动物性食品中氨基糖苷类药物电化学传感检测方法研究进展

张 冉，李兆周*，石婧怡，刘艳艳，杜贺团

（1.河南科技大学 食品与生物工程学院，河南洛阳 471000；2.河南省食品绿色加工与质量安全控制国际联合实验室，河南洛阳 471000）

氨基糖苷类抗生素（Aminoglycoside antibiotics，AGs）通过与原核生物的核糖体结合而抑制细菌蛋白质的合成，从而实现抑制或杀灭细菌的作用，常作为饲料添加剂和治疗药物被用于畜牧业、水产养殖业及养蜂业[1]。近年来，药物滥用导致的食品安全问题日益突显。肉类、牛奶、鸡蛋和蜂蜜等动物性食品中存在的AGs 残留以及相关的耐药基因对消费者的健康产生严重威胁[2]。长期食用含有抗菌药残留的食物会引起过敏反应、人体肠道内菌群失衡、产生肾毒性和耳毒性等毒副作用。世界上多个国家和国际组织制定了动物性食品中AGs 的最大残留限量标准。

食品安全检测是避免药物残留危害的必要手段，针对该类药物残留检测的方法主要包括仪器方法、微生物学方法和免疫学方法等。仪器分析方法灵敏度和准确性高，但常需要对靶标进行衍生化处理，样品处理复杂、成本高、费时费力，对操作人员的要求较高。免疫分析法作为一种常用的筛查分析手段，在现场快速检测中得到了广泛应用，预处理简单、时间短、成本低，但其准确性还需进一步提升[3]。微生物学方法虽然较为经典，性价比高，但检测的灵敏度、特异性和时效性较差。基于上述检测与识别原理而发展起来的电化学传感器，具有低成本、快速、灵敏和高特异性等优点，分析过程简单且易于操作，设备易于微型化且方便携带，能够现场实时检测。

电化学传感器基于识别元件和靶标物质之间的特异性结合作用，将检测信息转化为有用的电化学信号进行分析。近年来，电化学传感器因其优异的灵敏度、快速的分析效率和易于小型化等优点，在药物残留检测方面显示出广阔的应用前景[4]。其中，抗体作为这类传感器的重要元件，常用来特异性识别待测物。但生物性抗体对环境条件要求很高且制备成本高，而分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）和核酸适配体（Aptamer，Apt）作为仿生抗体具有高亲和力、特异性、稳定性和可靠性，其作为抗体替代物已受到了广泛关注。

1 基于抗体的电化学传感器

抗体能特异性地与抗原结合，在电化学传感器中常作为识别元件用于食品安全检测。与单克隆或多克隆抗体相比，通过基因工程技术制备的重组抗体具有成本更低、耗时更短和亲和力更高的特性。LIU等[5]开发了一种简单、灵敏的电化学免疫分析方法用于检测食品中链霉素（Streptomycin，STR）残留。在该方法中，以纳米金粒子修饰的介孔二氧化硅作为增敏材料，H2O2作为显色底物，固相包被的STR抗体作为识别元件，通过直接竞争，实现蜂蜜、牛奶、鸡肉和肾脏样品中STR 的痕量检测，该方法的检测限为5 pg·mL-1，线性范围为0.05 ～50.00 ng·mL-1。抗体优异的特异性识别性能有助于实现高效传感分析，但生物源性抗体对环境条件耐受性差，易受温度、pH 值及环境条件等因素的影响而导致其生物活性降低，研发高特异性和高稳定性的仿生识别元件已成为该领域的热点。

2 基于适配体的电化学传感器

Apt 是通过指数富集配体进化迭代过程而得到的特异化核酸短序列。与抗体等其他识别元件相比，Apt 具有成本低、容易合成、稳定性好和易于修饰等优点，在电化学传感器的构建中应用广泛。基于Apt的电化学传感器以特异性核酸序列为特异性识别元件，通过信号感应元件将识别作用转变为光和电等可视的信号，实现对靶标的高效检测。

