全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第6期
抗生素是由微生物或动植物产生的，对细菌和
其他微生物具有抑制和杀灭作用的物质。抗菌药物
包括青霉素类、四环素类等的抗生素及磺胺类、喹
诺酮类人工合成的抗菌药。抗生素已广泛应用于医
疗、生物科学研究、农业、畜牧业和食品工业等方面，
为人类社会作出巨大贡献。但近些年来由于抗生素
的滥用导致新耐药菌不断出现，给环境及人类健康
带来极大地威胁。一般所讲的抗菌物质主要包括抗
生素及其部分合成的衍生物和化学合成物质，这些
抗菌物质的积累除对造成环境污染外，还会对诸如
药物、药物代谢物、激素干扰物等生物活性物质带
来影响。
细菌的适应性和耐药性的不断形成，已引起了
世界各国对抗菌物质研究的特别关注。如果这些潜
用于抗生素检测的生物传感器研究进展
顿文涛1  李勉2  毕庆生1  赵仲麟3  袁超3  李淑英4
（1. 河南农业大学信息化管理处，郑州 450002 ；2. 河南农业大学机电工程学院，郑州 450002 ；3. 河南农业大学理学院，郑州 450002 ；
4. 中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100081）
摘 要 ： 抗生素滥用导致的细菌耐药性的增强，给人类医疗健康及环境带来巨大挑战。生物传感器凭借其优点，在抗生素
研究领域有着重要的应用价值。介绍生物传感器在抗生素研究领域中的应用，包括环境及食品中的抗菌研究，展望了未来发展方向。
关键词 ： 抗生素 生物传感器 检测 表面等离子共振
Research Progress on Biosensors for Antibiotic Detection
Dun Wentao1 Li Mian2 Bi Qingsheng1 Zhao Zhonglin3 Yuan Chao3 Li Shuying4
（1. Department of Information Management，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002 ；2. Mechanical & Electrical Engineering
College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002 ；3. College of Sciences，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002 ；
4. Institute of Agro-products Processing Science and Technology，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081）
Abstract:  Inadequate application of antibacterial drugs accelerated bacterial resistance phenomenon, which is a tremendous challenge
for human health care and environment. Due to the merits of biosensor development and applications in the antibiotic field, this review gives an
overview on the use and prospects of biosensor applications for antibacterial detection in environmental and foodstuff. The limited factors and
future development trends of biosensors were also discussed.
Key words:  Antibiotic Biosensor Detection SPR
收稿日期 ：2012-12-05
基金项目 ：国家水体污染控制与治理科技重大专项 （2009ZX07423-003），国家自然科学基金项目（31100067）
作者简介 ：顿文涛，男，硕士研究生，工程师，研究方向 ：传感器与检测技术、计算机网络 ; E-mail ：dun@henau.edu.cn
通讯作者 ： 李淑英，女，博士，助理研究员，研究方向 ：微生物生化与分子生物学 ；E-mail ：lishuying2000@163.com
袁超，男，副教授，研究方向 ：智能检测与信息技术 ；E-mail ：yuanchaobio@163.com
在的污染物进入水循环系统中，就会对人类的饮用
水带来风险，因此建立标准化的饮用水检测方法是
当前急需解决的问题。 此外，抗生素常用于动物疾
病治疗和预防中，可增加动物的生长和饲料的利用
率［1］，所以对于动物和饲料中抗生素的控制和检测
也是十分关键的。在牛奶产业中，由于抗生素具有
亲脂性，很容易在奶中积累到较高的浓度，因此需
要对奶中抗生素的含量加以限制。与此同时，检测
