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生物传感器在生物毒素检测中的应用进展

文档作者：许艳丽鲍蕾静平吕宁吴振兴石媛螈孙静克梁成珠文档来源：山东出入境检验检疫局检验检疫技术中心		点击数：	更新时间： 2025年07月08日
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上一篇：生物技术在食品检验中的应用分析

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第3卷第5期
2012年10月
食品安全质量检测学报
Journal of Food Safety and Quality
Vbl．3 NO．5
0ct．．2012
生物传感器在生物毒素检测中的应用进展
许艳丽+，鲍蕾+，静平，吕宁，吴振兴，石媛螈，孙静克，梁成珠
(山东出入境检验检疫局检验检疫技术中心，青岛266001)
摘要：生物传感器技术是一种全新的微量分析技术，通过生物传感器进行检测可以实现高通量、高精确度、
快速筛查及定量分析等目标，本文介绍了生物传感器的原理、分类及其在真菌毒素、细菌毒素检测中的应用现
状，并讨论了所存在的问题和未来的发展展望。
关键词：生物传感器；生物毒素；应用
Research and application of biosensor on detection of biotoxin
XU Yan—Li+，BAO Lei+，JING Ping，LV Ning，WU Zhen—Xing，SHI Yuan—Yuan，
SUN Jing—Ke，LIANG Cheng—Zhu
(Technical Center ofInspection and Quarantine，Shandong Entry—Exit Inspection and Quarantine Bureau，
Qingdao 26600 1，China)
ABSTRACT：Biosensor technique is a flew microanalysis method．Detection by biosensor could reach a high
throughout，more accurate，faster screening，and quantitative analysis result．This paper reviewed the basic
principles of biosensor technique，classification and its application in bacteria and fungus toxins detection．
KEY WORDS：biosensor；biotoxin；application
生物毒素(biotoxin)是生物机体分泌代谢或半生
物合成产生的、不可自复制的有毒化学物质，也称为
天然毒素。已知化学结构的生物毒素有数千种，依据
来源可以把生物毒素分为微生物毒素、植物毒素和动
物毒素[1】。微生物毒素是微生物在生长繁殖过程中产
生的一种次级代谢产物。植物毒素按其致毒成分分为
酚类化合物、生氰化合物、生物碱、萜类化合物以及
酶、多肽和蛋白质等。动物毒素的主要成分是多聚肽、
酶和胺类等。随着目前对生物毒素研究的深人，人们
越来越认识到它对于化学生态学、化学生物以及医
学、药学等诸多生命科学领域的研究有着十分重要的
意义[2．4】。
生物传感器(biosensor)是将生物技术和电子技术
相结合，以生物物质作为识别元件，将生物反应转变
成可定量的物理、化学信号，从而能够进行生命物质
和化学物质检测和监控的装置‘5巧]。
本文重点介绍生物传感器技术在真菌毒素和细
菌毒素检测中的应用。
1生物传感器的分类
生物传感器按照分子识别元件的不同可分为：
酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、组织传感器
