適配體傳感器在磺胺類抗生素檢測中的應用研究進展

郭紅嘉，肖淑艷*，董忠平

（內蒙古科技大學 a.材料與冶金學院；b.內蒙古自治區先進陶瓷材料與器件重點實驗室，內蒙古 包頭 014010）

近年來隨著人們對健康問題關注度不斷提升，抗生素的濫用成為亟待解決的問題之一[1-7]。磺胺類抗生素能夠通過抑制葉酸代謝抑制大多數革蘭氏陽性菌和部分革蘭氏陰性菌的生長繁殖，因此在水產養殖和畜牧業中應用十分廣泛[8-9]。磺胺類抗生素在體內的循環周期較短，會通過排泄等方式流入環境，它的長期積累會破壞原有的環境菌群，并使目標菌種產生抗藥性。有研究顯示，即使環境中的抗生素只有較低濃度也可能導致基因突變或產生慢性效應[10]。基于此，如何對環境中的抗生素含量進行高效檢測成了不可忽視的核心問題。傳統的檢測方法包括感官法、免疫法、高效液相色譜法等[11-12]。其中，感官法易受操作者主觀影響，免疫法的重現性低、成本高、標本處理慢，液相色譜法對設備要求高。近年來，適配體生物傳感器以其出色的準確性和便攜性引起了廣泛關注[13-14]。

1 適配體生物傳感器簡介

適配體生物傳感器是以適配體為識別原件，利用適配體-目標物質特異性反應，并將由此產生的生物化學信號轉化為可測量的光、電、熱量、顏色等信號的檢測工具。其工作過程分為3個步驟（如圖1所示）：第一步分子識別，經擴散作用，待測物與適配體特異性結合；第二步信號轉換，將生化結合事件轉化為易于測量的光、電、能量等信號；第三步信號放大，通過適當的放大器將信號放大，得到更直觀的測試結果。相較于傳統的檢測手段，適配體生物傳感器具有靈敏度高、速度快、選擇性強等優點[15]。按照不同的傳感方式，生物傳感器可分為適配體電化學傳感器、適配體熒光傳感器、適配體比色傳感器等。

圖1 適配體生物傳感器的工作原理

2 適配體電化學傳感器

適配體電化學傳感器是通過適配體和目標分子在電極表面特異性結合引起電化學信號的改變實現對目標物的定性和定量分析。根據測量方法不同或者接收信號的方式不同可以分類為：電流傳感器、電位傳感器、電導傳感器和表面電荷傳感器。

YOU[16]等報道了一種電流型適配體傳感器用于磺胺二甲氧嘧啶的高靈敏檢測。作者設計并制備了富勒烯C60-石墨烯-甲苯胺藍-金納米粒子復合材料用于固定信號探針。在金電極表面通過Au—S鍵固定捕獲探針，適配體和捕獲探針雜交形成雙鏈。在磺胺二甲氧嘧啶存在的情況下，適配體和磺胺二甲氧嘧啶結合形成適配體-磺胺二甲氧嘧啶復合物，捕獲探針與信號探針雜交，通過電活性甲苯胺藍與電極之間的電子轉移產生電化學響應信號。而適配體被RecJf核酸外切酶剪切，磺胺二甲氧嘧啶被釋放，參與下一個反應循環，進一步實現信號放大。該適配體傳感器對磺胺二甲氧嘧啶的檢測范圍是10 fg·mL-1至10 ng·mL-1。

MOHAMMAD-RAZDARI[17]等利用還原氧化石墨烯和金納米粒子對鉛筆石墨電極進行改性并在電極表面修飾適配體，構建了一種用于檢測食物中磺胺二甲氧嘧啶的電化學傳感器。在最優條件下，生物傳感器對磺胺二甲氧嘧啶的定量范圍為10-15～10-5mol·L-1，檢出限為3.7×10-16mol·L-1。與其他類型的傳感器相比，該電化學傳感器表現出較高的靈敏性、穩定性和選擇性。

ZHANG[18]等設計了金屬有機框架基光電活性材料，通過有機配體功能化、金屬離子摻雜、金屬有機框架衍生、半導體多級敏化及電子傳輸介質雜化等手段對金屬有機框架進行改性，并結合適配體識別技術構建了一系列光電化學傳感器，所構建的光電化學適配體傳感器對不同濃度的氨芐西林具有良好的光電響應性能，線性響應范圍為0.5 pmol·L-1至10 nmol·L-1，檢測限為0.25 pmol·L-1。

