分子印跡傳感器在真菌毒素檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

丁同英 袁 航

(無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214000)

目前已發(fā)現(xiàn)近400種由真菌產(chǎn)生的有毒次生代謝產(chǎn)物——真菌毒素[1]，其對(duì)肝臟、腎臟、造血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)均具有嚴(yán)重毒性，還會(huì)致癌、致突變、致畸等。污染谷物的真菌毒素主要有黃曲霉毒素(AFs)、伏馬毒素(FB)、嘔吐毒素(DON)、T-2毒素(TS)、玉米赤霉烯酮(ZEN)和赭曲霉毒素(OT)等。為預(yù)防真菌毒素中毒、維護(hù)食品安全，應(yīng)不斷建立及優(yōu)化準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的真菌毒素檢測(cè)方法[2]。目前，真菌毒素的新型快速檢測(cè)方法(酶聯(lián)免疫吸附法、酶抑制法、生物傳感器法等[3-4])在不斷發(fā)展，其中，傳感器具有檢測(cè)抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、成本低廉、操作簡(jiǎn)單快速、易微型化等顯著優(yōu)點(diǎn)。

分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technique，MIT)可以制造特異識(shí)別“分子鑰匙”的“人工鎖”即分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymers,MIP)，該技術(shù)在近幾年發(fā)展飛速，已能有效識(shí)別無機(jī)離子、藥物、核酸、蛋白質(zhì)、病毒[5]甚至細(xì)胞[6]等多種模板，并被應(yīng)用于分離提純、免疫分析、食品安全、環(huán)境檢測(cè)和生物醫(yī)藥等多種領(lǐng)域。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，MIP結(jié)合傳感器檢測(cè)技術(shù)[7]已成為研究熱點(diǎn)，MIT可改善化學(xué)傳感器的選擇性并克服生物傳感器的不耐熱、酸、堿和壽命短等缺點(diǎn)[8]，該技術(shù)便捷、高效、靈敏度高、成本低且重復(fù)性好。文章擬對(duì)分子印跡傳感器的原理及分類進(jìn)行闡述，旨在為MIS更好地應(yīng)用于真菌毒素安全檢測(cè)領(lǐng)域以及其他領(lǐng)域提供依據(jù)。

1 分子印跡傳感器(MIS)的分類

生物傳感器是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件，合適的理化換能器及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。MIS兼具M(jìn)IT和傳感器的優(yōu)點(diǎn)，MIP作為識(shí)別元件特異性識(shí)別并結(jié)合目標(biāo)分子，換能器將感知到的物理或化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以輸出的其他信號(hào)[9]。MIP的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生物傳感器生物識(shí)別元件對(duì)使用環(huán)境要求高的缺陷，使MIS取代傳統(tǒng)的生物傳感器成為一個(gè)必然的趨勢(shì)[10]。根據(jù)換能器的測(cè)量原理不同，MIS分為電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器和質(zhì)量傳感器等[11]，根據(jù)應(yīng)用目的不同，可自由選擇合適的傳感器。MIS在真菌毒素快速檢測(cè)領(lǐng)域已成為一個(gè)重要的研究方向。

1.1 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器將分析物與電極表面的相互作用轉(zhuǎn)換為分析信號(hào)，這種作用可以影響到電流、電壓、電導(dǎo)率、電容甚至阻抗[12]，當(dāng)下食品領(lǐng)域的電化學(xué)傳感器使用的電極主要有玻璃碳電極[13]、絲網(wǎng)印刷碳電極[14]、絲網(wǎng)印刷金電極等[15]。電化學(xué)傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快，且價(jià)格便宜、便于操作和微型化，但生物感受器的穩(wěn)定性差和制備困難限制了其應(yīng)用。MIP制備簡(jiǎn)單，成本低，具有很高的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性[16]，作為一種傳感器識(shí)別元件，在傳感器分析領(lǐng)域具有廣闊的商業(yè)前景和較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[17]。Pacheco等[13]用多壁碳納米管(MWCNT)和MIP修飾玻碳電極(GCE)制造了用于OTA檢測(cè)的電化學(xué)傳感器，其中的MWCNT顯著提高了該傳感器的靈敏度，被應(yīng)用于啤酒和葡萄酒中OTA測(cè)定時(shí)回收率為84%～104%，且無需樣品前處理步驟。然而，MIS也存在結(jié)合位點(diǎn)有限、重結(jié)合/解吸速率慢以及聚合物網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性差而存在靈敏度低的問題[18-19]，提高M(jìn)IS的靈敏度和性能將對(duì)分析物的定量分析具重要意義。Hatamluyi等[20]利用氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)(N-GQDs)和AuNPs功能化的銅—金屬有機(jī)框架(Au@Cu-MOF)對(duì)GCE表面進(jìn)行修飾，Au@CuMOF為MIP膜提供了更大的比表面積以及用作電分析測(cè)量的電活性物質(zhì)，可用于高靈敏和選擇性檢測(cè)棒曲霉素，基于N-GQDs和Au@Cu-MOF協(xié)同效應(yīng)結(jié)合MIT的方法，具有出色的選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，比色譜方法可以更快速、低成本地檢測(cè)展青霉素。

