适配体传感器在磺胺类抗生素检测中的应用研究进展

郭红嘉，肖淑艳*，董忠平

（内蒙古科技大学 a.材料与冶金学院；b.内蒙古自治区先进陶瓷材料与器件重点实验室，内蒙古 包头 014010）

近年来随着人们对健康问题关注度不断提升，抗生素的滥用成为亟待解决的问题之一[1-7]。磺胺类抗生素能够通过抑制叶酸代谢抑制大多数革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌的生长繁殖，因此在水产养殖和畜牧业中应用十分广泛[8-9]。磺胺类抗生素在体内的循环周期较短，会通过排泄等方式流入环境，它的长期积累会破坏原有的环境菌群，并使目标菌种产生抗药性。有研究显示，即使环境中的抗生素只有较低浓度也可能导致基因突变或产生慢性效应[10]。基于此，如何对环境中的抗生素含量进行高效检测成了不可忽视的核心问题。传统的检测方法包括感官法、免疫法、高效液相色谱法等[11-12]。其中，感官法易受操作者主观影响，免疫法的重现性低、成本高、标本处理慢，液相色谱法对设备要求高。近年来，适配体生物传感器以其出色的准确性和便携性引起了广泛关注[13-14]。

1 适配体生物传感器简介

适配体生物传感器是以适配体为识别原件，利用适配体-目标物质特异性反应，并将由此产生的生物化学信号转化为可测量的光、电、热量、颜色等信号的检测工具。其工作过程分为3个步骤（如图1所示）：第一步分子识别，经扩散作用，待测物与适配体特异性结合；第二步信号转换，将生化结合事件转化为易于测量的光、电、能量等信号；第三步信号放大，通过适当的放大器将信号放大，得到更直观的测试结果。相较于传统的检测手段，适配体生物传感器具有灵敏度高、速度快、选择性强等优点[15]。按照不同的传感方式，生物传感器可分为适配体电化学传感器、适配体荧光传感器、适配体比色传感器等。

图1 适配体生物传感器的工作原理

2 适配体电化学传感器

适配体电化学传感器是通过适配体和目标分子在电极表面特异性结合引起电化学信号的改变实现对目标物的定性和定量分析。根据测量方法不同或者接收信号的方式不同可以分类为：电流传感器、电位传感器、电导传感器和表面电荷传感器。

YOU[16]等报道了一种电流型适配体传感器用于磺胺二甲氧嘧啶的高灵敏检测。作者设计并制备了富勒烯C60-石墨烯-甲苯胺蓝-金纳米粒子复合材料用于固定信号探针。在金电极表面通过Au—S键固定捕获探针，适配体和捕获探针杂交形成双链。在磺胺二甲氧嘧啶存在的情况下，适配体和磺胺二甲氧嘧啶结合形成适配体-磺胺二甲氧嘧啶复合物，捕获探针与信号探针杂交，通过电活性甲苯胺蓝与电极之间的电子转移产生电化学响应信号。而适配体被RecJf核酸外切酶剪切，磺胺二甲氧嘧啶被释放，参与下一个反应循环，进一步实现信号放大。该适配体传感器对磺胺二甲氧嘧啶的检测范围是10 fg·mL-1至10 ng·mL-1。

MOHAMMAD-RAZDARI[17]等利用还原氧化石墨烯和金纳米粒子对铅笔石墨电极进行改性并在电极表面修饰适配体，构建了一种用于检测食物中磺胺二甲氧嘧啶的电化学传感器。在最优条件下，生物传感器对磺胺二甲氧嘧啶的定量范围为10-15～10-5mol·L-1，检出限为3.7×10-16mol·L-1。与其他类型的传感器相比，该电化学传感器表现出较高的灵敏性、稳定性和选择性。

ZHANG[18]等设计了金属有机框架基光电活性材料，通过有机配体功能化、金属离子掺杂、金属有机框架衍生、半导体多级敏化及电子传输介质杂化等手段对金属有机框架进行改性，并结合适配体识别技术构建了一系列光电化学传感器，所构建的光电化学适配体传感器对不同浓度的氨苄西林具有良好的光电响应性能，线性响应范围为0.5 pmol·L-1至10 nmol·L-1，检测限为0.25 pmol·L-1。

3 适配体荧光生物传感器

适配体荧光生物传感器利用光物质作为指示剂，有选择地将目标物质的化学信号转变成可测量的荧光信号以实现对目标分子的定性或定量测量。荧光强度、衰减速率、光谱性状以及荧光各向异性等都可作为信号检测手段，具有快速准确、多靶标、高灵敏度、原位检测等优势。

