光学生物传感器在抗生素残留检测中的研究进展

袁晓春

（锦州市兽药饲料监察所，辽宁 锦州 121000）

抗生素主要由微生物产生的次级代谢产物或人工合成的类似物，目前抗生素的种类达到上万种，主要包括磺胺类、喹诺酮类、四环素类、大环内酯类、氨基糖苷类、β-内酰胺类、多肽类等。抗生素在抑制或杀灭病原微生物方面发挥着重要的作用，已在畜牧业、水产养殖业等领域中广泛应用于治疗预防疾病、促进动物生长，且使用量大，据报道中国每年有成千上万吨的抗生素在畜牧业中使用。然而大部分抗生素不能直接被动物体吸收，主要以药物原形直接进行生态环境中且不易降解，所以乱用滥用抗生素，易造成抗生素的严重残留，并且通过食物链传递对环境和人类健康造成潜在的危害[1-3]。因此，为了监控抗生素残留问题，保障环境和人类健康，对抗生素的残留检测非常重要。检测抗生素残留的常用方法主要有三大类：微生物检测法、免疫学分析法以及理化分析检测法，如管碟法纸片法、酶联免疫吸附法、高效液相色谱和质谱联用法等，但是这些方法各有优劣。近年来研究建立的生物传感器具有灵敏度高、选择性好、检测时间短等优点，在抗生素残留检测领域受到广泛关注[2,4-6]。

生物传感器是一种多学科交叉渗透发展起来的高新技术装置，由生物感应元件和信号处理元件组成，生物感应元件可以与检测目标物相互作用产生一定的响应信号，信号处理元件对响应的信号进行转换并输出，从而实现对目标物的检测[7]。根据响应信号的不同，生物传感器可分为光学生物传感器、电化学生物传感器等。本文将对光学生物传感器在抗生素残留检测方面的研究进展进行综述，以期为抗生素残留检测方法的进一步发展提供参考。

光学生物传感器是以抗体、酶、适配体等生物材料为感应元件，以光信号为检测对象的一类生物传感器，因为具有操作简单、稳定性好、灵敏度高和响应速度快等特点，已被用于食品中抗生素残留检测领域，且最低检测限远低于最大残留限量[8-9]。光学生物传感器主要包括：荧光生物传感器、表面等离子体共振传感器、表面增强拉曼光谱传感器、共振瑞利散射光谱传感器等。

1 荧光生物传感器

荧光生物传感器主要是利用荧光材料通过静电吸附、共价偶联或亲和素-生物素系统与生物材料偶联形成检测探针，根据荧光强度的变化对样品中的抗生素含量进行检测。基于有机染料的传统荧光生物传感器荧光易猝灭、灵敏度低、稳定性差，随着纳米材料科技的发展，国内外研究者开发出了很多具有荧光寿命长、荧光强度高、发射光谱可调等特点的新型荧光纳米材料，如量子点、荧光微球、上转换荧光纳米颗粒等，新型荧光纳米材料的应用大幅提高了荧光生物传感器的检测灵敏度和稳定性[4,10]。

Taranova等以3种量子点为标记物，分别与氧氟沙星、氯霉素和链霉素的抗体偶联作为检测探针，可在10 min内同时检测出牛奶中的3种抗生素，该方法的检测灵敏度高，对氧氟沙星、氯霉素和链霉素的最低检测限分别为0.3、0.12、0.2 ng·mL-1，比用相同抗体建立的酶联免疫吸附方法的最低检测限低80～120倍[11]。Wang 等通过共价偶联方法将荧光微球与替米考星抗体偶联，定量检测牛奶中的替米考星残留，检测线性范围为0.02～2.10 ng·mL-1，检测灵敏度为0.19 ng·mL-1[12]。Wu 等建立了基于上转换荧光纳米颗粒的新型荧光生物传感器，该方法中结合了高亲和力的适配体、磁分离技术以及高灵敏的上转换荧光纳米颗粒，提高了对氯霉素检测的灵敏度和特异性，牛奶中的氯霉素的最低检测限可低至0.01 ng·mL-1[13]。2018 年，He 等将石墨烯量子点与适配体标记，建立了量子点生物传感器高灵敏检测牛奶中的磺胺嘧啶，最低检测限可以低至5.0 pg·mL-1[14]。以上结果表明基于新型荧光纳米材料的荧光生物传感器可以用于高灵敏地检测食品中一种或多种抗生素残留。

2 表面等离子体共振传感器

当一束光以临界角入射到棱镜和金属界面时会产生全反射效应，在一定条件下引起金属膜表面自由电子共振吸收光能量，从而使反射光完全消失，这种现象称为表面等离子体共振（SPR）。SPR生物传感器检测抗生素残留的原理是：在SPR传感器表面固定能特异性识别抗生素的抗体、适配体等生物材料，当含有目标抗生素的样品溶液流经传感器表面时，抗生素与生物材料之间的结合会引起传感器表面质量的变化，从而导致光折射率的改变，可以对样品中的抗生素残留进行定量分析。SPR生物传感器具有免标记、灵敏度高、可重复使用等优点[15-17]。

