电化学免疫传感器在食品安全检测中的研究进展
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电流型免疫传感器的原理主要有竞争法和夹 心法两类。前者是用酶标抗原与样品中的抗原竞 争结合氧电极上的抗体, 催化氧化还原反应, 产 生电活性物质而引起电流变化, 从而测定样品中 的抗原浓度; 后者则是在样品中的抗原与氧电极 上的抗体结合后, 再加酶标抗体与样品中的抗原 结合, 形 成夹心结构, 从而催化氧化 还原反应, 产生电流值变化。常用来作为标记的酶有碱性磷 酸酶、辣根过氧化酶、乳酸脱氧酶、葡萄糖氧化 酶、青霉素 酰化 酶和 尿素水 解酶 等 [ 11- 12] 。 2000 年, M edyantseva等 [ 13] 将含有胆碱 脂酶的硝化纤 维膜固定在银电极表面中, 利用戊二醛和正己烷 将致病真菌 ( trichophyton rubrum ) 抗体连接在纤 维膜上从而制得用于检测致病真菌抗原的电流型 免疫传感器。该传感器可稳定存放至少 35d, 最 低检测量为 1 10- 15 m g mL- 1, 免疫测定所需时 间少于 20m in。
电化学阻抗生物传感器用于细菌的快速检测 具有较好的选择性, 而且与其它的电化学方法相 比, 这种方法不需要标志物, 简化了传感器的制 备。Y ang等 [ 14] 制备了无标志物 的叉指微电极 阻 抗传感器用于检测大肠杆菌 O157 H 7, 细菌 吸 附于 ITO 微电极表面, 从而导致了电极阻抗发生 变化, 发现大肠杆菌的浓度在 4 36 105 到 4 36
电化学阻抗谱是一种研究导电材料以及界面 性质的有效手段, 已经被广泛应用于电化学传感
217
器的开 发。对 于一 个阻 抗特性 的传 感器, 其 电 容、电感和电阻特性的组合会产生一个特定的阻 抗信号; 如果传感器周围环境发生变化引起上述 特性的任何变化, 都会造成阻抗的改变, 将得到 一系列新的阻抗特性, 这就是基于电化学阻抗技 术的传感器的研究基础。
收稿日期: 2010 - 10- 08
* 通讯作者
基金项目: 十一五 国家科技支撑计划重点项目 ( 2009BAD B9B06 ) 资助。
作者简介: 刘继超 ( 1983- ) , 男, 硕士研究生, 研究方向为乳品微生物。
216
食品是人类赖以生存和发展的物质基础, 而 食品安全问题是关系到人类健康和国计民生的重 大问题, 食品安全己变得没有国界。食品安全需 要快速检测技术 [ 1] , 快速检测技术是食品安全的 有力保障之一。目前, 食品检测的尖端仪器主要 是 H PLC、AAS、 GC - M S、M S- M S、 GLC、 GC / M S /M S等, 而这些仪器普遍暴露出成本昂贵、操 作复杂和检 测时 间长 等缺 点 [ 2] 。与 上述 仪器 相 比, 免疫传感器具有如下的优点: 抗原 - 抗体特 异性结合决定了免疫传感器的高灵敏度, 不受其 他干扰, 降低了检出下限 [ 3] ; 检测时间短, 通常 只需 要 几 分 钟 或 几 十 分 钟, 免 疫 传 感 器 成 本 低 [ 4] , 易于推广; 免疫传感器轻巧方便 [ 5] , 可随 身携带, 操作简便, 不需专业培训。其中电化学 免疫传感器 是免疫 传感 器中 研究 最早, 种类 最 多, 也较为成熟的一个分枝, 它耦联各种电分析 技术, 如溶出伏安法、脉冲伏安法、脉冲差分法 等, 大大提高了它 的灵敏度, 在 短短几十年里, 相继开辟了种类繁多的研究和应用领域, 其在医 学、动物医学、环境和食品安全检测等多领域中 具有良好的应用前景 [ 6- 7 ] 。
电化学免疫传感器在食品安全检测中的研究进展
刘继超 1, 姜铁民2, 陈历俊* 1, 2, 赵长新 1
( 1. 大连工业大学, 大连 116034; 2. 北京三元食品股份有限公司, 北京 100085)
摘 要: 近年来, 随 着免 疫测定 技术 与传感 技术 的发展 , 人们开 发了 以固 定化抗 体 (抗原 ) 为识别 元
根据不同的传感器原理发展了基于膜电位测 量和基于离子电极电位测量两种电化学免疫传感 器。前一种膜电位 测量因其免疫 电极灵敏度低, 故未得到实际应用。后一种离子选择性电极免疫 传感器的原理是先将抗体共价结 合于离子载体, 然后固定在电极表面膜内, 当样品中的抗原选择
性地与固定抗体结合时, 膜内离子载体性质发生 改变而导致电极上电位的变化, 从而测得抗原浓 度 [ 9 ] 。 2005年, Y ingzi等 [ 10] 将巯基乙胺 ( AET ) 固定到 金电极 表面, 进而 化学 吸附 附纳米 金颗 粒, 再将免疫球蛋白抗体 ( ant i- IgG ) 吸附在纳 米金颗粒表面, 从而制得高灵敏电位型免疫传感 器。通过循环伏安法 和交流阻抗技术 考察表明, 裸金电极和纳米金组装电极存在很大差异, 其检 出限为 12ng m L- 1, 实验结果与 EL ISA 实验结果 相近。同样有效的解决了电位型免疫传感器灵敏 度低, 线性范围窄等缺点。 1 2 电流型免疫传感器