1.2 光學(xué)傳感器

將光學(xué)生物傳感器實(shí)時(shí)的檢測(cè)技術(shù)與MIT高效專一的特點(diǎn)相結(jié)合，可直接檢測(cè)目標(biāo)物含量，尤其適用于多樣本分析環(huán)境。根據(jù)光信號(hào)源的不同，基于MIT的光學(xué)傳感器可分為分子印跡親和傳感器和光電MIS。分子印跡親和傳感器可用于檢測(cè)具有固有光學(xué)特性(例如熒光和折射率)的分析物，基于 MIP 的光學(xué)傳感器與目標(biāo)物結(jié)合后，通過測(cè)定結(jié)合目標(biāo)物前后的光學(xué)變化對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行快速定性定量檢測(cè)，如熒光猝滅和增強(qiáng)，其中量子點(diǎn)(QDs)和碳點(diǎn)(CDs)是常用的熒光團(tuán)。Liu等[21]制作了基于ZnCdSe QDs和綠色工藝自組裝鋅卟啉的“Turn off-on”型熒光傳感器用于快速、靈敏地檢測(cè)OTA，提供了對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的新策略。Shao等[22]通過非水解溶膠—凝膠法在二氧化硅分子印跡中包封高發(fā)光綠色合成CDs作為快速選擇性熒光傳感器測(cè)定谷物的玉米赤霉烯酮。

表面等離子體共振(SPR)[23]、光纖(OFS)[24]、表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)[25]等也可與MIT廣泛結(jié)合。Zhu等[26]使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合陽極氧化鋁(AAO)為模板制備PDMS/AAO固體基材。然后，在PDMS/AAO的表面濺射適量Au獲得Au/PDMS/AAO SERS基板，原位聚合制備的MIP-SERS基板顯示出很好的SERS增強(qiáng)效果和對(duì)展青霉素良好的選擇性，檢測(cè)限為 8.5×10-11mol/L。光電MIS利用具有光學(xué)特性的單體感知周圍環(huán)境的變化，將被測(cè)量到的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再借助光電元件將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[27]。但光電MIS仍存在適用的光電活性材料少、光電轉(zhuǎn)換效率低等問題，因此直接影響傳感器的檢測(cè)靈敏度[28]。伴隨著傳感器在小型化、多功能和智能化方面的發(fā)展趨勢(shì)，已有研究[12]將智能手機(jī)與光電傳感器結(jié)合用于現(xiàn)場(chǎng)快速食品安全檢測(cè)。

1.3 質(zhì)量敏感傳感器

質(zhì)量敏感傳感器將質(zhì)量變化或由質(zhì)量改變導(dǎo)致的聲波參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的頻率變化來進(jìn)行檢測(cè)[29]，將MIT與石英晶體微天平(QCM)和表面聲波(SAW)傳感器結(jié)合是兩大研究熱點(diǎn)，高靈敏度質(zhì)量敏感傳感與MIP結(jié)合顯著增大了晶體表面涂層的特異選擇性。目前最常見的MIP質(zhì)量敏感傳感器是QCM-MIPs傳感器，其適用范圍廣、靈敏度高，測(cè)量精度高?，F(xiàn)階段質(zhì)量敏感傳感器應(yīng)用較少，傳感機(jī)制主要依靠壓電現(xiàn)象。王皓[30]將制備的展青霉素MIP用作敏感膜材料覆至石英晶片上組裝特異吸附展青霉素的MIP壓電傳感器，其吸附容量高、傳質(zhì)速度較快，檢出限為3.1 ×10-3μg/mL，檢測(cè)的線性范圍可達(dá)7.5×10-3～6.0×10-2μg/mL。

