生物傳感技術(shù)憑借其對(duì)生物分子相互作用的高特異性識(shí)別能力，正成為推動(dòng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)儀靈敏度突破的核心技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將生物識(shí)別元件（如抗體、酶、核酸適配體等）與物理/化學(xué)換能器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)殘、毒素、微生物等痕量風(fēng)險(xiǎn)因子的精準(zhǔn)量化，其檢測(cè)限已從傳統(tǒng)方法的 ppm 級(jí)（10??）提升至 ppb 級(jí)（10??）甚至 attomolar（10?1?）水平。以下從技術(shù)原理、突破路徑及應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)分析：

一、生物識(shí)別元件的革新：從天然分子到人工設(shè)計(jì)

納米抗體與單域抗體的高親和力優(yōu)勢(shì)

駱駝科動(dòng)物來(lái)源的納米抗體（VHH 抗體）因分子量?jī)H為傳統(tǒng) IgG 抗體的 1/10（約 15 kDa），具有更強(qiáng)的組織穿透性和穩(wěn)定性，例如，針對(duì)黃曲霉毒素 B?（AFB?）的 VHH 抗體修飾于石英晶體微天平（QCM）傳感器表面，檢測(cè)限可達(dá) 0.01 ng/mL，較傳統(tǒng)多克隆抗體檢測(cè)靈敏度提升 10 倍。此外，通過(guò)噬菌體展示技術(shù)篩選的單域抗體，可特異性識(shí)別農(nóng)藥與蛋白質(zhì)的結(jié)合殘留物（如敵敵畏-牛血清白蛋白偶聯(lián)物），解決了傳統(tǒng)方法對(duì) “隱性農(nóng)殘” 檢測(cè)的局限性。

核酸適配體（Aptamer）的可編程性設(shè)計(jì)

適配體作為單鏈核酸分子，可通過(guò)指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選出針對(duì)特定靶標(biāo)的高親和力序列，例如，針對(duì)蔬菜中吡蟲(chóng)啉的適配體 - 金納米顆粒（Apt-AuNPs）比色傳感器，當(dāng)靶標(biāo)存在時(shí)，適配體從 AuNPs 表面脫離，導(dǎo)致納米顆粒聚集狀態(tài)改變，溶液顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色，檢測(cè)限達(dá) 5 ng/mL，且對(duì)結(jié)構(gòu)類似物（如啶蟲(chóng)脒）的交叉反應(yīng)率＜5%。相較于抗體，適配體可在高溫（80℃）、極端 pH（3-11）條件下保持活性，更適合復(fù)雜農(nóng)產(chǎn)品基質(zhì)（如果汁、食用油）的檢測(cè)。

二、信號(hào)放大技術(shù)：從單一機(jī)制到級(jí)聯(lián)響應(yīng)

酶催化信號(hào)放大系統(tǒng)

利用辣根過(guò)氧化物酶（HRP）、堿性磷酸酶（ALP）等天然酶的催化活性，可在檢測(cè)體系中引入底物顯色反應(yīng)或電化學(xué)信號(hào)放大，例如，在 ELISA 檢測(cè)中，HRP 標(biāo)記的抗體催化魯米諾 - 過(guò)氧化氫體系產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，配合單光子計(jì)數(shù)探測(cè)器，對(duì)牛奶中氯霉素的檢測(cè)限可達(dá) 0.1 pg/mL（傳統(tǒng) ELISA 為 1 pg/mL）。此外，納米酶（如 Fe?O?納米顆粒）模擬酶活性的特性被用于構(gòu)建級(jí)聯(lián)反應(yīng)：Fe?O?納米酶先催化 H?O?產(chǎn)生?OH 自由基，再氧化 3,3',5,5'- 四甲基聯(lián)苯胺（TMB）顯色，使檢測(cè)靈敏度比天然酶體系提升 3 倍（如對(duì)大米中鎘離子的檢測(cè)下限達(dá) 0.5 ppb）。

核酸等溫?cái)U(kuò)增與生物傳感耦合

將重組酶聚合酶擴(kuò)增（RPA）、環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）等核酸擴(kuò)增技術(shù)與傳感器結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)微生物核酸的超靈敏檢測(cè)。例如，LAMP 反應(yīng)在 65℃恒溫下 30 分鐘內(nèi)可將目標(biāo) DNA 擴(kuò)增 10?倍，擴(kuò)增產(chǎn)物與石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）熒光探針結(jié)合后，通過(guò)熒光淬滅效應(yīng)檢測(cè)，對(duì)沙門氏菌的檢測(cè)限低至 1 CFU/mL，較傳統(tǒng) PCR 方法縮短 2 小時(shí)檢測(cè)時(shí)間，且無(wú)需熱循環(huán)儀，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

