核酸适配体传感器在四环素类抗生素检测中的应用（一）

四环素类抗生素作为一类广谱抗生素被广泛用于控制细菌感染，由于其化学性质相对稳定，超量使用和不当处理均会导致其在土壤、水体、食品中的残留严重，给人类公共健康带来重大威胁。检测四环素类抗生素所采用的方法通常为高效液相色谱法、免疫分析法等，这些方法具有耗时长、操作步骤复杂、成本高等局限性，因而开发敏感、快捷、经济的检测方法尤为重要。核酸适配体作为一种新型生物识别分子，具有亲和力高、稳定性强、制备成本低、特异性强等明显优势，被广泛应用于食品安全、环境监测、生物医药等多个领域，在四环素类抗生素的快速分析中占有重要地位。本文主要综述了用于四环素类抗生素检测的核酸适配体传感器，主要包括荧光、比色、电化学、表面等离子体共振、表面增强拉曼光谱等适配体传感器，并阐述了适配体传感器最新研究进展以及各种方法的优缺点。 

引言
四环素类抗生素是一类广谱抗生素，在化学结构上属于多环并四苯羧基酰胺母核的衍生物，包括四环素(tetracycline，TC)、土霉素(oxytetracycline，OTC)和金霉素(aureomycin，AM)等。因四环素类抗生素具有良好的抗菌性能，且成本低廉、副作用小，被用于控制人类和动物的细菌感染，但其广泛应用导致土壤、水、牲畜以及奶制品等积累的四环素类抗生素通过食物链传播到人体。四环素类抗生素在体内的积累可能削弱人体的免疫系统、引起抗生素耐药性等危害。对于过敏性体质，四环素类抗生素的积累会引起过敏或中毒反应，甚至抑制骨骼生长。为了减少其对人体健康造成危害，许多国家和团体设定了食品中四环素类抗生素的最大残留限量(maximum residue limits，MRL)，中国国家标准规定牛奶中四环素、土霉素和金霉素的最大残留限量为0.10 mg/kg。目前，常见的四环素类抗生素检测方法有免疫分析法、高效液相色谱法、毛细管电泳法、液相色谱-质谱联用法，但这些方法操作复杂，需要训练有素的操作人员，且耗时长。因此，建立快速、准确、简单和灵敏的四环素类抗生素检测方法是非常必要的。

核酸适配体(aptamer，Apt)是通过指数富集配体系统进化技术(system aticevolution of ligands by exponential enrichment，SELEX)从DNA或RNA随机序列文库中获得，对特定靶标具有识别和结合特性的短链核酸，具有性质稳定、生物相容性好、易于修饰和合成等优点，且能够与离子、毒素、抗生素、蛋白质和病毒等众多靶分子结合。通过将适配体与靶分子之间的识别和结合作用转化为灵敏的光学、电化学等检测信号建立的生物传感技术在分析检测领域得到了广泛关注。本文综述了检测四环素类抗生素的适配体传感器及最新进展，以期为适配体传感器的发展提供参考。

1 核酸适配体传感器在四环素类抗生素检测方面的应用
生物传感器一般以酶、抗体、生物组织、功能核酸等生物活性物质为识别元件，以与目标物间的特异性反应所产生的信号作为信号元件，实现对目标物的定性定量检测。根据不同的传感信号，生物传感器可分为比色、荧光和电化学传感器等。生物传感器因利用生物活性物质而具有特异性强、灵敏度高的特点，并且响应速度快、体积小、易于操作，具有非常广阔的应用前景。核酸适配体具有高度灵活且易于设计的结构，因此可用来建立多种多样的生物传感器。目前，四环素、土霉素、强力霉素的适配体均已被筛选出来，具体信息如表1所示。筛选出来的适配体被越来越多地用于建立四环素类抗生素的检测方法，目前已被建立的检测方法如表2所示，主要有荧光、比色、电化学、表面等离子体共振、表面增强拉曼光谱等适配体传感器。

