组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
三价砷（As(III)）、镉（Cd(II)）；样品基质为纯化水、自来水、瓶装矿泉水等饮用水。
检测原理
该传感器利用细菌转录调控中反式因子与顺式元件的体外相互作用。GFP 标记的 ArsR 或 CadC 蛋白在无金属状态下结合固定化在链霉亲和素微孔板上的生物素标记 cis element（Oars-30-down 或 Pcad-Ocad-50）。当水样中的 As(III) 或 Cd(II) 与蛋白结合后，蛋白发生构象变化，失去与 cis element 的结合能力，并从固相表面解离进入上清。由于 GFP 与蛋白融合，解离量随金属浓度增加而增加，上清中 490/530 nm 荧光强度随之升高。样品直接加入冻干复合物中孵育 15–30 min，即可用便携式荧光计读取信号，无需酶催化或细胞培养放大。
检测灵敏度
LOD: 1 μg/L Cd(II)（纯化水）；LOD: 5 μg/L As(III)（纯化水）；LOD: 10 μg/L Cd(II) 和 As(III)（自来水及瓶装矿泉水）；冻干传感器 LOD: 5 μg/L As(III) 和 Cd(II)（荧光计）
效应效果
在纯化水中，Cd(II) 和 As(III) 的检出限分别为 1 μg/L 和 5 μg/L；在自来水和瓶装矿泉水中均为 10 μg/L。冻干传感器在 4 °C 无冻干保护剂条件下稳定，仍可响应 5 μg/L 的 As(III) 或 Cd(II)。与火焰 AAS（约 1 mg/L）和 ICP-AES（30 μg/L）相比，检出限更低；检测时间仅需 As(III) 30 min、Cd(II) 15 min，明显短于全细胞生物传感器通常 2–3 h 的响应时间。作者指出 ArsR-GFP 对 Sb(III) 也有响应，CadC-GFP 对 Pb(II)、Zn(II) 和 Sb(III) 有交叉响应；水硬度会影响 CadC-GFP 信号，硬水（203 mg/L as CaCO3）中荧光降低，需设置硬度对照。未报告 RSD 和加标回收率。
传感器的构成
- 基底/微孔板：Reacti-bind 链霉亲和素包被高结合黑色 96 孔微孔板，提供固相载体。
- 固定化 cis element：5′或3′生物素标记双链 DNA 片段（Oars-30-down 或 Pcad-Ocad-50），经生物素-链霉亲和素结合固定，作为蛋白识别位点。
- 识别/信号融合蛋白：GFP 标记 ArsR（ArsR-GFP）或 CadC（CadC-GFP），无金属时结合 cis element，结合金属后解离并释放 GFP 荧光。
- 孵育缓冲液：KPB 或 Tris-HCl 缓冲液，含 NaCl 和鲑精 DNA，维持蛋白-DNA 相互作用并降低非特异结合。
- 洗涤液：KP-T 缓冲液（10 mM 磷酸钾 pH 6.0，0.05% Tween20），洗去未结合蛋白。
- 冻干保存层：冻干后的 ArsR-GFP/CadC-GFP 与 cis element 复合物，4 °C 稳定，样品直接复水。
- 信号读出：上清液 GFP 荧光，490/530 nm，用微孔板荧光计或手持荧光计测量。
中文摘要
饮用水中砷、镉等有毒金属对人体健康具有危害，现场快速检测具有重要意义。本研究开发了一种基于绿色荧光蛋白（GFP）标记金属结合蛋白的固相荧光生物传感器，用于饮用水中有毒金属离子的现场检测。GFP 标记的 ArsR 和 CadC 蛋白在无金属状态下可结合固定化在微孔板表面的顺式元件（cis element）；当分别结合 As(III) 或 Cd(II) 后，蛋白构象改变并失去与顺式元件的结合能力，从而从固相表面解离进入上清。将含金属水样直接加入由 GFP-ArsR 或 GFP-CadC 与固定化顺式元件组成的复合物中孵育后，通过测定上清中释放的 GFP 荧光强度定量金属浓度。荧光强度随砷或镉浓度升高而显著增加。使用电池驱动便携式荧光计，在纯化水中 Cd(II) 和 As(III) 的检出限分别为 1 μg/L 和 5 μg/L，在自来水和瓶装矿泉水中均为 10 μg/L；冻干复合物在 4 °C 稳定，仍可响应 5 μg/L 的 As(III) 或 Cd(II)。该传感器操作简便、快速、便携，适用于饮用水中有毒金属的现场评估。
英文摘要
The presence of toxic metals in drinking water has hazardous effects on human health. This study was conducted to develop GFP-based-metal-binding biosensors for on-site assay of toxic metal ions. GFP-tagged ArsR and CadC proteins bound to a cis element, and lost the capability of binding to it in their As- and Cd-binding conformational states, respectively. Water samples containing toxic metals were incubated on a complex of GFP-tagged ArsR or CadC and cis element which was immobilized on a solid surface. Metal concentrations were quantified with fluorescence intensity of the metal-binding states released from the cis element. Fluorescence intensity obtained with the assay significantly increased with increasing concentrations of toxic metals. Detection limits of 1 μg/L for Cd(II) and 5 μg/L for As(III) in purified water and 10 µg/L for Cd(II) and As(III) in tap water and bottled mineral water were achieved by measurement with a battery-powered portable fluorometer after 15-min and 30-min incubation, respectively. A complex of freeze dried GFP-tagged ArsR or CadC binding to cis element was stable at 4 °C and responded to 5 μg/L As(III) or Cd(II). The solid phase biosensors are sensitive, less time-consuming, portable, and could offer a protocol for on-site evaluation of the toxic metals in drinking water.