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
萘啶酸（nalidixic acid, NA）；样品基质：LB 培养基/水样（水毒性检测）
检测原理
萘啶酸（NA）作为 DNA 损伤型毒素进入工程大肠杆菌，激活 SOS 修复通路，使 recA 启动子激活，诱导 luxCDABE 报告基因表达。LuxAB 荧光素酶催化长链脂肪醛（R-CHO）与还原型黄素单核苷酸 FMNH2 及 O2 反应，生成 FMN、脂肪酸、水和可见光；LuxCDE 还原酶/酰基转移酶复合物将脂肪酸转化为脂肪醛，维持底物供应。基因表达与酶促底物循环构成生物放大，毒素浓度越高，启动子激活和酶表达越强，生物发光速率越高。SPAD 在 Geiger 模式对 ~490 nm 光子进行计数，光子计数服从泊松统计；通过扣除暗计数并应用截止频率约 2 mHz/20 mHz 的数字低通匹配滤波，提高弱信号信噪比。信号随 NA 浓度呈正相关。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
实验显示，PMT 光子计数下 NA 为 5、8、13 ppm 时，模型与实测生物发光速率高度一致；SPAD 在 5、15、20 ppm 下可测得低强度发光，且信号与毒素浓度正相关。SPAD 暗计数约 270×10^3 s^-1，PMT 约 100 s^-1；量子效率分别为 0.4 和 0.2，增益 7.5×10^5 与 10^6。应用截止频率 20 mHz 的数字低通滤波后，前 50 min 弱信号信噪比改善，性能接近 PMT。有效带宽约 2 mHz。未报告选择性、稳定性、RSD 或实际样品回收率。作者认为 SPAD 可集成传感与信号处理，适合低成本、小型化在线水毒性监测。
传感器的构成
- 反应腔基底：聚甲醛（POM/Delrin）生物芯片，10 µL 反应腔，承载菌液与毒物混合。
- 生物识别元件：工程化大肠杆菌 DPD2794（recA::luxCDABE 融合），recA 启动子响应 SOS 毒素损伤。
- 报告基因元件：luxCDABE 编码荧光素酶 LuxAB、还原酶 LuxCDE 和酰基转移酶 LuxD，催化生物发光。
- 反应介质：LB 培养基，细菌浓度 5×10^11 cells/L，提供代谢底物与生长环境。
- 被测物：萘啶酸（nalidixic acid, NA），作为 DNA 损伤型毒素触发 SOS 响应。
- 光学换能器：单光子雪崩光电二极管 SPAD（Hamamatsu C10507-11-50U MPPC）或光电倍增管 PMT（H7467），Geiger 模式光子计数。
- 信号处理：数字低通/匹配滤波器（DSP），截止频率约 20 mHz，提高弱信号信噪比。
中文摘要
全细胞生物传感器可用于在线和原位环境监测。本文提出一种基于遗传工程大肠杆菌的全细胞生物发光生物传感器，用于水毒性检测。该菌株携带 recA::luxCDABE 启动子-报告基因融合，以 SOS 响应识别毒素。采用 Geiger 模式工作的单光子雪崩光电二极管（SPAD）实现高灵敏度光学检测。作者建立了描述大肠杆菌生物发光 SOS 毒素反应动力学的简单数学模型，发现初始生物发光信号与时间平方相关，光谱强度与频率成反比，且理论模型与实测光信号高度一致。实验比较了 SPAD 与光电倍增管（PMT）对生物发光信号的测量，并证明应用匹配数字滤波器可改善弱信号检测。全细胞传感器暴露于 5、15 和 20 ppm 不同毒物浓度后，均测得低强度生物发光信号。
英文摘要
Whole-cell biosensors are potential candidates for on-line and in situ environmental monitoring. In this work we present a new design of a whole-cell bioluminescence biosensor for water toxicity detection, based on genetically engineered Escherichia coli bacteria, carrying a recA::luxCDABE promoter-reporter fusion. Sensitive optical detection is achieved using a single photon avalanche photodiode (SPAD) working in the Geiger mode. The present work describes a simple mathematical model for the kinetic process of the bioluminescence based SOS toxin response of E. coli bacteria. We find that initially the bioluminescence signal depends on the time square and we show that the spectral intensity of the bioluminescence signal is inverse proportional to the frequency. We get excellent agreement between the theoretical model and the measured light signal. Furthermore, we present experimental results of the bioluminescent signal measurement using a SPAD and a photomultiplier, and demonstrate improvement of the measurement by applying a matched digital filter. Low intensity bioluminescence signals were measured after the whole-cell sensors were exposed to various toxicant concentrations (5, 15 and 20ppm).