核酸適配體光學生物傳感器在卡那霉素檢測中的研究進展

吳亞 徐智輝 張彪 趙冬芳 曹文欣 張興平

（長江大學生命科學學院，荊州 434025）

卡那霉素是一種氨基糖苷類抗生素，由于其水溶性強、抗菌譜廣、對革蘭氏陰性菌的作用強而持久、價格便宜和用藥方便等優點，作為獸藥和飼料添加劑被廣泛應用［1-2］。但如果劑量過大就會大量殘留在動物體內，進而通過食物鏈富集進入人體，引發耳毒性、腎毒性等毒副作用，對神經肌肉接頭產生阻滯作用，引起過敏反應等，嚴重時會致人死亡［3-4］。歐盟、中國、日本等國家明確規定了動物源食品中抗生素的最大殘留量（MRLs）≤200 μg/ kg［5-6］。因此，為預防過量卡那霉素殘留進入人體，保障食品安全和人體健康，迫切需要高效、簡單、靈敏的卡那霉素殘留檢測方法，進一步提高動物源性食品的安全性。

傳統的卡那霉素檢測方法包括高效液相色譜法（High performance liquid chromatography，HPLC）［7］、高效液相色譜-質譜法［8］、酶聯免疫吸附測定［9］、電化學法［10］及毛細管電泳法［11］等。其中，酶聯免疫吸附測定（Enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）使用最為廣泛，這種方法基于抗原抗體的吸附效果。但卡那霉素是半抗原物質，因而效果依賴于抗體的品質變化，且抗體不易操作、容易失活［12］。高效液相色譜-質譜法可以對卡那霉素進行精密檢測，但檢測前復雜的操作步驟，極大的限制了該類方法的使用。電化學法檢測成本低、易微型化和容易實現在線監測，但由于容易受到基質的干擾且電極的修飾比較復雜，因而存在一定的局限性。毛細管電泳法分離效率高、分離速度快、樣品及試劑消耗少，但由于毛細管進樣量少，使光路太短，導致制備能力差，靈敏度較低（表1）。基于上述傳統方法的不足，因而大量開發基于核酸適配體的生物傳感器（Biosensor），以滿足人們對卡那霉素的檢測。生物傳感器是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為光信號、電信號進行檢測的儀器。目前已經開發出了基于電子［13］、電化學［14］、核磁共振［15］和光學傳感［16］等方法檢測抗生素和有毒有害物質。本文將著重介紹核酸適配體光學生物傳感器在卡那霉素檢測中的研究進展。

1990 年，Szostak 和Gold 等首次提出了核酸適配體（Aptamer）這一概念［17-18］。核酸適配體是一段能夠折疊成獨特二級或三級結構的同時能特異性地識別目標物的單鏈DNA 或RNA，通常利用體外篩選技術指數富集的配體系統進化技術（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX），從核酸分子文庫中得到的寡核苷酸片段。由于核酸適配體具有特異性高、穩定性好、容易修飾等特點，目前被廣泛應用于食品和環境監測、蛋白質監測等領域，基于核酸適配體的生物傳感器成為當前檢測技術的前沿研究熱點之一［19-20］。2011 年，Song 等［21］成功篩選到了特異性結合卡那霉素的核酸適配體。

光學生物傳感器利用被測物質與探測試劑反應后引發的光信號作為探測基礎，由于其簡便、靈敏度高、響應快的特點而被廣泛應用于生物醫藥以及食品檢測行業。本文根據其反應機制不同，將光學核酸適配體傳感器分為以下幾類：基于比色法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器、基于熒光法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器和基于化學發光法檢測卡那霉素的適配體傳感等3 大類。本文主要針對這3 類核酸適配體傳感器進行總結與分析，旨在便于人們更多的了解光學核酸適配體傳感器在卡那霉素檢測中的應用特點和發展現狀。

1 基于比色法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器

比色法（Colorimetry）是通過比較或測量有色物質溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法，由于成本低廉、方便快捷以及肉眼可觀察等優點而被廣泛使用［22］。納米金離子（AuNPs）由于其距離依賴的光學性質，因而在比色法傳感器中受到了極大的關注［23］。另一類適配體比色傳感是基于各種酶或模擬酶的催化顯色反應，此類適配體傳感器不僅具備肉眼可見的檢測結果，其中酶促催化的信號放大效應可以獲得更高的靈敏度［24］。

