功能化核酸适配子传感器的研究进展

王昆　陶占辉　徐蕾等

摘 要 适配子生物传感器由于其检测灵敏度高、选择性好并具有良好的稳定性和广泛的适用范围等一系列优点在近年来得到了迅速发展，极大地促进了生物传感器的快速发展。本文主要针对利用3种检测方法即电化学、荧光和比色法发展的适配子传感器的研究进展进行综述，并对适配子传感器的发展进行了展望。

关键词 适配子； 生物传感器； 荧光； 电化学； 比色； 综述

1 引 言

生物传感器是利用生物物质作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理信号，从而在分子水平实现对生命物质和化学物质检测和监测的分析仪。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜将尿素或葡萄糖转变为产物，采用pH计或氧电极进行检测[1]。1967年，Updike和Hick将葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺胶体中，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极上，制成了第一支葡萄糖传感器[2]。这是生物分析领域重要的里程碑，标志着生物传感器的诞生。

生物传感器包括生物识别元件和换能器。传感器的工作原理可以简述为生物识别元件识别待测元素， 由换能器将生物化学反应中产生的信息转化为可检测或可处理的化学或物理信号。如图1所示，传感器中生物识别元件决定了其特异性，而识别元件的亲和 性和换能器的选择决定了其响应速度和灵敏度。 [TS（][HT5”SS] 图1 生物传感器的示意图[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物传感器所用的识别元素多为抗体，有很好的特异性和灵敏度，但也有一定的不足：抗体体积较大，只能在生理环境下稳定，且通常需要在动物体内或者细胞环境下获得，极大的限制了生物传感器的发展。直到1996年，Davis等[4]利用荧光标记的核酸适配子制备了第一个核酸适配子生物传感器，标志着生物传感器进入了一个新的时代。

核酸适配子（Aptamer，简称适配子）又称为核酸适体[5，6]，通常是由15～80个碱基组成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指数富集配体系统进化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）筛选获得。其基本原理是由一个庞大的随机单链寡核苷酸库为待筛选全集，目标分子将与呈特异亲合性的寡核苷酸片段结合，在洗脱掉没有高亲和力结合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成为核酸适配体的片段。将得到的片段进行PCR（Polymerase chain reaction）扩增后再继续之前的筛选循环，直到筛选到亲和力最高且最短的有效片段，从而获得对目标分子具有高亲合性、高特异性的配体—核酸适配体[7，8]。与抗体相比，适配子作为识别元素表现出诸多优点，具有合成重复性好、成本低、稳定性好及可逆变性等特点，存储运输方便，可通过自动化的固相合成进行大规模制备。适配子易于功能化修饰，其靶标分子范围广，且能够高特异性识别靶标分子并形成独特的空间结构，从而引起检测信号的改变，可满足作为分子识别元件的要求。

基于上述优点，适配子作为识别元素已被广泛地与荧光、比色、电化学等换能器结合， 发展出一系列新型生物传感器。本文将围绕荧光、比色和电化学适配子传感器介绍其近期的研究进展。

2 荧光适配子传感器

荧光基团可以通过非共价作用、静电作用、疏水作用、镶嵌、共价作用等对适配子进行功能化修饰，基于荧光基团的特性，如消光系数、量子产率、荧光寿命、波长、各向异性和能量转移等，发展出了多种荧光适配子传感器。

通过共价作用与适配子结合制备的荧光适配子传感器有多种。Yamamoto等[9]将适配子分为两个独立的部分，如图2所示。适配子中一部分能形成发夹结构，其两端共价结合上荧光基团和淬灭剂，由于荧光基团和淬灭剂离得很近，产生了荧光共振能量转移现象，发生荧光淬灭。当加入靶分子HIVTat蛋白质后，发夹结构被破坏，并与另一条DNA杂化形成双链，导致荧光基团远离淬灭剂，从而产生较强的荧光信号。利用此原理成功地检测了HIVTat蛋白质[9]。相似地，Stojanovic等[10]也将适配子分为两部分，检测可卡因。

