隋佳辰，于寒松,，代佳宇，宋戰(zhàn)昀，王向輝，張 健

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118；2.吉林出入境檢驗檢疫局，吉林 長春 130062）

生物傳感器檢測食品中重金屬砷的研究進展

隋佳辰1，于寒松1,*，代佳宇1，宋戰(zhàn)昀2,*，王向輝1，張 健1

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118；2.吉林出入境檢驗檢疫局，吉林 長春 130062）

近年來，我國食品中砷（As）超標事件頻發(fā)，嚴重威脅著我國人民的身體健康與生命安全，從而引起人們對砷危害性的高度重視。雖然傳統(tǒng)的重金屬檢測技術能對食品中的As進行低濃度的測定，但是同時存在儀器昂貴、樣品前處理復雜、檢測成本較高、需專業(yè)人員進行操作等缺點，不利于食品中應急事件的快速檢測，因此仍需要發(fā)展一種成本低廉、簡單快捷、準確高效的檢測方法，用于食品中重金屬As的快速檢測。生物傳感器技術由于具有操作簡單、檢測成本低、選擇性好、靈敏度高、分析速度快且能在復雜的體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測等特點，使生物傳感器技術在食品安全領域中是一項具有長遠意義的新技術，同時非常適用于食品中應急事件的快速檢測。本文主要以大腸桿菌、蛋白質(zhì)、DNA和核酸適配體為基礎的生物傳感器為例，對生物傳感器技術的作用機理及在食品中重金屬As檢測中的最新應用進展作重點綜述，并對生物傳感器技術在食品安全領域的發(fā)展前景進行了展望。

砷；食品安全；生物傳感器；檢測

砷（As）是一種具有蓄積性毒性的重金屬元素，普遍存在于自然界中。單質(zhì)As本身無毒性，但砷化合物均有毒性，其中存在的四種價態(tài)中以As3+毒性最大，約為其他價態(tài)As的60 倍。近年來，我國食品中砷污染事件頻發(fā)，嚴重威脅著我國人民的身體健康與生命安全，其中包括癌癥[1]、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)等相關疾病，已逐漸成為食品安全的重要問題。人體內(nèi)的As主要是通過食物、空氣和飲用水進入人體，經(jīng)肺和胃腸吸收后，隨血液分布并蓄積于全身各個組織中。當攝入微量As時一般不會對人體產(chǎn)生健康危害，但是如果因食品污染使As攝入量超標就會對人體產(chǎn)生危害。其中食物是人體攝入As的主要來源。食品中主要以魚、蝦、肉、奶等的重金屬As含量較高。As進入人體后由于排泄較慢之故，長時間積聚在人體內(nèi)引起急性和慢性As中毒，進而危害人體健康。其中急性As中毒是指一次性攝入過多含As量較高的食物而引起的病癥，主要表現(xiàn)為惡心、嘔吐、呼吸困難、抽搐、咳嗽或胸痛等；慢性As中毒是指每次攝入含As量較少的食物，進入人體內(nèi)經(jīng)長期超量積累引起的中毒，主要表現(xiàn)為衰弱、食欲不振、便秘或腹瀉等，從而嚴重威脅人體健康。因此，發(fā)展一種快速、準確的重金屬As檢測方法，對于食品安全及人體健康具有重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的重金屬As檢測方法有銀鹽法、砷斑法和硼氫化物還原比色法、氫化物原子熒光光譜法、原子吸收光譜法[2]（atomic absorption spectroscopy，AAS）、高效液相色譜與氫化物發(fā)生原子熒光光度聯(lián)用[3]（high performance liquid chromatography and hydride generation atomic fluorescence spectrometry，HPLC-HGAFS）、高效液相色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用[4]（high performance liquid chromatography and inductively coupled plasma mass spectrometry，HPLC-ICP-MS）和氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用[5]（gas chromatography and mass spectrometry，GC-MS）等和國家標準檢測方法GB/T 5009.11ü2003《食品中總砷及無機砷的測定》[6]，雖然以上方法都具有很高的靈敏度和準確性，但同時存在儀器復雜、操作過程較繁瑣、需專業(yè)人員進行培訓、檢測成本較高、前處理準備時間較長等缺點，從而不適用于食品應急事件中現(xiàn)場實時快速檢測。因此，發(fā)展一種簡便、快速、成本低廉、檢測限低、靈敏度高、適合現(xiàn)場實時檢測的方法，仍然是食品中重金屬As檢測領域一個重要的發(fā)展方向。

