電化學(xué)檢測技術(shù)與生物識別元件聯(lián)用在食品安全檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

＊劉瑞 鄭琳蕙 黃筱洋 王婧 鮑悅忻 任婧楠 呂優(yōu)優(yōu)

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院 湖北 430070）

“食在口，安在心”，飲食安全一直是人們生活中至關(guān)重要的一環(huán)。隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，食品安全問題日益凸顯，不僅關(guān)系著民生安全，還直接關(guān)系著國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和社會的和諧穩(wěn)定。近年來，食品安全事件頻發(fā)，引發(fā)了公眾對食品安全與健康的關(guān)注。因而加強食品安全監(jiān)測體系的建設(shè)，推動食品安全檢測技術(shù)的創(chuàng)新，是確保人們飲食安全的關(guān)鍵舉措。隨著電化學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，它正日益受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，在食品安全領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮著重要作用，為確保食品的質(zhì)量和安全提供強大支持。本文對常用電化學(xué)技術(shù)的檢測機理和近年來其與生物識別元件的聯(lián)用技術(shù)在食品安全方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1.電化學(xué)檢測技術(shù)及原理

電化學(xué)檢測技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的重要分析方法。它利用電化學(xué)原理來研究和檢測化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)，通過測量電荷、電流和電勢等電學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)分析和檢測的目的。

（1）電化學(xué)阻抗譜技術(shù)。電化學(xué)阻抗譜技術(shù)（EIS）的基本原理為在不同頻率下施加交流電壓信號，測量電極界面對電流的阻抗響應(yīng)，以研究系統(tǒng)中與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的界面電現(xiàn)象。EIS 具有穩(wěn)態(tài)分析、小信號分析和探測大范圍頻率的能力等優(yōu)勢，可用于研究電化學(xué)系統(tǒng)的交流阻抗隨頻率的變化關(guān)系。

電化學(xué)電池的整個系統(tǒng)的阻抗Z 可用式（1）表示。

式中，Z 為復(fù)阻抗；R 為電子和離子在電解質(zhì)、電極和電解質(zhì)-電極界面中的電阻；X 為電池系統(tǒng)的電抗。

（2）伏安技術(shù)。伏安法是一種利用電極電位和電流之間的關(guān)系進(jìn)行電化學(xué)分析的方法，基本原理是在電化學(xué)電位下，通過改變電位并測量相應(yīng)的電流，以繪制電流-電位曲線（伏安曲線），其形狀取決于交換電子、傳質(zhì)現(xiàn)象、時間尺度測量、耦合化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)電池中發(fā)生的表面現(xiàn)象。

伏安技術(shù)種類多樣，應(yīng)用廣泛。循環(huán)伏安法（CV）通過在電極之間施加一定的電位并記錄電流的變化，可以得到關(guān)于電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和溶液中存在的電化學(xué)物質(zhì)濃度的信息[1]；差分脈沖伏安法（DPV）以脈沖電位的形式進(jìn)行電極電位的掃描從而測量電流響應(yīng)，可以用于研究電化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，優(yōu)化實驗條件和檢測低濃度化合物[2]；方波伏安法（SWV）通過在電極上施加方波電位脈沖使電極表面產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)從而導(dǎo)致電流的變化，可用于評估樣品中分析物的存在與濃度及分析方法的穩(wěn)定性、選擇性和分析性能。

（3）電位傳感器法。電位傳感器法通過測量電化學(xué)電池中兩個電極之間的電位差來獲得樣品中目標(biāo)分析物濃度的信息[3]。

根據(jù)能斯特方程，電位變化與待測離子的濃度之間存在對數(shù)關(guān)系：

式中，Ecell為被測電池電位；E0cell為標(biāo)準(zhǔn)電池電位；R 為通用氣體常數(shù)；T 為溫度；n 為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F 為法拉第常數(shù)；[A-]是陰離子濃度；[Aion]是待測離子濃度。