1.1 基于納米金離子聚集顯色反應

表1 傳統檢測方法優缺點比較

2011 年，Song 等［21］設計了一款基于納米金離子的比色法檢測卡那霉素的傳感器，該傳感器原理如圖1-A 所示。核酸鏈可與納米金離子特異性結合，使其不受NaCl 誘導的聚集而變色。加入卡那霉素之后，核酸適配體與卡那霉素結合，納米金離子由于聚集從紅色變為紫色，再對其顏色變化進行分析，可得到關于卡那霉素的濃度曲線。該傳感器檢測限為25 nmol/L，該方法操作簡便，無需標記，但檢測限偏高。2015 年，Xu 等［25］設計了一種基于納米銀離子（AgNPs）比色法檢測卡那霉素。檢測原理與其類似，其檢測范圍為0.1 μmol/L-1.24 μmol/L，檢測限為5.36 nmol/L。該方法相對于納米金離子，成本更低，且有更高的消光系數，因而最近被廣泛用作比色傳感系統。

2017 年，Lai 等［26］設計了一種基于卡那霉素與殼聚糖之間的氫鍵識別檢測卡那霉素的方法，該傳感器原理如圖1-B 所示。殼聚糖表面具有氨基，可以通過靜電作用與帶負電荷的AuNPs 結合。此時加入卡那霉素，它可通過氫鍵相互作用與殼聚糖結合，從而導致AuNPs 相互交聯，顏色由酒紅變為藍色。其檢測范圍是0.01 μmol/L-40 μmol/L，檢測限是8 nmol/L。該方法操作簡單，在實際樣品中檢測偏差較小，且檢測效果肉眼可直接觀察，具有很好的可行性，但由于其缺少信號循環放大過程，導致檢測限偏高。Xu 等［27］設計了一種利用雜交鏈反應輔助信號放大的方法來檢測卡那霉素的新方法。該方法中存在3 個可特異性吸附于AuNPs 上并具有黏性末端的DNA 片段，體系中不存在卡那霉素時，納米金離子由于與DNA 鏈結合而避免其聚合，不會發生變色反應。當體系存在卡那霉素時，適配體DNA 片段與其結合，新暴露的DNA 片段引發一系列的雜交鏈反應，產生大量雙鏈DNA，此時加入NaCl，導致雙鏈DNA 與納米金離子相互排斥，納米金離子聚集而變為藍色。該方法檢測范圍為1 μmol/L-40 μmol/L。

1.2 基于各種酶或模擬酶的催化顯色反應

在復雜的生物流體中，納米金離子存在非特異性聚集變色，這對于其比色法檢測仍然是一個不小的挑戰。2012 年，Sharma 等［28］利用了金納米粒子自身具有過氧化氫酶活性開發了一種超快速和高靈敏度的“關閉/開啟”生物傳感方法檢測卡那霉素，該傳感器原理如圖2-A 所示。納米金離子能催化無色底物3，3′，5，5′-四甲基聯苯胺（Tetramethylbenzidine，TMB）氧化成紫紅色-藍色產物。該實驗先將卡那霉素適配體與納米金離子結合，當體系不存在卡那霉素時，納米金離子因被核酸鏈包裹無法發揮其氧化作用；當體系存在卡那霉素時，核酸適配體與其結合，納米金離子將TMB 氧化為TMBox，再通過將納米金離子的過氧化物酶樣活性變化轉化為卡那霉素濃度的變化，最后，得出該傳感器檢測范圍1 nmol/L-100 nmol/L。該方法相較于傳統方法，避免了納米金離子的非特異性聚集變色而導致的誤差，具有簡單、高效的特點。

