許春華

1.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 (無(wú)錫 214122)2.食品膠體與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (無(wú)錫 214122)

表面等離子共振生物傳感器在食品檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

許春華1,2

1.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院 (無(wú)錫 214122)2.食品膠體與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (無(wú)錫 214122)

表面等離子共振(SPR)生物傳感器可實(shí)現(xiàn)免標(biāo)記、實(shí)時(shí)、高靈敏度、定量、同時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)多個(gè)生物分子間的相互作用情況。近年來(lái)，SPR傳感技術(shù)在食品安全檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等方面的應(yīng)用快速發(fā)展。本文簡(jiǎn)述了SPR生物傳感器的基本原理，重點(diǎn)展示SPR生物傳感器近年來(lái)在食品檢測(cè)，主要包括食品品質(zhì)、成分、安全等方面的應(yīng)用，特別是致病菌、過敏原等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。

表面等離子共振；生物傳感器；食品檢測(cè)；致病菌；過敏原

近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品品質(zhì)和安全性的要求增高，即時(shí)對(duì)食品進(jìn)行快速即時(shí)高效的檢測(cè)已成為當(dāng)前食品安全監(jiān)測(cè)部門的當(dāng)務(wù)之急。面對(duì)日益嚴(yán)峻的食品安全威脅，快速、高效、準(zhǔn)確的食品安全檢測(cè)技術(shù)的研究正越來(lái)越受到重視。表面等離子共振(SPR)生物傳感器已成為近年來(lái)用于食品安全檢測(cè)的熱點(diǎn)之一。SPR生物傳感器具有免標(biāo)記、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)、高靈敏度、非破壞性及高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷及食品安全檢測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)[1]等領(lǐng)域。

1 表面等離子共振生物傳感器的基本原理

表面等離子共振(SPR)通過測(cè)量金屬膜表面物質(zhì)的折射率變化而進(jìn)行測(cè)定的一種高靈敏度的實(shí)時(shí)光譜分析技術(shù)，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。SPR生物傳感器對(duì)附著在金屬膜的電介質(zhì)的折射率很敏感，任何材料都有其固有的折射率，通過折射率的變化可對(duì)待測(cè)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。SPR角是隨金屬表面的折射率變化而變化的，這一變化又和金屬表面結(jié)合的生物分子的質(zhì)量成正比。將SPR技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)待測(cè)樣品中的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行定性定量檢測(cè)。瑞典科學(xué)家Liedberg等在80年代首次將SPR生物傳感器用于IgG抗體與抗原相互作用的測(cè)定。1990年瑞典Biacore AB公司首次開發(fā)出商業(yè)化的SPR生物傳感器。已經(jīng)開發(fā)出基于SPR技術(shù)的儀器公司見表1[2]。SPR傳感器就是這樣將配體固定在金屬芯片的表面，通過監(jiān)測(cè)流過的液體溶液中分析物和配體的結(jié)合或解離使金屬膜表面的折射率變化，從而達(dá)到對(duì)分析物的檢測(cè)。SPR生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)：待測(cè)物無(wú)需標(biāo)記，適用于混濁、不透明或有色的溶液，能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程，檢測(cè)方便快捷。能夠?qū)崟r(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，不需要放射性或熒光物質(zhì)標(biāo)記，就能夠?qū)ο嗷プ饔玫姆磻?yīng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)合親和力和樣品濃度進(jìn)行分析。SPR生物傳感器的原理圖如圖1。更多的基本原理可參考文獻(xiàn)[3-4]。

表1 商業(yè)化SPR生物傳感器廠商和網(wǎng)站列表

圖1 SPR生物傳感器(單通道)工作原理示意圖

2 SPR生物傳感器在食品檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 食品中致病菌的檢測(cè)

食品由于儲(chǔ)存條件、加工方式等方面的影響，其中所產(chǎn)生或原有的致病菌的快速檢測(cè)得到廣大研究者的重視。在傳統(tǒng)的檢測(cè)手段中，致病菌的檢測(cè)通常有時(shí)候需要達(dá)到一周的時(shí)間，速度快而且便宜的商用儀器用于致病菌的檢測(cè)就變得很需要。

