張 冉，李兆周*，石婧怡，劉艷艷，杜賀團

（1.河南科技大學 食品與生物工程學院，河南洛陽 471000；2.河南省食品綠色加工與質(zhì)量安全控制國際聯(lián)合實驗室，河南洛陽 471000）

氨基糖苷類抗生素（Aminoglycoside antibiotics，AGs）通過與原核生物的核糖體結合而抑制細菌蛋白質(zhì)的合成，從而實現(xiàn)抑制或殺滅細菌的作用，常作為飼料添加劑和治療藥物被用于畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及養(yǎng)蜂業(yè)[1]。近年來，藥物濫用導致的食品安全問題日益突顯。肉類、牛奶、雞蛋和蜂蜜等動物性食品中存在的AGs 殘留以及相關的耐藥基因對消費者的健康產(chǎn)生嚴重威脅[2]。長期食用含有抗菌藥殘留的食物會引起過敏反應、人體腸道內(nèi)菌群失衡、產(chǎn)生腎毒性和耳毒性等毒副作用。世界上多個國家和國際組織制定了動物性食品中AGs 的最大殘留限量標準。

食品安全檢測是避免藥物殘留危害的必要手段，針對該類藥物殘留檢測的方法主要包括儀器方法、微生物學方法和免疫學方法等。儀器分析方法靈敏度和準確性高，但常需要對靶標進行衍生化處理，樣品處理復雜、成本高、費時費力，對操作人員的要求較高。免疫分析法作為一種常用的篩查分析手段，在現(xiàn)場快速檢測中得到了廣泛應用，預處理簡單、時間短、成本低，但其準確性還需進一步提升[3]。微生物學方法雖然較為經(jīng)典，性價比高，但檢測的靈敏度、特異性和時效性較差?；谏鲜鰴z測與識別原理而發(fā)展起來的電化學傳感器，具有低成本、快速、靈敏和高特異性等優(yōu)點，分析過程簡單且易于操作，設備易于微型化且方便攜帶，能夠現(xiàn)場實時檢測。

電化學傳感器基于識別元件和靶標物質(zhì)之間的特異性結合作用，將檢測信息轉化為有用的電化學信號進行分析。近年來，電化學傳感器因其優(yōu)異的靈敏度、快速的分析效率和易于小型化等優(yōu)點，在藥物殘留檢測方面顯示出廣闊的應用前景[4]。其中，抗體作為這類傳感器的重要元件，常用來特異性識別待測物。但生物性抗體對環(huán)境條件要求很高且制備成本高，而分子印跡聚合物（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）和核酸適配體（Aptamer，Apt）作為仿生抗體具有高親和力、特異性、穩(wěn)定性和可靠性，其作為抗體替代物已受到了廣泛關注。

1 基于抗體的電化學傳感器

抗體能特異性地與抗原結合，在電化學傳感器中常作為識別元件用于食品安全檢測。與單克隆或多克隆抗體相比，通過基因工程技術制備的重組抗體具有成本更低、耗時更短和親和力更高的特性。LIU等[5]開發(fā)了一種簡單、靈敏的電化學免疫分析方法用于檢測食品中鏈霉素（Streptomycin，STR）殘留。在該方法中，以納米金粒子修飾的介孔二氧化硅作為增敏材料，H2O2作為顯色底物，固相包被的STR抗體作為識別元件，通過直接競爭，實現(xiàn)蜂蜜、牛奶、雞肉和腎臟樣品中STR 的痕量檢測，該方法的檢測限為5 pg·mL-1，線性范圍為0.05 ～50.00 ng·mL-1?？贵w優(yōu)異的特異性識別性能有助于實現(xiàn)高效傳感分析，但生物源性抗體對環(huán)境條件耐受性差，易受溫度、pH 值及環(huán)境條件等因素的影響而導致其生物活性降低，研發(fā)高特異性和高穩(wěn)定性的仿生識別元件已成為該領域的熱點。

2 基于適配體的電化學傳感器

Apt 是通過指數(shù)富集配體進化迭代過程而得到的特異化核酸短序列。與抗體等其他識別元件相比，Apt 具有成本低、容易合成、穩(wěn)定性好和易于修飾等優(yōu)點，在電化學傳感器的構建中應用廣泛。基于Apt的電化學傳感器以特異性核酸序列為特異性識別元件，通過信號感應元件將識別作用轉變?yōu)楣夂碗姷瓤梢暤男盘枺瑢崿F(xiàn)對靶標的高效檢測。