圖1 基于納米金離子聚集顯色反應原理圖

2019 年，Chen 等［29］結合核酸外切酶Ⅲ對其檢測信號進行循環擴增，從而達到高效檢測卡那霉素的目的。該方法的原理如圖2-B 所示，S1為G-四鏈體，具有DNAzyme 序列（具有催化功能的DNA 分子），S2為卡那霉素核酸適配體，S2與S1可以配對結合從而抑制其催化活性，使其進入“信號關閉”狀態。當加入卡那霉素時，卡那霉素與核酸適配體S2結合，釋放的S1恢復DNAzyme 活性，呈現“信號開啟”狀態，結合血紅素將TMB 氧化變色，通過顏色變化得到卡那霉素濃度曲線。如果沒有核酸外切酶Ⅲ的介導，僅僅只有一定量的卡那霉素與一定量的適配體結合，釋放的S1是一定的，產生的信號也是一定的。但是如果加入了外切酶Ⅲ的介導，S1的量便會增加。此時卡那霉素適配體可與其互補序列S3結合，核酸外切酶Ⅲ可從雙鏈DNA 3′末端進行剪切，適配體被破壞導致卡那霉素釋放，卡那霉素又重新與核酸適配體S2結合，使得S1鏈不斷被積累，從而達到信號循環放大效果，實現了對卡那霉素的超靈敏檢測。該方法檢測范圍0.21 pmol/L-20.62 nmol/L，檢測限為0.093 pmol/L，該方法優點是無需特異性標記，且對其信號有循環擴增，與常規方法相比靈敏度得到了極大的提高。Cui 等［30］也采用類似的雙缺口酶信號放大方法設計了一種傳感器，利用G-四鏈體與血紅素結合將2，2′-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS2-）氧化為ABTS1-的顏色變化來對卡那霉素進行檢測，該方法有效的減少了G-四鏈體自身組裝的背景信號，檢測限低至14.7 pmol/L。

圖2 基于各種酶或模擬酶的催化顯色反應原理圖

基于比色法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器成本低，操作簡便，并且檢測效果肉眼直接可見，且大部分都是基于納米金離子的聚集顯色效應實現對卡那霉素的檢測分析，另一部分是基于各種酶的催化顯色反應，利用酶切進行信號循環擴增，從而實現了對卡那霉素的精準檢測。由于金納米粒子對鹽離子的耐受性較差，且模擬酶對檢測條件也要求較高，因而這類方法也存在一定的局限性。

2 基于熒光法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器

帶有熒光探針的生物傳感器由于其雜交動力快速、易于自動化，越來越受到科研人員的重視［31］。基于熒光的配位體主要基于兩種模式：標記型的和非標記型的配位體傳感器［32］。

2.1 基于熒光標記型傳感器

2017 年，Liao 等［33］利用熒光素標記的核酸鏈作為報告基團對卡那霉素進行檢測，該方法的原理如圖3-A 所示。該方法首先對一條核酸鏈末端進行熒光素標記；另一條為卡那霉素適配體。當體系中不存在卡那霉素時，兩條核酸鏈互補結合，熒光素可正常發出熒光；當體系存在卡那霉素時，卡那霉素與適配體結合，雙鏈去雜交，另外一條鏈與碳納米管（CNT）發生非共價結合，因而熒光信號淬滅，熒光強度與卡那霉素濃度成反比。此傳感器檢測范圍為1.0 nmol/L-50 nmol/L，檢測限為0.4 nmol/L。該方法缺點是需要熒光素標記，操作流程較為復雜，且沒有信號循環放大處理，因而檢測限偏高。

2018 年，Ahmed 等［34］利用1，4-二取代-1，2，3-三氮唑作為報告基團開發了一種檢測卡那霉素生物傳感器，該方法原理如圖3-B 所示。兩段卡那霉素核酸適配體分別被生物素和Cus 納米顆粒標記。只有當體系中存在卡那霉素時，其適配體才能結合形成頸環結構，Cu2+可在磁鐵吸附作用下從適配體被解離，再用抗壞血酸鈉將Cu2+還原為Cu1+，此還原過程催化3-疊氮基-7-羥基香豆素生成1，4-二取代-1，2，3-三氮唑。1，4-二取代-1，2，3-三氮唑產生強烈的熒光信號與卡那霉素量成正比，其檢測范圍為0.04 nmol/L-20 nmol/L。該方法不足之處是需要對兩條鏈末端分別進行標記，操作流程相對復雜，且不同批次的標記探針存在差異，對操作技能要求較高。

2.2 基于熒光法非標記型傳感器

2014 年，Wu 等［35］設計了一種基于熒光共振能 量 轉 移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET）檢測卡那霉素的傳感器，該傳感器原理圖如4-A 所示。光納米粒子（UCUPs）與石墨烯分別為能量供受體，將卡那霉素適配體固定在光納米粒子上，適配體與石墨烯之間的π π 堆積作用使光納米粒子與石墨烯接近，此時由于二者距離相近，導致光納米粒子熒光淬滅，處于信號關閉狀態。體系存在卡那霉素時，適配體結合卡那霉素變為發卡結構，而發卡結構對石墨烯的親和力較低，導致石墨烯從適配體上解離下來，二者距離變遠，光納米粒子熒光恢復。該傳感器檢測范圍為0.01 nmol/L-3 nmol/L，檢測限為9 pmol/L。該方法無需特異性標記，對卡那霉素有良好的特異性，且不受其它抗生素的干擾，在實際生活中有廣闊的應用前景。