食物链中的抗菌物质的污染也是非常重要的，因此，
需要开发快捷、简便的抗生素分析检测方法。
目前主要的分析手段是液相和气象色谱技术，
大多将它们与质谱结合起来进行分析。如水环境中
抗 菌 物 质 的 分 析 常 采 用 HPLC-MS 和 HPLC-MS/MS
等方法［2，3］，其他的如紫外或荧光光谱法、电化学
2013年第6期 71顿文涛等 ：用于抗生素检测的生物传感器研究进展
检测法等方法则灵敏度较低。这些传统的分析方法
通常要涉及到样品的前处理等步骤，这与试验操作
人员熟练操作程度有关。生物传感器检测方法具备
多种优点，可以检测环境和食品中抗菌物质的污染
状况，其发展为抗菌物质检测开辟了一条新的快速、
简便、灵敏的检测途径。
1 生物传感器检测抗生素原理
生物传感器识别抗菌物质原理有两类。第一，
广泛使用固定化适体作为识别元件［4-7］。RNA 和
DNA 适体通过其三维构象的离子间作用、范德华力、
氢键等作用与目标分析物结合，进行信号检测。这
些适体可通过化学方法合成，具有高度的热稳定性，
很容易进行修饰和固定化。第二，生物传感识别抗
菌药物通过抗体介导的结合实现。此类代表是免疫
传感器，已被广泛用于抗菌物质的检测［8-13］。可将
抗生素特异性抗体固定在传感器表面上检测抗生素，
或者是将抗生素固定，对抗体锚定样品进行分析检
测。除适体和免疫识别外，还有其他类型的传感器。
如使用酶和功能化金纳米颗粒或全细菌细胞等作为
识别元件。与酶相关的传感器报道较多，如将 β 内
酰胺酶固定后进行青霉素体内检测［14，15］。Chen 等［16］
通过电流计生物传感器分析发现，青霉素水解后可
导致 pH 值降低，其青霉素最小检测限为 50 nmol/L。
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，
SPR）技术是一种新型的测量测试技术，可用于生
物分子相互作用的分析。其原理是电磁波所激发的，
在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的
谐振波，通过检测 SPR 信号改变可监测分子间的相
互作用［17］。表面等离子体共振仪是已经成为物理学、
化学和生物学研究的重要工具。SPR 生物传感器正
是利用了生物分子相互作用分析这一原理，实现抗
生素的检测。
2 生物传感器用于抗菌物质的检测
目前，已报道的使用生物传感器检测抗生素等
抗菌物质的研究较多。Frasconi 等［18］利用硫苯胺作
为电聚合单元，巯基苯硼酸作为抗生素配体，巯基
乙磺酸来稳定纳米颗粒。然后将这些功能化的纳米
颗粒聚合到金表面上，通过表面等离子共振技术检
测新霉素、卡那霉素、链霉素等氨基配糖类抗生素，
同时使用这种传感器对牛奶样本中的抗菌物质进行
了检测。表面等离子共振技术产生的信号通过纳米
颗粒进行放大，从而增强了其检测的灵敏度。
除生物传感装置外，目前很多的研究都集中在
利用全细菌细胞特异检测抗菌物质及检测机理的研
究上。Virolainen 等［19］诱导含荧光素酶操纵子的 E.
coli 细胞，将荧光素酶操纵子置于四环素反应元件之
下，这些细菌可以以冻干的形式存在，识别四环素
后产生自发荧光，通过快速的高通量筛选系统进行
检测。Pikkemaat 等［20］则比较了细菌传感器和常规
LC-MS/MS 法检测禽类样品组织的四环素，证实了该
方法的应用价值。
虽然有多种抗菌物质识别原理可用于生物传感
开发中，但是只有几种有限的生物传感技术可用于
抗生素检测领域中。大约 50% 的生物传感器都是基
于表面等离子共振（SPR）技术，现在发展出的影
像表面等离子共振技术（iSPR）可以让人们得到更
多的抗菌物质结合过程的信息［12，21］。除表面等离子
共振技术外，在抗生素检测中约有 20% 是使用光学
检测器进行检测的。当抗生素结合后，就可通过荧
光法检测其荧光［8，15］。此外，电化学法也是一种使
用较多的检测方法，主要利用伏安和测量电流的方
法。抗菌物质一般作为电极隔离层会阻碍电子转移，
当检测到抗生素后法拉第电流会减小。因为抗菌物
质一般不具有电化学活性，所以使用时常添加一些
氧化还原标签。
在抗生素实际检测中通常会将几种不同的检测
方法结合起来进行操作。例如，将抗生素结合到核
酸适体上，再通过电化学法进行检测。Zhang 等［4］
使用 DNA 适体检测四环素和土霉素。他们将四环素
与单链 DNA 适体通过酰氯化法与碳二亚胺缩合法
（EDC/NHS）固定到玻碳电极上，检测过程中记录与
四环素浓度相关的循环伏安图。四环素浓度的增加
与电流峰值减少的相关性可用于快速检测牛奶中的
四环素浓度。Kim 等［5］ 使用单链 DNA 适体固定化
交叉阵列电极芯片检测土霉素。先用硫醇修饰适体，
后将其固定到金电极上，进而检测样品中土霉素的
浓度。Rowe 等［6］则利用 RNA 适体，通过电化学方
法检测血液样本中氨基糖苷类抗生素的浓度，其检
测灵敏度高于 DNA 适体的生物传感检测法。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第6期72
同样，电化学检测常与免疫生物传感检测相结
合。Ionescu 等［13］将抗环丙沙星抗体固定到聚吡咯
碳二亚胺膜上，如果与环丙沙星发生阳性反应则可