近年來，基于STR 殘留檢測的適配體傳感器已取得顯著進展。YIN 等[6]構建了一種基于金納米顆粒功能化的磁性多壁碳納米管（Au@MWCNTs-Fe3O4）和納米多孔PtTi（Nanoporous PtTi，NP-PtTi）合金的電化學適配體傳感器，用于檢測STR。通過Au@MWCNTs-Fe3O4復合材料對電極表面進行修飾，在其表面沉積NP-PtTi，并將STR 適配體固定在NP-PtTi/Au@MWCNTs-Fe3O4/GCE 上。所制備的Au@MWCNTs-Fe3O4/NP-PtTi 復合物不僅具有顯著的增敏效果，還可以有效提高STR 適配體的載量，增強識別性能。在最優(yōu)條件下，該傳感器的檢測限為7.8 pg·mL-1，線性范圍為0.05 ～100.00 ng·mL-1，加標回收率為97.3%～105.2%。該方法雖能高效檢測STR，但傳感界面的構建較為復雜，影響因素較多。為更好地檢測食品中痕量STR 殘留，ROUSHANI等[7]將介孔氧化硅薄膜（Mesoporous Silica Films，MSFs）滴涂在金電極表面，并在MSFs 表面修飾銀納米粒子，構建了超靈敏的STR 電化學適配體傳感器。當傳感器的識別元件與STR 特異性結合后，可以抑制[Fe(CN)6]3-/4-在電極表面進行電荷轉移，降低響應電流信號。在最佳條件下，該傳感器的檢測范圍是1 fg·mL-1～6.2 ng·mL-1，檢出限為0.33 fg·mL-1。為進一步提高傳感界面的比表面積、生物相容性、電化學特性和理化穩(wěn)定性，PENG 等[8]提出了一種基于Ti3C2和金屬有機框架納米材料的新型電化學適配體傳感器，用于快速檢測牛奶樣品中的STR。新型納米復合材料的應用有效提高了傳感器的檢測性能，在最佳條件下，該傳感器的線性范圍為0.01 ～200.00 nmol·L-1，檢測限為0.003 3 nmol·L-1。

基于適配體的電化學傳感器在其他AGs 殘留分析中也進行了相關研究，NONG 等[9]開發(fā)了一種基于適配體的新型妥布霉素電化學傳感器，利用亞甲基藍（Mthylene Blue，MB）產(chǎn)生電化學響應信號，構建了基于金納米粒子/聚苯胺/二氧化鈦納米管復合材料修飾的工作電極，顯著提高了電極表面的電子傳遞速率。在0.5 ～70.0 μmol·L-1，MB 電流信號與妥布霉素濃度呈良好線性關系，檢出限為0.326 μmol·L-1。該方法雖然實現(xiàn)了樣品中妥布霉素的電化學實時分析，但相關分析方法學參數(shù)還有待提高。

在適配體傳感器中引入納米復合材料用于信號放大，顯著改善了電化學性能，提高了檢測靈敏度和穩(wěn)健性，縮短了檢測時間，拓寬了應用前景。但目前適配體的篩選過程仍相對復雜，增敏納米材料的大規(guī)模制備及應用還有一定困難。未來應進一步提高識別和增敏元件性能，推動適配體傳感分析理論與實際應用的進一步發(fā)展。

3 基于仿生印跡的電化學傳感器

仿生印跡是基于仿生學原理，在聚合物基質(zhì)中人工構建識別位點的新技術。采用該技術研制的MIPs 具有結構預定性、識別特異性、高度穩(wěn)定性、廣泛適用性和制備便捷性等優(yōu)點。目前已成功應用于分離、純化、催化和電化學傳感等領域。仿生印跡電化學傳感器是一種結合了特異性印跡識別和電化學快速檢測的傳感器，MIPs 作為識別元件具有高特異性、高靈敏度和長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，在構建生物傳感器方面具有廣泛的應用前景。

