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

一、生物識別元件的革新：從天然分子到人工設(shè)計

納米抗體與單域抗體的高親和力優(yōu)勢

駱駝科動物來源的納米抗體（VHH 抗體）因分子量僅為傳統(tǒng) IgG 抗體的 1/10（約 15 kDa），具有更強的組織穿透性和穩(wěn)定性，例如，針對黃曲霉毒素 B?（AFB?）的 VHH 抗體修飾于石英晶體微天平（QCM）傳感器表面，檢測限可達(dá) 0.01 ng/mL，較傳統(tǒng)多克隆抗體檢測靈敏度提升 10 倍。此外，通過噬菌體展示技術(shù)篩選的單域抗體，可特異性識別農(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 “隱性農(nóng)殘” 檢測的局限性。

核酸適配體（Aptamer）的可編程性設(shè)計

適配體作為單鏈核酸分子，可通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選出針對特定靶標(biāo)的高親和力序列，例如，針對蔬菜中吡蟲啉的適配體 - 金納米顆粒（Apt-AuNPs）比色傳感器，當(dāng)靶標(biāo)存在時，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，檢測限達(dá) 5 ng/mL，且對結(jié)構(gòu)類似物（如啶蟲脒）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。

二、信號放大技術(shù)：從單一機制到級聯(lián)響應(yīng)

酶催化信號放大系統(tǒng)

利用辣根過氧化物酶（HRP）、堿性磷酸酶（ALP）等天然酶的催化活性，可在檢測體系中引入底物顯色反應(yīng)或電化學(xué)信號放大，例如，在 ELISA 檢測中，HRP 標(biāo)記的抗體催化魯米諾 - 過氧化氫體系產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，配合單光子計數(shù)探測器，對牛奶中氯霉素的檢測限可達(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，使檢測靈敏度比天然酶體系提升 3 倍（如對大米中鎘離子的檢測下限達(dá) 0.5 ppb）。

核酸等溫擴(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)等溫擴(kuò)增（LAMP）等核酸擴(kuò)增技術(shù)與傳感器結(jié)合，可實現(xiàn)微生物核酸的超靈敏檢測。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（GQDs）熒光探針結(jié)合后，通過熒光淬滅效應(yīng)檢測，對沙門氏菌的檢測限低至 1 CFU/mL，較傳統(tǒng) PCR 方法縮短 2 小時檢測時間，且無需熱循環(huán)儀，適合現(xiàn)場檢測。

三、新型換能器與器件集成：從實驗室到便攜式設(shè)備

表面等離子體共振（SPR）與微流控芯片的便攜化

SPR 傳感器通過監(jiān)測金屬表面折射率變化實時檢測生物分子結(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)，對蘋果汁中展青霉素的檢測響應(yīng)時間僅需 8 分鐘，檢測限達(dá) 1 ng/mL，且設(shè)備體積小于 10 cm3，可通過 USB 接口連接手機實時讀取數(shù)據(jù)。

電化學(xué)發(fā)光（ECL）納米傳感器的超靈敏檢測

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，AuNPs 的局域表面等離子體共振效應(yīng)可增強發(fā)光強度 10-20 倍。例如，基于該原理的 ECL 傳感器檢測蔬菜中有機磷農(nóng)藥（如敵百蟲），檢測限可達(dá) 0.05 ng/mL，且通過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（檢測限 10 ng/g），已用于農(nóng)貿(mào)市場現(xiàn)場抽檢；

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

微生物實時監(jiān)測：碳納米管場效應(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，檢測限 102 CFU/mL，響應(yīng)時間＜15 分鐘。

技術(shù)挑戰(zhàn)

生物識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)致假陽性結(jié)果（如橙汁中的維生素 C 干擾電化學(xué)檢測信號）；

現(xiàn)場檢測時，樣品前處理步驟（如離心、過濾）仍需人工操作，自動化程度有待提升。

未來趨勢

人工智能（AI）與生物傳感融合：通過機器學(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，AI 模型自動區(qū)分不同種類的農(nóng)藥殘留（識別準(zhǔn)確率＞98%）；

活體檢測與原位監(jiān)測：開發(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），實時監(jiān)測作物生長過程中真菌毒素的合成，為病蟲害防治提供預(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” 檢測試紙，例如檢測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)通過生物識別元件的分子設(shè)計、信號放大機制的創(chuàng)新及檢測器件的微型化，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測儀靈敏度的數(shù)量級提升。未來需在降低成本、提升抗基質(zhì)干擾能力的同時，加速與智能終端的集成，推動檢測技術(shù)從實驗室走向田間地頭，為農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到消費的全鏈條安全控制提供核心技術(shù)支撐。

本文來源于深圳市芬析儀器制造有限公司http://mails.zo35.cn/