3 適配體熒光生物傳感器

適配體熒光生物傳感器利用光物質作為指示劑，有選擇地將目標物質的化學信號轉變成可測量的熒光信號以實現對目標分子的定性或定量測量。熒光強度、衰減速率、光譜性狀以及熒光各向異性等都可作為信號檢測手段，具有快速準確、多靶標、高靈敏度、原位檢測等優勢。

SONG[19]等利用熒光素修飾的適配體和配位聚合物納米帶構建了一種用于檢測食品中磺胺二甲氧嘧啶殘留的適配體傳感器。當體系中存在磺胺二甲氧嘧啶時，熒光素修飾的適配體吸附在配位聚合物納米帶上，熒光猝滅；體系中存在磺胺二甲氧嘧啶時，磺胺二甲氧嘧啶與熒光素修飾的適配體相互作用，降低了適配體在配位聚合物納米帶上的吸附，熒光增強。該傳感器的檢測限為10 ng·mL-1。

YOUN[20]等報道了一種高選擇性、高靈敏的傳感平臺用于多種抗生素同時檢測。將磺胺二甲氧嘧啶、卡那霉素和氨芐西林的適配體分別用菁染料Cy3、6-羧基熒光素和菁染料Cy5-修飾，氧化石墨烯可以淬滅這3種不同熒光團的熒光。在抗生素存在的情況下，適配體通過氫鍵、靜電力和空間匹配等作用與抗生素結合，適配體脫離氧化石墨烯的表面，熒光恢復。采用DNase I輔助目標物循環放大信號，信號比未放大法提高了2.1倍。該傳感器可以同時高效檢測3種抗生素，對溶液中磺胺二甲氧嘧啶、卡那霉素和氨芐西林的檢測限分別為1.997、2.664、2.337 ng·mL-1。

KOU[21]等開發了一種基于氧化石墨烯猝滅羧基熒光素標記適配體熒光信號的生物傳感器，用于檢測動物源性食品中磺胺二甲嘧啶殘留。在沒有磺胺二甲嘧啶的情況下，熒光標記的適配體通過π-π作用吸附在氧化石墨烯表面，熒光猝滅。當磺胺二甲嘧啶存在時，適配體與磺胺二甲嘧啶特異性結合并脫離氧化石墨烯表面，熒光恢復。該方法對磺胺二甲嘧啶的檢測限為0.35 ng·mL-1。

CHEN[22]等開發了由適配體、金納米粒子和碲化鎘量子點組成的無標記適配體熒光傳感器，用于檢測水中和魚類中的磺胺二甲氧嘧啶。在沒有靶標磺胺二甲氧嘧啶的情況下，由于適配體的保護，金納米粒子分散在鹽溶液中，可以有效地猝滅碲化鎘量子點的熒光。在磺胺二甲氧嘧啶存在的情況下，磺胺二甲氧嘧啶和適配體結合，失去適配體保護的金納米粒子在鹽溶液中聚集，量子點的熒光恢復。該方法對磺胺二甲氧嘧啶的檢測范圍為10～250 ng·mL-1，檢測限為1.54 ng·mL-1。

4 適配體比色生物傳感器

適配體比色生物傳感器是利用目標產物與適配體結合實現可視化信號輸出，用酶標儀或分光光度計測量吸光度以完成對目標物的定性或定量檢測。比色生物傳感器具有靈敏、快速、簡單的優勢[23]。YAN[24]等開發了一種靈敏、經濟的適配體比色生物傳感器，用于磺胺二甲氧嘧啶的檢測。金納米粒子具有類過氧化物酶樣活性。它們能催化過氧化氫氧化3,3,5,5-四甲基聯苯胺，溶液由紅色變成藍色。適配體能夠使金納米粒子表面鈍化，抑制其類過氧化物酶活性。當磺胺二甲氧嘧啶存在時，適配體脫離金納米粒子表面，金納米粒子的催化性能重新被激活。溶液的顏色變化與分析物濃度相關。在最優檢測條件下，磺胺二甲氧嘧啶的檢測限為10 ng·mL-1，線性范圍為0.01～1 000 μg·mL-1。

5 結束語

各學科的深入研究和交叉發展極大地促進了適配體生物傳感器在磺胺類抗生素檢測中的進步，但仍存在一定問題需要改進：適配體生物傳感器的靈敏度有待提高，將適配體與新型納米材料、生物放大技術結合能夠顯著提高檢測的靈敏度；與種類繁多的磺胺類藥物相比，適配體種類有限，制約適配體傳感器的發展。因此優化適配體分離技術，開發選擇性更好、親和力更強的磺胺類藥物適配體勢在必行。隨著各個學科的發展，適配體生物傳感器將會在環境監測、食品安全和疾病診斷等領域發揮越來越重要的作用。