圖3 基于熒光法標記型傳感器原理圖

2015 年，Xing 等［36］首次報道了結合卡那霉素的核酸適配體可自發形成平行G-四鏈體DNA 結構，該方法的原理如圖4-B 所示。當該G-四鏈體結構結合噻唑橙（TO）時，可發出強烈的熒光。當體系存在卡那霉素時，G-四鏈體結合卡那霉素，噻唑橙被替換，此時熒光信號顯著下降，熒光信號與卡那霉素濃度成反比，從而達到檢測的目的。該方法檢測范圍為0.1 mmol/L-20 mmol/L，檢測限為59 nmol/L。該方法無需標記，操作簡單易行，缺點是缺少信號循環放大過程，檢測限較高。2018 年，Zhu 等［37］也利用G-四鏈體與硫黃素T（Thioflavin T，ThT）結合發光的性質設計了一種傳感器，該傳感器由兩個發卡結構結合形成，中部為富含鳥嘌呤（G）的寡核酸鏈。當加入硫黃素T 且不存在卡那霉素時，富G 寡核酸鏈形成G-四鏈體結構，并發出強烈的熒光；當體系存在卡那霉素時，卡那霉素與核酸適配體結合，G-四鏈體結構無法形成導致熒光信號下降。該傳感器在卡那霉素濃度0.7 nmol/L-10 nmol/L 范圍內線性關系良好，檢測限為0.37 nmol/L。該方法不需要復雜的實驗技術，選擇性強，能有效的檢測實際樣品中的卡那霉素。

2018 年，Zhang 等［38］利 用 雜 交 鏈 式 反 應（Hybridization chain reaction，HCR）與SYBR Green I熒光染料發光現象，研制了一種新的傳感器，該生物傳感器的原理如圖4-C 所示。該方法利用SYBR Green I 為報告基團，利用其熒光信號的升降來檢測其含量。該方法首先用S1與S2核酸鏈與卡那霉素適配體結合，形成Y 形DNA 探針被固定在金條上，S3將H1和H2核酸鏈固定于磁條上。當體系存在卡那霉素時，核酸適配體與其結合導致S2釋放，觸發了H1和H2從磁條上的釋放，溶液中出現了很多雙鏈，H1和H2用于信號放大器。利用SYBR Green I 染料特異性侵入DNA 雙鏈發射熒光信號的原理，對卡那霉素進行定量分析，因此卡那霉素含量越高，釋放的雙鏈越多，染色熒光信號就越高。該方法檢測限為0.93 pmol/L，其克服了HCR 的非特異性擴增，利用金棒和磁棒特異性吸附，使其信號得到了放大，提高了檢測靈敏度，且無需標記。

2018 年，Dehghani 等［39］設計了一種基于二氧化硅納米顆粒（MSN）和羅丹明B 作為熒光探針的新型生物傳感器檢測卡那霉素，該生物傳感器的原理如圖4-D 所示。二氧化硅納米顆粒先與羅丹明B結合，再用雙鏈DNA 分子進行門控固定。當加入卡那霉素時，雙鏈DNA 分子中的卡那霉素適配體與其結合，從而揭開毛孔導致羅丹明B 泄露，熒光強度增加，通過測量熒光強度來檢測卡那霉素的存在。該傳感器檢測范圍為24.75 nmol/L-137.15 nmol/L，檢測限為7.5 nmol/L。該方法還可檢測血清中卡那霉素含量，并可將與其他抗生素分離開來。

基于熒光類檢測卡那霉素是目前最流行的方法之一，由于其具有極高的靈敏度、易于檢測［40-41］，且大多采用分光光度計對其進行信號檢測，通過熒光強度的變化實現對卡那霉素的定量檢測，對實驗儀器要求低。對于標記型與非標記型兩類傳感器，區別在于標記型傳感器需要對探針進行熒光標記，且不同批次的探針可能存在檢測差異；非標記型傳感器無需探針的耗時標記以及分離純化，有效的降低了不同批次探針的差異。因而表現出了極大的優勢，實現了對卡那霉素的精準檢測。