2 MIS在真菌毒素檢測(cè)中的應(yīng)用

谷物真菌毒素污染的監(jiān)管需要有效的檢測(cè)手段，多種傳統(tǒng)的毒素檢測(cè)技術(shù)雖已經(jīng)有較大突破，但在檢測(cè)準(zhǔn)確性、成本和可操作性方面仍有待完善，開發(fā)高通量、快速、穩(wěn)定、低成本的多種毒素同步檢測(cè)技術(shù)，依然是食品安全領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

2.1 展青霉素

展青霉素(PAT)由青霉和曲霉產(chǎn)生，毒性很強(qiáng)，常污染蘋果及制品，對(duì)人體具有影響生育、致癌和免疫等毒理作用等[31]。Nafiseh等[32]利用AgNPs@ZnMOF復(fù)合材料的類過氧化物活性制備MIP與熒光檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)PAT探針，在復(fù)雜介質(zhì)中對(duì)PAT的檢出限為0.06 μmol/L。張文剛等[33]篩選出模板分子、功能單體、交聯(lián)劑的最佳摩爾比(1∶4∶8)，利用假模板和表面分子印跡凝膠—溶膠技術(shù)制備磷光納米傳感器以檢測(cè)果汁中的PAT，其檢測(cè)限(LOD)為0.32 μmol/L且具極強(qiáng)的抗干擾能力。Guo等[34]利用假模板技術(shù)制作的電化學(xué)傳感器檢測(cè)PAT的線性響應(yīng)范圍為1×10-9～1×10-2mol/L，LOD為7.57×10-13mol/L，且該傳感器具有高速實(shí)時(shí)檢測(cè)能力且樣品消耗量少、靈敏度高、干擾小、穩(wěn)定性好，是一種極有前景的PAT檢測(cè)方法。

2.2 桔霉素

桔霉素(CIT)由柑橘青霉產(chǎn)生，極易污染植物來源食品，其毒性很高、能與人血蛋白結(jié)合，且致癌、致畸、致突變，威脅性很強(qiáng)[35]。劉桂洋[36]利用具三維結(jié)構(gòu)和大比表面積的納米顆粒功能復(fù)合物作為傳感器的增敏材料，增加了電極表面有效印跡位點(diǎn)的數(shù)量，提高了設(shè)計(jì)的檢測(cè)CIT的壓電傳感器的靈敏度。利用溶膠—凝膠技術(shù)進(jìn)行MIP的合成，獲得了對(duì)CIT有較高選擇性的印跡材料并實(shí)現(xiàn)熒光傳感檢測(cè)，檢測(cè)回收率可達(dá)85.5%[36]。Atar等[37]設(shè)計(jì)了基于玻璃碳電極(GCE)的新型分子印跡伏安傳感器測(cè)定黑麥樣品中的CIT，其檢測(cè)限低(2.0×10-13mol/L)且對(duì)CIT具有較高靈敏度。

2.3 赭曲霉毒素(OT)

2.4 黃曲霉毒素

由曲霉屬產(chǎn)生的AFs會(huì)嚴(yán)重污染食物，具有劇毒、致癌性，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康后果[42]，其中，威脅性最大的為黃曲霉毒素B1(AFB1)。江夢(mèng)娟[43]設(shè)計(jì)的MIS利用對(duì)氨基苯硫酚修飾的金納米粒子的電聚合以實(shí)現(xiàn)AFB1的檢測(cè)，其線性范圍廣(3.2 fmol/L～3.2 μmol/L)、檢測(cè)限低(3 fmol/L)，對(duì)AFB1的選擇性好。以7-乙氧基香豆素(7-EOC)為虛擬模板，將表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)與MIT結(jié)合構(gòu)建了高靈敏度、高選擇性的MIP-SERS傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AFB1的快速分離和檢測(cè)，對(duì)花生中AFs的檢測(cè)極限低至10-7g/L，回收率在93%～102%[43]。Wang等[44]通過改變用于電化學(xué)沉積的支持電解質(zhì)構(gòu)建具有特殊形態(tài)和大光電響應(yīng)的新型ZnO納米結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)一步調(diào)節(jié)光電化學(xué)性能，開發(fā)出分子印跡光電化學(xué)(PEC)傳感器，可在0.10～10.00 ng/mL范圍內(nèi)對(duì)AFB1線性響應(yīng)，檢出限為0.058 ng/mL，且具優(yōu)異的實(shí)用性能。

