电化学生物传感器在食源性致病菌检测中的应用研究

摘 要：食源性致病菌作为引起食源性疾病的主要因素，受到人们的高度重视。发展简便、快速、高灵敏度和低成本的食源性致病菌检测方法对降低食源性疾病发病率具有重要意义。传统的食源性致病菌检测方法费时、费力、昂贵，无法满足食品快速检测的要求。电化学生物传感技术具有简单、实时、灵敏度高、小型化、检测速度快与成本低等优点，在食源性致病菌检测中得到越来越广泛的应用。

关键词：电化学生物传感器;致病菌;食品;检测

在21世纪，食源性疾病是世界范围内发病率和死亡率都较高的疾病，每年会造成数百万人次患病，给社会经济发展造成重大障碍。科学技术的发展和经济的进步并不能有效控制食源性疾病的传播，反而呈上升趋势。可以产生毒素引起食源性疾病的致病菌种类很多，其中大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌与产气荚膜梭菌等最为常见。

目前，生物传感技术以其独特的灵敏度、较低的检测下限、操作简单等优点得到了广泛应用。与传统的分析方法相比，生物传感技术具有不可替代的优势：实时性，它可以与生物大分子相互作用，利用过程中每一刻发生的变化进行分析;快速，整个过程只需要5～15 min，而且可以在短时间内测量大量的样品;特异性;简单，不需要标记。新兴的电化学生物传感技术已被开发并应用于食源性致病菌的分析中，其灵敏度和选择性可与传统方法相媲美，这使得食源性致病菌的快速检测成为可能。

1 电化学生物传感器简介

电化学生物传感器是识别生物分子信息信号并将其转变为为电信号的一种分析检测装置，主要由两部分组成：生物感受器和换能器。生物识别元件是电化学生物感受器的核心部件，由于生物识别元件对待测物质具有特定的识别功能，所以生物传感器可以选择性识别目标分子并将其捕获到电极表面，并通过物理或化学方法固定在电极表面。将生物识别元件通过生物固定化技术固定在电极上，电极将生物分子间的特异性反应中的各种物理、化学等信号转换成电流、电压和电阻等物理量，并作为特征检测信号输出，以实现对目标的定性或定量分析[1]。根据近几年有关电化学生物传感器的大量文献，可以说电化学生物传感技术是食源性致病菌检测领域中最有前途的技术之一。

2 电化学生物传感器技术在食源性致病菌检测中的应用

近年来，利用电化学生物传感器技术检测食源性致病菌受到越来越多的关注。因此，本文综述了电化学生物传感器在检测常见食源性致病菌方面的最新进展。

2.1 大肠杆菌

大肠杆菌E.coli是在1885年发现的，一直被认为是一种非致病性细菌，是肠道菌群的正常组成部分。大约在20世纪中叶，人们认识到一些特殊的大肠杆菌对人和动物是致病的，特别是对婴幼儿，会导致严重的腹泻和败血症。人类可能因饮用受污染的水或食用未成熟的食物而感染大肠杆菌。因此，检测饮食中的大肠杆菌对保证人们的健康至关重要。

在食源性致病菌中，应用电化学生物传感器检测大肠杆菌的报道很多。早在2003年，R.Mikkelsen等[2]人发布了可使用丝网印刷传感器阵列快速测定4个大肠杆菌亚种E.coli、E.coliNetype、E.coliJM105与E.coliHB101。DNA生物传感器是检测大肠杆菌的有效手段，Leong等人[3]使用DNA纳米棒，锚定大肠杆菌脂多糖、裂解物和整个细菌，有研究人员[4]使用滚环扩增技术RCA与过氧化氰模拟酶DNA酶扩增相结合的方法，构建了一种简单、无标记、低成本的高灵敏度检测大肠杆菌的电化学生物传感器。Malhotra等人[5]研制了一种免疫电极，可用于区分大肠杆菌O157：H7与非致病性大肠杆菌和其他细菌。

