生物传感器在食品检测中的应用

◎ 彭雪琦

（江苏省生产力促进中心（江苏省理化测试中心），江苏 南京 210000）

目前，生产工艺日趋复杂，造成食品储存方式的不科学、食品安全事故的发生，对人民群众的身体健康造成了极大的威胁。食品安全问题已经越来越引起人们的重视，要想让食品安全得到提升，就必须借助先进的检测技术对食品安全进行监督和管理。传统的检测技术设备具有很强的专业性，并且价格昂贵，不能实现实时监控和快速检测，不能为食品安全监督管理工作的实施提供高质量的技术支撑。而生物传感器检测技术则具有稳定、高效、实用性强、检测快速准确等优势，被广泛地用于食品检测中，可以为食品安全监督管理提供良好的技术支撑。针对该现状，本文对其进行了进一步的调查和分析，以期对其应用和发展起到一定的借鉴作用。

1 生物传感器的基本概述

1.1 生物传感器

生物传感技术是一门涉及生物、化学、物理学、计算机等学科的学科，能把生物物质的含量转化成电信号，从而实现对生物物质的探测。生物传感器指的是以固定化的生物物质为敏感材料（如各种酶、微生物、细胞等生物活性物质），并对其进行识别，将所需感受的生物参数信息转化为电信号，进而展开检测的一类传感器。在生物传感系统中，生物膜的形成与固定以及传感器的器件设计是影响其检测性能的重要因素[1]。在使用生物传感器对食品安全进行检测的时候，待检测的食品样品会在扩散作用下，进入生物膜敏感层中，在经过分子识别之后，会发生一系列生物学上的反应，进而产生出分子浓度、光电、热等各种类型的信息，再由相应的信号转换器转换成可量化和处理的电号，之后再经过二次仪表和电极测出其电流值或电压值，最后利用相关物理公式，将被检测的物质的量或浓度换算出。

1.2 生物传感器检测原理

1.2.1 循环伏安法

循环伏安法是一种最常见的测试手段，可以通过改变电极的电位，在电极表面形成1个三角形，在一定的范围内进行一次或者几次的重复，从而在电极表面形成1个不断变化的三角形，从而在一定的范围内，记录下每一次的电位变化，从而形成1个完整的电压曲线。在此基础上，利用循环伏安法测得电极的参数，并判定其控制模式。

1.2.2 差分-脉冲伏安法

该方法与传统的循环伏安方法不同，它的激励波形为阶跃式，而传统的激励波形则为三角形，且其主要受电流的影响，因此该方法的敏感性较高。根据电流和浓度之间的关系，可以准确地进行定量分析。

1.2.3 电流-时间关系图

该分析方法在使用过程中，必须在一定的电压条件下，对电流随时间的变化进行严密的观测和记录。将待测物质添加到溶液中，随着电流的增大，溶液的变化曲线呈现阶梯状，随后逐步稳定。

1.2.4 交流阻抗法

它以测量和分析电极表面的阻抗为目的，利用不同频率上的小幅值正弦波干扰信号来干扰电极体系，并根据干扰信号的变化来分析电极体系的阻抗，从而得到电极的阻抗，这种分析方法被广泛用于测量和测量电极的动态和表面。

2 生物传感器的分类

2.1 酶生物传感器

在所有的生物传感器中，酶生物传感器是第一个被发现的，它是在1962年被clark提出的，随后被updike建立起来的，它的作用是利用葡萄糖氧化酶电极来对样本中的葡萄糖含量进行测量，到20世纪70年代晚期，它被开发出了一种新型的葡萄糖分析检测仪。酶传感器的作用主要是通过它在生物体内的催化特性，实现对特定底物的反应。将该特异性与变化线分析的快速和方便相结合，从而可以在含有多种有机物的生物试样中，快速、高选择性地将特定物质进行测定。

2.2 核酸生物传感器

核酸生物传感器的工作原理是根据DNA或RNA链间的高度特异性互补杂交，对特定的物质进行分析。也可以通过有毒、有害物质与DNA发生的反应或作用，进行毒性检测、毒性筛选分析等。在食品和环境中，被PCBS和黄曲霉毒素等污染的检测中，可以使用DNA生物传感器。另外，DNA生物传感器也可应用于食品中致病微生物的检测。

2.3 组织（器官）生物传感器

近几年，以大豆、短尾石蝇、海藻等为代表的植物组织和动物器官已被作为生物传感器用于环境监测。可对大豆进行电生理学响应，如酸雨等；将微藻固定在光纤上，可以检测重金属和碱性磷酸酶的活性，转基因石蝇可以用来检测环境胁迫等。

2.4 抗体与受体生物传感器

抗体和受体生物传感器是通过将抗体和受体结合起来，从而达到快速检测和分析的目的。其中最典型的例子就是与抗体相结合的SPR生物传感器，它可以用于食品抗生素、转基因食品和生物毒素的检测。

