表面等离子共振技术在食品安全检测中的应用

赵 静，陶宁萍，卢 瑛，刘 源，丛 健

（上海海洋大学食品学院，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海201306）

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种物理光学现象，而表面等离子共振技术是基于光学技术原理，应用较多的一种检测方法。最早的光学技术的应用可以追溯到CO2及O2浓度的测定[1]。随着光学技术日新月异的发展，现如今光学技术已被广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保等诸多领域。近年来，随着食品安全问题越来越得到重视，食品安全保障技术也得到了大力发展。本文综述了表面等离子共振技术在食品安全领域中的应用，为相关研究提供一定的参考依据。

1 表面等离子共振技术

最早记载的可观察到的表面等离子共振现象可以追溯到1902年，R Wood[1]第一次报道在多色光照射的金属光栅而产生的衍生光谱中的深色的狭窄条带，这一异常现象被称为“Wood异常”。1957年，Ritchie发现电子穿过金属薄膜时产生“能量降低”的现象，第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。1968年，Ritchie R等[2]首次用表面等离子共振现象解释了“Wood异常”。1982年，Nylander和Liedberg[3]将表面等离子共振技术应用于生物传感器的研究，SPR生物传感器的应用得到了很大的发展。1990年，第一台研究生物分子相互作用的生物传感器——Biacore产品正式推出，开启了“无需标记”、“实时观测”的检测技术新纪元。近二十年来，越来越多有关表面等离子技术的相关研究被报道。

图1 Science Direct数据库中有关表面等离子共振技术的文献数量Fig.1 Number of research paper on SRP listed by Science Direct database

一般来说，SPR生物传感器由以下几个部分组成：光源、检测器、转换膜（一般是金膜）、棱镜、生物分子（抗体或者抗原）和流动系统，见图2。转换膜一般是一层薄金膜（50 ～100nm），将其涂在棱镜的玻璃表面。除了金以外，转换膜也可以用银、铜、铝来替代，但由于金的稳定性最好，无自由电子，因此金是最好的转换膜材料[2]。根据样品类型，在金膜上偶联上羧基段、氨基端、生物素等，然后采用化学方法将生物分子与金膜表面共价连接，形成不同的功能表面。通入样品后，样品会与金膜表面的抗体或抗原特异性结合，不同质量的生物分子与金膜表面特异性结合会引起折射率的变化，得到生物分子之间相互作用的特异性信号。

图2 表面等离子共振器示意图Fig.2 Schematic view of the surface plasmon resonance sensor

SPR传感器一般分为流体动力系统、进样系统、模式选择系统及检测系统四大部分。动力系统一般有蠕动泵、恒压注射器等，为流动相提供动力；进样系统分为手动进样和自动进样，根据SPR传感器系列不同，可以选择不同的进样方式；模式系统则可以控制样品在不同的检测通道内流动。而检测系统则是SPR传感器的核心所在，生物分子被固定于传感器转换膜表面，一般来说，固定方法分为以下几种：a.胺基偶联固定，由于胺基基团的普遍性，所以通过胺基偶联固定配体适用于绝大部分的生物子，最常用的方法是使用NHS和EDC含水混合物活化羧基产生胺基活性脂；b.亲和力捕获表面组氨酸标签蛋白（HisCap和HisHiCap芯片），芯片使聚组氨酸标签蛋白的固定稳定、可逆，也让检测系统的制备更加便捷；c.囊泡捕获膜受体相互作用（VesCap芯片），利用ICX囊泡捕获（VesCap）芯片可以研究分子与细胞膜、脂质体的相互作用，进行实时、无标记的实验，在VesCap芯片中，脂双层好像在自然细胞环境中，自身构造中的各种细胞膜组分可以在细胞膜真实模型中自由混合；d.亲和素-生物素固定（BioCap和AvCap芯片），通过亲和素-生物素为基础的方法固定生物分子，操作简单、效果出色。