通过生物传感器的阻抗谱的变化检测。Giroud 等［9］
采取了一种改进的方法，他们将环丙沙星固定到聚
吡咯碳二亚胺层上，上面覆盖环丙沙星抗体。与固
定的衍生物相比，溶液样本中的环丙沙星与抗体具
有更高的亲和性，样品中环丙沙星的浓度可通过阻
抗谱进行定量检测。这种方法涉及到竞争性免疫分
析。如果将基于抗菌物质识别的免疫传感器与表面
等离子共振技术相结合，则能够扩大二者的使用范
围。Dong 等［10］将竞争性免疫分析作为生物传感器
的识别元件用于猪肉中氯霉素的检测。Ferguson 等［22］
则将链霉素衍生物固定到生物传感器上，用于分析
链霉素和抗链霉素抗体混合物的竞争性结合作用。
这些生物传感器使得人们可以对奶制品或肉类中的
链霉素和双氢链霉素进行定量分析。de-los-Santos-
Alvarez 等［7］结合了 RNA 适体与表面等离子共振技
术对新霉素 B 进行分析。他们发现修饰后的适体没
有显著改变其对于抗生素的亲和性，证明可以通过
修饰增强适体对核酸内切酶的抗性。这种方法对新
霉素的检测范围是 10 nmol/L-100 μmol/L 之间，显示
出了高度的灵敏度。
3 利用生物传感器检测食品中的抗生素
生物传感器可用于对待测溶液中进行抗生素抗
体结合抑制试验中，其灵敏度检测限可达 ppb 级，
足够可以检测牛奶中新霉素、卡那霉素、链霉素和
磺胺甲嘧啶等抗生素。这种快速检测氨基糖苷类、
氟喹诺酮类、苯丙醇类及磺胺药物类抗生素的手段，
开启了食品自动化、高通量抗菌药物残留分析检测
的新时代。与耗时的传统检测方法相比，生物传感
器可以对食品及奶制品中的抗生素残留进行灵敏、
快速以及简便的测定。Rebe Raz 等［21］报道了利用
生物传感器从不同的缓冲液和奶制品中，可实时定
量检测最多 7 种抗生素。他们将磺胺甲嘧啶、新霉
素、链霉素、卡那霉素、庆大霉素、氯霉素和恩诺
沙星几种抗生素固定到表面等离子共振传感器上，
灵敏度和特异性分析是通过相关抗体的结合进行的。
虽然得到的信号较弱，但是他们证明了特异抗体结
合时的交叉反应很少。
吴艳等［23］利用核酸适体生物传感器对牛奶中
的四环素类抗生素进行了快速检测。他们将四环素
核酸适体作为识别分子，共价固定于玻碳电极表面，
构建的核酸适体生物传感器可特异性结合样品中的
四环素类抗生素，产生的电化学信号强度与抗生素
浓度相关，其最低检测量达 1 μg/L。Fernández 等［24］
报道了使用表面等离子共振装置检测牛奶中不同种
类抗生素的方法。他们发展出一种小巧、便携式的
6 通道传感器用于现场检验。将半抗原蛋白固定到
不同的通道中，将样品中分别加入多克隆抗体用于
检测恩诺沙星、磺胺吡啶、氯霉素。使用缓冲液将
牛奶稀释 5 倍后，其基质效应减少，且样品无需经
过进一步的前处理。同时该方法的重复性较好，检
测限可达 μg/kg 范围。该方法与市售的其他商品化
SPR 系统和方法具有相同的分析能力［25，26］，但优
点是更加便携、小巧，可检测多种不同的抗生素。
Adrian 等［27］报道了一种类似的基于生物传感器的
牛奶分析方法。他们在流动腔中将免疫传感器与光
学传感器设备结合，以磺胺吡啶作为对照，检测牛
奶样品中磺胺类药物的污染。同样的技术开发的多
重传感器也已用于原料奶中四环素、磺胺、氟喹诺
酮的检测［28］。
对 于 其 他 食 品 基 质 中 抗 菌 物 质 的 SPR 分 析，
Huet 等［29］设计出一种基于 SPR 的免疫化学筛选法
以检测蛋、禽、鱼类中 13 种不同的氟喹诺酮类抗生
素。与传统的 LC-MS/MS 分析法相比，这种生物传
感器具有相同的敏感性，可进行日常的食物基质中
氟喹诺酮类抗生素检测［30］。Biacore 系统是 Biacore
公司开发的一种基于 SPR 技术的生物传感器，可用
于药物的开发和设计及对生物分子间相互作用进行
实时检测中［31］。目前人们也使用基于 Biacore 系统
的生物传感器检测磺胺类抗生素［32］。此外，一些新
交叉学科，如生物信息学、蛋白质组学等学科的发展，
也加快了对生物传感器性能的提升［33］。
4 结语
多项研究证实生物传感器可以用于环境中抗菌
物质的检测。虽然可应用于生物传感器的技术有许
多种，但是只有有限的技术可用于抗生素的检测。
2013年第6期 73顿文涛等 ：用于抗生素检测的生物传感器研究进展
与传统分析方法比，生物传感器无需进行样品前处
理，可进行快速、简便、低成本的检测。生物传感
器未来的发展目标是高通量的应用，如应用 KinExA
系统检测水环境中的污染情况［34］。迄今为止，大约
2/3 用于抗菌物质领域的生物传感器是与食品、环境
中抗生素检测相关的，其检测的灵敏度和特异性已
得到了人们的认可。随着技术的不断进步，生物传
感器将可应用于更多的领域中。此外，大量的研究
表明，生物传感器可以用于研究新的抗菌物质及其
底物的作用模式，以及检测药物和其靶标的动力学
结合常数。未来的研究将利用生物传感器进行抗菌
化合物分子机制的研究。相信随着计算机技术、生
物技术及信息技术的发展，将会极大地推动生物传
感器的开发与研究。
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（责任编辑 狄艳红）