等‘5‘91。无论何种生物传感器都会有以下共同的结构‘7矗]：
包括一种或数种相关生物识别元件及能把生物活性
表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，二
者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进
行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传
感器分析装置、仪器和系统。生物识别元件可能是一
基金项目：国家质检总局科技计划项目(2009IKl67)
+通讯作者：许艳丽，硕士，中级工程师，研究方向：生物毒素研究与检测。E-mail：evillivel 124@163 com
鲍蕾，博士，研究员，研究方向：食品安全检测。E-mail：baoleiqd@yahoo．com．cn
万方数据
第5期许艳丽，等：生物传感器在生物毒素检测中的应用进展433
种抗体、抗原、微生物、细胞、有机体、酶、生物膜、
组织或核酸等。信号转换器是一种或多种电化学的、
光学的、压电的、热敏的、磁性的技术组合。因此生
物传感器也可以根据信号转换器件的种类进行分类。
2 生物传感器在真菌毒素检测中的应用
真菌毒素(Mycotoxin)--词源于希腊语“Mykes”
和拉丁语“Toxicum”，它是由产毒真菌在适宜的环境
条件下产生的有毒代谢产物。按其主要产毒菌种可分
为曲霉菌毒素(如黄曲霉毒素、棕曲霉毒素等)、青霉
菌毒素(如展青霉素、桔青霉素等)，镰刀菌毒素(如脱
氧雪腐镰刀菌烯醇、玉米赤霉烯酮等)及其他(如孢子
毒等)几大类。粮食和饲料的真菌毒素污染主要与这
类霉菌有关，所以在粮食卫生学和饲料卫生学领域，
人们通常将真菌毒素称为霉菌毒素[9]。真菌毒素的概
念比较广泛，根据天然存在的情况可以分成几大类，
其中许多实际上是作为有毒的化学物质而引起人类
和动物疾病的产生。
真菌毒素分子结构上没有可供化学方法直接分
析的基团，但是大多数毒素本身具有与其他大分子
蛋白质结合的能力，从而赋予其抗原性，能在体内产
生相应的抗体。以抗体抗原特异性结合为基础，各种
免疫标记技术的发展，使免疫传感器成为检测真菌
毒素的有效装置。目前用于食品真菌毒素检测的传感
器种类有电阻抗生物传感器、热导率传感器、电化学
传感器、压电免疫传感器和光免疫传感器等[1⋯。
韩鹏飞等[1 0]系统介绍了不同生物免疫传感器快
速检测各种真菌毒素的方法，主要针对各类粮食、食
品等基质中真菌毒素检测的应用做了详细介绍。Radi
等[1”使用电阻抗免疫传感器检测棕曲霉毒素A。其原
理是将棕曲霉素A单克隆抗体利用碳二亚胺固定在
4一羧基单层上，利用循环伏安和电化学阻抗谱进行
观察传感器表面的抗体之间的免疫化学反应情况，
免疫传感器表面的免疫交互作用引起电阻改变，以
此来检测棕曲霉毒素A；检测浓度1～20 ng／mL，方
法的检测限为0．5 ng／mL。Jing Yuan等[1 2]利用表面等
离子(SPR)传感器建立了棕曲霉毒素A的检测方法，
该方法将棕曲霉毒素A通过卵清蛋白fOVA)偶联上
聚乙二醇(PEG)，形成新的棕曲霉毒素A化合物
OTA．PEG—OVA，该化合物分子量变大，在芯片表面
具有更强的抗原性，可以与抗体特异性结合，从而使
芯片表面物质量变化更显著，该方法的检测低限可
以达到0．042 ng／mL。Anees等【l 3J建立了一种纳米锌
氧化物平台完成了对真菌毒素的检测，将纳米锌氧
化物薄膜结合在钢锡氧化玻璃表面，共同固定化兔免
疫球蛋白单克隆抗体和牛血清蛋白，检测棕曲霉毒
素A。
Nagwa等【】4]设计了一种电化学传感器，该传感
器以间接竞争的ELISA法为基础，使用微分脉冲伏
安法测定大麦中的AFBl，检测限可达30 pg／mL，且
具有较高的回收率。Yao等【15J用改良后的多壁碳纳米
管、黄曲霉脱毒酶建立了一种检测杂色曲霉素的电化
学传感器。碳纳米管具有特定的表层，不仅可以起到
固定大量酶分子的作用，增加了固定化酶和基质反
应的面积；还能够促进电子的转移，具有高电导性，