2.2 蜡状芽孢杆菌

蜡状芽孢杆菌是芽孢杆菌属的一种，可引起食物中毒。蜡状芽孢杆菌引起的症状是腹痛、呕吐和腹泻，这与产气荚膜梭菌非常相似。因此，研究食品中蜡状芽孢杆菌的准确检测方法十分重要。

Soleimarian-Zad[6]等人研制了一种基于DNA纳米金颗粒修饰铅笔石墨电极PGE的蜡样芽孢杆菌电化学生物传感器。利用纳米金颗粒GNPs与硫醇连接物固定nheA基因的某一单链组装成传感元件，可以识别并捕获靶标;研究人员还用此传感器检测了牛奶和婴儿配方奶粉中的细菌，表明该生物传感器适用于牛奶和婴儿配方奶粉中细菌的检测。有研究者[7]发表了一种新型蜡样芽孢杆菌电化学传感器，将蜡样芽孢杆菌单克隆抗体固定在双层金纳米粒子上，并用壳聚糖将传感元件与GCE连接。该传感器具有检测响应快、长期稳定性好、灵敏度高等特点。

2.3 金黄色葡萄球菌

金黄色葡萄球菌S.aureus是一种典型的革兰氏阳性菌，可引起人类严重的化脓性感染，引起肺炎等全身性感染。在美国和加拿大，由金黄色葡萄球菌肠毒素引起的食物中毒分别占所有细菌性食物中毒的33%到45%[8]。在中国也有很多中毒事件。

有关人员报道了[9]一种用于检测金黄色葡萄球菌的电化学传感器，该传感器以单链DNA为适配子，通过阻抗谱连接到还原的氧化石墨烯-金纳米复合材料rGO-AuNP上。Mansour等[10]通过监测金黄色葡萄球菌感染前后电阻的变化，用固定在金电极上的铁氰化物/亚铁氰化物为氧化还原探针识别金黄色葡萄球菌。研制的这种生物传感器可进一步检测处于应激和复苏状态的致病菌。

2.4 产气荚膜梭菌

Pu等人[11]发表了一种使用RCA技术检测产气荚膜梭菌DNA的电化学发光传感器，该研究小组同年报告了另一种基于丝网印刷电极的产气荚膜梭菌DNA生物传感器。他们使用具有稳定发夹结构的初始分子信标，它与靶DNA结合后，链霉亲和素适配子被重新激活，DPV的电化学信号可以通过“三明治”结構反应被检测到。最近，有研究者[12]介绍了一种基于CeO2/壳聚糖修饰电极的电化学生物传感器，通过监测阻抗的变化来检测产气荚膜梭菌的DNA。

2.5 同時检测多种食源性致病菌

电化学生物传感器用于生物病原体的同时、多点检测已成为一种发展趋势.有研究人员[13]构建了一种利用聚乙烯亚胺功能化的单壁碳纳米管在金钨丝上制成2×2连接阵列结构的传感器，用于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌电势复用检测的多结传感器。该传感器检测时间短，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的检出限分别为10 ?L和100 ?L。Li等[14]人研制了一种基于Au/GCP的夹心式电化学生物传感器，用于同时检测大肠杆菌O157：H7和霍乱弧菌O1，所制备的生物传感器性能优良，该方法易于扩展，可用于其他致病菌的检测，在食品安全领域具有重要的应用价值。此外，Ai等[15]人基于二茂铁-PAMAM-多壁碳纳米管-壳聚糖纳米复合修饰热解石墨电极，他们构建了一种高效的消除饮用水中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的电化学电极。当电位为0.4 V，作用10 min时，几乎所有病原菌都会被杀灭，为病原菌的消毒提供了一种有效的电化学方法。

综上所述，传统的食源性致病菌检测方法虽然灵敏，但大多耗时长几天到一周，限制了它的实际应用。因此，开发检测食源性致病菌的新方法十分必要。经过探索和发展，电化学生物传感技术已成熟应用于病原体的快速检测。基于核酸或适配子的电化学生物传感器具有较高的灵敏度和较低的检测下限，但其稳定性和准确性有待提高。食源性致病菌的检测方法仍有进一步改善。一种快速、灵敏、低成本的食源性致病菌检测方法具有巨大的市场前景。鉴于电化学传感的需求和优势，在不久的将来，其在食源性致病菌检测方面仍有很大的发展空间。

参考文献

[1]董秀秀，王宇，沈玉栋，等.基于新型纳米材料的电化学免疫传感器及其在食品安全检测中的应用进展[J].中国食品学报，2015，15（4）：136-146.

