表面等离子共振生物传感器在食品检测中的应用现状

许春华

1.江南大学化学与材料工程学院 (无锡 214122)2.食品胶体与生物技术重点实验室 (无锡 214122)

表面等离子共振生物传感器在食品检测中的应用现状

许春华1,2

1.江南大学化学与材料工程学院 (无锡 214122)2.食品胶体与生物技术重点实验室 (无锡 214122)

表面等离子共振(SPR)生物传感器可实现免标记、实时、高灵敏度、定量、同时动态监测多个生物分子间的相互作用情况。近年来，SPR传感技术在食品安全检测、环境监测、医学诊断等方面的应用快速发展。本文简述了SPR生物传感器的基本原理，重点展示SPR生物传感器近年来在食品检测，主要包括食品品质、成分、安全等方面的应用，特别是致病菌、过敏原等方面的应用现状。

表面等离子共振；生物传感器；食品检测；致病菌；过敏原

近年来，随着人们对食品品质和安全性的要求增高，即时对食品进行快速即时高效的检测已成为当前食品安全监测部门的当务之急。面对日益严峻的食品安全威胁，快速、高效、准确的食品安全检测技术的研究正越来越受到重视。表面等离子共振(SPR)生物传感器已成为近年来用于食品安全检测的热点之一。SPR生物传感器具有免标记、实时在线检测、高灵敏度、非破坏性及高选择性等优点，已经广泛应用在生物、化学、医学诊断及食品安全检测与环境监测[1]等领域。

1 表面等离子共振生物传感器的基本原理

表面等离子共振(SPR)通过测量金属膜表面物质的折射率变化而进行测定的一种高灵敏度的实时光谱分析技术，是一种物理光学现象。SPR生物传感器对附着在金属膜的电介质的折射率很敏感，任何材料都有其固有的折射率，通过折射率的变化可对待测物进行监测。SPR角是随金属表面的折射率变化而变化的，这一变化又和金属表面结合的生物分子的质量成正比。将SPR技术与传感器技术相结合，可以对待测样品中的目标物质进行定性定量检测。瑞典科学家Liedberg等在80年代首次将SPR生物传感器用于IgG抗体与抗原相互作用的测定。1990年瑞典Biacore AB公司首次开发出商业化的SPR生物传感器。已经开发出基于SPR技术的仪器公司见表1[2]。SPR传感器就是这样将配体固定在金属芯片的表面，通过监测流过的液体溶液中分析物和配体的结合或解离使金属膜表面的折射率变化，从而达到对分析物的检测。SPR生物传感器的优点：待测物无需标记，适用于混浊、不透明或有色的溶液，能实时、连续监测动态反应过程，检测方便快捷。能够实时显示采集的数据，不需要放射性或荧光物质标记，就能够对相互作用的反应动力学、结合亲和力和样品浓度进行分析。SPR生物传感器的原理图如图1。更多的基本原理可参考文献[3-4]。

表1 商业化SPR生物传感器厂商和网站列表

图1 SPR生物传感器(单通道)工作原理示意图

2 SPR生物传感器在食品检测中的应用现状

2.1 食品中致病菌的检测

食品由于储存条件、加工方式等方面的影响，其中所产生或原有的致病菌的快速检测得到广大研究者的重视。在传统的检测手段中，致病菌的检测通常有时候需要达到一周的时间，速度快而且便宜的商用仪器用于致病菌的检测就变得很需要。

Jon Ashley等[5]建立了一种基于SPR生物传感器的核酸适配子用于牛奶中牛过氧化氢酶的检测，其最低检测线达到20.5 nmol, RSD值为15.2%，而且几乎不需要进行样品处理。刘儒平等[6]建立了一种基于SPR传感器的快速检测大肠杆菌的方法，检测限达到150 cfu/mL，其检测时间只有半个多小时，而且在特异性检测方面很有优势，可实现在线监测致病菌。Zhiling Zhu等[7]建立了一种基于SPR生物传感器的核酸适配子用于葡萄酒和花生油中赭曲霉毒素A的检测，其最低检测线达到0.005 ng/mL，样品处理用简单的液液萃取即可，且检测线远远低于最高允许残留量，稳定性也很高。Idris Yazgan等[8]建立了一种基于甘露糖作为适配子的SPR电化学生物传感器检测菠菜中的大肠杆菌致病菌，达到了当前的最低的检测线，而且不影响选择性，由之前的17降到2.5 cfu/mL。Anna Pennacchio等[9]建立了SPR免疫生物传感器用于棒曲霉素毒素的检测，其检测限为0.1 nmol，并且是快速有效的新方法。Ivana-Víšová等[10]建立了三步法快速检测食品原材料中致病菌，实际检测黄瓜和汉堡提取物中的大肠杆菌和沙门氏菌的检测限分别为57 cfu/mL 和 17 cfu/mL，7.4×103cfu/mL 和11.7×103cfu/mL，另外他们也实验了用多通道SPR生物传感器即时检测汉堡样品中大肠杆菌和沙门氏菌，也是可行的。