Jon Ashley等[5]建立了一種基于SPR生物傳感器的核酸適配子用于牛奶中牛過氧化氫酶的檢測(cè)，其最低檢測(cè)線達(dá)到20.5 nmol, RSD值為15.2%，而且?guī)缀醪恍枰M(jìn)行樣品處理。劉儒平等[6]建立了一種基于SPR傳感器的快速檢測(cè)大腸桿菌的方法，檢測(cè)限達(dá)到150 cfu/mL，其檢測(cè)時(shí)間只有半個(gè)多小時(shí)，而且在特異性檢測(cè)方面很有優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)致病菌。Zhiling Zhu等[7]建立了一種基于SPR生物傳感器的核酸適配子用于葡萄酒和花生油中赭曲霉毒素A的檢測(cè)，其最低檢測(cè)線達(dá)到0.005 ng/mL，樣品處理用簡(jiǎn)單的液液萃取即可，且檢測(cè)線遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最高允許殘留量，穩(wěn)定性也很高。Idris Yazgan等[8]建立了一種基于甘露糖作為適配子的SPR電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)菠菜中的大腸桿菌致病菌，達(dá)到了當(dāng)前的最低的檢測(cè)線，而且不影響選擇性，由之前的17降到2.5 cfu/mL。Anna Pennacchio等[9]建立了SPR免疫生物傳感器用于棒曲霉素毒素的檢測(cè)，其檢測(cè)限為0.1 nmol，并且是快速有效的新方法。Ivana-Ví?ová等[10]建立了三步法快速檢測(cè)食品原材料中致病菌，實(shí)際檢測(cè)黃瓜和漢堡提取物中的大腸桿菌和沙門氏菌的檢測(cè)限分別為57 cfu/mL 和 17 cfu/mL，7.4×103cfu/mL 和11.7×103cfu/mL，另外他們也實(shí)驗(yàn)了用多通道SPR生物傳感器即時(shí)檢測(cè)漢堡樣品中大腸桿菌和沙門氏菌，也是可行的。

2.2 食品中過敏原的檢測(cè)

由于當(dāng)代社會(huì)環(huán)境以及污染的原因，在食品原材料以及食品加工中不可避免存在各種過敏原，這已經(jīng)是影響人類健康的重要原因之一。對(duì)于食品中過敏原的監(jiān)測(cè)或快速檢測(cè)已經(jīng)是很迫切的需求。

Rosa Pilolli等[11]建立了一種基于表面等離子共振生物傳感器快速、免標(biāo)記的跟蹤監(jiān)測(cè)葡萄酒中雞蛋過敏原的檢測(cè)方法，由于卵清蛋白在蛋白粉中的高含量從而被選為靶蛋白，通過一系列的條件摸索，建立了相關(guān)的檢測(cè)方法，僅需要很短的時(shí)間和樣品預(yù)處理，可監(jiān)測(cè)濃度位于0.03～0.20 μg/mL之間的雞蛋過敏原；同時(shí)該方法的結(jié)果與常規(guī)的高效液相色譜法的測(cè)試結(jié)果是吻合的，更說明了該方法的可靠性。Xuli Wu等[12]采用雙抗體建立基于SPR傳感器的檢測(cè)食品中過敏原的方法，將親和純化的單克隆抗體修飾在傳感器芯片上檢測(cè)牛骨蛋白β-乳球蛋白和花生蛋白Ara h1，它們的檢測(cè)限分別達(dá)到5.54 ng/mL和0.77 ng/mL，并且在蛋白低濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)很好的線線關(guān)系，用這種方法檢測(cè)過敏原簡(jiǎn)單快速可靠。

2.3 食品中其他方面的應(yīng)用

SPR生物傳感器由于其本身的特點(diǎn)，可特異性檢測(cè)重金屬離子，Ran Wang等[13]建立了基于蛋白質(zhì)與銅離子競(jìng)爭(zhēng)吸附作用的SPR生物傳感器檢測(cè)飲用水中的銅離子，最低檢測(cè)限可達(dá)到0.1 mg/L，遠(yuǎn)低于飲用水國(guó)家基準(zhǔn)要求的1.3 mg/L，更特別的是該方法對(duì)幾種不同的重金屬離子銅離子、鐵離子、錳離子、鉛離子和汞離子的選擇性。

3 總結(jié)