SONG[19]等利用荧光素修饰的适配体和配位聚合物纳米带构建了一种用于检测食品中磺胺二甲氧嘧啶残留的适配体传感器。当体系中存在磺胺二甲氧嘧啶时，荧光素修饰的适配体吸附在配位聚合物纳米带上，荧光猝灭；体系中存在磺胺二甲氧嘧啶时，磺胺二甲氧嘧啶与荧光素修饰的适配体相互作用，降低了适配体在配位聚合物纳米带上的吸附，荧光增强。该传感器的检测限为10 ng·mL-1。

YOUN[20]等报道了一种高选择性、高灵敏的传感平台用于多种抗生素同时检测。将磺胺二甲氧嘧啶、卡那霉素和氨苄西林的适配体分别用菁染料Cy3、6-羧基荧光素和菁染料Cy5-修饰，氧化石墨烯可以淬灭这3种不同荧光团的荧光。在抗生素存在的情况下，适配体通过氢键、静电力和空间匹配等作用与抗生素结合，适配体脱离氧化石墨烯的表面，荧光恢复。采用DNase I辅助目标物循环放大信号，信号比未放大法提高了2.1倍。该传感器可以同时高效检测3种抗生素，对溶液中磺胺二甲氧嘧啶、卡那霉素和氨苄西林的检测限分别为1.997、2.664、2.337 ng·mL-1。

KOU[21]等开发了一种基于氧化石墨烯猝灭羧基荧光素标记适配体荧光信号的生物传感器，用于检测动物源性食品中磺胺二甲嘧啶残留。在没有磺胺二甲嘧啶的情况下，荧光标记的适配体通过π-π作用吸附在氧化石墨烯表面，荧光猝灭。当磺胺二甲嘧啶存在时，适配体与磺胺二甲嘧啶特异性结合并脱离氧化石墨烯表面，荧光恢复。该方法对磺胺二甲嘧啶的检测限为0.35 ng·mL-1。

CHEN[22]等开发了由适配体、金纳米粒子和碲化镉量子点组成的无标记适配体荧光传感器，用于检测水中和鱼类中的磺胺二甲氧嘧啶。在没有靶标磺胺二甲氧嘧啶的情况下，由于适配体的保护，金纳米粒子分散在盐溶液中，可以有效地猝灭碲化镉量子点的荧光。在磺胺二甲氧嘧啶存在的情况下，磺胺二甲氧嘧啶和适配体结合，失去适配体保护的金纳米粒子在盐溶液中聚集，量子点的荧光恢复。该方法对磺胺二甲氧嘧啶的检测范围为10～250 ng·mL-1，检测限为1.54 ng·mL-1。

4 适配体比色生物传感器

适配体比色生物传感器是利用目标产物与适配体结合实现可视化信号输出，用酶标仪或分光光度计测量吸光度以完成对目标物的定性或定量检测。比色生物传感器具有灵敏、快速、简单的优势[23]。YAN[24]等开发了一种灵敏、经济的适配体比色生物传感器，用于磺胺二甲氧嘧啶的检测。金纳米粒子具有类过氧化物酶样活性。它们能催化过氧化氢氧化3,3,5,5-四甲基联苯胺，溶液由红色变成蓝色。适配体能够使金纳米粒子表面钝化，抑制其类过氧化物酶活性。当磺胺二甲氧嘧啶存在时，适配体脱离金纳米粒子表面，金纳米粒子的催化性能重新被激活。溶液的颜色变化与分析物浓度相关。在最优检测条件下，磺胺二甲氧嘧啶的检测限为10 ng·mL-1，线性范围为0.01～1 000 μg·mL-1。

5 结束语

各学科的深入研究和交叉发展极大地促进了适配体生物传感器在磺胺类抗生素检测中的进步，但仍存在一定问题需要改进：适配体生物传感器的灵敏度有待提高，将适配体与新型纳米材料、生物放大技术结合能够显著提高检测的灵敏度；与种类繁多的磺胺类药物相比，适配体种类有限，制约适配体传感器的发展。因此优化适配体分离技术，开发选择性更好、亲和力更强的磺胺类药物适配体势在必行。随着各个学科的发展，适配体生物传感器将会在环境监测、食品安全和疾病诊断等领域发挥越来越重要的作用。