提高传感器响应度。其检测限更低，并且其检测限比
通过薄层层析法和高效液相色谱串联质谱法检测得
到的要低。Massimiliano等【l6J采用将胰蛋白酶偶联到
金属芯片表面，利用黄曲霉毒素B1和G1与胰蛋白
酶能够特异性吸附的性质，将污染黄曲霉毒素的玉
米样品经过甲醇一水溶液提取后，稀释、过滤，将滤液
通过偶联胰蛋白酶的芯片表面，黄曲霉毒素B1和G1
会与胰蛋白酶吸附，使芯片表面分子质量发生变化，
从而引起吸光值的变化，该方法的定量限能够达到
3．10 gg／kg，方法的特异性较好。
Nancy等[1 7]采用多层碳纳米管改良的玻璃碳电
极，将其与连续流动装置相结合后制成的免疫传感
器用于玉米中的玉米赤霉烯酮毒素检测，检测过程
耗时15 min，其检测限和灵敏度都优于ELISA方法：
表面等离子共振技术在生物治疗、制药和生命科学研
究中的应用已经有多年时间，近年在食品分析检测
领域发挥了重要的作用。B族单端孢霉烯族毒素包括
呕吐毒素和T．2毒素等，Julie掣18】将B族单端孢霉烯
族毒素与其对应的抗体偶联到芯片表面，采用涂有
HT．2毒素衍生物和单克隆抗体的传感器芯片的快速
表面等离子体共振检测技术能够对T．2和HT．2毒素
进行复合检测，HT一2抗体表现出与T一2毒素的高度交
叉反应，但与其他常见的单端孢霉烯族毒素未见交
叉反应。基于表面等离子体共振的间接竞争免疫传感
器已经用于呕吐毒素(DON)的检测。Schnerr等[19]利
用酪蛋白可与呕吐毒素特异性结合的特性，将酪蛋
白．呕吐毒素化合物结合在芯片上，此时将含有呕吐
万方数据
434 食品安全质量检测学报第3卷
毒素抗体的溶液通过芯片，呕吐毒素抗体会与芯片表
面的抗原结合，该方法的检测线可以达到2．5 ng／mL。
姚冬生等【20】探索了酶生物传感器三电极系统对
杂色曲霉素的电化学分析。在实验中，应用多壁碳纳
米管作为分子识别元件黄曲霉毒素解毒酶的固定化
基质和传感器的电子传递体构建了Au工作电极，对杂
色曲霉素进行检测，检测下限为8．32×10-2 Ixg／mL，响应
时间10 So伏马霉素可导致马产生白脑软化症(EL EM)、
神经性中毒而呈现意识障碍、失明和运动失调，甚至
造成死亡；对猪产生肺水肿综合症(PPE)，并被怀疑
可诱发人类的食道癌等疾病，从而对畜牧业及人类
的健康构成威胁[9】，Vickis掣211采用表面等离子体振
传感器检测玉米样品中的伏马菌素B，浓度，可达到检
测下限为50 ng／mL，分析时间为10 min；Thamlpson掣22】
用光纤免疫传感器来检测伏马菌素B。，可测得下限为
1 0 ng／mL，响应时间提高到4 min。
3 生物传感器在细菌毒素检测中的应用
细菌毒素是由细菌分泌产生于细胞外或存在于
细胞内的致病性物质，许多疾病都是由细菌毒素引
发的【211，细菌毒素分为内毒素和外毒素。
3．1细菌内毒素
细菌内毒素(Lipop01ysaccharide，又称脂多糖，
LPS)是革兰氏阴性菌(Gram negative bacteria，GNB)
细胞壁外膜表面的，由O型特异链、核心多糖和类脂A
组成的大分子，是国际医学界研究发现的人类健康的
威胁，它是创伤、烧伤、休克及并发症中，引起细胞
因子产生的重要刺激物，其有效的激活成分是脂多
糖，来自革兰氏阴性细菌细胞壁，对热稳定，抗原性差，
不能转化为类毒素，毫克水平即可能引起动物死亡(231。
James等【24]开发出了一种光纤传感器。它是利
用Polymyxin B(PMB)共价结合到光纤传感器的探
头上，在实际检测过程中，将200 IxgtL的TR ITC—
LPS与待测样品一起加入反应池，当含有未标记的
LPS样品与光纤探头接触时，荧光标记的LPS将与
未标记的LPS产生竞争反应，通过检测探头上荧光
标记的荧光强度的变化，而检测出待测样品的含量。
其检出限为10“g／L，检测时间为30 S，这种方法简
单、方便，而且无需标记。
3．2细菌外毒素
细菌外毒素(Bacteria exotoxin)是细菌分泌到胞