電位傳感器法采用對氫離子敏感的特定材料作為pH 電極，通過測量電位變化確定溶液的pH 值，具有快速響應(yīng)、寬pH 感應(yīng)范圍、卓越的靈敏度等優(yōu)勢。

2.電化學(xué)技術(shù)與生物識別元件聯(lián)用

生物傳感器被廣義地定義為檢測分析物并放大、處理和生成可測量信號的分析設(shè)備。典型的生物傳感器由生物識別元件、換能器和電子系統(tǒng)組成[4]。生物識別元件包括噬菌體、抗體、適配體、酶等生物分子，它們獨特的識別、催化活性可以高靈敏度和高選擇性地檢測目標(biāo)物（圖1）。電化學(xué)生物傳感器將生物相互作用轉(zhuǎn)化為不同種類的可測量和可處理的電信號，以此實現(xiàn)對不同物質(zhì)的檢測。

圖1 電化學(xué)生物傳感器相關(guān)的組件和測量方式[5]

（1）噬菌體。噬菌體是一種可以特異性感染某種微生物的病毒，主要由核酸和蛋白質(zhì)外殼組成。噬菌體只能在活細(xì)菌內(nèi)感染和復(fù)制，因此可用于檢測細(xì)菌活力。將噬菌體作為特異性的生物識別元件與多種檢測技術(shù)聯(lián)用開發(fā)傳感器受到了許多研究者的關(guān)注。主要針對電化學(xué)與噬菌體聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行綜述，這些方法中電化學(xué)技術(shù)主要用于信號的放大和靈敏的傳導(dǎo)，檢測的特異性依賴于噬菌體。

Wang 等人[6]從湖水中分離純化出一株特異性識別沙門氏菌的噬菌體SEP37，采用逐層組裝的方式將納米金（AuNPs），巰基乙胺（Cys）和Phage SEP37 固定在金圓盤電極（GDE）上。其中，AuNPs 在電極表面的沉積，可以加速電子的轉(zhuǎn)移，Cys 是一種優(yōu)異連接AuNPs 和Phage SEP37 的橋梁，Phage SEP37 用于特異性識別沙門氏菌。當(dāng)金電極表面的噬菌體捕獲沙門氏菌后，能夠形成生物分子層，阻礙電極表面電子的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致電極表面電阻增加。電阻值與沙門氏菌濃度之間呈現(xiàn)線性變化，基于此,實現(xiàn)對沙門氏菌的快速檢測，該方法還可以區(qū)分活細(xì)菌和死細(xì)菌，避免假陽性結(jié)果的產(chǎn)生。同時該方法還可以實現(xiàn)對湖水和生菜基質(zhì)中沙門氏菌的加標(biāo)檢測，具有在實際應(yīng)用的潛力。

（2）抗體。抗體是一種重要的生物標(biāo)志物，其是抗原的高親和力的天然結(jié)合劑。將抗體作為識別元件構(gòu)建電化學(xué)傳感器也被廣泛研究，其中在傳感器制造過程中抗體的固定化是關(guān)鍵步驟。

Poudyal 等人[7]將草甘膦（Glyp）和毒死蜱（Chlp）的抗體固定在雙重金電極表面，當(dāng)靶抗原與特異性抗體（一側(cè)的Glyp-Ab 和另一側(cè)的Chlp-Ab）結(jié)合，金電極表面的阻抗增加，電極表面的阻抗信號隨著添加的抗原濃度而變化。該方法通過改進(jìn)的便攜式免疫測定電化學(xué)傳感器,可以同時檢測Glyp 和Chlp，并且能夠用于未經(jīng)前處理樣品的直接準(zhǔn)確檢測。Sun 等人[8]基于抗原抗體特異性結(jié)合的原理，使用抗S.鼠傷寒抗體用于識別鼠傷寒沙門氏菌，構(gòu)建了一種夾心型電化學(xué)免疫傳感器。首先，研究者將殼聚糖沉積在玻璃電極表面用于固定anti-S.鼠傷寒抗體，經(jīng)辣根過氧化物酶（HRP）標(biāo)記的anti-S.鼠傷寒抗體用作二抗。HRP 可以催化H2O2并實現(xiàn)電子從還原活性中心到電極的轉(zhuǎn)移，通過測量鼠傷寒免疫反應(yīng)前后還原峰值的電流變化以分析樣品中沙門氏菌的濃度。