圖4 基于熒光法非標記型傳感器原理圖

3 基于化學發光檢測卡那霉素的適配體傳感器

基于化學發光的卡那霉素適配體傳感器因其裝置成本低廉、不需要外部光源或光學元件以及較寬的線性檢測范圍等優點而被公認為是一種優良的分析方法。

2013 年，Leung 等［42］利用發光鉑（II）絡合物與卡那霉素適配體結合形成發卡結構發光的現象而制備的傳感器，該生物傳感器的原理如圖5-A 所示。當體系不存在卡那霉素時，該結構發光信號低；當卡那霉素存在時，卡那霉素適配體從無規卷曲變為發卡結構，這有利于鉑復合物插入其中，從而發出強烈的化學信號。該方法檢測范圍為0.2 μmol/L-150 μmol/L，檢測限為143 nmol/L，操作簡單快捷，缺點是沒有信號循環擴增，檢測限較高。

2018 年，Yao 等［43］基于金納米團簇催化并結合磁珠（MBs）的分離，開發了一種低背景化學發光傳感器，該生物傳感器的原理如圖5-D 所示。該傳感器包括兩條DNA 鏈，分別為DNA1和DNA2，DNA1為卡那霉素適配體，它可通過酰胺化方式被固定于被許多氨基修飾的磁珠上。DNA25′端可通過紫外線輔助方法與納米金粒子結合，其3′端與DNA1互補結合。當體系存在卡那霉素時，DNA1與其結合，DNA2則被迫釋放。此時富集的納米金離子則催化H2O2分解，其中單氧可氧化魯米洛（Luminol）發出藍光。該傳感器檢測限為0.035 nmol/L，并且，該傳感器僅通過改變固定在磁珠上的適配體就可以用于分析不同的靶標，能夠靈活的用于各種不同的抗生素的檢測。Hao 等［44］基于碘苯酚（Iodophenol）構建了ABEI（N-（4-氨基丁基）-N-乙基異魯米諾）AuNPs-H2O2-PIP 穩態化學發光體系檢測卡那霉素、土霉素及四環素。該傳感器首先將這3 類抗生素的適配體通過親和素固定于孔板上，以ABEI-AuNP 為信號探針，此時抗生素與探針競爭性的與適配體結合，探針結合適配體后可催化H2O2分解，氧化PIP發光，此時發光程度與抗生素濃度成反比。該方法對于卡那霉素檢測范圍為0.01 nmol/L-1.03 nmol/L，檢測限為0.004 nmol/L。該方法能同時檢測3 類抗生素，且選擇性較好，因而呈現了巨大的發展潛力。

圖5 基于化學發光法檢測卡那霉素的核酸適配體傳感器原理圖

該類方法所需的化學發光物質種類較少，常見的有魯米諾和氨丁基乙基異魯米諾等，且有些物質發光性能不穩定，如魯米洛，化學發光反應2 min后，光發射強度達到最高峰，20 min 后，光強度減少20%，并且檢測效果也因不同的設計方案呈現很大的區別，存在一定的檢測局限性。但該類方法由于不需要納米顆粒、免疫試劑或衍生寡核苷酸，因此具有一定的經濟優勢。

4 總結與展望

核酸適配體傳感器的飛速發展，為檢測食品中抗生素的含量提供了新方法。同時引入具有特殊光學性質的納米材料構筑新型適配體傳感器，能夠進一步提高檢測方法的靈敏度和選擇性。以上3 類傳感器各有優劣，基于比色法的傳感器因其操作方便，檢測結果肉眼可見而受到人們的青睞，但其檢測限偏高；基于熒光法的傳感器是目前應用最廣泛的適配體傳感器之一，其檢測方式多種多樣，且其檢測限最低；基于化學發光的傳感器檢測限也偏高，且對其研究相對較少，但由于其不需要外部光源或光學元件，因而存在一定的應用前景。這幾類方法的檢測范圍層次不齊，大部分檢測限都偏高，距離實際應用還有很長的距離。因此，有效的信號擴增技術是解決該問題的重要途徑，可將酶切循環技術與卡那霉素核酸適配體及最近比較流行的G-四鏈體發光技術相結合，以達到高效、靈敏地檢測卡那霉素的目的。對這些方法的探索將進一步為食品安全檢測提供新的技術支撐。