生物傳感器是利用分子識別元件和待測物特異性結合產(chǎn)生的生物學信息，通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電、光等物理信號輸出，從而達到對各種分析物進行定性和定量監(jiān)測目的的一種分析裝置[7]。生物傳感器因具有檢測專一、快速、靈敏、簡易等特點，被食品檢測部門廣泛應用于大規(guī)模的快速檢測中。生物傳感器的特點：1）操作方便，一般不需要進行樣品的預處理，測定時一般不需另加其他試劑；2）體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)在線檢測；3）樣品用量少、響應快，可反復使用；4）成本低廉，便于推廣普及；5）更好的檢測限；6）特異性強、靈敏度高；7）高度自動化、微型化與集成化等。生物傳感器技術由于具有以上優(yōu)勢，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展，而被廣泛應用于食品安全檢測領域[8]。但就國際期刊發(fā)表的數(shù)量來看，有關生物傳感器技術對食品中重金屬As檢測的文獻是少量的，使用PubMed引擎搜索關鍵詞“生物傳感器”數(shù)據(jù)庫顯示75 篇出版物，其中只有20 篇是As生物傳感器。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了一些涉及生物工程和電化學技術相耦合的As生物傳感器。目前，生物傳感器技術中常見的分子識別元件為抗體，抗體由于具有高親和性、高特異性，因而被廣泛應用于生物傳感器的研發(fā)。但是，抗體存在一些自身的局限性，如針對某種目標物，抗體需要一系列繁瑣復雜的體內(nèi)篩選過程、實驗周期長、成本高、易變性、對檢測環(huán)境要求較高等[9]，從而限制了抗體生物傳感器的發(fā)展。因此，需要研發(fā)一種新的分子識別元件，使其不僅具有抗體優(yōu)點，同時又能克服抗體存在的缺點，進而應用于食品中重金屬As的現(xiàn)場實時快速檢測。近年來，隨著新理論、新技術的不斷發(fā)展，生物傳感器技術也在不斷地發(fā)展與自我完善，其中以大腸桿菌、DNA、蛋白質(zhì)和核酸適配體為基礎的As生物傳感器的研究工作取得了巨大的進步，與傳統(tǒng)檢測技術相比展現(xiàn)了優(yōu)越性的檢測性能，具有廣闊的發(fā)展前景[10]。本文主要以大腸桿菌生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器、DNA生物傳感器和新發(fā)展起來的核酸適配體生物傳感器為例，對生物傳感器技術在食品重金屬As檢測中的最新應用進展作重點綜述，并對生物傳感器技術在食品安全檢測領域中的發(fā)展前景進行了展望。

1 生物傳感器檢測技術

生物傳感器是利用高敏感性材料作為選擇性識別元件與物理化學換能器有機結合的一種新進的檢測設備，對被檢樣品可實現(xiàn)快速、靈敏、精確的檢測。隨著環(huán)境及食品樣品中復雜成分的增多，傳統(tǒng)的檢測技術已無法滿足這種需求，因此出現(xiàn)了食品污染物的快速檢測技術。生物傳感器由于具有簡單、快速、準確等優(yōu)點，且在現(xiàn)場、原位以及遠程應用中具有獨特的優(yōu)勢而引起研究者們的廣泛關注，研發(fā)出具有高敏感性，方便快捷的生物傳感器檢測系統(tǒng)用于檢測食品中的重金屬已成為近幾年的研究熱點。近年來最新生物傳感器技術在傳統(tǒng)生物傳感器技術的基礎上進一步降低檢測限、縮短響應時間，同時還具有靈敏度高、特異性強、操作簡單、制造成本低廉、便于攜帶，并能夠提供連續(xù)實時檢測信號等優(yōu)勢[11]，備受研究者們的關注，并被廣泛研究與推廣中，為食品中重金屬As的現(xiàn)場實時快速檢測提供了發(fā)展方向。下面列舉了近年來生物傳感器技術在重金屬As檢測中的應用，主要以大腸桿菌生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器、DNA生物傳感器和核酸適配體生物傳感器為例，詳解見表1。

