生物传感器在食源性病原菌检测中的应用研究进展

摘 要:

生物传感器作为新型检测方法,具有方便、省时、精度高等优点,并且数据的收集处理简便,可实现现场大通量样品的检测。目前,生物传感器广泛应用于食品添加剂、饲料添加剂、病原微生物及毒素等的检测。根据生物传感器的信号转换元件可分为电化学式生物传感器、光学式生物传感器及压电式生物传感器。

关键词:

生物传感器开始应用于食源性致病菌的检测可追溯到上世纪70年代,1979年,Matssunage等利用非染料耦合的燃料电池型生物电极进行致病菌的检测,其范围为 107-109CFU/ml。1982年,Nishikawa利用2,6-二氯酚靛酚设计生物传感器将检测线提至 104CFU/ml。近年来,生物传感器在致病菌检测的应用方面更是得到了长足的发展,与免疫学或分子生物学技术相结合,形成了更加便捷、高效的检测手段,得到了广泛应用。

1、生物传感器的工作原理

用于病原菌检测的生物传感器主要包括两个工作单元:即生物识别元件及信号转换元件,前者通常由具有分子识别能力的生物活性物质构成,如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸和有机物小分子等;后者主要行使信号转换功能,通常由电化学电极、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体和表面等离子共振元件等构成。其工作原理可简单阐述为:当检测样品中含有某种特定致病菌,特异性生物识别元件会与其结合而产生效应(特异性产物、发光、发热或抑制作用等),通过信号转换元件转换为可以定量输出的电信号或光信号等,从而达到检测分析的目的。因此,生物传感器在病原菌检测应用方面具有特异性强、敏感性高及重复性好等优势。

生物传感器作为新型的检测手段,相较于传统的检测手段有方便、省时、精度高等优点,并且数据的收集与处理也很简便,亦不会造成污染,可实现现场大通量样品的检测。目前,生物传感器广泛应用于食品添加剂、饲料添加剂、对人体有害的微生物及有害毒素等多种物质的检测。随着科技不断进步,生物传感器一定会得到与来越多的应用。

2、生物传感器分类及在病原微生物检测中的应用

生物传感器有多种分类方法,根据生物识别元件的不同可分为DNA生物传感器、细胞生物传感器、免疫传感器等;根据生物传感器的信号转换元件可分为电化学式生物传感器、光学式生物传感器及压电式生物传感器。

以光敏元件作为信号转换元件,依据光学原理进行信号探测与采集的生物传感器即被定义为光学式生物传感器。有研究将免疫磁分离技术和吸光率结合,通过光学信号的转换来快速检测出血性大肠杆菌O157:H7。

压电式生物传感器主要是利用压电石英晶体对质量的敏感性,并结合生化反应的选择特异性,通过检测压电石英晶体吸附目标元件后频率的变化来进行致病菌的检测,该类检测生物传感器不需进行任何特异性标记,操作简便而被广泛应用。早在上世纪90年代,Plomer等设计的一种压电式免疫传感器,可以用于检测食物及饮用水中所有肠道细菌,依据的原理是通过葡萄球菌蛋白A将抗肠道菌共同抗原的单克隆抗体包被于10 MHz的压电石英晶体表面,从而检测在一定范围内菌液浓度与压电石英晶体的频率变化呈现相关关系。Su等在2004年,利用出血性大肠杆菌O157:H7与固定于膜上的抗体结合而导致压电石英晶体传感器的共振频率降低,用于快速检测。

3、电化学生物传感器在检测病原菌中的应用

电化学生物传感器是由特殊生物材料作为敏感元件,以电化学电极作为信号转换元件,探测致病菌细胞代谢所直接或间接引起的电势、电流或阻抗等电化学上的变化作为信号,进而分析致病菌与特异性信号间的对应关系,再通过标准响应曲线的制作,达到对致病菌的定量分析检测。较其他检测技术相比,电化学方法更具快速、简便、经济等诸多优势。电化学生物传感方法又按照信号输出的方式分为电阻抗测量法、电流测量法。

电阻抗法是在反应介质中,微生物数量的增加会导致代谢产物的不断积累,最终影响整个介质的电阻,代谢产物的增加致使介质导电性增强,同时其电阻减小,据此来检测食品中微生物的总量或代谢活性状况,该方法具有敏感性强、可靠性高同时检测方便快捷等优势被广泛应用于食源性致病菌的检测。Radke等同样利用菌体引起的阻抗变化来检测出血性大肠杆菌O157:H7,检测范围在10E4-10E7 cfu/ml,达到了食品样品中检测的要求。

伏安法是测试电势的一种方法,通过控制电势恒定或随时间变化,扫描得到电势与时间的曲线。线性扫描伏安法(linear sweep voltammetry,LSV)是将电流作为电势的函数来记录。循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)是在某个时刻改变电势扫描的方向来记录电流-电势函数,其反向电流峰的形状与正向电流峰应相似。Nakamura等使大肠杆菌富集在多孔硝化纤维膜上,检测电流曲线的峰值与细菌浓度的关系,检测限达到了 5×10E2 cfu/ml。

电流型传感法检测的是电解池中出现的电极或特性变化的信号,其工作原理是将电极和电位计相连,用于测定工作电极上的氧化还原反应。电化学生物传感器的主要换能器有玻碳电极、惰性电极等,基础电极为氧电极、燃料电池型和过氧化氢电极等。另外还有一些通过媒介使得微生物的氧化代谢转变为能够测量的电信号。在一定的条件下,电流信号与待测物浓度呈良好的线性关系。目前,电化学传感器主要应用在食品添加剂的检测分析上,少量应用于农药和兽药残留的检测,近来也越来越多的应用于微生物及其生物毒素的检测等领域。

4、光电型生物传感法在检测病原菌中的应用

利用光反射的原理,当单色光通过样品室,样品因颜色的深浅而吸收不同强度的入射光,检测反射光的光强度可判断样品的成分和浓度。在对于细菌检测的实际应用中,其一是基于荧光素梅反应体系的特异性检测。微生物体内含有的ATP可提供能量供荧光素酶催化荧光素的产生,通过检测荧光素的多少可判定细菌的浓度。

    日期:2014年04月22日  分类:病原菌
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