2.2 食品中过敏原的检测

由于当代社会环境以及污染的原因，在食品原材料以及食品加工中不可避免存在各种过敏原，这已经是影响人类健康的重要原因之一。对于食品中过敏原的监测或快速检测已经是很迫切的需求。

Rosa Pilolli等[11]建立了一种基于表面等离子共振生物传感器快速、免标记的跟踪监测葡萄酒中鸡蛋过敏原的检测方法，由于卵清蛋白在蛋白粉中的高含量从而被选为靶蛋白，通过一系列的条件摸索，建立了相关的检测方法，仅需要很短的时间和样品预处理，可监测浓度位于0.03～0.20 μg/mL之间的鸡蛋过敏原；同时该方法的结果与常规的高效液相色谱法的测试结果是吻合的，更说明了该方法的可靠性。Xuli Wu等[12]采用双抗体建立基于SPR传感器的检测食品中过敏原的方法，将亲和纯化的单克隆抗体修饰在传感器芯片上检测牛骨蛋白β-乳球蛋白和花生蛋白Ara h1，它们的检测限分别达到5.54 ng/mL和0.77 ng/mL，并且在蛋白低浓度范围内呈现很好的线线关系，用这种方法检测过敏原简单快速可靠。

2.3 食品中其他方面的应用

SPR生物传感器由于其本身的特点，可特异性检测重金属离子，Ran Wang等[13]建立了基于蛋白质与铜离子竞争吸附作用的SPR生物传感器检测饮用水中的铜离子，最低检测限可达到0.1 mg/L，远低于饮用水国家基准要求的1.3 mg/L，更特别的是该方法对几种不同的重金属离子铜离子、铁离子、锰离子、铅离子和汞离子的选择性。

3 总结

由引用文献所知，近年来，SPR生物传感器在食品检测中已成为很受关注的检测技术，其分析速度快，灵敏度高，特异选择性强，检出限达纳克水平，适合检测痕量样品和含量特别低的成分；经常无需样品处理即可直接检测混合物中的待测物质。优化、改进和提高各种SPR测定方法，开发微型便携的SPR生物传感器使研究工作向实际应用领域推广，是当前研究的趋势。SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段,具有诱人的发展前景。食品检测无论从健康和经济学角度来说都是比较重要的，基于光学的SPR生物传感器在检测或监测致病菌、食品中过敏原、重金属离子检测或其他有毒物质的检测中都是很有效的。基于SPR生物传感器的检测手段可以作为食品检测技术或食品检测标准的补充手段。

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[3] Li Ying, Liu Xia, Lin Zhao. Recent developments and applications of surface plasmon resonance biosensors for the detection of mycotoxins in foodstuffs[J]. Food Chemistry,2012,132(3):1549-1554.

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[6] 刘儒平，王 程，徐万帮,等. 基于生物素-亲和素放大的SPR传感器检测大肠杆菌研究[J]. 传感技术学报，2013，26(6):757-761.

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[8] I Yazgan, N M Noah, O Toure, et al. Biosensor for selective detection of E. coli in spinach using the strong affinity of derivatized mannose with fimbrial lectin[J]. Biosensors and Bioelectronics,2014,61:266-273.

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[11] Rosa Pilolli, Linda Monaci. Challenging the limit of detection for egg allergen detection in red wines by surface plasmon resonance biosensor [J]. Food Anal, Methods,2016,9:2754-2761.

[12] Wu Xuli, Li Yao, Liu Bo, et al. Two-site antibody immunoanalytical detection of food allergens by surface plasmon resonance. Food Anal, Methods,2016,9:582-588.

[13] Wang Ran, Wang Wei, Ren Hao, et al. Detection of copper ions in drinking water using the competitive adsorption of proteins[J]. Biosensors and Bioelectronics,2014,57:179-185.

Application status of surface plasmon resonance biosensor in food detection

Xu Chunhua1,2

1. School of Chemical and Material Engineering of Jiangnan University (Wuxi 214122)2. Food Colloids and Biological Technology Key Laboratory (Wuxi 214122)

Surface plasmon resonance (SPR) biosensors can be used to detect biomarkers in real-time, with high sensitivity and quantification, and to monitor the interaction of multiple biomolecules. In recent years, SPR sensing technology in food safety testing, environmental monitoring, medical diagnosis has developed rapidly. In this paper, the basic principle of SPR was introduced briefly, the application of SPR biosensor in food detection, including food quality, composition and safety, especially pathogens and allergens was introduced.

surface plasmon resonance(SPR); biosensor; food detection; pathogenic bacterium; allergen

2016-11-18

许春华，女，1982年出生，实验师，研究方向为食品检测技术。

TS207

A

1672-5026(2017)04-055-03