表1 生物傳感器技術對重金屬As的檢測Table 1 Characteristics of arsenic biosensor with detection limits and induction period/response time

2 生物傳感器技術在食品重金屬As檢測中的應用

目前，隨著科學技術的發(fā)展，生物傳感器技術也在不斷地自我完善與發(fā)展，并成功實現(xiàn)了對重金屬As的快速檢測。生物傳感器作為先進技術的代表，以其具有的獨特優(yōu)勢，在食品安全領域展現(xiàn)了良好的應用前景。下面主要以大腸桿菌生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器、DNA生物傳感器和核酸適配子生物傳感器為例，針對它們在食品中重金屬As檢測的最新應用研究進展做如下綜述（表1）。

2.1 大腸桿菌生物傳感器技術

大腸桿菌是原核生物，由于其構造相對簡單、遺傳背景清楚、易培養(yǎng)等，常作為外源基因表達的宿主，備受研究者們的關注。目前，已經(jīng)針對重金屬As研發(fā)出了一些新的大腸桿菌生物傳感器，并在食品安全領域展現(xiàn)了良好的應用前景。大腸桿菌作為一種選擇生物活性高、適應性強、生活條件要求較低的敏感元件可以提高生物傳感器的工作壽命。大腸桿菌生物傳感器的作用機理是將外源基因?qū)胭|(zhì)粒中，再將質(zhì)粒整合到大腸桿菌基因，這樣，大腸桿菌就能夠表達基因重組后的蛋白等。選擇大腸桿菌作為傳感器的生物敏感元件的一個重要因素是大腸桿菌生存能力極強，能夠在較為惡劣的環(huán)境下生存，這對于提高傳感器的使用壽命及穩(wěn)定性極為重要。從而為解決生物傳感器的壽命問題提供了新思路。Hou Qihui等[12]以熒光素酶基因為基礎的大腸桿菌重組表達載體pUC18-luc為材料，人工合成arsRp基因全部序列，替換掉熒光素酶重組表達載體pUC18中的T7啟動子和lac操縱子片段，構建含As3+特異性誘導啟動子表達載體pUC18-luc，再將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化入大腸桿菌中，研究其在砷離子誘導時熒光素酶基因的表達情況，進而研究不同的長期施肥制度對土壤中的As生物利用度的影響，得出的結論是研發(fā)的生物傳感器在評估As在土壤中的生物利用度方面，比化學提取方法更有效。此大腸桿菌生物傳感器展現(xiàn)了良好的檢測性能，響應時間為120 min，檢測限為3.75 μg/L。Cortés等[13]基于生物工程和電化學方法相耦合，輸入生物芯片從而構建出重組細菌生物傳感器，最終實現(xiàn)對As的檢測。該技術是利用大腸桿菌針對有毒As物質(zhì)的耐藥機制，耦合細胞內(nèi)的As識別產(chǎn)生電化學信號。重金屬As對電化學生物芯片顯示出高靈敏度和選擇性，響應時間為253.8 min，檢測限為0.8 μg/L。Buffi等[14]利用大腸桿菌的一個非致病性實驗室菌株作為生物傳感器的信號元件，其中As和砷酸鹽接觸后產(chǎn)生變體的綠色熒光蛋白。大腸桿菌生物識別細胞封裝在瓊脂糖株里，并納入微流體裝置。它們被500 μmh500 μm網(wǎng)箱捕獲并暴露于含As水樣中。細胞-珠在－20 ℃條件下冷凍于微流體芯片中，仍保留長達一個月的誘導能力，進而構建成一個完整的小型化細菌微流體生物傳感器裝置。此生物傳感器展現(xiàn)了良好的檢測性能，響應時間為199.8 min，檢測限為10 μg/L。Truffer等[15]提出了一個采用大腸桿菌生物識別細胞的小型便攜式生物傳感器來測量水溶液中的As3+。在一個線性依賴方式中，大腸桿菌表達綠色熒光蛋白作為測定As濃度的一個函數(shù)（0 μg/L和100 μg/L）。該器件可容納一個小的聚二甲基硅氧烷微流控芯片、瓊脂糖封裝的細菌及一個完整自動定量熒光測量的光學照明/收集/檢測系統(tǒng)。該裝置能夠自主地進行水采樣，控制整個測量，在全球移動系統(tǒng)（global system for mobile，GSM）網(wǎng)絡上存儲和傳送數(shù)據(jù)。該方法具有良好的檢測性能，響應時間為72 min，檢測限為10 μg/L。