1.1 荧光适配体传感器
荧光适配体传感器主要是根据适配体与目标物结合引起体系荧光性能的变化而建立起来的传感器。荧光变化值与目标物浓度呈现一定的关系，从而实现目标分子的定量检测。根据荧光基团和适配体的作用方式，可分为标记型和非标记型荧光适配体传感器。

荧光分析法具有较高的灵敏度，但自身具有荧光的生物分子在自然界中并不常见，因此，适配体通常被标记荧光基团以产生可测量的信号。近几年，基于荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer，FRET)的传感器被广泛应用于四环素类抗生素的检测。适配体在与目标物结合前后构象发生变化，影响荧光供体和受体之间能量转移效率，从而产生荧光信号变化。将荧光方法的高灵敏度与适配体的高选择性结合，利用传统有机荧光染料以及碳点、量子点、上转换发光材料等纳米荧光材料，建立荧光传感器。5-羧基荧光素(fluorescein amidite，FAM)、异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate，FITC)、Cy3、Cy5等荧光基团常用于标记型适配体传感器，以实现荧光信号的输出。基于荧光基团标记和淬灭功能纳米材料的荧光适配体传感器原理如图1所示，在适配体的一端标记荧光基团，加入具有荧光猝灭能力的纳米材料如氧化石墨烯、碳纳米管等能够淬灭其荧光;而当有目标物存在时，其与适配体相结合，导致适配体与纳米材料的距离发生改变，从而阻止FRET过程，引起荧光恢复。TAN等设计一种基于氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)水凝胶的标记型荧光传感器检测土霉素。腺苷和适配体作为交联剂以连接GO片，形成三维宏观结构。适配体与目标物结合后改变标记在适配体上的FAM和GO片之间的距离，导致荧光恢复。在最佳条件下，土霉素的线性响应范围为25～1000μg/L，定量限为25μg/L。

在实际应用中，荧光染料存在抗光漂白性差、荧光性能易受外界因素影响等缺点，因此一些性能更为优异的荧光纳米材料被应用于荧光传感器的构建。OUYANG等[23]开发了一种基于稀土掺杂的上转换纳米粒子(upconversion nanoparticles，UCNPs)的适配体传感器检测食品中四环素，连接适配体的磁性纳米颗粒(aptamer-magnetic nanoparticles，aptamer-MNPs)和连接互补序列的UCNPs(c DNA-UCNPs)分别用作捕获探针和信号探针。加入四环素后，适配体优先与四环素结合并引起一些c DNA-UCNPs的释放，导致磁性纳米颗粒表面上的荧光信号降低。在最佳条件下，四环素的检测线性范围为0.01～100 ng/m L，检出限(limit of detection，LOD)为0.0062 ng/m L。

标记型适配体传感器往往需要复杂的共价修饰或化学标记，与非标记型适配体传感器相比成本更高，批间差异更大，并且适配体的亲和性与选择性可能受到影响。近几年，越来越多的非标记型核酸适配体传感器被建立，其主要利用DNA插入型染料、碱基位点结合染料、金属纳米材料等。由于四环素适配体及土霉素适配体为G-四联体结构，所以基于图2的原理被设计应用，当没有目标物时，对G-四联体结构敏感的荧光探针的荧光强度较高，加入目标物导致G-四联体结构被破坏，体系荧光降低。SUN等建立一种基于荧光探针噻唑橙(thiazole orange，TO)的非标记适配体传感器用于检测四环素。TO是一种插入型荧光染料，在水溶液中基本无荧光，插入具有G-四联体结构的四环素适配体时，荧光发射强度显著增强。当目标物存在时，适配体与目标物的特异性结合，导致G-四联体结构被破坏，TO被释放出来，荧光强度显著降低。在最佳条件下，其线性检测范围为0.05～100μg/m L，LOD低至0.029μg/m L。用该方法测定加标样品牛奶中的四环素时，回收率为90.0%～108.0%，与高效液相色谱法所得结果基本一致，证实了该方法的可靠性和准确性。非标记型的荧光适配体传感器设计独特，需要了解适配体的二级结构及其与目标物的结合位点，应用的普遍性收到限制。

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