丝网印刷生物传感器在食品分析中的应用_臧帅1_2_刘珒1_卢蓝蓝1_孙远明1_刘

近年来，生物传感器由于其响应速度快、灵敏度高、检测限低及特异性好等显著优点在食 品分析、 食品安全及环境监测中得到快速的发展[1]。 以修饰电极与生物活性材料组成的电化学生 物传感器发展最早，研究内容最丰富，并逐渐获得广泛应用[2]。其中丝网印刷技术与生物传感器 的结合为科学技术的转化应用提供了契机， 丝网印刷技术在生物传感器构建中的应用越来越多， 表现出很好的发展前景[3]。 丝网印刷技术在电化学传感器中的应用最早可追溯至 1981 年， Baumbach[4]报道了一项使用 丝网印刷技术制作厚膜电化学传感器的专利。随后因其具有设计灵活、重现性好、成本低、可 批量制作等众多优点，逐渐得到应用，尤其是在血糖测定仪中应用广泛[5-6]。目前，丝网印刷传 感器的应用已经涉及到临床诊断[7]、食品成分分析与生物工艺控制[8-9]、环境检测[10]、DNA 测定
图 1 丝网印刷基本过程[3]
Fig.1 Schematic representation of the process of screen printed manufacturing of electrodes
2 丝网印刷电极在食品分析中的应用
食品的组成成分通常比较复杂，要在众多成分共存的条件下测定其中某一种成分，常常需 要繁杂的前处理过程，因此，食品检验尤其需要向特异、简便、可靠的方向发展。与其它常见 的电极材料不同，丝网印刷电极无需电极抛光或电化学等前处理方式，可以直接为纳米粒子及 其结构相关的材料提供非常好的平台[12]。丝网印刷电极可实现批量生产，成本低，并具有较好 的灵敏度和一次性可抛等特点，特别适用于对食品加工过程中产品的品质与工艺参数的控制与 确定以及食品中农药、抗生素、重金属等残留的分析，因而受到研究者的广泛关注。 2.1 水、畜产品新鲜度检测 水产品、畜产品的鲜度是评价其质量的一个重要指标。尤其是水产品，随着其贮存期的延 长，会很快出现微生物腐败和蛋白质的自溶分解，产生不良风味。水、畜产品的新鲜程度可通 过测定样品的黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸、生物胺等含量来反映[13]。Carsol 等[14]开发了使用丝网 印刷碳电极固定黄嘌呤氧化酶的电化学传感器以检测鱼的新鲜度，该方法可以省略样品的制备 过程，将样品稀释后直接注入到检测体系中即可。当原始样品的浓度在 1~50μmol/L 范围内时，
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丝网印刷生物传感器在食品分析中的应用
臧帅 1,2，刘珒 1，卢蓝蓝 1，孙远明 1，刘英菊 2 ，雷红涛 1*
Application of screen-printed biosensor in food analysis
Zang-shuai 1,2, Liu-jin1, Lu Lan-lan1, Sun Yuan-ming 1, Liu Ying-ju2 , Lei Hong-tao 1*
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(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Food Quality and Safety, College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Institute of Biomaterials, College of Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract: Screen-printed biosensor had been widely applied in food analysis due to its various advantages including low cost, short time-consuming and miniaturization compared with other physicochemical methods. This review focused on the basic configurations of screen-printing electrode and their applications especially in food analysis. Additionally, a general overview of the potential application of screen-printed biosensor in the food analysis field was also addressed. Key words: biosensors, screen-printed electrode, food analysis 中图分类号：TS207 文献标识码：A
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次黄嘌呤（Hx）、肌苷（HxR）、肌苷酸（IMP）等分析对象的含量可以在 30s 内检测出来， 其变异系数仅为 2%~3%。Telsnig 等[15]设计了一种使用丝网印刷碳电极作为工作电极的电流型 生物传感器用于生物胺的检测，通过 Nafion 膜将最优比例的二氧化锰和胺氧化酶固定在电极表 面，其对尸胺和腐胺的最低检测限可达到 0.3μmol/L ，对酪胺和组胺的最低检测限可达到 3.0μmol/L。Gil 等[16]制备了一种基于丝网印刷阵列的电子鼻用来检测鱼类的新鲜度，该电子鼻 由活字合金、金属氧化物和不溶性金属盐等材料制备的 16 支电极阵列构成，通过对电极电势的 测定，可快速、无损的对鱼类新鲜度的各项指标进行测量，表现出很大的应用潜力。 2.2 食品中农药残留分析 食品中农药残留分析要求在复杂的基质中对低浓度待测组分进行定性和定量分析[17]。