2.2 蛋白質(zhì)生物傳感器技術

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，是生命體的必要組成成分。近年來，蛋白質(zhì)生物傳感器在食品安全領域中備受研究者們的關注，并被認為是一種重要的重金屬檢測工具。目前，已經(jīng)針對重金屬As研發(fā)出了一些最新的蛋白質(zhì)生物傳感器并取得了一定的進展。蛋白質(zhì)生物傳感器的作用機理是以發(fā)生電化學反應的蛋白質(zhì)作為敏感元件，將蛋白質(zhì)分子直接固定在電極表面，使蛋白質(zhì)的氧化還原活性中心與電極直接交流，能夠更快地進行電子傳遞，從而實現(xiàn)對被檢樣品的快速檢測。Sarkar等[16]提出了通過L-半胱氨酸的氧化而建立的快速電化學傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)對砷酸的檢測。該研究中包括絲網(wǎng)印刷電極和具有3 個不同感測系統(tǒng)的標準電極。L-半胱氨酸的檢測器元件被固定在丙烯酰胺原位聚合的傳感器的工作電極上，通過循環(huán)伏安法和安培法進行L-半胱氨酸的電催化氧化。該傳感器顯示了良好的檢測性能，響應時間為5 min，檢測限為1.2 μg/L。Sanllorente等[17]利用金屬可對乙酰膽堿酯酶的酶活性產(chǎn)生抑制作用的機理，開發(fā)了酶促安培程序用于測量重金屬As。絲網(wǎng)印刷碳電極與乙酰膽堿酯酶直接共價并鍵合到其表面上。當As離子存在時，乙酰膽堿酯酶的安培響應受到影響，導致電流強度降低。最終確定了實驗中pH值、底物濃度及電勢的最佳工作條件。在最佳工作條件下，生物傳感器可重復性和重現(xiàn)性地對As進行測定。此生物傳感器的響應時間為70 min，檢測限為0.825 μg/L。Sanllorente等[18]基于酸性磷酸酶活性的抑制作用，研發(fā)出酶促安培過程用于直接測量As5+。絲網(wǎng)印刷碳電極被用作支持酸性磷酸酶的交聯(lián)固定化。在砷的測定中，2-磷酸-L-抗壞血酸被用作新穎襯底，當As5+離子存在時，安培響應下降。通過實驗設計方法確定最佳工作條件，該方法被成功應用于地下水樣品中As5+含量的測定，響應時間為70 min，檢測限為0.825 μg/L。Fuku等[19]基于細胞色素c開發(fā)了一個電化學生物傳感器進行As的檢測。細胞色素c是線粒體中電子傳遞鏈的一個重要組成部分，對所有有毒化合物非常敏感，也被用作生物識別元件。細胞色素c被固定在摻硼金剛石電極上構造電化學生物傳感器。用方波伏安法（square wave voltammetry，SWV）和電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）研究細胞色素c與As和氰化物的相互作用并計算出靈敏度。該生物傳感器制備方式簡單且快速，但其檢測限卻很高，檢測限為692 μg/L，響應時間為0.5 min。

