生物传感器及其在微生物检测中的应用

邓国杰

摘要：本文将简单介绍生物传感器的原理和分类，并对最近的生物传感器在微生物检测中的应用进行概括。

关键词：生物传感器；微生物检测

一、生物传感器

生物传感技术经过三十几年的发展，凭借着其优良的性质—检测灵敏度高、选择性好、准确度高、检测速度快、低成本—广泛应用在食品质检和环境污染物监测中，例如生物传感技术应用于水体中重金属的检测研究，检测限低至10-12mol/L，拥有十分广阔的发展前景[1]。

生物传感器通常由敏感元件和信号转换器组成，敏感元件一般为生物分子活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸等。生物传感器的检测原理为待测物质与敏感元件相结合，这种结合信号可以通过信号转换器也就是换能器放大或增强，将其转变为人们易于检测的电信号或光信号，说产生的电信号与光信号被传送出来，并且信号强弱显示为与被测物质浓度相关[1]。

按照敏感元件的不同来分，可以将生物传感器分为酶传感器、免疫传感器、核酸传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器；按照转换器转换原理的不同来分，可以分为电化学生物传感器、光学生物传感器、热生物传感器、半导体生物传感器和声生物传感器，其中电化学生物传感器是将待测物质浓度信号转换为电信号，以电流、电压、电容和电势信号传送出来[1]。

二、生物传感器在微生物检测中的应用

1.微生物数量的检测

食品常常因为保存不当，受到微生物污染，污染食品的微生物一般有两种，病原菌和腐败菌。腐败菌一般没有致病性，但它会使食物分解腐败，产生有毒物质，因此需要严格控制食品中的腐败菌数量[4]。

食品中常见的腐败菌有枯草芽孢杆菌、乳酸菌、酿酒酵母等[3]。食品中腐败菌数量检测有两种方法，两者都是利用腐败菌呼吸代谢过程的特性来进行检测。其一是通过检测腐败菌在分解代谢过程中产生的电子，将其连接到电极上产生相应的电流，电流大小即可判断待测液中微生物浓度，这一检测方法能够快速准确的进行检测，操作简单，但无法测量出微生物的浓度。另一种方法是用光纤传感器，利用腐败菌在分解代谢过程产生二氧化碳的特性，通过测定二氧化碳的释放量来计算腐败菌在待测液中的大致浓度，该方法可以克服原先无法得到微生物浓度的缺点，为快速检测微生物数量做出了很大贡献。

2.病原菌的检测

食品中的病原菌也就是致病菌不仅会将食品中的营养物质分解，而且还有致病性，所以食品中的病原菌的检测十分重要。食品中常见的致病菌有产气荚膜梭菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌以及蜡样芽孢杆菌[3]。李斯特菌的检测主要依赖于光纤传感器以及聚合酶链式反应的信号放大作用，对食品中存在的大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌可以用电化学免疫传感器进行检测[3]。例如我们检测金黄色葡萄球菌时，将蛋白A作为标记物，光纤上固定有抗体蛋白用来结合蛋白A，蛋白A与抗体结合产生的信号即可作为检测信号检出，该方法检出限低，检测速度快，检测灵敏度高，相较于传统方法更加具有优势。

3.生物毒素的检测

毒素作为生物的产物，极少量即可对人体健康造成损害，对食品安全危害极大，因此生物毒素的检测至关重要。

3.1.细菌毒素

细菌毒素分为内毒素和外毒素。

内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁上的特殊结构，由O特异链、核心多糖和类脂组成，对热不敏感，抗原性差，不能转化为类毒素，毒性弱。有研究表明，根据内毒素的致病性研究开发出了基于消失波的光纤传感器和石英晶体微天平生物传感器用于内毒素的检测，并获得较为优良的特性。

外毒素主要是由革兰氏阳性菌分泌到菌外的一种毒性蛋白质，破伤风杆菌、肉毒杆菌、白喉杆菌、金黄色葡萄球菌都能分泌外毒素。外毒素对人敏感，抗原性强，能够转化成类毒素，毒性强，所以对人类造成的伤害巨大。对外毒素的检测，我们常用光纤传感器、光寻址电位传感器和压电晶体传感器，但由于压电晶体传感器特异性不强，会造成非特异性吸附，最后导致选择性差，所以压电晶体传感器不常用于外毒素的检测中。有学者研究表明，可以用光纤传感器检测食品中肉毒杆菌毒素A，检测在短短一分钟之内检测线可以低至5μg＼L。

3.2.真菌毒素

真菌毒素是由真菌分泌产生的有毒物质，生活中常常污染食品的真菌毒素有黄曲霉毒素、杂色曲霉毒素、T-2毒素、展青霉素等。真菌毒素的检测通常是以免疫生物传感器为基础建立的快速检测方法，最广泛应用与黄曲霉毒素B1和伏马素B1的检测中。研究表明，用微生物传感器或以纤毛虫微生物作为敏感材料的传感器也可以用来检测展青霉素、黄曲霉素B1和T-2毒素。

3.3.其他生物毒素

自然界中不仅仅是细菌毒素和真菌毒素一直在污染我们的食品，破坏我们的食品安全，损害人类的身体健康，还存在着一些动植物毒素，比如蓖麻毒素、河豚毒素和沙蚕毒素。研究表明，利用压电传感器、光纤传感器、电化学免疫传感器、酶免疫传感器就可以很好的达到检测生物毒素的目的，并且拥有线性范围合理，检出限低的优点。

4.其他生物类霉菌的检测[2]

生物传感器不仅用来检测以上的细菌毒素和真菌毒素，还用来监控食品中的其他生物霉素。生物霉素是微生物的代谢产物，毒性强，大多具有致癌、致畸性，所以利用生物传感器对食品中生物霉素的检测也是十分重要的。

参考文献：

[1]冯婉娟.新型高灵敏、高特异性电化学纳米生物传感器的构建及应用研究[D].上海，華东师范大学，2008.

[2]杨君，冯志彪.生物传感器在微生物毒素检测中的应用研究[J].农产品加工（学刊），2007（05）：80-84.

[3]孙黎波，孙庆欣.生物传感器在微生物检测中的创新研究[J].科技创新导报，2012（23）：30-32.