[2]Ertl P ，Wagner M ，Corton E ，et al.Rapid identification of viable Escherichia coli subspecies with an electrochemical screen-printed biosensor array[J].Biosensors & Bioelectronics，2003，18（7）：907-916.

[3]Giovanni M，Setyawati M I，Tay C Y，et al.Electrochemical Quantification of Escherichia coli with DNA Nanostructure. ADV FUNCT MAT 2015[J].Advanced Functional Materials， 2015（25）：3840-3846.

[4]Huang LL， Gu H J，Duan N，et al.An enhanced chemiluminescence resonance energy transfer aptasensor based on rolling circle amplification and WS 2 nanosheet for Staphylococcus aureus detection. Anal Chim Acta，2017（959）：83-90.

[5]Pandey C M，Tiwari I，Singh V N，et al.Highly sensitive electrochemical immunosensor based on graphene-wrapped copper oxide-cysteine hierarchical structure for detection of pathogenic bacteria[J].Sensors and Actuators，2017，b238（jan.）：1060-1069.

[6]Izadi Z，Sheikh-Zeinoddin M，Ensafi A，et al.Fabrication of an electrochemical DNA-based biosensor for Bacillus cereus detection in milk and infant formula[J].Biosens Bioelectron，2016（80）：582-589.

[7]Liang，Y Y，Xing，W X，Shan，S J ，Zhang，

S Q，Li，Y Q，Li，T， An，L，Yang，G W. Y， Y， Zhu，等. Characterization and immune response expression of the Rig-I-like receptor mda5 in common carp Cyprinus carpio[J].Journal of Fish Biology，2016（88）：2188-2202.

[8]Liu M ， Xie S ， Zhou J . Use of animal models for the imaging and quantification of angiogenesis[J].Experimental Animals，2017，67（1）：1-6.

[9]Fei， Jia， Nuo，et al..Impedimetric aptasensor for Staphylococcus aureus based on nanocomposite prepared from reduced graphene oxide and gold nanoparticles[J].Microchimica Acta，2014（181）：967-974.

[10]Bekir K ， Barhoumi H ， Braiek M ，et al.Electrochemical impedance immunosensor for rapid detection of stressed pathogenic Staphylococcus aureus bacteria[J].Environmental ence and Pollution Research，2015，22（20）：15796-15803.

[11]Jiang D，Liu F，Liu C，et al.Induction

of an electrochemiluminescence sensor for DNA detection of Clostridium perfringens based on rolling circle amplification[J].Analytical Methods，2014，6（5）：1558.

[12]Xingcan Q ，Qing Q ， Lei L ，

et al.Ultrasensitive Electrochemical Detection of Clostridium perfringens DNA Based Morphology-Dependent DNA Adsorption Properties of CeO2 Nanorods in Dairy Products[J].Sensors，2018， 18（6）：1878.

[13]Kara，Yamada， Won，et al.Rapid detection of multiple foodborne pathogens using a nanoparticle-functionalized multi-junction biosensor[J].Biosensors and Bioelectronics，2016（77）：137-143.

[14]Laczka O ，Labbate M ，Doblin M.Application of an ELISA-type

amperometric assay to the detection of Vibrio species with screen-printed electrodes[J].Analytical Methods，2014，6（7）：2020-2023.

[15]Shang K， Qiao Z， Sun B，et al.An efficient electrochemical disinfection of E.coli and S.aureus in drinking water using ferrocene-PAMAM-multiwalled carbon nanotubes–chitosan nanocomposite modified pyrolytic graphite electrode[J].Solid State Electrochem. 2013（17）：1685-1691.

作者简介：张华（1984—），男，陜西咸阳人，硕士，工程师。研究方向：食品检验。