组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
病原微生物核酸（DNA/RNA，水样/食品/环境样品）、转基因大豆 DNA（Roundup Ready soybean，食品/植物样品）、17β-雌二醇（17β-estradiol，水样/环境样品）、Pb2+（铅离子，电镀污泥/地下水/饮用水）、污染物诱导 DNA 损伤（DNA damage by pollutants，环境水样/细胞裂解液/基因组 DNA）
检测原理
核酸生物传感器以寡核苷酸探针、适配体（aptamer）或 DNAzyme 作为识别元件，固定于金电极、碳丝网印刷电极、SPR 金膜、QCM 或微悬臂梁等换能器表面。目标 DNA/RNA 与探针杂交，或污染物与适配体/DNAzyme 结合后，引起界面质量、折射率、电荷分布或氧化还原可及性变化。标记型体系利用荧光基团/淬灭剂、电化学活性化合物、AuNPs 或酶放大信号；无标记型通过 SPR 共振角位移、QCM 频率下降、电流/阻抗变化直接读出。DNAzyme 17E 在 Pb2+ 存在下催化底物切割，使荧光增强或阻止 AuNP 聚集，颜色由蓝变红；PCR/NASBA 可指数扩增目标核酸，提高检测灵敏度。信号随被测物浓度增加而增强或减弱。
检测灵敏度
LOD: 0.1 nM（17β-雌二醇）；LOD: 11 nM（Pb2+）；线性范围: 100 nM–4 mM（Pb2+）；LOD: 40 大肠杆菌细胞/mL（E. coli）
效应效果
综述指出，核酸生物传感器可快速、低成本、现场筛查环境污染物，但多数系统在准确度和重现性上仍难完全替代色谱等标准方法，适合监管与工业常规筛查。适配体电化学传感器检测 17β-雌二醇具有良好选择性，LOD 0.1 nM；Pb2+ DNAzyme 微流控传感器在电镀污泥标准物质中结果与认证值偏差 4.9%，显示对复杂基质的选择性；比色法检测范围 100 nM–4 mM，可通过 DNAzyme 与突变体比例调节；光学试纸条可检测 40 大肠杆菌细胞/mL，且仅活细胞响应，避免死细胞假阳性；DNA 加合物检测达低飞摩尔。作者认为纳米材料、微流控和 lab-on-a-chip 将提升便携性、多路检测与单分子分析。
传感器的构成
- 基底/换能器：金电极（Au）工作电极，提供电子转移界面。
- 修饰/固定层：亲和素（avidin）/链霉亲和素（streptavidin）与生物素（biotin）相互作用，固定识别元件。
- 识别元件：17β-雌二醇 DNA 适配体（DNA aptamer），特异性结合目标分子。
- 氧化还原探针：铁氰化钾（K3Fe(CN)6），作为电子供体/受体，产生可测电流。
- 参比/对电极：Ag/AgCl 参比电极与 Pt 对电极，构成三电极体系。
- 读出层：循环伏安（CV）/方波伏安（SWV）电流信号，反映结合后电子转移变化。
中文摘要
核酸基生物传感器在环境污染与毒性检测中的应用日益增加。生物传感器是一种将生物或生物来源识别元件与物理化学换能器紧密集成的紧凑型分析装置；核酸基生物传感器以具有已知碱基序列的寡核苷酸或复杂 DNA/RNA 结构作为识别元件，可用于检测 DNA/RNA 片段，也可用于检测生物或化学物种。当 DNA/RNA 本身为分析物时，传感器通过杂交反应进行识别，也称为基因传感器；当 DNA/RNA 作为受体时，可特异性结合目标蛋白、污染物或药物等。本文综述了核酸基生物传感器在环境监测中的最新进展与应用，重点讨论功能核酸元件（适配体、DNAzyme、aptazyme）以及芯片实验室技术，并概述光学、电化学、质量、磁性和微机械等换能机制。
英文摘要
Nucleic acid-based biosensors are finding increasing use for the detection of environmental pollution and toxicity. A biosensor is defined as a compact analytical device incorporating a biological or biologically-derived sensing element either integrated within or intimately associated with a physicochemical transducer. A nucleic acid-based biosensor employs as the sensing element an oligonucleotide, with a known sequence of bases, or a complex structure of DNA or RNA. Nucleic acid biosensors can be used to detect DNA/RNA fragments or either biological or chemical species. In the first application, DNA/RNA is the analyte and it is detected through the hybridization reaction (this kind of biosensor is also called a genosensor). In the second application, DNA/RNA plays the role of the receptor of specific biological and/or chemical species, such as target proteins, pollutants or drugs. Recent advances in the development and applications of nucleic acid-based biosensors for environmental application are reviewed in this article with special emphasis on functional nucleic acid elements (aptamers, DNAzymes, aptazymes) and lab-on-a-chip technology.