2.3 DNA生物傳感器技術

DNA是遺傳信息的載體，是基因表達的物質(zhì)基礎。DNA生物傳感器是最近幾年新型生物傳感器的代表之一，以其優(yōu)異的檢測性能成功實現(xiàn)對重金屬砷的快速檢測，并展現(xiàn)了良好的應用前景。DNA生物傳感器的作用機理是以DNA為敏感元件，采用電化學的方法將DNA特異性識別過程中產(chǎn)生的信號通過換能器轉(zhuǎn)化為可測的電信號，從而實現(xiàn)對被檢樣品的定性或定量檢測。Ozsoz等[20]研究了小牛胸腺DNA和17-mer的寡核苷酸，作為鳥嘌呤氧化信號進行As3+電化學檢測的生物組分。這項研究的特別之處是調(diào)查了As3+對dsDNA，ssDNA和17-mer的寡核苷酸的作用效果。碳糊或鉛筆石墨工作電極被用于差分脈沖伏安法（differential pulse voltammetry，DPV）和電位溶出分析。該傳感器檢測限為385 μg/L，響應時間為2 min。Ferancová等[21]用DNA和DNA-碳納米管薄膜固定在絲網(wǎng)印刷碳電極表面上而構建的生物傳感器，用于簡單的重金屬As體外實驗。該傳感器存在許多缺陷，檢出限非常高，電極再生能力低且作用效果不好，特異性差等，其檢測限為77 000 μg/L，響應時間為10 min。Liu Yaxiong等[22]利用碳納米管高電導率的優(yōu)點構建電化學生物傳感器?；趯?層組裝的DNA官能化的單壁碳納米管的雜交，開發(fā)出近生理pH值環(huán)境下的DNA生物傳感器用于As3+的檢測。此生物傳感器證明了As3+和As在DNA功能化單壁碳納米管修飾玻碳電極直接氧化的概念。此生物傳感器具有廣泛的pH值檢測范圍（3.0～8.0），檢測限為0.05 μg/L，響應時間為3 min。Solanki等[23]在雙鏈小牛胸腺脫氧核糖核酸（double-stranded calf thymus DNA，DSCT-DNA）表面等離子體共振構建的生物傳感器的基礎上，利用自組裝單層（self assembled monolayers，SAM）和表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）技術，提高了檢測性能并實現(xiàn)了對As3+的檢測。SAM使用薄膜形成生物分子檢測平臺，跟傳統(tǒng)研究中使用厚膜方法相比，提高了聚合物基質(zhì)中的電流流動速度。這項研究首次提出DSCT-DNA與As2O3之間可能存在相互作用。盡管這項研究在最短的響應時間，實現(xiàn)了非常低的檢出限（其檢測限為0.5 μg/L，響應時間為10 min），但其存在兩個主要缺陷：首先，難以制作大批量如此復雜的dsCTDNA/小牛雙鏈胸腺脫氧核糖核酸（merceptoethanol，MCE）/Au生物電極；其次，此生物傳感器對As3+不敏感。