外的一种蛋白质，其热稳定性差，抗原性强，能转化
成类毒素，毒性很强，微克水平就能引起动物死亡。
Orgert等[25]使用瞬波光纤传感器，检测肉毒梭菌
毒素A。方法是将肉毒毒素单抗或多抗共价结合在光
纤表面，与肉毒毒素A和荧光素化抗肉毒毒素IgG液
体孵化，瞬波激发光纤表面结合的荧光素标记的抗
体，10 min内检测荧光信号变化，与样品中毒素的含
量成正比，最低可检测至5 ng／mL，需时1 min。Kumar
等[26】报道了荧光素．抗体光纤传感器将抗肉毒毒素B
IgG共价结合到光纤表面的条件，发现待分析样品最
好为150 txL。在这种条件下，待测样品毒素与生物素
化毒素竞争结合抗体，导致FITC．链霉亲和素聚合物
荧光信号的降低，在250 ng固定浓度的生物素化肉
毒毒素B和不超过300 ng待测样品时信号下降呈线
性关系，检测需时5 min，此实验中的抗体包被光纤
不能重复使用。
魏华等[27】利用光纤生物传感器检测葡萄球菌肠
毒素B，该方法利用双抗体夹心法，实验中使用聚苯
乙烯代替石英作为光纤材料，生物分子通过疏水键
直接吸附到聚苯乙烯光纤上，在一定程度上减少了
光纤的个体差异；该方法的检测范围在0．1～100 Ixg／mL，
具有灵敏、快速、便捷的特点。
4生物传感器在生物毒素检测应用中存在
的问题及展望
生物传感器检测生物毒素是一种新兴的检测方
法，使测定过程变得更为简单，而且便于实现自动化，
不仅减少了分析时间，还提高了灵敏度，使生物毒素
的现场检测成为可能。与目前常用的化学分析法、生
物分析法等相比，该方法能准确定量，对样品的纯净
度要求低，这样就能节省前处理时间，同时能降低检
测成本，可有效提高实验室的检测能力；该方法在检
测过程中，多使用的是PBS、HBS或其它的缓冲液，
而不是液相色谱所用的甲醇、乙腈等有机溶剂，这样
能减少有机试剂的使用，降低废液对环境的污染，与
化学分析法相比，具有环保、节约资源等优势。
生物毒素的产生是一个极其复杂的过程，有学
者研究报道【281，像黄曲霉毒素是由黄曲霉菌株在其
生长过程中合成的次级代谢产物，这是由于菌株生
长过程中一些关键的基因表达后才会产生黄曲霉毒
素，并不是所有的黄曲霉菌株均能产生黄曲霉毒素，
万方数据
第5期许艳丽，等：生物传感器在生物毒素检测中的应用进展435
因此，可以考虑监控生物毒索合成过程中一些关键
的、特定的合成中间物，这样可以有效预防和控制毒
素的产生和蔓延。生物传感器技术可以实现，根据特
定的合成中间物选定有特异性的基团，合成能与其
特异性吸附的化合物，可以将合成中间物或者能与
其特异性吸附的化合物偶联的芯片表面，采用直接
或者间接法测定生物毒素合成过程中的中间物的含
量，生物传感器技术为我们以后研究真菌毒素产生
的过程提供了有效的技术支持。
生物传感器技术的应用非常广泛，但也具有一
定的局限性，如本课题研究的采用表面等离子共振
生物传感器检测常见的几种生物毒素，需要将生物
毒素的抗体偶联到芯片表面，由于芯片表面采用的
是氨基偶联方式，因此需要单克隆抗体的纯度较高，
如果没有纯度较高的单抗，所以实验过程中芯片偶
联抗体的时候，其它的抗体及带有氨基的蛋白也会
连接到芯片表面，对后来生物毒素的检测影响较大。
生物传感器技术作为一种新兴的检测技术，是
一种方便、快速、自动化的检测技术。随着生物传感
芯片技术、实验方法学以及分析技术的不断发展，生
物传感器的应用领域将不断扩大，技术水平以及实
用程度也将不断提高。生物传感器技术的应用将更加
趋向多样化，具有更广阔的发展前景。
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(责任编辑：张宏梁)
作者简介
许艳丽，硕士，中级_r．程师，研究方向
生物毒素研究与检测。
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鲍蕾，博士，研究员，研究方向：食品安
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