近年来，基于STR 残留检测的适配体传感器已取得显著进展。YIN 等[6]构建了一种基于金纳米颗粒功能化的磁性多壁碳纳米管（Au@MWCNTs-Fe3O4）和纳米多孔PtTi（Nanoporous PtTi，NP-PtTi）合金的电化学适配体传感器，用于检测STR。通过Au@MWCNTs-Fe3O4复合材料对电极表面进行修饰，在其表面沉积NP-PtTi，并将STR 适配体固定在NP-PtTi/Au@MWCNTs-Fe3O4/GCE 上。所制备的Au@MWCNTs-Fe3O4/NP-PtTi 复合物不仅具有显著的增敏效果，还可以有效提高STR 适配体的载量，增强识别性能。在最优条件下，该传感器的检测限为7.8 pg·mL-1，线性范围为0.05 ～100.00 ng·mL-1，加标回收率为97.3%～105.2%。该方法虽能高效检测STR，但传感界面的构建较为复杂，影响因素较多。为更好地检测食品中痕量STR 残留，ROUSHANI等[7]将介孔氧化硅薄膜（Mesoporous Silica Films，MSFs）滴涂在金电极表面，并在MSFs 表面修饰银纳米粒子，构建了超灵敏的STR 电化学适配体传感器。当传感器的识别元件与STR 特异性结合后，可以抑制[Fe(CN)6]3-/4-在电极表面进行电荷转移，降低响应电流信号。在最佳条件下，该传感器的检测范围是1 fg·mL-1～6.2 ng·mL-1，检出限为0.33 fg·mL-1。为进一步提高传感界面的比表面积、生物相容性、电化学特性和理化稳定性，PENG 等[8]提出了一种基于Ti3C2和金属有机框架纳米材料的新型电化学适配体传感器，用于快速检测牛奶样品中的STR。新型纳米复合材料的应用有效提高了传感器的检测性能，在最佳条件下，该传感器的线性范围为0.01 ～200.00 nmol·L-1，检测限为0.003 3 nmol·L-1。

基于适配体的电化学传感器在其他AGs 残留分析中也进行了相关研究，NONG 等[9]开发了一种基于适配体的新型妥布霉素电化学传感器，利用亚甲基蓝（Mthylene Blue，MB）产生电化学响应信号，构建了基于金纳米粒子/聚苯胺/二氧化钛纳米管复合材料修饰的工作电极，显著提高了电极表面的电子传递速率。在0.5 ～70.0 μmol·L-1，MB 电流信号与妥布霉素浓度呈良好线性关系，检出限为0.326 μmol·L-1。该方法虽然实现了样品中妥布霉素的电化学实时分析，但相关分析方法学参数还有待提高。

在适配体传感器中引入纳米复合材料用于信号放大，显著改善了电化学性能，提高了检测灵敏度和稳健性，缩短了检测时间，拓宽了应用前景。但目前适配体的筛选过程仍相对复杂，增敏纳米材料的大规模制备及应用还有一定困难。未来应进一步提高识别和增敏元件性能，推动适配体传感分析理论与实际应用的进一步发展。

3 基于仿生印迹的电化学传感器

仿生印迹是基于仿生学原理，在聚合物基质中人工构建识别位点的新技术。采用该技术研制的MIPs 具有结构预定性、识别特异性、高度稳定性、广泛适用性和制备便捷性等优点。目前已成功应用于分离、纯化、催化和电化学传感等领域。仿生印迹电化学传感器是一种结合了特异性印迹识别和电化学快速检测的传感器，MIPs 作为识别元件具有高特异性、高灵敏度和长期稳定性等优点，在构建生物传感器方面具有广泛的应用前景。

