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
毒性化合物（toxic compounds，水样/土壤/沉积物）、重金属（heavy metals，如Hg/As，水样/土壤/沉积物）、多环芳烃（PAHs，土壤/水样）、苯衍生物（benzene derivatives，液体样品）、萘/水杨酸（naphthalene/salicylate，环境水样）、L-阿拉伯糖（L-arabinose，液体样品）、DNA损伤剂（DNA damaging agents，液体样品）、雄激素化合物（androgenic compounds，液体/细胞样品）、病原菌（pathogenic bacteria，水/空气/食品样品）、钙离子（Ca2+，细胞/生物样品）
检测原理
全细胞光学生物传感器以工程化活细胞为识别元件，目标物通过诱导特定启动子、激活代谢通路或造成毒性抑制来改变报告基因表达或细胞代谢。Lux系统由luxAB编码荧光素酶，在FMNH2、O2和长链脂肪醛存在下氧化发光，luxCDE可再生醛底物，实现自主连续发光；Luc催化LH2在ATP-Mg2+和O2下氧化，产生562 nm黄绿光；Aequorin结合Ca2+后触发coelenterazine环化，释放CO2并发出465 nm蓝光；GFP需激发光产生504 nm荧光。光信号经光纤、PMT、CMOS微光度计或APD转换为电信号，光强或光子数随分析物生物可利用浓度变化，基因表达与酶催化提供信号放大。
检测灵敏度
原文未报告统一LOD、线性范围、灵敏度斜率或R^2；相关数值：Luc可检测约10−19 mol荧光素酶（2.4 × 10^5 molecules）；Aequorin结合试验灵敏度可达10−21 mol；MOEMS最小可检测信号109 photons/sec/cm2；APD在低ppm浓度萘啶酸诱导下具有足够灵敏度。
效应效果
综述指出全细胞传感器可反映分析物生物可利用性，优于仅测总浓度的质谱等仪器，适合现场、连续、高通量监测。选择性依赖工程化启动子、噬菌体宿主特异性或B细胞抗原识别，可多路复用；PANTHER系统3分钟内检测21种病原。稳定性方面，乳胶固定室温约2个月、冷藏可达1年，电纺PVA纳米纤维-20°C保存3个月，芽孢生物报告菌货架期约8个月，Aequorin 4°C一个月保留85%活性、冻干后>1年。BBIC为1.5×1.5 mm、3 mW，可手持；128通道CMOS支持多分析物指纹；APD量子效率>90%。未报告统一RSD、回收率或与ELISA/HPLC/qPCR直接对比。
传感器的构成
- 基底/换能器：光纤、CMOS微光度计、PMT、微流控芯片/生物反应器，用于承载细胞并采集光信号
- 固定化/封装层：琼脂、琼脂糖、海藻酸、聚丙烯酰胺、壳聚糖、聚乙烯醇(PVA)、溶胶-凝胶、乳胶、电纺PVA纳米纤维、PVA-SbQ光敏聚合物，用于固定全细胞并保持活性
- 识别元件：工程化全细胞生物报告菌（E. coli、V. fischeri、P. putida、Bacillus sp.、S. cerevisiae、B细胞等），含目标物响应启动子或毒性响应机制
- 信号标记物：细菌荧光素酶Lux、萤火虫荧光素酶Luc、水母荧光素Aequorin、绿色荧光蛋白GFP，用于产生生物发光或荧光
- 信号读出：PMT、CMOS微光度计、APD、CCD、光纤光度计，用于将光信号转换为电信号
中文摘要
全细胞基因改造生物报告系统被设计为在响应目标分析物或相关分析物组时发出可检测信号；当与能够测量这些信号的换能器集成后，即形成生物传感器，可作为自包含分析系统，用于基础和应用环境、医学、药理学及农业科学。历史上，这类装置主要关注绿色荧光蛋白、水母荧光素、萤火虫荧光素酶和/或细菌荧光素酶等信号蛋白。本文综述了这些传感器系统的生物化学与遗传学发展，以及各自的优势、挑战和常见应用。全细胞生物传感器能够指示分析物的生物可利用性，即分析物对活系统的作用与相互作用，而不仅测量总浓度，因而可揭示对更高等生物（如人类）的潜在毒性相互作用。文章还讨论了生物报告菌固定化方法、光学信号机制及与光纤、CMOS微光度计、PMT等换能器的集成。
英文摘要
Whole-cell, genetically modified bioreporters are designed to emit detectable signals in response to a target analyte or related group of analytes. When integrated with a transducer capable of measuring those signals, a biosensor results that acts as a self-contained analytical system useful in basic and applied environmental, medical, pharmacological, and agricultural sciences. Historically, these devices have focused on signaling proteins such as green fluorescent protein, aequorin, firefly luciferase, and/or bacterial luciferase. The biochemistry and genetic development of these sensor systems as well as the advantages, challenges, and common applications of each one will be discussed.