2.4 核酸適配體生物傳感器技術

近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，核酸適配體作為一個新類別的生物識別元件已被研究者們廣泛關注。核酸適配體是新近發(fā)展起來的一類由指數(shù)富集配基系統(tǒng)進化技術（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）體外篩選產(chǎn)生的單鏈DNA或RNA片段[24-25]，能特異性地結合小分子、蛋白質(zhì)、多肽、有機物、金屬離子等各種配體[26]，已被廣泛應用于多種生物傳感器檢測平臺，在醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測、生化分析，食品檢測中展示出了良好的應用前景。其中核酸適配體作為新類別的分子識別元件在以下幾方面又優(yōu)于抗體：1）靶分子廣；2）穩(wěn)定性好，可重復使用；3）無免疫原性；4）體外化學合成；5）易修飾等。由于核酸適配體擁有抗體無法比擬的優(yōu)勢，因此利用核酸適配體設計生物傳感器對食品中重金屬As進行識別和檢測，具有極其重要的意義[27-28]。目前，已經(jīng)針對重金屬As篩選出了相應的核酸適配體，但以核酸適配體生物傳感器檢測砷的文獻是罕見的。Kim等[29]通過SELEX技術經(jīng)體外10 輪篩選，最終篩選出一種具有高親和力的三號砷（arsenic-3，ARS-3）核酸適配體，通過SPR定量分析揭示了ARS-3適體對砷酸鹽和亞砷酸鹽溶液中As3+和As5+具有最高的親和力，解離常數(shù)分別可達7 nmol/L和5 nmol/L。通過實驗證明ARS-3核酸適配體具較高的親和力，可直接用于As離子的檢測，檢出限為28.1～739.2 μg/L，檢測時間5 min。Wu Yuangen等[30]利用As3+與As核酸適配體相互作用，形成As3+-核酸適配體復合物，帶正電荷的陽離子被釋放可以聚合金納米顆粒，并導致明顯的顏色變化，顏色由酒紅色變?yōu)樗{色。從而利用比色法檢測As3+，此方法具有較高的特異性，檢測限為5.30 μg/L。Wu Yuangen[31]等通過砷核酸適配體與目標靶和陽離子表面活性劑CTAB之間的特殊相互作用，聚集金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs）建立以比色和共振散射（resonance scattering，RS）為基礎的生物傳感器，超靈敏檢測水溶液中的As3+。此傳感器對肉眼的檢測限為40 μg/L，比色測定檢測限為0.60 μg/L和RS測定檢測限為0.77 μg/L。Wu Yuangen等[32]利用As3+能誘導砷核酸適配體與CV形成復合物金納米顆粒大小的不同，開發(fā)了一種基于共振瑞利散射（resonance rayleigh scattering，RRS）光譜法測定As3+的具有高靈敏度和選擇性的核酸適配體生物傳感器。此生物傳感器的動態(tài)范圍為0.10～200 μg/L之間，檢測限低至0.20 μg/L。Wu Yuangen等[33]利用砷核酸適配體在其基板上能暫時抑制較高濃度氯化血紅素的催化活性，3,5,3’,5’-四甲基聯(lián)苯胺（tetramethyl benzidine，TMB）能產(chǎn)生藍色的陽離子自由基。當As3+存在時，由于砷核酸適配體與As3+形成配合物，TMB分子充分地被氧化成黃色二胺產(chǎn)物，并導致吸光度在442 nm波長處顯著增加，從而實現(xiàn)利用比色法檢測As3+。此方法具有較高的選擇性，檢測限為6.00 μg/L。目前，相對較新的核酸適配體技術已經(jīng)成功用于生物傳感器檢測平臺，實踐證明核酸適配體生物傳感器是一種可行的重金屬檢測的替代方案，具有廣闊的發(fā)展前景。特別是核酸適配體-靶向技術的出現(xiàn)，加快了核酸適配體生物傳感器的飛速發(fā)展[34-35]。

3 結 語

食品安全問題是重大的民生問題。近年來，我國食品中As超標事件頻發(fā)，嚴重威脅著我國人民的身體健康與生命安全，其中包括癌癥、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)等相關疾病，引起人們對As危害性的高度重視。目前，在食品安全領域中，已經(jīng)針對重金屬As開發(fā)了多種As生物傳感器，但因重金屬As離子小、免疫原性相對較低、獲得針對重金屬As離子的特異性抗體難度較大等原因，因此對重金屬As離子的免疫檢測技術發(fā)展相對緩慢，從而限制了免疫傳感器的發(fā)展。而大腸桿菌生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器、DNA生物傳感器和核酸適配體生物傳感器克服了這一缺陷，并成功地應用于食品重金屬As的快速檢測。相比較而言，近幾年新發(fā)展起來的核酸適配體生物傳感器展現(xiàn)出了靈敏度高、選擇性好、響應時間快、檢測限較低，穩(wěn)定性好和適用范圍廣等一系列優(yōu)良檢測性能。