3 生物传感器检测技术

3.1 比率技术

本项目拟将比值技术引入生物传感体系中，以比值技术为基础，以参比物质为基础，采用比值技术，以参比比值、参考电势、比值等作为测量指标，以减少或消除信号的干扰，从而大幅提升检测的准确性[2]。虽然目前已有的研究表明，在单一比例型生化传感器中，能够实现铜离子、过氧化氢等多离子的同步检测，但其使用过程中，需要对参比物质进行高质量的分析，如,参比物质的稳定性好，对被测物无干扰和反应，并能被探测到的电信号等。然而，目前能够被广泛使用的参考物质种类非常有限，并且其制作困难，限制了该技术的推广和发展。

3.2 生物芯片技术

生物芯片主要是将大量的探针分子固定在载体上，并将其与带有荧光标记的DNA或其他样本分子进行杂交，通过对每一个探针分子的杂交信号强度的检测，获得样本分子的数目和序列信息。主要以生物分子之间的特异性和相互作用原理为基础，将生化分析过程聚焦在芯片表面，实现对DNA、RNA与蛋白质及其他生物组分的高通量、快速检测。生物芯片技术已被广泛地用于食品、医药、卫生等领域。

3.3 水凝胶技术

由于其高弹性和类细胞外基质的孔隙结构，使其在生物相容性上有显著的优势。在此特征下，某些明教对温度，pH的敏感度更高，并且在温度和pH的改变下，其孔的大小也会发生改变[3]。若将其封装于水凝胶内，则可制成一种拥有“生命”的传感装置，用于活体探测，可实现对活体的精确监测。传统的表面改性技术主要采用吸附、滴涂或交联等方式，利用分子间作用力对其进行改性，但存在着稳定性差、易发生脱落等问题，且存在分布不均和厚度不均匀等问题，对其响应性能具有影响。

4 生物传感器在食品检测领域中的具体应用

4.1 葡萄糖检测

葡萄糖氧化酶（Glucosal Oxidase,Glucose）为人们所熟悉，在食品中多采用生物传感技术，以实现对食物中葡萄糖含量的检测，从而实现对果蔬中葡萄糖成分的快速、准确的检测，从而达到监测果蔬发酵过程中葡萄糖成分含量、监测其是否合法、是否有效的目的。近年，随着生物传感技术在食品中的广泛运用，人们对其进行了快速、准确的检测。已有研究表明，在纤维素改性的电极上，可以最大程度地保留葡萄糖氧化酶的活性。在应用生物传感器检测技术时，它具有电流变化快、底物选择性好和稳定性好等特点，可以在1.25~40.00 mmol·L-1的范围内快速检测出食品中葡萄糖氧化酶相关物质[4]。此外，本项目还将研制出一种适用于左虎糖含量为0.082~34.000 mmol·n-1的葡萄糖生物传感器。

4.2 维生素检测

维生素是我们每天都要补充的一种微量元素。为了解决这一问题，一些食物中的维他命是其中的一项营养指数。当前，食品中维生素的检测多采用电流型生物传感器，仅能实现基于酿酒酵母的全细胞型生物传感器[5]。

4.3 农兽残检测

农兽残是一种在食物中残留的农药和兽药的含量，农兽残的测定受到了社会的高度重视，在食物中的农兽残的测定中，常用的方法就是利用生物传感技术。王小明等在对农药进行检测时，将固定化乙酰胆碱酯酶作为识别原，利用化学发光仪器和微流控芯片相结合的方法，利用流动注射技术，实现了对农药中有机磷农药浓度的测定。其中，在食物中，敌敌畏和乐果的浓度在0.08~10.00/0.80~15.00 ug·mL-1，检出量为0.054/0.388 ug·mL-1。该方法灵敏度高、快速，适用于实际样本的测定。

4.4 真菌毒素检测

食物储存不合理，易产生霉菌，使人食用霉菌毒素，对身体造成伤害。针对该问题，利用生物传感技术，可实现对食物中霉菌毒素的快速探测[6]。本文介绍了用黄曲霉菌快速氧化酶法对花生中的黄曲霉菌B1进行了分析，结果表明，用时20 s左右，相对误差小于2%。目前，我国食品中的微生物毒素因其微量存在着检出率低、敏感性差等问题，而利用生物传感技术实现微生物毒素的快速检测是一种可行的方法。

5 结语

综上所述，食品安全检测的品质与人民的生活有很大的联系，确保食品安全的检验结果是非常重要的，有关部门要对生物传感器技术在食品安全检验中的运用进行严格的控制，对食品样本的检验数据进行准确的保存，从而提高生物传感器在食品检验中的功能和价值，确保食品的安全。