有机 磷和氨基甲酸酯类农药在农业上的滥用对人体健康构成威胁。此类农药会抑制乙酰胆碱酶的活 性，其浓度和乙酰胆碱酶抑制程度具有相关性。Andreescu等[18]据此制备了基于乙酰胆碱酯酶的 丝网印刷传感器，对农药对氧磷、敌敌畏和毒死蝉进行了检测， 检测范围在10−8~10−9mol/L之内。 当使用聚合物膜固定酶时，传感器贮藏稳定时间可超过6个月。Koblizek等[19]采用了光系统II作 为敏感元件，制作了检测三嗪和苯基脲除草剂的丝网印刷传感器，该检测方法稳定性较佳（半 衰期为24h） ，并且对敌草龙、莠去津等具有接近10-9mol/L的检测限。Soln´ a等[20]制备了丝网印刷 阵列传感器用来检测有机磷农药、氨基甲酸盐及多酚，其相对标准偏差（10次测量）低于7%， 具有很好的稳定性， 对有机磷和多酚的最低检测限分别在纳摩尔和微摩尔范围内。 Gan等[21]使用 磁性复合纳米粒子修饰丝网印刷电极用来构建可一次性使用有机磷酶传感器，其最低检测限达 到5.6× 10-4ng/mL， 用于实际样品检测的添加回收率为88%~105%， 具有很高的灵敏度和特异选择 性。 Crew等[22]在丝网印刷阵列传感器中嵌入了一个新的自动化系统， 可同时检测6种有机磷农药， 其完整分析时间仅在6min之内，系统得进行评价后，发现没有任何假阳性和假阴性的出现，为 水和食品中农残的现场检测提供了一种快速分析系统。 2.3 食品中抗生素残留的分析 在食用动物养殖过程中，为达到既能促进生长又能防病治病的目的，大量的抗生素被应用， 造成肉类制品中不同程度的抗生素残留，给人体带来潜在的不良和毒副作用。Setford等[23]建立 了使用丝网印刷免疫传感器来检测牛奶中β-内酰胺类抗生素青霉素G的方法，测定用时短，仅包 含2~4min的培养、 快速清洗和1~2min的检测三个步骤。 Ammida等[24]基于竞争性免疫分析构建了 一次性丝网印刷电极用来分析牛肉中红霉素和泰乐菌素的含量，该方法可简单、快速地对红霉 素和泰乐菌素进行检测， 最低检测限分别为0.2ng/mL和2ng/mL。 Masawat等[25]通过丝网印刷技术 对金电极修饰，使用循环伏安法和流动注射分析法对食品中四环素、金霉素和氧四环素的残留 进行检测，其最低检测限分别为 0.96、0.58和0.35μmol/L。Chiu等[26]使用HPLC 与丝网印刷碳电 极联用对食品中林可霉素残留检测，采用固相萃取法对样品进行前处理，使用低成本、易操作 的预阳极化丝网印刷电极对林可霉素进行分析，动力学工作范围可到达 1mol/L( 相关系数为 0.999)，检测限（LOD）为0.08μmol/L。 2.4 生物毒素分析 生物毒素因其致癌性严重威胁人类的健康与生命，日益引起人们的关注。食品原料尤其是 香辛料在其收获、加工、储运等过程中易被真菌污染，快速简单的真菌毒素检测方法是质量安 全控制的重要手段。Piermarini等[27]构建了一种96微孔丝网印刷电化学传感器用来检测黄曲霉毒 素B1，黄曲霉毒素B1能够在30pg/mL的浓度下检测出来，动力学工作范围在0.05~2ng/mL之间， 且有良好的回收率 （103± 8%） 。 Neagu等[28]利用丝网印刷电极对牛奶中黄曲霉毒素M1进行检测并 对稳定性进行考察，发现该电极方法的检测范围为5–250pg/mL，检测限为1pg/mL，添加回收率 在90%~105%之间。同时，他们将牛奶在4C和-30C储存3个月以后再次检测，发现与贮存前的 样品相比，贮藏后的样品添加回收率降低了50%，因此该丝网印刷电极更适合新鲜牛奶中黄曲 霉毒素M1的检测。 Alonso-Lomillo等[29]使用丝网印刷电极构建高灵敏度酶传感器检测赭曲霉毒素
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(1.华南农业大学食品学院，广东省食品质量安全重点实验室，广东 广州 510642； 2.华南农业大学理学院，生物材料研究所，广东 广州 510642） 摘要：丝网印刷生物传感器因其成本低，耗时短，微型化等优点，近年来在食品分析领域得到广泛应 用。本文对丝网印刷电极的原理、制作过程进行了介绍，并综述了丝网印刷生物传感器在食品分析领 域的研究进展，探讨了其在食品分析领域的应用前景。 关键词：生物传感器，丝网印刷电极，食品分析
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生物传感器一般有两个主要组成部分：一是生物分子识别元件（感受器），二是信号转换 器（换能器）[1]。生物传感器的生物性部分即是传感器的感受器，包括酶、抗体、核酸、细胞和 组织等。它们和相关的复合物（例如介质，辅助因子）、添加物或交联剂一起产生出电化学信 号。非生物性部分即是换能器，包括氧化铝、陶瓷、PVC（聚氯乙烯）、金、铁等基质和碳墨、 白金或其它金属浆料构成的电极传导部分。为提高传感器的性能，一些介质（例如梅尔多蓝、 普鲁士蓝）、辅助因子（例如 NADH、PQQ)、稳定剂、固定化物质、添加剂（例如纤维素)和 交联剂（例如戊二醛）常常被加入电极中以改进灵敏性、选择性、稳定性和再生性。 丝网印刷（厚膜）技术制作电化学传感器的换能元件是目前制备一次性使用电化学传感器 的主要方法。丝网印刷电极以丝网印版为模具，所制作传感器电极的大小和形状可以改变，易 微型化和集成化。丝网印刷电极条有两电极结构和三电极结构两种类型。三电极结构包括工作 电极、参比电极、辅助电极。两电极则省略了对电极。丝网电极条的两端分别为滴液区（含有 工作电极和参比电极）和联机端（与检测设备连接）[3]。 丝网印刷需要四个要素，分别是印刷介质（厚膜油墨）、丝网、印刷的表面（基底）和使 油墨通过丝网的刮刀。 图 1 显示了丝网印刷的过程[3]： 具有高粘度的油墨透过丝网印版图案上的 网孔漏印至承印物上，印版上其余网孔被堵死而不能透过油墨，在承印物上形成空白。因此， 可以通过图案和网孔的厚度来控制印膜的厚度。同时，可以根据不同的用途，将油墨印刷在不 同的基质上以制备不同的道为基础，详细介绍了丝网印刷电极的制作原理及过程，对丝网印刷