摘 要 适配子生物传感器由于其检测灵敏度高、选择性好并具有良好的稳定性和广泛的适用范围等一系列优点在近年来得到了迅速发展，极大地促进了生物传感器的快速发展。本文主要针对利用3种检测方法即电化学、荧光和比色法发展的适配子传感器的研究进展进行综述，并对适配子传感器的发展进行了展望。

关键词 适配子； 生物传感器； 荧光； 电化学； 比色； 综述

1 引 言

生物传感器是利用生物物质作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理信号，从而在分子水平实现对生命物质和化学物质检测和监测的分析仪。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜将尿素或葡萄糖转变为产物，采用pH计或氧电极进行检测[1]。1967年，Updike和Hick将葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺胶体中，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极上，制成了第一支葡萄糖传感器[2]。这是生物分析领域重要的里程碑，标志着生物传感器的诞生。

生物传感器包括生物识别元件和换能器。传感器的工作原理可以简述为生物识别元件识别待测元素， 由换能器将生物化学反应中产生的信息转化为可检测或可处理的化学或物理信号。如图1所示，传感器中生物识别元件决定了其特异性，而识别元件的亲和 性和换能器的选择决定了其响应速度和灵敏度。 [TS（][HT5”SS] 图1 生物传感器的示意图[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物传感器所用的识别元素多为抗体，有很好的特异性和灵敏度，但也有一定的不足：抗体体积较大，只能在生理环境下稳定，且通常需要在动物体内或者细胞环境下获得，极大的限制了生物传感器的发展。直到1996年，Davis等[4]利用荧光标记的核酸适配子制备了第一个核酸适配子生物传感器，标志着生物传感器进入了一个新的时代。

核酸适配子（Aptamer，简称适配子）又称为核酸适体[5，6]，通常是由15～80个碱基组成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指数富集配体系统进化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）筛选获得。其基本原理是由一个庞大的随机单链寡核苷酸库为待筛选全集，目标分子将与呈特异亲合性的寡核苷酸片段结合，在洗脱掉没有高亲和力结合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成为核酸适配体的片段。将得到的片段进行PCR（Polymerase chain reaction）扩增后再继续之前的筛选循环，直到筛选到亲和力最高且最短的有效片段，从而获得对目标分子具有高亲合性、高特异性的配体—核酸适配体[7，8]。与抗体相比，适配子作为识别元素表现出诸多优点，具有合成重复性好、成本低、稳定性好及可逆变性等特点，存储运输方便，可通过自动化的固相合成进行大规模制备。适配子易于功能化修饰，其靶标分子范围广，且能够高特异性识别靶标分子并形成独特的空间结构，从而引起检测信号的改变，可满足作为分子识别元件的要求。

基于上述优点，适配子作为识别元素已被广泛地与荧光、比色、电化学等换能器结合， 发展出一系列新型生物传感器。本文将围绕荧光、比色和电化学适配子传感器介绍其近期的研究进展。

2 荧光适配子传感器

荧光基团可以通过非共价作用、静电作用、疏水作用、镶嵌、共价作用等对适配子进行功能化修饰，基于荧光基团的特性，如消光系数、量子产率、荧光寿命、波长、各向异性和能量转移等，发展出了多种荧光适配子传感器。

通过共价作用与适配子结合制备的荧光适配子传感器有多种。Yamamoto等[9]将适配子分为两个独立的部分，如图2所示。适配子中一部分能形成发夹结构，其两端共价结合上荧光基团和淬灭剂，由于荧光基团和淬灭剂离得很近，产生了荧光共振能量转移现象，发生荧光淬灭。当加入靶分子HIVTat蛋白质后，发夹结构被破坏，并与另一条DNA杂化形成双链，导致荧光基团远离淬灭剂，从而产生较强的荧光信号。利用此原理成功地检测了HIVTat蛋白质[9]。相似地，Stojanovic等[10]也将适配子分为两部分，检测可卡因。

摘 要 适配子生物传感器由于其检测灵敏度高、选择性好并具有良好的稳定性和广泛的适用范围等一系列优点在近年来得到了迅速发展，极大地促进了生物传感器的快速发展。本文主要针对利用3种检测方法即电化学、荧光和比色法发展的适配子传感器的研究进展进行综述，并对适配子传感器的发展进行了展望。

