生物传感器在微生物检测中的创新研究

摘要:本文主要研究了生物传感器在微生物检测、生物毒素检测以及其他生物类霉素的检测中的广泛应用。生物传感器以其高选择性、高灵敏度、低成本的优点,已经成为一种新型的检测技术,并且在较复杂的体系中能够进行快速连续监测,因此,生物传感器已经成为最具潜力的微生物检测技术。

关键词:生物传感器 微生物检测 生物毒素检测

目前,生物传感器技术是一个极具有发展潜力的学科领域,已经广泛的应用于环境监测、食品检测、生物医学等方面,该技术主要用来检测食品和污染物的浓度,在微生物呼吸活性的测定,微生物培养方法的选择上也有显著的研究成果,另外还可以作为终端的水处理设备。对于生物传感器的发展前景及趋势,我们认为将会向着实用化、微型化、人工智能化和多样化的方向发展,并且还将用于对生物功能进行人工模拟,研究人工感官。本文主要从以下微生物检测、生物毒素检测以及其他生物类霉素的检测三个方面来探讨生物传感器在微生物检测中的应用。

1 微生物的检测的研究

食品中被污染的微生物的种类繁多,主要包括真菌、病毒和细菌等,其中细菌在食品中最为常见。食品中被污染的微生物主要分为病原菌和腐败菌,而其中的腐败菌本身是不致病的,其致病主要是因为食

品成分被分解、破坏,从而产生了有毒物质,才开始对人体造成伤害。病原菌可以破坏食品的组成成分,该病菌本身可以致病。使用传统的检测方在操作上比较繁琐,并且检验时间长,传统检测方法在一定程度上已经不能满足检测要求,所以随着专家的不断研究和试验,很多先进的检测方法开始出现,生物传感器作为一种新型的检测技术已经被广泛的应用于微生物的检测。

1.1 微生物的数量检测

我们在食品中常见的食品腐败菌有:乳酸菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌。由于微生物在呼吸代谢过程中能够产生带有电子的生物传感器,这样就可以直接在阳极上放电,从而产生微电流,产生的电流大小与测定溶液中微生物的浓度有关。所以这种传感器就可以直接利用微生物本身的性质来进行检测,并且检测结果准确、检测速度快,制样简单,能够到达快速检测的目的。另外,还有一种光纤传感器也可直接放入被测的样品中,通过测定微生物在代谢过程中所产生的二氧化碳得含量来估算细菌的浓度,该传感器检测技术解决了原来无法测定该浓度的要求,生物传感器技术拓宽了食品中微生物的检测范围,使一些危害人体的病菌能够快速检测出来,为食品安全作出了很大的贡献。

1.2 病原菌的检测

在食品中一些常见的污染食品的病原菌主要有:李斯特菌、黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌和产气荚膜梭菌等。对于以上病原菌的检测

主要采用光纤传感器与聚合酶链式反应生物放大作用耦合,对食品中李斯特菌单细胞基因进行检测,采用酶免疫电流型生物传感器可以检测食品中存在的少量的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门菌等。我们一般将蛋白A作为金黄色葡萄球菌存在的标记物,利用光纤免疫传感器,将抗蛋白A的抗体固定在光纤上来捕获蛋白A,然后结合上FTIC标记的抗蛋白AIgG以产生抗原-抗体反应的信号进行检测。该免疫传感器检测线低,检测时间短,比传统的检测方法快很多。

2 生物毒素的检测研究

在食品中,污染食品的主要生物毒素有藻类毒素、动植物毒素以及细菌毒素,其中真菌毒素和细菌毒素较为常见。通常检验毒素一般都采用色谱分析法和生物学的方法,但这些分析方法检测周期长,对样品的处理比较繁琐,而免疫传感器用于以上生物毒素的检测以其检测速度快、样品处理简单等优势受到人们的欢迎,该生物传感器在生物毒素中检测应用,实现了快速检测目标。

2.1 细菌毒素的检测

细菌毒素是生物毒素中最常见的一种毒素,该毒素主要产生于细菌细胞外以细菌细胞内的致病性物质,有内外毒素之分。对于细菌内毒素是G-菌细胞壁上特有的结构,内毒素为外源性致热原,它可激活中性粒细胞等,使之释放出一种内源性热原质,作用于体温调剂中枢引