由引用文獻(xiàn)所知，近年來(lái)，SPR生物傳感器在食品檢測(cè)中已成為很受關(guān)注的檢測(cè)技術(shù)，其分析速度快，靈敏度高，特異選擇性強(qiáng)，檢出限達(dá)納克水平，適合檢測(cè)痕量樣品和含量特別低的成分；經(jīng)常無(wú)需樣品處理即可直接檢測(cè)混合物中的待測(cè)物質(zhì)。優(yōu)化、改進(jìn)和提高各種SPR測(cè)定方法，開發(fā)微型便攜的SPR生物傳感器使研究工作向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域推廣，是當(dāng)前研究的趨勢(shì)。SPR生物傳感器作為一種強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段,具有誘人的發(fā)展前景。食品檢測(cè)無(wú)論從健康和經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來(lái)說都是比較重要的，基于光學(xué)的SPR生物傳感器在檢測(cè)或監(jiān)測(cè)致病菌、食品中過敏原、重金屬離子檢測(cè)或其他有毒物質(zhì)的檢測(cè)中都是很有效的。基于SPR生物傳感器的檢測(cè)手段可以作為食品檢測(cè)技術(shù)或食品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充手段。

[1] Chi Lok Wong Malini Olivo. Surface plasmon resonance imaging sensors a review[J]. Springer US,2014,9(4):809-824.

[2] K narsaiah Shyam Narayan Jha, Rishi Bhardwaj, Rajiv Sharma, et al. Optical biosensors for food quality and safety assurance—a review[J]. Springer-Verlag,2012,49(4):383-406.

[3] Li Ying, Liu Xia, Lin Zhao. Recent developments and applications of surface plasmon resonance biosensors for the detection of mycotoxins in foodstuffs[J]. Food Chemistry,2012,132(3):1549-1554.

[4] Wang Xiaoping, Zhan Shuyue, Huang Zihao, et al. Review advances and applications of surface plasmon resonance biosensing instrumentation [J]. Instrumentation Science & amp; Technology,2013,41(6):574-607.

[5] Jon Ashley, S F Li. An aptamer based surface plasmon resonance biosensor for the detection of bovine catalase in milk[J]. Biosensors and Bioelectronics,2013,48:126-131.

[6] 劉儒平，王 程，徐萬(wàn)幫,等. 基于生物素-親和素放大的SPR傳感器檢測(cè)大腸桿菌研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(6):757-761.

[7] Zhu Zhiling, Feng Mengxue, Zuo Limin,et al. An aptamer based surface plasmon resonance biosensor for the detection of ochratoxin A in wine and peanut oil[J]. Biosensors and Bioelectronics,2014,65:320-326.

[8] I Yazgan, N M Noah, O Toure, et al. Biosensor for selective detection of E. coli in spinach using the strong affinity of derivatized mannose with fimbrial lectin[J]. Biosensors and Bioelectronics,2014,61:266-273.

[9] Anna pennacchio, Giuseppe Ruggiero, Maria Staiano, et al. A surface plasmon resonance based biochip for the detection of patulin toxin[J]. Optical Materials,2014,36:1670-1675.

[10] Hana Vaisocherová lísalová Ivana Ví?ová, Maria Laura Ermini, Tomá?pringer, et al. Low-fouling surface plasmon resonance biosensor for multi-step detection of foodborne bacterial pathogens in complex food samples[J]. Biosensors and Bioelectronics,2016,80:84-90.

[11] Rosa Pilolli, Linda Monaci. Challenging the limit of detection for egg allergen detection in red wines by surface plasmon resonance biosensor [J]. Food Anal, Methods,2016,9:2754-2761.

[12] Wu Xuli, Li Yao, Liu Bo, et al. Two-site antibody immunoanalytical detection of food allergens by surface plasmon resonance. Food Anal, Methods,2016,9:582-588.

[13] Wang Ran, Wang Wei, Ren Hao, et al. Detection of copper ions in drinking water using the competitive adsorption of proteins[J]. Biosensors and Bioelectronics,2014,57:179-185.

Application status of surface plasmon resonance biosensor in food detection

Xu Chunhua1,2

1. School of Chemical and Material Engineering of Jiangnan University (Wuxi 214122)2. Food Colloids and Biological Technology Key Laboratory (Wuxi 214122)

Surface plasmon resonance (SPR) biosensors can be used to detect biomarkers in real-time, with high sensitivity and quantification, and to monitor the interaction of multiple biomolecules. In recent years, SPR sensing technology in food safety testing, environmental monitoring, medical diagnosis has developed rapidly. In this paper, the basic principle of SPR was introduced briefly, the application of SPR biosensor in food detection, including food quality, composition and safety, especially pathogens and allergens was introduced.

surface plasmon resonance(SPR); biosensor; food detection; pathogenic bacterium; allergen

2016-11-18

許春華，女，1982年出生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槭称窓z測(cè)技術(shù)。

TS207

A

1672-5026(2017)04-055-03