电化学检测技术与生物识别元件联用在食品安全检测中的应用进展

＊刘瑞 郑琳蕙 黄筱洋 王婧 鲍悦忻 任婧楠 吕优优

（华中农业大学 食品科学技术学院 湖北 430070）

“食在口，安在心”，饮食安全一直是人们生活中至关重要的一环。随着社会的发展和生活水平的提高，食品安全问题日益凸显，不仅关系着民生安全，还直接关系着国民经济的可持续发展和社会的和谐稳定。近年来，食品安全事件频发，引发了公众对食品安全与健康的关注。因而加强食品安全监测体系的建设，推动食品安全检测技术的创新，是确保人们饮食安全的关键举措。随着电化学技术的不断创新和发展，它正日益受到广泛关注和应用，在食品安全领域持续发挥着重要作用，为确保食品的质量和安全提供强大支持。本文对常用电化学技术的检测机理和近年来其与生物识别元件的联用技术在食品安全方面的应用进行综述。

1.电化学检测技术及原理

电化学检测技术是一种广泛应用于分析化学、材料科学、环境科学等领域的重要分析方法。它利用电化学原理来研究和检测化学物质的性质，通过测量电荷、电流和电势等电学参数来实现分析和检测的目的。

（1）电化学阻抗谱技术。电化学阻抗谱技术（EIS）的基本原理为在不同频率下施加交流电压信号，测量电极界面对电流的阻抗响应，以研究系统中与化学反应相关的界面电现象。EIS 具有稳态分析、小信号分析和探测大范围频率的能力等优势，可用于研究电化学系统的交流阻抗随频率的变化关系。

电化学电池的整个系统的阻抗Z 可用式（1）表示。

式中，Z 为复阻抗；R 为电子和离子在电解质、电极和电解质-电极界面中的电阻；X 为电池系统的电抗。

（2）伏安技术。伏安法是一种利用电极电位和电流之间的关系进行电化学分析的方法，基本原理是在电化学电位下，通过改变电位并测量相应的电流，以绘制电流-电位曲线（伏安曲线），其形状取决于交换电子、传质现象、时间尺度测量、耦合化学反应和电化学电池中发生的表面现象。

伏安技术种类多样，应用广泛。循环伏安法（CV）通过在电极之间施加一定的电位并记录电流的变化，可以得到关于电化学反应动力学和溶液中存在的电化学物质浓度的信息[1]；差分脉冲伏安法（DPV）以脉冲电位的形式进行电极电位的扫描从而测量电流响应，可以用于研究电化学反应的性质，优化实验条件和检测低浓度化合物[2]；方波伏安法（SWV）通过在电极上施加方波电位脉冲使电极表面产生氧化还原反应从而导致电流的变化，可用于评估样品中分析物的存在与浓度及分析方法的稳定性、选择性和分析性能。

（3）电位传感器法。电位传感器法通过测量电化学电池中两个电极之间的电位差来获得样品中目标分析物浓度的信息[3]。

根据能斯特方程，电位变化与待测离子的浓度之间存在对数关系：

式中，Ecell为被测电池电位；E0cell为标准电池电位；R 为通用气体常数；T 为温度；n 为电子转移数；F 为法拉第常数；[A-]是阴离子浓度；[Aion]是待测离子浓度。

电位传感器法采用对氢离子敏感的特定材料作为pH 电极，通过测量电位变化确定溶液的pH 值，具有快速响应、宽pH 感应范围、卓越的灵敏度等优势。

2.电化学技术与生物识别元件联用

生物传感器被广义地定义为检测分析物并放大、处理和生成可测量信号的分析设备。典型的生物传感器由生物识别元件、换能器和电子系统组成[4]。生物识别元件包括噬菌体、抗体、适配体、酶等生物分子，它们独特的识别、催化活性可以高灵敏度和高选择性地检测目标物（图1）。电化学生物传感器将生物相互作用转化为不同种类的可测量和可处理的电信号，以此实现对不同物质的检测。

图1 电化学生物传感器相关的组件和测量方式[5]

（1）噬菌体。噬菌体是一种可以特异性感染某种微生物的病毒，主要由核酸和蛋白质外壳组成。噬菌体只能在活细菌内感染和复制，因此可用于检测细菌活力。将噬菌体作为特异性的生物识别元件与多种检测技术联用开发传感器受到了许多研究者的关注。主要针对电化学与噬菌体联用技术进行综述，这些方法中电化学技术主要用于信号的放大和灵敏的传导，检测的特异性依赖于噬菌体。