近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，生物傳感器技術也得到了飛速發(fā)展，并在實際樣品的檢測中展現(xiàn)了良好的檢測效果。大腸桿菌生物傳感器、蛋白質(zhì)生物傳感器、DNA生物傳感器和核酸適配體生物傳感器均在重金屬As快速檢測領域展現(xiàn)了良好的應用前景。但是這些生物傳感器技術在食品重金屬As檢測中的應用還存在一定的問題，如大腸桿菌生物傳感器存在“保質(zhì)期”問題，大腸桿菌生物傳感器是環(huán)境敏感型生物傳感器，易受溫度、pH值以及環(huán)境的影響，保存條件還需進一步完善；蛋白質(zhì)生物傳感器和DNA生物傳感器在發(fā)生電化學反應之后均存在穩(wěn)定性差、響應時間較長、檢測限較高等缺點；核酸適配體生物傳感器存在核酸適配體篩選過程比較繁瑣、沒有針對任何靶標的統(tǒng)一標準SELEX篩選程序、核酸適配體的穩(wěn)定性還需進一步加強等，這些問題仍在某種程度上阻礙生物傳感器技術在食品重金屬As快速檢測中的應用與發(fā)展。筆者認為，未來的發(fā)展應致力于優(yōu)化生物傳感器技術的檢測性能，即優(yōu)化它們的檢測限、響應時間和特異性。因此，還應在以下幾點做進一步深入研究：1）深入研究識別分子與靶分子之間的作用機理，保證生物傳感器在復雜環(huán)境下的選擇性和靈敏度；2）提高生物傳感器的穩(wěn)定性與保質(zhì)期，使其能在長時間保存后仍具有良好的檢測性能；3）致力于研發(fā)快速化、微型化、自動化的新型生物傳感器；4）為實現(xiàn)現(xiàn)場實時快速檢測的需求，努力研發(fā)出更加經(jīng)濟、快速、便捷的新型生物傳感器以滿足市場及廣大消費者們的需要；5）不斷研究新方法與新技術擴大生物傳感器技術的應用領域。相信隨著分析方法及檢測手段的進一步發(fā)展，在不久的將來，生物傳感器技術必將會給人們的生活帶來巨大的變化，必將在市場上大放異彩，必將在食品安全檢測領域發(fā)揮越來越重要的作用。

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Advances in the Application of Biosensor Technology for the Detection of Heavy Metal Arsenic in Foods

SUI Jiachen1, YU Hansong1,*, DAI Jiayu1, SONG Zhanyun2，*, WANG Xianghui1, ZHANG Jian1
(1. College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2. Jilin Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Changchun 130062, China)

In recent years, the events of arsenic contamination in foods arose frequently in China, which seriously threaten human health and life safety and have gained high attention due to the harmfulness of arsenic. Although the traditional analytical techniques enable detection of arsenic at low concentrations in foods, they have many shortcomings such as expensive instruments, sophisticated sample pretreatment, high cost and professional operation. Thus, there is still the necessity of developing a low-cost， simple and quick， accurate and efficient method for the detection of arsenic in foods. Due to its characteristics such as simple operation, low detection cost, good selectivity, high sensitivity, rapid analysis and continuous monitoring on-line in a complex system， biosensor technology is a new technology with long-term significance in the field of food safety， and it is very suitable for rapid detection of arsenic contamination in food safety incident emergency handling. In this article, the working mechanisms of biosensors based on E. coli, protein, DNA and aptamer as well as the latest progress in their application for the detection of arsenic in foods are reviewed. Moreover, future applications of biosensor technology in the field of food safety are also discussed.

arsenic; food safety; biosensor; detection

10.7506/spkx1002-6630-201607042

TS207.3

A

1002-6630（2016）07-0233-06

隋佳辰, 于寒松, 代佳宇, 等. 生物傳感器檢測食品中重金屬砷的研究進展[J]. 食品科學, 2016, 37(7): 233-238. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201607042. http://www.spkx.net.cn

SUI Jiachen, YU Hansong, DAI Jiayu, et al. Advances in the application of biosensor technology for the detection of heavy metal arsenic in foods[J]. Food Science, 2016, 37(7): 233-238. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201607042. http://www.spkx.net.cn

2015-08-24

國家自然科學基金青年科學基金項目（31001065）

隋佳辰（1987—），男，碩士研究生，主要從事核酸適配體研究。E-mail：190212449@qq.com

*通信作者：于寒松（1979—），男，教授，博士，主要從事豆制品加工研究。E-mail：yuhansong@jluhp.edu.cn宋戰(zhàn)昀（1976—），男，獸醫(yī)師，博士，主要從事核酸適配體研究。E-mail：zhanyun-song@163.com