（3）適配體。適配體具有高親和力與強特異性，因此，基于適配體的生物傳感器被廣泛應(yīng)用。適配體與電化學(xué)傳感器的聯(lián)用是生物傳感器中最有前景的方法之一，主要的難點在于寡核苷酸序列的開發(fā)。

Hui 等人[9]設(shè)計了一種截斷的鏈霉素適配體S03（僅35 個堿基），以S03為識別分子，使用聚苯胺@氮摻雜碳納米管/Au 納米粒子（PANI@N-CNTs/AuNPs）作為載體，建立了一種電化學(xué)適配體傳感器用于鏈霉素的檢測。該方法中開發(fā)的小尺寸適配體具有低成本、高親和力的優(yōu)點，為改進(jìn)適配體的親和力提供了新思路。Zhong 等人[10]提出一種利用雙核適配體識別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定的新方法。首先，研究者硫化鎘量子點（CdS）修飾的適配體進(jìn)行初級標(biāo)記，然后將第二個適配體固定在石墨烯/殼聚糖復(fù)合電極上以進(jìn)行重新捕獲。該方法提高了核酸適配體捕獲過程的準(zhǔn)確性。基于此，分析電極和電化學(xué)活性微生物之間的連續(xù)電子轉(zhuǎn)移時產(chǎn)生的電極電位，以檢測大腸桿菌的濃度。

（4）酶。電化學(xué)酶傳感器是將酶與其底物相互作用的特異性與電化學(xué)的強大分析能力相結(jié)合構(gòu)成的一種生物傳感器。

Wu 等人[11]開發(fā)了一種基于酶誘導(dǎo)Cu2+/Cu 轉(zhuǎn)化用于測定氨基甲酸乙酯（EC）。主要原理為使用堿性磷酸酶（ALP）催化2-磷酸-l-抗壞血酸（AAP）水解生成抗壞血酸（AA）。AA 可以與Cu2+相互作用，介導(dǎo)Cu2+/Cu 的轉(zhuǎn)化。當(dāng)樣品中存在EC 時，以通過“三明治”免疫測定模型橋接ALP 酶，隨即引發(fā)上述的一系列反應(yīng)。Cu2+/Cu 轉(zhuǎn)換可以方波伏安法（SWV）技術(shù)來檢測，以指示EC 的濃度水平。劉等人[12]使用植物來源的小麥酯酶（wPLaE）作為檢測酶源，構(gòu)建基于酶抑制作用的電化學(xué)技術(shù)用于檢測有機磷農(nóng)藥敵敵畏。為了增強電化學(xué)傳感的靈敏性，研究者使用多壁碳納米管（MWNT）和納米金（AuNPs）的協(xié)同催化效應(yīng)構(gòu)建新型電化學(xué)酶傳感器NF/wPLaE-CS/AuNPs/MWNT/GCE。

3.總結(jié)

電化學(xué)傳感器具有如低成本、高靈敏度、快速檢測及檢測限低等顯著優(yōu)勢，因此,基于電化學(xué)傳感技術(shù)的生物傳感器被廣泛研究。電化學(xué)傳感器與生物識別元件的聯(lián)用技術(shù)中，納米材料如量子點、納米卟啉、碳納米管、石墨烯等常常被用于改進(jìn)電極的導(dǎo)電性及提高生物分子的穩(wěn)定性和活性，這大大提高了檢測的靈敏度和穩(wěn)定性。然而基質(zhì)效應(yīng)帶來的影響，有害試劑對檢測樣品的污染仍是需要克服的問題，也是阻礙電化學(xué)生物傳感器商業(yè)化的關(guān)鍵問題。進(jìn)一步隨著分子生物學(xué)及新型納米材料的不斷發(fā)展，電化學(xué)生物傳感器也將不斷進(jìn)步。