Wang 等人[6]从湖水中分离纯化出一株特异性识别沙门氏菌的噬菌体SEP37，采用逐层组装的方式将纳米金（AuNPs），巯基乙胺（Cys）和Phage SEP37 固定在金圆盘电极（GDE）上。其中，AuNPs 在电极表面的沉积，可以加速电子的转移，Cys 是一种优异连接AuNPs 和Phage SEP37 的桥梁，Phage SEP37 用于特异性识别沙门氏菌。当金电极表面的噬菌体捕获沙门氏菌后，能够形成生物分子层，阻碍电极表面电子的转移，从而导致电极表面电阻增加。电阻值与沙门氏菌浓度之间呈现线性变化，基于此,实现对沙门氏菌的快速检测，该方法还可以区分活细菌和死细菌，避免假阳性结果的产生。同时该方法还可以实现对湖水和生菜基质中沙门氏菌的加标检测，具有在实际应用的潜力。

（2）抗体。抗体是一种重要的生物标志物，其是抗原的高亲和力的天然结合剂。将抗体作为识别元件构建电化学传感器也被广泛研究，其中在传感器制造过程中抗体的固定化是关键步骤。

Poudyal 等人[7]将草甘膦（Glyp）和毒死蜱（Chlp）的抗体固定在双重金电极表面，当靶抗原与特异性抗体（一侧的Glyp-Ab 和另一侧的Chlp-Ab）结合，金电极表面的阻抗增加，电极表面的阻抗信号随着添加的抗原浓度而变化。该方法通过改进的便携式免疫测定电化学传感器,可以同时检测Glyp 和Chlp，并且能够用于未经前处理样品的直接准确检测。Sun 等人[8]基于抗原抗体特异性结合的原理，使用抗S.鼠伤寒抗体用于识别鼠伤寒沙门氏菌，构建了一种夹心型电化学免疫传感器。首先，研究者将壳聚糖沉积在玻璃电极表面用于固定anti-S.鼠伤寒抗体，经辣根过氧化物酶（HRP）标记的anti-S.鼠伤寒抗体用作二抗。HRP 可以催化H2O2并实现电子从还原活性中心到电极的转移，通过测量鼠伤寒免疫反应前后还原峰值的电流变化以分析样品中沙门氏菌的浓度。

（3）适配体。适配体具有高亲和力与强特异性，因此，基于适配体的生物传感器被广泛应用。适配体与电化学传感器的联用是生物传感器中最有前景的方法之一，主要的难点在于寡核苷酸序列的开发。

Hui 等人[9]设计了一种截断的链霉素适配体S03（仅35 个碱基），以S03为识别分子，使用聚苯胺@氮掺杂碳纳米管/Au 纳米粒子（PANI@N-CNTs/AuNPs）作为载体，建立了一种电化学适配体传感器用于链霉素的检测。该方法中开发的小尺寸适配体具有低成本、高亲和力的优点，为改进适配体的亲和力提供了新思路。Zhong 等人[10]提出一种利用双核适配体识别系统进行准确鉴定的新方法。首先，研究者硫化镉量子点（CdS）修饰的适配体进行初级标记，然后将第二个适配体固定在石墨烯/壳聚糖复合电极上以进行重新捕获。该方法提高了核酸适配体捕获过程的准确性。基于此，分析电极和电化学活性微生物之间的连续电子转移时产生的电极电位，以检测大肠杆菌的浓度。

（4）酶。电化学酶传感器是将酶与其底物相互作用的特异性与电化学的强大分析能力相结合构成的一种生物传感器。

Wu 等人[11]开发了一种基于酶诱导Cu2+/Cu 转化用于测定氨基甲酸乙酯（EC）。主要原理为使用碱性磷酸酶（ALP）催化2-磷酸-l-抗坏血酸（AAP）水解生成抗坏血酸（AA）。AA 可以与Cu2+相互作用，介导Cu2+/Cu 的转化。当样品中存在EC 时，以通过“三明治”免疫测定模型桥接ALP 酶，随即引发上述的一系列反应。Cu2+/Cu 转换可以方波伏安法（SWV）技术来检测，以指示EC 的浓度水平。刘等人[12]使用植物来源的小麦酯酶（wPLaE）作为检测酶源，构建基于酶抑制作用的电化学技术用于检测有机磷农药敌敌畏。为了增强电化学传感的灵敏性，研究者使用多壁碳纳米管（MWNT）和纳米金（AuNPs）的协同催化效应构建新型电化学酶传感器NF/wPLaE-CS/AuNPs/MWNT/GCE。

3.总结

电化学传感器具有如低成本、高灵敏度、快速检测及检测限低等显著优势，因此,基于电化学传感技术的生物传感器被广泛研究。电化学传感器与生物识别元件的联用技术中，纳米材料如量子点、纳米卟啉、碳纳米管、石墨烯等常常被用于改进电极的导电性及提高生物分子的稳定性和活性，这大大提高了检测的灵敏度和稳定性。然而基质效应带来的影响，有害试剂对检测样品的污染仍是需要克服的问题，也是阻碍电化学生物传感器商业化的关键问题。进一步随着分子生物学及新型纳米材料的不断发展，电化学生物传感器也将不断进步。