现就电化学免疫传感器的分类及其食品安全 检测方面的研究进展和应用现状作一综述。
1 电化学wk.baidu.com疫传感器的分类
电化学免疫传感器是生物技术和电化学技术 相结合的产物, 是将抗原与抗体特异性结合反应 转换为电信号, 主要包括电位型、电流型和交流 阻抗型免疫传感器 [ 8] 。 1 1 电位型免疫传感器
电位型免疫传感器是基于测量电位变化来进 行免疫分析的生物传感器, 集酶联免疫分析的高 灵敏度和离子选择电极、气敏电极的高选择性于 一体, 直 接或 者间 接用 于各种 抗原、抗体 的 检 测, 它具有可实时监测、响应时间较快等特点。
件, 基于特异性的免疫反应原理 的免疫传感器。随着电化学免疫 传感器在 各方面的广 泛应用, 关 于提高 它的
性能、优化其检测方法的研究也 越来越多。电化学免疫传感 器具有独 特的优势, 如 选择性 好、灵敏度 高、检
测速度快等, 因此在食品安全中 得到了广泛应用。本文介绍了电 化学免疫 传感器的分 类及其基 本原理, 根据
中图分类号: T S207
文献标识码: A
文章编号: 1006- 2513( 2011) 01- 0216- 07
Research advance study of electrochem ical mi m unosensor and its application in food safety
L IU Ji chao1, JIANG T ie m in2, CHEN L i jun* 1, 2, ZHAO Chang x in1
检测信号的不同, 将其分为电位 型、电流 型、电导 型免疫传感器。综 述了电化学 免疫传感 器在食 品安全 检测
( 致病菌、毒素、农药残留、药物残留等 ) 中的研究现状及应 用进展, 并对电 化学 免疫 传感器 的应 用前景 进
行概括。
关键词: 电化学免疫传感器 ; 食品安 全; 检测 ; 致病菌 ; 毒素; 药物残留
在电流型免疫传感器的制备中, 抗原抗体固 定是影响传感器性能的一个重要因素。抗原抗体 的固定方式、数量及活性等直接影响传感器的重 现性、检测限及循环使用等性能。通常将生物分 子固定于基底电极上或者固体基质内, 固定化技 术主要 有吸 附 法、包 埋 法、交 联 法、共 价 键合 法、聚合 物法、 LB ( langum ir- b iodgett) 膜 法、 溶胶凝胶 ( sol- gel) 法、双层类脂膜法 ( b ilayer lipid m em brane, BLM ) 、 自 组 装 单 层 分 子 膜 法 ( self- assem bled m ono lays, SAM s) 等。 1 3 交流阻抗型免疫传感器
Abstrac t: In recent years, w ith the rap id developm ent o f immunoassay and sensing techniques, the imm unosensors based on specific immune- reaction and immob ilized antibody ( antigen) as recognition e lement were deve loped. W ith va rieties applica tions of e lec tro chem ica l imm unosensor, its pe rfo rm ance and op tim izing cond itions in the ana lys is a re re ported mo re recently. E lectrochem ical imm unosensor has m ore advantag es than o ther m e thods because they have be tter se lectiv ity and higher sens itiv ity. T herefore, they are applied w ide ly in food san itation. Th is pape r introduced the c las s ification o f e lectrochem ica l imm unosensor and its basic pr inciples. A ccord ing to the different inspecting signa ls, it can be div ided into po tentia,l current and conductance immunosensor. The prog ress o f research and applica tion of e lectro chem ica l immunosenso r for food safety testing, and the prospect o f applica tion w ere rev iew ed. K ey words: e lectrochem ica l immunosensor; food secur ity; de tection; pathogenic bacter ia; tox in; m ed icam ent resid ual