关键词 适配子； 生物传感器； 荧光； 电化学； 比色； 综述

1 引 言

生物传感器是利用生物物质作为识别元件，将生化反应转变成可定量的物理信号，从而在分子水平实现对生命物质和化学物质检测和监测的分析仪。1962年，Clark和Lyons提出用含酶的膜将尿素或葡萄糖转变为产物，采用pH计或氧电极进行检测[1]。1967年，Updike和Hick将葡萄糖氧化酶固化在聚丙烯酰胺胶体中，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极上，制成了第一支葡萄糖传感器[2]。这是生物分析领域重要的里程碑，标志着生物传感器的诞生。

生物传感器包括生物识别元件和换能器。传感器的工作原理可以简述为生物识别元件识别待测元素， 由换能器将生物化学反应中产生的信息转化为可检测或可处理的化学或物理信号。如图1所示，传感器中生物识别元件决定了其特异性，而识别元件的亲和 性和换能器的选择决定了其响应速度和灵敏度。 [TS（][HT5”SS] 图1 生物传感器的示意图[3]

Fig.1 Illustration of the preparation of biosensor[3] [HT5][TS）]

早期生物传感器所用的识别元素多为抗体，有很好的特异性和灵敏度，但也有一定的不足：抗体体积较大，只能在生理环境下稳定，且通常需要在动物体内或者细胞环境下获得，极大的限制了生物传感器的发展。直到1996年，Davis等[4]利用荧光标记的核酸适配子制备了第一个核酸适配子生物传感器，标志着生物传感器进入了一个新的时代。

核酸适配子（Aptamer，简称适配子）又称为核酸适体[5，6]，通常是由15～80个碱基组成的寡聚DNA或RNA分子，可利用指数富集配体系统进化法（Systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）筛选获得。其基本原理是由一个庞大的随机单链寡核苷酸库为待筛选全集，目标分子将与呈特异亲合性的寡核苷酸片段结合，在洗脱掉没有高亲和力结合的寡核苷酸后，剩余的即有可能成为核酸适配体的片段。将得到的片段进行PCR（Polymerase chain reaction）扩增后再继续之前的筛选循环，直到筛选到亲和力最高且最短的有效片段，从而获得对目标分子具有高亲合性、高特异性的配体—核酸适配体[7，8]。与抗体相比，适配子作为识别元素表现出诸多优点，具有合成重复性好、成本低、稳定性好及可逆变性等特点，存储运输方便，可通过自动化的固相合成进行大规模制备。适配子易于功能化修饰，其靶标分子范围广，且能够高特异性识别靶标分子并形成独特的空间结构，从而引起检测信号的改变，可满足作为分子识别元件的要求。

基于上述优点，适配子作为识别元素已被广泛地与荧光、比色、电化学等换能器结合， 发展出一系列新型生物传感器。本文将围绕荧光、比色和电化学适配子传感器介绍其近期的研究进展。

2 荧光适配子传感器

荧光基团可以通过非共价作用、静电作用、疏水作用、镶嵌、共价作用等对适配子进行功能化修饰，基于荧光基团的特性，如消光系数、量子产率、荧光寿命、波长、各向异性和能量转移等，发展出了多种荧光适配子传感器。

通过共价作用与适配子结合制备的荧光适配子传感器有多种。Yamamoto等[9]将适配子分为两个独立的部分，如图2所示。适配子中一部分能形成发夹结构，其两端共价结合上荧光基团和淬灭剂，由于荧光基团和淬灭剂离得很近，产生了荧光共振能量转移现象，发生荧光淬灭。当加入靶分子HIVTat蛋白质后，发夹结构被破坏，并与另一条DNA杂化形成双链，导致荧光基团远离淬灭剂，从而产生较强的荧光信号。利用此原理成功地检测了HIVTat蛋白质[9]。相似地，Stojanovic等[10]也将适配子分为两部分，检测可卡因。