基于不同仿生印跡識別元件和增敏材料的電化學傳感器均有所報道，QUE 等[10]提出了以苯胺和鄰苯二胺為雙功能單體，在金電極表面共聚制備MIPs，通過直接競爭模式進行特異性識別，采用葡萄糖氧化酶作為標記物，實現(xiàn)電化學信號的放大與增敏。所研制的傳感器可用于牛奶和蜂蜜中STR 的檢測，線性檢測范圍為0.01 ～10.00 mg·mL-1，檢出限為7.0 pg·mL-1。該方法雖能實現(xiàn)對靶標的高效分析，但標記酶對環(huán)境條件耐受性差，檢測方法的穩(wěn)健性能仍有待提升。LONG 等[11]研究了一種基于磁性多壁碳納米管的新型磁印跡電化學傳感器，可用于復雜基質(zhì)中卡那霉素（Kanamycin，KAN）的高效分析。多壁碳納米管修飾的Fe3O4納米顆粒具有較大的比表面積和良好的導電性。在其基礎上制備磁性MIPs，大幅提高了傳感器特異性和靈敏度，所得檢出限為2.3×10-11mol·L-1。該方法將磁性檢測技術與納米材料相結合，實現(xiàn)了高性能印跡與識別。為進一步提高檢測靈敏度，降低電化學分析的背景干擾，有研究創(chuàng)新了傳感信號種類，基于光電信號構建傳感器，取得了較好進展。LU 等[12]基于ZnO/ZnS/Ag2S 陽極和摻雜鐵的CuBi2O4陰極光電材料，構建了一種自供電的分子印跡光電化學傳感器，用于STR 的快速靈敏檢測。該傳感器提高了抗干擾能力和靈敏度，具有更寬的檢測范圍（0.01 nmol·L-1～10 mmol·L-1）、更低的檢測限（0.005 3 nmol·L-1）和更好穩(wěn)定性，大幅降低了樣品的基質(zhì)干擾，提高了分析方法的性能。

仿生印跡的電化學傳感器雖然具有突出優(yōu)點，但識別的特異性和親和力還有待進一步提高，相關的識別機理還需要深入分析和研究，未來應繼續(xù)深入研究基于仿生印跡技術的新型識別元件和增敏材料，進一步提高印跡識別性能，推動該領域迭代升級。

4 雙識別電化學傳感器

單一識別模式的電化學傳感器雖能進行痕量殘留物靶向分析，但特異性和抗干擾能力仍需提高。研制具有雙重識別作用的電化學傳感器，特別是將仿生印跡材料與核酸適配體相結合，已成為該領域發(fā)展的新趨勢。在識別元件的構建過程中，將Apt作為功能單體引入MIPs 的制備，構建具有雙重識別能力的識別元件MIP-Apt，可以大幅提高與目標分析物結合的特異性和親和力。此外，MIP-Apt 中的聚合物基質(zhì)可以阻止核酸酶降解適配體鏈，提高了Apt 穩(wěn)定性。仿生印跡與適配體識別技術的結合，開辟了一個構建高性能識別元件的有效途徑，在藥物與食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物分析等領域有廣闊的發(fā)展空間。BI 等[13]提出了一種用于檢測KAN 的高特異性和高靈敏度電化學傳感檢測方法。采用殼聚糖-石墨烯復合膜和金納米粒子修飾玻碳電極，在修飾電極表面進行印跡膜的電聚合。然后將二茂鐵-β-環(huán)糊精和KAN 適配體修飾在Au@Fe3O4復合材料上作為電化學感應信號分子。KAN-Apt 作為識別元件，特異性識別復雜基質(zhì)中的痕量KAN 殘留。新型生物識別元件的構建顯著提高了傳感器的親和力和特異性，在最優(yōu)條件下，該傳感器的線性范圍為10 ～500 nmol·L-1，檢測限為1.87 nmol·L-1。

雙識別電化學傳感檢測方法有效提升了仿生印跡識別的特異性和生物識別的穩(wěn)定性，拓展了分子識別理論內(nèi)涵和應用場景。但該方法需同時研制兩種識別體系，工作量較大，且兩種識別體系間的協(xié)同增效作用仍需深入研究和優(yōu)化。

5 展望

開發(fā)高效、經(jīng)濟和靈敏的AGs 殘留檢測技術對動物源性食品安全和人體健康具有重要意義。電化學傳感器因其具有靈敏度高、響應快、操作簡單、低成本以及便于攜帶等優(yōu)勢，在食品安全領域得到了廣泛應用。新型生物識別元件和增敏材料的研發(fā)已成為電化學傳感檢測技術發(fā)展的新趨勢，未來電化學傳感器將朝著便攜化、高通量、高靈敏和多殘留快速檢測的方向進一步發(fā)展。