快速检测食品过敏原的电化学系统iEAT2

背景与挑战

全球约3.2亿人受食物过敏困扰，微量过敏原即可引发严重反应。传统ELISA方法耗时长（3.5小时），且无法现场检测。第一代iEAT系统虽便携，但缺乏样本预处理功能且仅支持单通道检测。

技术创新

iEAT2的突破包括：

全流程套件：集成手动研磨装置和检测模板，提升过敏原提取效率（61%，较涡旋法提高近一倍）。

多电极并行检测：采用两电极体系，将16个电化学池建模为并联电流源，简化电路设计并实现同步测量。

磁珠免疫富集：通过抗体修饰的磁珠捕获过敏原，结合HRP标记的二抗生成电化学信号（TMB底物）。

图 1.iEAT2 用于现场食品过敏原检测。（A） 化验过程。对食品样本进行处理，以促进过敏原的提取。随后，提取的过敏原在磁珠 （MBs） 上进行免疫捕获，并用检测抗体标记。将标记的 MB 沉积到电极上进行电化学反应，并测量所得电流。HRP，辣根过氧化物酶;TMB，3,3 ′ ，5,5 ′-四甲基联苯胺。（B） 围绕扭力线圈构建机械研磨机。将食品样品和提取缓冲液通过入口引入孔中。拉动连接的绳子会激活线圈，以机械方式分解食品样本，从而提高过敏原提取效率。（C） 不同方法的过敏原提取效率比较：iEAT2（机械研磨机）、涡旋（30 秒）和仅提取缓冲液孵育。通过在米粥 （1 g） 中加入麦醇溶蛋白 （1 mg） 来制备标准样品。iEAT2 方法显示出最高的提取率 （61% 的输入）。数据显示为一式三份测量的平均值 ± 标准差。（D） 一次性检测试剂盒的特点是预装了 MB 和检测抗体的托盘。磁棒阵列有助于在整个分析过程中进行磁珠转移。

图 2.用于多电化学电池的 iEAT2 检测系统。（A） 将双端子电化学电池阵列近似为并联的独立等效电路。每个电池包括一个溶液电阻器 （RS）、一个双层电容器 （C d ） 和一个电流源。（B） 从并联阵列中的四个电化学电池测量电化学电流。反应在所有细胞中单独进行（每个细胞一个反应）或同时进行。细胞之间的串扰可以忽略不计。每个切片显示一式三份测量值的平均值。（C） 观察到单独和平行电化学检测之间非常匹配。每个数据点表示来自有源电化学电池的测量电流。参考线（虚线）以坡度 1 通过原点。数据显示为一式三份测量的平均 ± 标准偏差。（D） 实施了 iEAT2 原型系统。一次性传感器芯片（顶部）由在印刷电路板中制造的电极阵列和连接到顶部的丙烯酸流体室组成。芯片放置在信号读取器（底部）上，由嵌入磁铁的盖子固定。阅读器通过弹簧加载的引脚与芯片进行电接触，并有一个磁铁阵列将磁珠集中在芯片表面。该阅读器包含控制电子元件、显示器和 9 V 电池独立作。该设备由 9 V 电池供电。（E） 检测电子元件的示意图。微控制器通过 16 比 1 多路复用器和模拟开关控制每个电化学电池与接地或电流测量电路的连接。测得的电流通过跨阻放大器转换为电压，然后使用增益放大器进行放大。微控制器将这些电压信号数字化，并将其处理成过敏原浓度值。结果使用表情符号图标显示在外部显示器上：微笑表示安全的过敏原水平，悲伤表示危险水平。系统运行由两个分立开关控制：“Measurement”按钮启动顺序电流测量，“Summary”按钮显示结果。

图 3.iEAT2 测定表征。（A） iEAT2 定量了标准食物基质（米粥）中加标的不同量麦醇溶蛋白。检测限 （7.5 ppm） 低于估计的诱发剂量 14 ppm（由红色虚线表示），这将引发单个食物部分的过敏反应（见表 1）。数据显示为一式三份测量的平均值 ± 标准差。（B） 麦醇溶蛋白的 iEAT2 结果与常规 ELISA 的结果呈强线性相关 （R 2 =0.88）。iEAT2 的检测时间为 15 min，ELISA 的检测时间为 210 min。每个数据点显示一式两份 （ELISA） 和一式三份 （iEAT2） 测量的平均 ± 标准偏差。（C） 对花生 （Ara h1） 和蛋清 （卵清蛋白） 过敏原进行滴定实验。检测限低于各自的诱发剂量（Ara h1 为 6.7 ppm，卵清蛋白为 4 ppm，用红色虚线表示）。数据显示为一式三份测量值的平均 ± 标准差。（D） 检测探针表现出高靶向特异性，同时对脱靶样品产生的信号可以忽略不计。测试样品（米粥）在其各自的阈值剂量下含有特定的过敏原。净电流值减去背景值后表示。数据显示为一式三份测量的平均值 ± 标准差。

图 4.iEAT2 对真实食品的监测。（A） iEAT2 用于量化商业食品中麦醇溶蛋白、Ara h1 和卵清蛋白的含量。该检测在这些产品中检测到预期的过敏原，确认了声明的成分成分。红色虚线表示每种食品的单份份估计的诱发剂量（表 S3）。条形表示重复测量的平均值。（B） 交叉污染检测。准备了一盘含有花生的宫保鸡丁（食物 1）。使用相同的清洁器皿准备第二道蛋炒饭（食物 2）。iEAT2 检测准确鉴定了两个培养皿中的主要过敏原。此外，研究还在蛋炒饭中检测到微量花生过敏原 （Ara h1），表明在烹饪过程中可能存在交叉污染。单独制备的流米作为阴性对照。将所有过敏原数量标准化为标准份量（表 S4），各自的诱发剂量由红色虚线表示。条形表示重复测量的平均值。

性能验证

灵敏度：对麦胶蛋白（gliadin）、花生蛋白Ara h1和卵清蛋白（ovalbumin）的检测限分别为7.5 ppm、0.08 ppm和0.07 ppm，均低于致敏剂量（ED₀₁）。

特异性：交叉反应测试显示，非目标蛋白（如乳蛋白）信号与阴性对照无显著差异。

实际应用：成功检测巧克力中0.19 ppm的花生污染，并识别厨房用具交叉污染导致的痕量过敏原转移。

系统优势

iEAT2的便携式设计（PCB电极芯片）和可扩展性（支持16通道）使其适用于食品生产线和餐饮现场检测。通过更换抗体，系统可扩展至检测坚果（如杏仁Pru du 6）、贝类（原肌球蛋白）等其他过敏原。

社会价值

该技术赋予消费者自主检测能力，减少因误食引发的健康风险。同时，食品企业可借助iEAT2优化生产流程，降低召回风险。未来结合云端数据分析，有望构建全球过敏原监测网络。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117142