组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
砷（arsenic，As，以砷酸盐 arsenate/As(V) 和亚砷酸盐 arsenite/As(III) 形式）；样品基质：饮用水、地下水（含匈牙利污染地下水样品）
检测原理
该传感器以基因工程大肠杆菌为识别与换能单元。菌株携带arsR响应启动子/操纵子（BBa_J33201）和lacZ'报告基因（BBa_J33202）。当样品中存在砷酸盐或亚砷酸盐时，砷进入细胞或改变形态，与ArsR阻遏蛋白相互作用，解除启动子阻遏，诱导β-半乳糖苷酶表达。β-半乳糖苷酶催化培养基中的乳糖发酵产酸，使溶液pH下降。培养基中的溴百里酚蓝（BTB）在pH约7.6至6之间由蓝变黄，颜色变化速率和出现时间与砷浓度相关：砷浓度越高，诱导越强，产酸越快，变色越早。NaHCO3可增强低砷条件下的诱导和pH响应。最终通过肉眼观察或摄像头RGB图像定量读出。
检测灵敏度
原文报告 less than 10 ppb arsenate；最低颜色响应 5 ppb arsenic（less than 24 h）
效应效果
该传感器在静态37°C孵育下可检测低于10 ppb砷酸盐，5 ppb在<24 h内出现颜色响应；最多可同时监测50个样品。空气干燥细胞室温保存至少2周仍可靠响应，冷冻干燥细胞适合更长储存。抗干扰方面，磷酸盐无影响，碳酸氢盐增强低砷响应；527 ppm铁(II)和0.76 ppm锌（分别为报告最高浓度的9倍和4倍）未明显改变性能。匈牙利污染地下水样品（有效浓度0.5、24、48 ppb）中，24和48 ppb约24 h开始变色，0.5 ppb约48 h后变色，无砷对照无显著变化。作者认为其比原子吸收光谱更廉价、适合现场，比GFP系统无需紫外激发，可视觉读数。
传感器的构成
- 反应容器：1.5 ml微离心管与37°C孵育架，承载样品并支持静态孵育
- 培养基层：ABM6（peptone、yeast extract、K2HPO4、NaHCO3），提供营养与缓冲，NaHCO3增强低砷响应
- 指示剂层：溴百里酚蓝（BTB，0.1 g/L）或溴甲酚紫，随pH变化产生蓝-黄/绿颜色变化
- 识别元件：E. coli JM109/pSB1A2-BBa_J33203，含arsR响应启动子BBa_J33201与ArsR阻遏蛋白，识别砷酸盐/亚砷酸盐
- 报告元件：lacZ'（BBa_J33202）编码β-半乳糖苷酶，砷诱导表达并催化乳糖发酵
- 底物层：乳糖（lactose，10 g/L），作为β-半乳糖苷酶底物，发酵产酸降低pH
- 细胞保存层：空气干燥或冷冻干燥细胞，含乳糖保护剂，便于室温储存与分发
- 读数系统：网络摄像头、Image Pro 7.0与Matlab，采集RGB颜色并校准pH变化
中文摘要
全球估计超过1亿人受砷污染地下水影响，孟加拉国和西孟加拉国是最严重地区之一。现场砷检测需要一种简单、廉价、准确且可抛弃的设备。作者此前报道了一种以pH变化为输出的新型砷生物传感器，可通过pH指示剂的颜色变化进行视觉检测。本文提出改进的试验配方，使样品在静态过夜孵育条件下即可敏感、准确地检测低于10 ppb的砷酸盐。此外，作者描述了一种廉价、简单的高通量系统，可同时对多达50个样品进行连续pH监测，并记录颜色变化随时间的变化。传感器细胞可制成空气干燥或冷冻干燥形式储存和分发。该系统在匈牙利东南部砷污染地下水样品中成功验证。作者希望继续开发该传感器，形成适合现场试验的设备。
英文摘要
Arsenic contaminated groundwater is estimated to affect over 100 million people worldwide, with Bangladesh and West Bengal being among the worst affected regions. A simple, cheap, accurate and disposable device is required for arsenic field testing. We have previously described a novel biosensor for arsenic in which the output is a change in pH, which can be detected visually as a colour change by the use of a pH indicator. Here, we present an improved formulation allowing sensitive and accurate detection of less than 10 ppb arsenate with static overnight incubation. Furthermore, we describe a cheap and simple high-throughput system for simultaneous monitoring of pH in multiple assays over time. Up to 50 samples can be monitored continuously over the desired time period. Cells can be stored and distributed in either air-dried or freeze-dried form. This system was successfully tested on arsenic-contaminated groundwater samples from the South East region of Hungary. We hope to continue to develop this sensor to produce a device suitable for field trials.