2 SPR生物传感器在食品安全检测中的应用

从食物材料的收集开始，前处理、存储、运输，直到食用，保证食品质量安全需要一种简单、快速、高自动化分析系统。目前生物传感器在食品相关领域，包括农产品中的农药或除草剂残留，动物产品，如乳制品，肉类和鱼类中的食品防腐剂，营养性添加剂等的检测已成为热门。

对于有机污染物、农药残留、兽药残留、微生物及微生物代谢产物等小分子物质的检测，常规情况下采用的分析方法有HPLC-MS、HPLC、GC、GC-MS等。这些方法缺点是成本高、费时费力、对环境有污染、前期准备十分繁琐，无法成为一种高效的自动化常规分析方法。目前国内外已有多种关于采用SPR生物传感器检测不同样品的报道。

2.1 SPR生物传感器在食品微生物检测领域中的应用

食品中的微生物能够引起人体、动物和植物的病害。食源性疾病是我国主要公共卫生问题之一，由餐饮食品微生物污染导致的食物中毒在食源性疾病中占有很高比例。所以快速有效的检测食品中的微生物对有效控制食源性疾病是很有意义的。表1介绍了文献中已报道的利用SPR生物传感器检测食品中微生物的案例。

2.2 SPR生物传感器在微生物代谢产物检测领域中的应用

微生物代谢产物类型众多，但有些代谢产物，例如真菌毒素，对人体有严重的伤害，它能对人体产生长期的影响，尤其是会引起免疫机能的伤害和产生癌症。Cho YJ等[12]采用此方法检测伏马菌素B1，伏马菌素是一种霉菌毒素，主要污染玉米、玉米制品及芦笋等。目前国内外已有报道，伏马菌素属于致癌物。Sinclair HR等[13]采用SPR生物传感器检测到了食品中的霍乱弧菌。表2列举了其他的一些SPR生物传感器在食品中的真菌毒素检测的应用。

表1 SPR生物传感器在食品中微生物检测中的应用Table 1 Determination of microorganism in food by SPR biosensor

表2 SPR生物传感器在食品中真菌毒素检测中的应用Table 2 Determination of mycotoxins in food by SPR biosensor

2.3 SPR生物传感器在食品过敏原检测领域中的应用

食品过敏原是指食物中能够引起机体免疫系统异常反应的成分。近年来，越来越多的因食用某种食品过敏的报道屡见报端，食品过敏影响到人类的生活质量，甚至危及生命，日益成为让人头疼的卫生问题之一。标注食品过敏原也已成为发达国家设置国际技术壁垒的重要手段。目前国外已有采用SPR生物传感器对食品中的过敏原进行检测的报道。表3列举了采用SPR生物传感器对食品中过敏原检测的检测限。

表3 SPR生物传感器在食品中过敏原检测中的应用Table 3 Determination of allergen in food by SPR biosensor

2.4 SPR生物传感器在食品添加剂检测领域中的应用

食品添加剂的种类有防腐剂、甜味剂、着色剂、增稠剂、悬浮剂、稳定剂、护色剂等类。食品添加剂是当今食品工业的“秘密武器”，几乎是食品工业产品不可缺少的，但滥用食品添加剂会对人体带来极大的影响。例如塑化剂、皮鞋胶囊、三聚氰胺都给人们的身体健康带来了极大的危害。有学者采用SPR生物传感器检测食品中营养成分的含量：Vyas[23]采用SPR生物传感器检测婴儿配方奶粉中维生素B12的含量等等，表4列举了利用SPR生物传感器对食品中添加剂进行检测的检出限。

2.5 SPR生物传感器在食品药残检测领域中的应用

食品中的药物残留对人体的影响也是非常大的。动物性食品中的药物残留主要包括抗生素（氨基糖苷类、大环内酯类、四环素类、氯霉素类）、人工合成菌株、抗寄生虫药物、生长促进剂、外用杀虫剂。Shelver[30]采用SPR生物传感器对奇帕特罗进行了检测，奇帕特罗是一类β-肾上腺素复合物，普通消费者将此类药物称作为瘦肉精。此种药物对心率失常、高血压、青光眼、糖尿病、甲状腺机能亢进等疾病的患者有较大危害。Moeller[31]采用此方法对蜂蜜和原料乳中的四环素进行了检测。Li[32]、Ferguson[33]、Dumont[34]采用此方法对牛奶和家禽肌肉、蜂蜜、虾中的抗生素磺胺甲恶唑、氯霉素以及甲砜氯霉素残留进行了检测。表5列举了采用SPR生物传感器在动物性食品中药物残留的检测应用及其检出限。

