jié)合進行生物信號的再加工、實現(xiàn)結(jié)果的簡易可視化，以便進入市場；探索大規(guī)模合成路線，以促進分子印跡傳感器產(chǎn)品的商業(yè)化；設(shè)計同時提取兩種或多種真菌毒素的分子印跡傳感器，擴大應(yīng)用范圍。