2 1 致病菌的检测 食品中常见的致病菌有金黄色葡萄球菌、沙
门氏菌、致病性大肠埃希氏菌、肉毒梭菌、副溶
血性弧菌、蜡样芽孢杆菌、单核细胞增生李斯特
菌、霍乱弧菌、致病性链球菌和志贺菌等。传统
的致病菌检测是采用微生物培养、平皿计数, 该 方法检测速度慢、效率低, 而电化学免疫传感器 检测快速、可靠、简便且成本低正好在食品安全
( 1. L iaoning Key L aboratory of F erm en tation T echno logy, School of B io log ica l Eng ineering, Dalian Po ly technic University, Da lian 116034; 2. B eijing Sanyuan F oods Co. L td. , Be ijing 100085)
108 cfu /mL 范围内与阻抗的变化值成正比。 电化学阻抗生物传感器具有容易制备、成本
低、易于封装和快速等特点, 因此在食品的微生 物检测中具有良好的前景。尽管如此, 阻抗传感 器的检测限与传统方法相比仍比较高, 而且及样 品的分析系统还不够完善, 因此需要大量的工作 使这种技术更加成熟。
2 电化学免疫传感器在食品安全检测中的 应用研究
检测中有了用武之地, 可以大显身手。 T ah ir等 [ 15] 采用电化学免疫传感 器技术检测
大肠杆菌 O157 H 7, 可以在 10m in 内完成分析, 检测 精度可达 10cfu /mL。 2007年, 赵广英等 [ 16] 使用基于琼脂糖和纳米金的电流型免疫传感器快 速检测 副溶 血 性弧 菌, 检 测限 为 7 4 104 c fu / mL, 该方法具有较好的特异性、重现性、稳定性 和准确 性, 可初 步用 于副 溶血 性弧菌 的快 速筛 检。 Faridah等 [ 17] 以辣根过氧 化酶为标 记酶, 使 用电化学免疫传感器检测鼠伤寒沙门氏菌, 检出 限为 20cfu /mL, 表明该方法具有较高 的灵敏性。 近几年来, 电化学免疫传感器在致病菌检测方面 有了大量的研究成果, 现就国内外研究人员检测 致病菌的种类、使用的标记酶和免疫传感器的类
电化学阻抗生物传感器用于细菌的快速检测 具有较好的选择性, 而且与其它的电化学方法相 比, 这种方法不需要标志物, 简化了传感器的制 备。Y ang等 [ 14] 制备了无标志物 的叉指微电极 阻 抗传感器用于检测大肠杆菌 O157 H 7, 细菌 吸 附于 ITO 微电极表面, 从而导致了电极阻抗发生 变化, 发现大肠杆菌的浓度在 4 36 105 到 4 36
电化学阻抗谱是一种研究导电材料以及界面 性质的有效手段, 已经被广泛应用于电化学传感
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器的开 发。对 于一 个阻 抗特性 的传 感器, 其 电 容、电感和电阻特性的组合会产生一个特定的阻 抗信号; 如果传感器周围环境发生变化引起上述 特性的任何变化, 都会造成阻抗的改变, 将得到 一系列新的阻抗特性, 这就是基于电化学阻抗技 术的传感器的研究基础。
收稿日期: 2010 - 10- 08
* 通讯作者
基金项目: 十一五 国家科技支撑计划重点项目 ( 2009BAD B9B06 ) 资助。
作者简介: 刘继超 ( 1983- ) , 男, 硕士研究生, 研究方向为乳品微生物。