2.6 SPR生物传感器在食品中海洋生物毒素检测领域中的应用

海洋生物毒素为海洋生物体内存在的一类高活性的特殊代谢成分，一般拥有剧烈毒性，是海洋生物活性物质中研究进展最迅猛的领域。海洋生物毒素主要由藻类或浮游植物产生，可根据化学结构将其大致分为多肽类毒素、聚醚类毒素、生物碱类毒素等三大类，也可以根据毒性作用机制分为腹泻性贝毒（DSP）、麻痹性贝毒（PSP）、神经性贝毒（NSP）和记忆缺损性贝毒（ASP）四类。海洋生物毒素可以在滤食性的软体贝壳类动物的组织内蓄积。海洋中有不少像河豚鱼一样含有天然生物毒素的鱼贝类及海洋植物，如食用这些海洋生物往往使人发生食物中毒，乃至威胁到生命安全。表6介绍了文献中已报道的利用SPR生物传感器检测食品中海洋生物毒素的案例。

表4 SPR生物传感器在食品中添加剂检测中的应用Table 4 Determination of addictive in food by SPR biosensor

表5 SPR生物传感器在食品中药物残留检测中的应用Table 5 Determination of drug residues in food by SPR biosensor

表6 SPR生物传感器在食品中海洋生物毒素检测中的应用Table 6 Determination of marine biotoxins in food by SPR biosensor

3 讨论与展望

SPR生物传感器的应用涉及例如化学、生物学、材料学等众多领域。近几年发展尤为迅猛。随着SPR生物传感器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，其在分子级别物质的检测方面是占有优势的。它可以实时动态检测生物分子互相作用的全过程，无需标记样品，保持了分子活性，可检测的样品种类广、上样量小、操作简单且制作成本较低及SAM可重复使用。

但此项技术仍存在着一些问题：

a.检测精度低，SPR生物传感器检测结果受到前处理好坏的影响，食物的组成一般来说都较为复杂，待测样品中存在的蛋白、脂类、糖类、盐类以及样品所处体系都会对偶联在生物传感器膜表面上的生物分子产生干扰，从而影响结果的准确性。因此，研究发展出一种快捷、简便、适用于SPR生物传感器的前处理方法是极为重要的。

b.某些食品中的成分检测结果表明，SPR生物传感器还具有灵敏度差的缺点，对分子量小于1000的小分子物质来说，其检测结果还未达到理想水平。因此，积极探索高灵敏度的分析方法有着重要的意义。例如可以尝试与其他技术的联用来进一步完善SPR生物传感器。

c.SPR生物传感器检测过程时间短，且可实时动态监测分子互相作用全过程，实验结果一目了然，且样品取样量小，不易影响食品整体，是一种理想现场检测方法。但SPR生物传感器存在设备较为昂贵，便携性差，且使用前需稳定系统等问题。这些问题使得此项技术无法应用于现场快速检测。目前，已有较多实验室可以自行搭建SPR生物传感器以降低实验成本。但由于其需要不同系统的实验器材支撑，因此不适用于现场检测。如何精简实验设备或使其一体化，进一步完善SPR生物传感器，值得探讨。

目前，国外利用此项技术对样品进行检测的报道较多，国内采用SPR检测技术的报道还较少。尤其是利用此项技术对食品安全进行保障的研究也较为少见。随着人们对SPR生物传感器的研究不断深入，及对食品安全问题的日益重视，人们需要一种安全可靠、快捷方便的检测技术，相信表面等离子共振技术的运用会拥有更加广阔的发展空间。

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