起发热,不能转化为类霉素,毒性弱,毫克级才能引起动物死亡。细胞外毒素是一种毒性蛋白质,是细菌在生长过程中分泌到菌体外的一种毒性物质。产生外毒素的细菌主要有革兰阳性菌。如破伤风杆菌、肉毒杆菌、白喉杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰阴性菌,其抗原性强,能够转化成类毒素,毒性强,微克级可导致动物死亡。现在,我们主要使用免疫生物传感器对肉毒素和葡萄球菌肠毒素等细菌外毒素进行检测。使用免疫生物传感器可以快速准确的检测出火腿和奶油等食品中的毒素含量。

国外学者已经采用光纤传感器测定食品中的肉毒杆菌毒素A,检测下限可以达5ug/L,并且在1min内可以完成检测。很多人已经利用压电晶体免疫传感器来检测葡萄球菌肠毒素B,通过测定晶体振荡频率的变化来实现对葡萄球菌肠毒素B的定量,检测范围为2.5～60ug/mL。但是该方法虽然具有很高的灵敏度和特异性,但稳定性不好。使用光线免疫传感器检测火腿中的葡萄球菌肠毒素B,将免抗葡萄球菌肠毒素B共价结合到光纤上用以结合葡萄球菌肠毒素B,然后用结合上的荧光染料标记的羊抗葡萄球菌肠毒素B,检测抗体与葡萄球菌肠毒素B的结合,使之在光线表面形成荧光复合物,其检测下限可达5ug/g,检测时间更短,检测结果准确。

2.2 真菌毒素的检测

被污染的食品中的真菌毒素主要有杂色曲霉素、赭霉素、黄曲霉毒素、T-2毒素、镰刀菌烯醇类毒素、腐马素、橘霉素和展青霉素等。

真菌毒素是真菌分泌产生的有毒次生代谢产物。检测真菌毒素的传统方法有薄层层析法和液相色谱分析法等。目前主要以免疫传感器用于检测黄曲霉素B1的居多,也有用微生物传感器和以纤毛虫微生物敏感材料的传感器检测展黄曲霉素B1、青霉素和T-2霉素的。腐马菌B1是污染玉米样品及饲料的天然霉素组分。学者们利用表面等离子体共振免疫传感器来检测玉米抽提物中的腐马菌B1浓度,它是将抗腐马菌B1的多克隆抗体吸附到结合在Kretschmarnn装置中的玻璃棱镜的金膜上,二极管发射的光束通过棱镜聚焦于金膜表面以激发SPR(表面等离子体共振),当加入样品时,反射光灵敏度改变,改变角度与腐马菌B1的浓度成正比,该方法可的检测下限为50ug/L,检测时间为10min,而利用光纤免疫传感器对腐马菌B1进行检测,其检测下限为10ug/L,检测时间为2min,说明生物传感器在检测真菌毒素方面的优势之大。

3 其他生物类霉素的检测研究

生物传感器除了用于上述细菌毒素和真菌毒素的检测外,还可以用于监测食品中污染的种植物毒素。总之,生物霉素是微生物的代谢产物,有很强的毒性,大多有致癌、致畸、致突变作用。为防止毒素超标的食品进入食物链,加强对其检测至关重要。

4 结语

通过对生物传感器在微生物检测中的应用研究,我们认为,随着生物技术、生物信息学、计算机技术的发展,目前已经出现的第四代生物传感器—生物芯片主要是将硅片或玻片与生命材料结合制成的,所以我们预测,生物传感器的未来将向着体积更小、功能强的方向发展。传感器作为一种检测手段,已经由单一功能向多功能生物传感器发展,并与其他精密分析仪器相结合,互补长短。我们在实际的检测过程中,往往会遇到待测样品成分复杂,往往需要同时测定样品中的多种成分,所以说,多种手段结合应用于微生物检测是一个未来的发展方向。随着传感器技术的不断提高,为以后在微生物检测方面将会有更多的技术支持。

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