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食品是人类赖以生存和发展的物质基础, 而 食品安全问题是关系到人类健康和国计民生的重 大问题, 食品安全己变得没有国界。食品安全需 要快速检测技术 [ 1] , 快速检测技术是食品安全的 有力保障之一。目前, 食品检测的尖端仪器主要 是 H PLC、AAS、 GC - M S、M S- M S、 GLC、 GC / M S /M S等, 而这些仪器普遍暴露出成本昂贵、操 作复杂和检 测时 间长 等缺 点 [ 2] 。与 上述 仪器 相 比, 免疫传感器具有如下的优点: 抗原 - 抗体特 异性结合决定了免疫传感器的高灵敏度, 不受其 他干扰, 降低了检出下限 [ 3] ; 检测时间短, 通常 只需 要 几 分 钟 或 几 十 分 钟, 免 疫 传 感 器 成 本 低 [ 4] , 易于推广; 免疫传感器轻巧方便 [ 5] , 可随 身携带, 操作简便, 不需专业培训。其中电化学 免疫传感器 是免疫 传感 器中 研究 最早, 种类 最 多, 也较为成熟的一个分枝, 它耦联各种电分析 技术, 如溶出伏安法、脉冲伏安法、脉冲差分法 等, 大大提高了它 的灵敏度, 在 短短几十年里, 相继开辟了种类繁多的研究和应用领域, 其在医 学、动物医学、环境和食品安全检测等多领域中 具有良好的应用前景 [ 6- 7 ] 。
电化学免疫传感器在食品安全检测中的研究进展
刘继超 1, 姜铁民2, 陈历俊* 1, 2, 赵长新 1
( 1. 大连工业大学, 大连 116034; 2. 北京三元食品股份有限公司, 北京 100085)
摘 要: 近年来, 随 着免 疫测定 技术 与传感 技术 的发展 , 人们开 发了 以固 定化抗 体 (抗原 ) 为识别 元
根据不同的传感器原理发展了基于膜电位测 量和基于离子电极电位测量两种电化学免疫传感 器。前一种膜电位 测量因其免疫 电极灵敏度低, 故未得到实际应用。后一种离子选择性电极免疫 传感器的原理是先将抗体共价结 合于离子载体, 然后固定在电极表面膜内, 当样品中的抗原选择
性地与固定抗体结合时, 膜内离子载体性质发生 改变而导致电极上电位的变化, 从而测得抗原浓 度 [ 9 ] 。 2005年, Y ingzi等 [ 10] 将巯基乙胺 ( AET ) 固定到 金电极 表面, 进而 化学 吸附 附纳米 金颗 粒, 再将免疫球蛋白抗体 ( ant i- IgG ) 吸附在纳 米金颗粒表面, 从而制得高灵敏电位型免疫传感 器。通过循环伏安法 和交流阻抗技术 考察表明, 裸金电极和纳米金组装电极存在很大差异, 其检 出限为 12ng m L- 1, 实验结果与 EL ISA 实验结果 相近。同样有效的解决了电位型免疫传感器灵敏 度低, 线性范围窄等缺点。 1 2 电流型免疫传感器
现就电化学免疫传感器的分类及其食品安全 检测方面的研究进展和应用现状作一综述。
1 电化学wk.baidu.com疫传感器的分类
电化学免疫传感器是生物技术和电化学技术 相结合的产物, 是将抗原与抗体特异性结合反应 转换为电信号, 主要包括电位型、电流型和交流 阻抗型免疫传感器 [ 8] 。 1 1 电位型免疫传感器
电位型免疫传感器是基于测量电位变化来进 行免疫分析的生物传感器, 集酶联免疫分析的高 灵敏度和离子选择电极、气敏电极的高选择性于 一体, 直 接或 者间 接用 于各种 抗原、抗体 的 检 测, 它具有可实时监测、响应时间较快等特点。
件, 基于特异性的免疫反应原理 的免疫传感器。随着电化学免疫 传感器在 各方面的广 泛应用, 关 于提高 它的
性能、优化其检测方法的研究也 越来越多。电化学免疫传感 器具有独 特的优势, 如 选择性 好、灵敏度 高、检
测速度快等, 因此在食品安全中 得到了广泛应用。本文介绍了电 化学免疫 传感器的分 类及其基 本原理, 根据
中图分类号: T S207
文献标识码: A
文章编号: 1006- 2513( 2011) 01- 0216- 07
Research advance study of electrochem ical mi m unosensor and its application in food safety
L IU Ji chao1, JIANG T ie m in2, CHEN L i jun* 1, 2, ZHAO Chang x in1
检测信号的不同, 将其分为电位 型、电流 型、电导 型免疫传感器。综 述了电化学 免疫传感 器在食 品安全 检测
( 致病菌、毒素、农药残留、药物残留等 ) 中的研究现状及应 用进展, 并对电 化学 免疫 传感器 的应 用前景 进
行概括。
关键词: 电化学免疫传感器 ; 食品安 全; 检测 ; 致病菌 ; 毒素; 药物残留
在电流型免疫传感器的制备中, 抗原抗体固 定是影响传感器性能的一个重要因素。抗原抗体 的固定方式、数量及活性等直接影响传感器的重 现性、检测限及循环使用等性能。通常将生物分 子固定于基底电极上或者固体基质内, 固定化技 术主要 有吸 附 法、包 埋 法、交 联 法、共 价 键合 法、聚合 物法、 LB ( langum ir- b iodgett) 膜 法、 溶胶凝胶 ( sol- gel) 法、双层类脂膜法 ( b ilayer lipid m em brane, BLM ) 、 自 组 装 单 层 分 子 膜 法 ( self- assem bled m ono lays, SAM s) 等。 1 3 交流阻抗型免疫传感器