2.5 玉米赤霉烯酮(ZEN)

ZEN由鐮刀菌產(chǎn)生，廣泛存在于發(fā)霉的玉米、小麥等谷物中，對(duì)人和動(dòng)物都有很強(qiáng)的危害性[45]。其不僅會(huì)抑制動(dòng)物的繁殖機(jī)能，還具有免疫抑制毒性、肝毒性、細(xì)胞毒性，甚至?xí)T發(fā)腫瘤形成。Radi等[46]開發(fā)的一種用于ZEN測(cè)定的阻抗MIS呈現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)性和較好的穩(wěn)定性，檢測(cè)范圍為2.50～200.00 ng/mL。李寧[47]以ZEN結(jié)構(gòu)類似物為假模板、多巴胺為功能單體以及丹磺酰多巴胺作為熒光功能單體合成MIP并與酶標(biāo)儀聯(lián)用組建傳感器，用于食品中ZEN的快速檢測(cè)。Sergeyeva等[48]利用原位合成構(gòu)建ZEN特異性MIP膜后與傳感器識(shí)別元件結(jié)合組成微型傳感器，可使用智能手機(jī)對(duì)ZEN的天然熒光進(jìn)行配準(zhǔn)并使用應(yīng)用程序進(jìn)一步處理記錄的圖像，在直接感應(yīng)模式下其檢測(cè)限為1 μg/mL。這種便攜式的傳感器系統(tǒng)是食品質(zhì)量分析的一種新穎、廉價(jià)的手段，可方便地用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2.6 伏馬毒素(FB)

FB廣泛存在于谷物、干果、葡萄酒、牛奶、咖啡豆、可可和肉制品等多種農(nóng)產(chǎn)品中，極易危害公共健康和影響國家經(jīng)濟(jì)。Munawar等[49]將納米MIP共價(jià)連接到導(dǎo)電聚吡咯—鋅卟啉復(fù)合材料的薄膜上，獲得了穩(wěn)定性高、保質(zhì)期長、堅(jiān)固耐用、能抵抗惡劣外部條件、合成制備簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成本低的電化學(xué)傳感器。Mao等[50]將CdS量子點(diǎn)(QD)與適量的氧化石墨烯(GO)結(jié)合制備的MIP-PEC傳感器對(duì)FB的檢測(cè)下限為4.7 pg/mL。張薇[51]利用三聯(lián)吡啶釕和CdTe量子點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光特性，構(gòu)建了用于食品中FB的定量分析檢測(cè)的表面增強(qiáng)的分子印跡電化學(xué)傳感器，其檢測(cè)限更低為0.35 pg/L，且具良好的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3 展望

分子印跡技術(shù)有著極好的特異吸附能力，已成為多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)，與傳感器結(jié)合更是極大增強(qiáng)了該技術(shù)的應(yīng)用性，但分子印跡傳感器針對(duì)真菌毒素的檢測(cè)技術(shù)仍有待深入研發(fā)。在分子印跡聚合物的聚合過程中選擇更多元的功能單體、替代模板是分子印跡技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向，且分子印跡技術(shù)有望與更多特點(diǎn)鮮明的載體結(jié)合以提高其檢測(cè)能力、抗外界環(huán)境能力、靈敏度等。將來的研究也有望在以下方向突破：發(fā)展新的印跡技術(shù)制備高容量、高選擇性的優(yōu)異印跡材料；與現(xiàn)代自動(dòng)化儀表技術(shù)結(jié)合進(jìn)行生物信號(hào)的再加工、實(shí)現(xiàn)結(jié)果的簡(jiǎn)易可視化，以便進(jìn)入市場(chǎng)；探索大規(guī)模合成路線，以促進(jìn)分子印跡傳感器產(chǎn)品的商業(yè)化；設(shè)計(jì)同時(shí)提取兩種或多種真菌毒素的分子印跡傳感器，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。