Luo等通过光聚合方法合成环丙沙星的分子印迹材料并将其键合在SRP 芯片上，建立了基于分子印迹材料的SPR 生物传感器检测环丙沙星，检测线性范围为10-11～10-7mol·L-1，具有良好稳定性和可重复利用性[18]。Tomassetti等建立了基于类“三明治夹心”模式的SPR 生物传感器检测氨苄青霉素，首先在SPR 芯片表面键合巯基十一烷酸，然后通过活泼酯法偶联氨苄青霉素，再结合氨苄青霉素抗体，最后以类“三明治夹心”的模式检测氨苄青霉素，可在20 min内完成对10-3～10-1mol·L-1的氨苄青霉素的定量检测[19]。Fernández等制备了一种六通道的SPR生物传感器同时对牛奶中的三类抗生素进行检测，对恩诺沙星、磺胺吡啶和氯霉素的最低检测限分别为0.3、0.29、0.26 ng·mL-1[20]。虽然SPR生物传感器的响应灵敏度高且检测迅速，但是可能仪器设备昂贵，相关报道主要集中在2010 年之前，而近几年有关SPR 生物传感器在抗生素残留检测方面的文献较少。

3 表面增强拉曼光谱生物传感器

表面增强拉曼光谱（SERS）是指将待测分子吸附在粗糙的贵金属材料表面，可使待测物的拉曼信号增强的光谱现象。SERS 生物传感器用于抗生素的残留检测具有灵敏度高、操作简单、绿色环保等特点。

Qu等以银纳米颗粒和碳纳米管插层的氧化石墨烯薄膜作为增强拉曼的衬底，因为氧化石墨烯与抗生素之间通过π-π共轭和静电吸附结合，大幅增强SERS生物传感器的检测灵敏度，可以高灵敏检测水溶液中nM级别的土霉素、氨苄西林和四环素，最低检测限分别为0.38、1.29、0.77 ng·mL-1[21]。Chen等制备银纳米颗粒修饰拉曼基底，建立了一种简单灵敏的SERS 生物传感器检测牛奶中的青霉素G，通过参数优化，本方法的最低检测限为0.85 ng·mL-1，远低于最大残留限量4.0 ng·mL-1[22]。2018 年，Shi等建立了一种SERS 生物传感器可以同时检测新霉素和8 种喹诺酮类抗生素，最低检测限分别为0.37 pg·mL-1（新霉素）和0.55 pg·mL-1（诺氟沙星）[23]。但是目前SERS生物传感器检测抗生素主要是以水溶液或缓冲液为基质而不是实际样本，Chen 等的研究表明，由于牛奶样本中蛋白等杂质的干扰，建立的SERS 生物传感器检测牛奶中氯霉素的最低检测限高于水溶液，所以如何提高SERS信号强度、重现性及稳定性是SERS 生物传感器检测抗生素的关键点[24]。

4 共振瑞利散射生物传感器

在瑞利散射实验中，若选择入射光波长接近待测物的吸收带，由于电子吸收电磁波的频率与其散射频率相同，电子因共振而强烈吸收散射光的能量而发生再次散射，其散射强度通常较单一的瑞利散射提高几个数量级，并且不再遵守散射强度与波长的四次方成反比的瑞利散射定律，这种吸收-再散射的过程称为共振瑞利散射（RRS）[25-26]。RRS 生物传感器具有简单、快速、灵敏等特点而受到广泛关注[27]。

研究结果表明，在醋酸-醋酸钠缓冲介质中，诺氟沙星能与稀土铽离子和钇离子反应形成双核配合物，使溶液在365 nm 处的RRS 峰增强；在Tris-HCl缓冲介质中，左氧氟沙星与阳离子的甲基紫及钨酸钠三者反应形成三元离子缔合物，导致溶液377 nm 处的RRS 峰增强，因此，通过实验条件优化，建立了基于RRS 的传感器检测牛奶中诺氟沙星和左氧氟沙星残留，该方法最低检测限分别为4.1×10-10和7.4×10-9mol·L-1[28]。静电效应导致量子点带表面带正电而导致量子点聚集，从而能大幅增强RRS 信号，因为巯基乙酸能与氨基糖苷类抗生素通过肽键进行高亲和力的结合，所以基于巯基乙酸-量子点的RRS传感器检测氨基糖苷类抗生素的灵敏度能得到有效提高，最低检测限可以低至2～5.1 ng·mL-1[29-30]。2013 年，Shen 等制备了巯基乙酸修饰的量子点，并将其用于建立RRS传感器检测水中的多粘菌素B，最低检测限可达6.36 ng·mL-1[31]。根据之前的研究结果，通过离子缔合作用和量子点聚集都可以直接或者间接地增加分子量从而使RRS信号增强。但是目前RRS 生物传感器主要是用于水或者缓冲体系中抗生素的分析检测，由于实际食品样品中基质效应的影响，RRS生物传感器应用于食品样品中抗生素的残留检测任重而道远。

5 结 论

与传统方法相比，光学生物传感器具有灵敏度高、检测速度快、操作简单等独特的优点为抗生素的残留检测提供了新途径。但是目前抗生素污染范围广、污染种类多、残留量低、且样品基质复杂，限制了光学生物传感器在实际检测中的应用与推广。为了满足检测现状要求，随着科学技术的发展，越来越多的新型材料和技术将被应用于抗生素的残留检测，且缩短检测时间、提高检测灵敏度、降低检测成本、减弱基质效应、以及实现多残留检测是食品安全中抗生素残留检测发展的方向。