Abstrac t: In recent years, w ith the rap id developm ent o f immunoassay and sensing techniques, the imm unosensors based on specific immune- reaction and immob ilized antibody ( antigen) as recognition e lement were deve loped. W ith va rieties applica tions of e lec tro chem ica l imm unosensor, its pe rfo rm ance and op tim izing cond itions in the ana lys is a re re ported mo re recently. E lectrochem ical imm unosensor has m ore advantag es than o ther m e thods because they have be tter se lectiv ity and higher sens itiv ity. T herefore, they are applied w ide ly in food san itation. Th is pape r introduced the c las s ification o f e lectrochem ica l imm unosensor and its basic pr inciples. A ccord ing to the different inspecting signa ls, it can be div ided into po tentia,l current and conductance immunosensor. The prog ress o f research and applica tion of e lectro chem ica l immunosenso r for food safety testing, and the prospect o f applica tion w ere rev iew ed. K ey words: e lectrochem ica l immunosensor; food secur ity; de tection; pathogenic bacter ia; tox in; m ed icam ent resid ual
2 1 致病菌的检测 食品中常见的致病菌有金黄色葡萄球菌、沙
门氏菌、致病性大肠埃希氏菌、肉毒梭菌、副溶
血性弧菌、蜡样芽孢杆菌、单核细胞增生李斯特
菌、霍乱弧菌、致病性链球菌和志贺菌等。传统
的致病菌检测是采用微生物培养、平皿计数, 该 方法检测速度慢、效率低, 而电化学免疫传感器 检测快速、可靠、简便且成本低正好在食品安全
( 1. L iaoning Key L aboratory of F erm en tation T echno logy, School of B io log ica l Eng ineering, Dalian Po ly technic University, Da lian 116034; 2. B eijing Sanyuan F oods Co. L td. , Be ijing 100085)
108 cfu /mL 范围内与阻抗的变化值成正比。 电化学阻抗生物传感器具有容易制备、成本
低、易于封装和快速等特点, 因此在食品的微生 物检测中具有良好的前景。尽管如此, 阻抗传感 器的检测限与传统方法相比仍比较高, 而且及样 品的分析系统还不够完善, 因此需要大量的工作 使这种技术更加成熟。
2 电化学免疫传感器在食品安全检测中的 应用研究
检测中有了用武之地, 可以大显身手。 T ah ir等 [ 15] 采用电化学免疫传感 器技术检测
大肠杆菌 O157 H 7, 可以在 10m in 内完成分析, 检测 精度可达 10cfu /mL。 2007年, 赵广英等 [ 16] 使用基于琼脂糖和纳米金的电流型免疫传感器快 速检测 副溶 血 性弧 菌, 检 测限 为 7 4 104 c fu / mL, 该方法具有较好的特异性、重现性、稳定性 和准确 性, 可初 步用 于副 溶血 性弧菌 的快 速筛 检。 Faridah等 [ 17] 以辣根过氧 化酶为标 记酶, 使 用电化学免疫传感器检测鼠伤寒沙门氏菌, 检出 限为 20cfu /mL, 表明该方法具有较高 的灵敏性。 近几年来, 电化学免疫传感器在致病菌检测方面 有了大量的研究成果, 现就国内外研究人员检测 致病菌的种类、使用的标记酶和免疫传感器的类