基于不同仿生印迹识别元件和增敏材料的电化学传感器均有所报道，QUE 等[10]提出了以苯胺和邻苯二胺为双功能单体，在金电极表面共聚制备MIPs，通过直接竞争模式进行特异性识别，采用葡萄糖氧化酶作为标记物，实现电化学信号的放大与增敏。所研制的传感器可用于牛奶和蜂蜜中STR 的检测，线性检测范围为0.01 ～10.00 mg·mL-1，检出限为7.0 pg·mL-1。该方法虽能实现对靶标的高效分析，但标记酶对环境条件耐受性差，检测方法的稳健性能仍有待提升。LONG 等[11]研究了一种基于磁性多壁碳纳米管的新型磁印迹电化学传感器，可用于复杂基质中卡那霉素（Kanamycin，KAN）的高效分析。多壁碳纳米管修饰的Fe3O4纳米颗粒具有较大的比表面积和良好的导电性。在其基础上制备磁性MIPs，大幅提高了传感器特异性和灵敏度，所得检出限为2.3×10-11mol·L-1。该方法将磁性检测技术与纳米材料相结合，实现了高性能印迹与识别。为进一步提高检测灵敏度，降低电化学分析的背景干扰，有研究创新了传感信号种类，基于光电信号构建传感器，取得了较好进展。LU 等[12]基于ZnO/ZnS/Ag2S 阳极和掺杂铁的CuBi2O4阴极光电材料，构建了一种自供电的分子印迹光电化学传感器，用于STR 的快速灵敏检测。该传感器提高了抗干扰能力和灵敏度，具有更宽的检测范围（0.01 nmol·L-1～10 mmol·L-1）、更低的检测限（0.005 3 nmol·L-1）和更好稳定性，大幅降低了样品的基质干扰，提高了分析方法的性能。

仿生印迹的电化学传感器虽然具有突出优点，但识别的特异性和亲和力还有待进一步提高，相关的识别机理还需要深入分析和研究，未来应继续深入研究基于仿生印迹技术的新型识别元件和增敏材料，进一步提高印迹识别性能，推动该领域迭代升级。

4 双识别电化学传感器

单一识别模式的电化学传感器虽能进行痕量残留物靶向分析，但特异性和抗干扰能力仍需提高。研制具有双重识别作用的电化学传感器，特别是将仿生印迹材料与核酸适配体相结合，已成为该领域发展的新趋势。在识别元件的构建过程中，将Apt作为功能单体引入MIPs 的制备，构建具有双重识别能力的识别元件MIP-Apt，可以大幅提高与目标分析物结合的特异性和亲和力。此外，MIP-Apt 中的聚合物基质可以阻止核酸酶降解适配体链，提高了Apt 稳定性。仿生印迹与适配体识别技术的结合，开辟了一个构建高性能识别元件的有效途径，在药物与食品检测、环境监测、生物分析等领域有广阔的发展空间。BI 等[13]提出了一种用于检测KAN 的高特异性和高灵敏度电化学传感检测方法。采用壳聚糖-石墨烯复合膜和金纳米粒子修饰玻碳电极，在修饰电极表面进行印迹膜的电聚合。然后将二茂铁-β-环糊精和KAN 适配体修饰在Au@Fe3O4复合材料上作为电化学感应信号分子。KAN-Apt 作为识别元件，特异性识别复杂基质中的痕量KAN 残留。新型生物识别元件的构建显著提高了传感器的亲和力和特异性，在最优条件下，该传感器的线性范围为10 ～500 nmol·L-1，检测限为1.87 nmol·L-1。

双识别电化学传感检测方法有效提升了仿生印迹识别的特异性和生物识别的稳定性，拓展了分子识别理论内涵和应用场景。但该方法需同时研制两种识别体系，工作量较大，且两种识别体系间的协同增效作用仍需深入研究和优化。

5 展望

开发高效、经济和灵敏的AGs 残留检测技术对动物源性食品安全和人体健康具有重要意义。电化学传感器因其具有灵敏度高、响应快、操作简单、低成本以及便于携带等优势，在食品安全领域得到了广泛应用。新型生物识别元件和增敏材料的研发已成为电化学传感检测技术发展的新趋势，未来电化学传感器将朝着便携化、高通量、高灵敏和多残留快速检测的方向进一步发展。