用于裸眼检测牛奶中巴氏灭菌指标的一次性生物传感装置

据麦姆斯咨询介绍，传统的基于实验室、面向协议的多步骤食品质量保障方法非常耗时，最新课题主要集中在快速、准确的现场质量检查。用于确定食品质量的专用指标主要基于生物传感器系统。在这种情况下，液体食品更容易在商业化过程中产生微生物菌丛。因此，为保障消费者安全，在购买或消费之前首先将优质液体食品与被破坏的液体食品分开是至关重要的。

牛奶因含有丰富的蛋白质、碳水化合物、脂肪、必需维生素和矿物质（包括钙、磷）等营养成分，成为全球各种传统和现代食品的一部分。它也成为商业活动的一大重要选择。牛奶的新鲜程度是主要问题所在，由于挤奶后的某些微生物入侵导致酸味，并且有可能藏有病原菌，不仅会降低牛奶的质量和口感，饮用后也会增加食源性疾病的患病几率。因此，在牛奶行业和家庭厨房，会采取煮沸的方式去除不需要的微生物，这种方法在技术上被称为“巴氏灭菌”。

评估巴氏灭菌准确性的验证试验之一是检测所包含的碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，以下简称ALP）。全球已经开发了多种基于先进仪器的ALP检测，然而通常都需要多个步骤，无法通过收集站分析为现场所用。因此，开发一款能够即时检测ALP的小型生物分析系统就变得尤为迫切。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，来自印度阿萨姆邦印度理工学院古瓦哈提分校（Indian Institute of Technology Guwahati）生物科学和生物工程系的博士生Kuldeep Mahato和他的导师Pranjal Chandra组成的二人组，开发了一款用于在小型环境中进行裸眼ALP检测的免疫生物传感器。本项研究中的ALP被认作牛奶质量的生物标志物，因为其变性点接近于牛奶中存在的大多数病原性微生物菌丛的破坏点。生物传感器基于从纸冲孔机上获得的实验室纸盘废料开发而成。利用简单的化学修饰步骤开发生物传感器探针，然后固定对ALP有选择性的生物受体。生物传感器以自行报告模式（ self-reporting mode）操作，不需要任何额外的标记或标签来生成可测量信号。

图1 说明了生物传感器的配置、传感原理和开发原型。此外，生物传感器易于处理，可在收集/分布时交付结果，并且可在短短几分钟内从未加工的牛奶中区分出巴氏灭菌牛奶。

生物传感器展现了出色的分析性能，ALP的预估检测范围为10-1000 U/mL，检测极限为0.87 U/mL，检测仅需13分钟，就能覆盖牛奶中正常发现的ALP浓度范围。它也显示了对ALP分子的高选择性，使得即使存在各种共存分子的情况下，检测结果也能保证准确和有效性。开发出来的生物传感器能够区分未加工的牛奶和巴氏灭菌牛奶，在前一种情况下，ALP水平在生物传感器动态范围内，而在后一种情况下，ALP水平会变得非常低且不会被检测到。

图2 （A）ALP捕获生物传感器探针和传感原理；（B）裸眼定量检测，视觉颜色外观表示在检测范围内存在ALP；（C）使用智能手机相机捕获出现的颜色，通过数字图像比色获得ALP水平的定量检测。

基于已开发的传感机制，研究人员已经开发出一款可用于一次性现场评估检测牛奶中ALP水平的小型化样机。这款样机的制作非常简单，使用可生物降解的聚合物基底作为机械支撑，将纸基材料作为检测区，将有可能会引起广泛的商业关注。完成不同部件的组装后，它变得更为方便，尺寸仅为20.0 x 20.0 x 2.15 mm（长x宽x高），即使放在口袋中的钱包内也绰绰有余。

通过结合其他信号放大的策略，该团队正在努力发挥ALP检测套件的临时分析性能，从而在未来提供更佳的预估能力。现有样机在实验室规模的预估成本不超过1.5美元，然而，作者预计单位成本在商业化大规模生产中还将有可能大幅下降。除了ALP生物传感，该研究小组也在开发多种样机，用于检测各种和食品安全相关且具有重要临床意义的生物标志物。

图3 从左至右分别为：开发小型化ALP套件的Pranjal Chandra教授；检测前后；博士生Kuldeep Mahato。

上述研究成果在文章《Paper-based miniaturized immunosensor for naked eye ALP detection based on digital image colorimetry integrated with smartphone》中有所描述，该论文近期被发表在《生物传感器与生物电子学》（Biosensors and Bioelectronics）杂志上。研究工作由来自印度理工学院古瓦哈提分校的Kuldeep Mahato 和Pranjal Chandra共同展开。