三、新型換能器與器件集成：從實(shí)驗(yàn)室到便攜式設(shè)備

表面等離子體共振（SPR）與微流控芯片的便攜化

SPR 傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)金屬表面折射率變化實(shí)時(shí)檢測(cè)生物分子結(jié)合事件，傳統(tǒng) SPR 儀器體積龐大，而集成微流控的便攜式 SPR 芯片已實(shí)現(xiàn)小型化。例如，采用金納米薄膜（厚度 50 nm）作為 SPR 基底，結(jié)合微流控進(jìn)樣系統(tǒng)，對(duì)蘋果汁中展青霉素的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間僅需 8 分鐘，檢測(cè)限達(dá) 1 ng/mL，且設(shè)備體積小于 10 cm3，可通過(guò) USB 接口連接手機(jī)實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

電化學(xué)發(fā)光（ECL）納米傳感器的超靈敏檢測(cè)

魯米諾 - 納米金（Luminol-AuNPs）體系在電極表面發(fā)生電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)時(shí)，AuNPs 的局域表面等離子體共振效應(yīng)可增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度 10-20 倍。例如，基于該原理的 ECL 傳感器檢測(cè)蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥（如敵百蟲(chóng)），檢測(cè)限可達(dá) 0.05 ng/mL，且通過(guò)差分脈沖伏安法消除基質(zhì)干擾，在番茄汁等復(fù)雜樣品中仍保持 95% 以上的回收率。

四、生物傳感技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景與挑戰(zhàn)

典型應(yīng)用

農(nóng)殘快速篩查：適配體修飾的電化學(xué)傳感器在 10 分鐘內(nèi)完成葉菜中多菌靈的檢測(cè)（檢測(cè)限 10 ng/g），已用于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)抽檢；

毒素預(yù)警監(jiān)測(cè)：基于抗體 - 量子點(diǎn)偶聯(lián)物的熒光傳感器，可同時(shí)檢測(cè)谷物中 3 種伏馬毒素（B?、B?、B?），檢測(cè)限均＜5 ng/g，滿足歐盟法規(guī)（EC No. 1126/2007）要求；

微生物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNT-FET）傳感器修飾細(xì)菌特異性肽核酸（PNA）探針，可在牛奶中直接捕獲大腸桿菌 O157:H7，檢測(cè)限 102 CFU/mL，響應(yīng)時(shí)間＜15 分鐘。

技術(shù)挑戰(zhàn)

生物識(shí)別元件的批量制備成本高（如單克隆抗體的生產(chǎn)需雜交瘤技術(shù)），限制了傳感器的普及；

農(nóng)產(chǎn)品中的色素、蛋白質(zhì)等成分可能非特異性吸附于傳感器表面，導(dǎo)致假陽(yáng)性結(jié)果（如橙汁中的維生素 C 干擾電化學(xué)檢測(cè)信號(hào)）；

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，樣品前處理步驟（如離心、過(guò)濾）仍需人工操作，自動(dòng)化程度有待提升。

未來(lái)趨勢(shì)

人工智能（AI）與生物傳感融合：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化傳感器陣列數(shù)據(jù)，例如利用石墨烯電極陣列采集多維度電化學(xué)信號(hào)，AI 模型自動(dòng)區(qū)分不同種類的農(nóng)藥殘留（識(shí)別準(zhǔn)確率＞98%）；

活體檢測(cè)與原位監(jiān)測(cè)：開(kāi)發(fā)可植入植物的生物傳感器（如基于熒光蛋白的基因編碼傳感器），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)過(guò)程中真菌毒素的合成，為病蟲(chóng)害防治提供預(yù)警；

紙基生物傳感器的低成本化：將酶 - 納米顆粒復(fù)合物固定于濾紙纖維上，構(gòu)建 “即棄式” 檢測(cè)試紙，例如檢測(cè)茶葉中鉛離子的紙基傳感器成本＜1 美元 / 次，適合中小農(nóng)戶使用。

生物傳感技術(shù)通過(guò)生物識(shí)別元件的分子設(shè)計(jì)、信號(hào)放大機(jī)制的創(chuàng)新及檢測(cè)器件的微型化，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)儀靈敏度的數(shù)量級(jí)提升。未來(lái)需在降低成本、提升抗基質(zhì)干擾能力的同時(shí)，加速與智能終端的集成，推動(dòng)檢測(cè)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向田間地頭，為農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到消費(fèi)的全鏈條安全控制提供核心技術(shù)支撐。

本文來(lái)源于深圳市芬析儀器制造有限公司http://m.mantramandal.com/