許文濤：功能核酸生物感測器檢測金屬離子的研究進展

功能核酸是指具有特定結構和功能的天然或人工核酸序列，其具有識別、轉化、催化、顯色、發光、電子傳遞、封閉、運輸、材料等功能。功能核酸主要是通過體外指數富集的配基系統進化技術（Systematic evolution ofligands by exponential enrichment, SELEX）篩選獲得。在基因合成、蛋白質表達、免疫調節等生命過程中，金屬離子是必不可少的微量元素。隨著人類工業化進程的不斷加速，越來越多的金屬離子被排放到環境中，而金屬離子一般不能降解，隨著食物鏈不斷富集，從而導致環境中金屬離子污染越來越嚴重。因此，對金屬離子快速、高效的定性、定量的檢測成為目前關注的熱點。功能核酸具有易於修飾、價格低廉、穩定性高、特異性強等優點，被廣泛應用於金屬離子的檢測。本文詳細介紹了功能核酸與金屬之間的相互作用，主要包括DNA/RNA切割型、連接型、錯配型、點擊化學型、構象改變型以及其它類型；以及功能核酸與不同信號輸出方式相結合的生物感測器。最後討論了功能核酸在金屬離子檢測過程中的優勢以及現存的問題，對功能核酸生物感測器未來的發展方向以及應用前景進行了展望。

一、功能核酸與金屬離子的相互作用

圖1. (A)切割型催化機制；(B): 8-17 DNAzyme二級結構；(C):10-23 DNAzyme的二級結構

圖2. (A)氧化機制的DNA切割型；(B),水解機制的DNA切割型

圖3.連接型DNA (A)2』-5』RNA連接；(B)3』-5』RNA連接

二、功能核酸生物感測器的應用

熒光生物感測器基於熒光計對輸出信號進行檢測，並且隨著手提式熒光計的不斷發展，熒光生物感測器朝著高靈敏度、攜帶型方向發展。熒光生物感測器大體可以分為兩種：標記熒光基團的生物感測器和無標記熒光基團的生物感測器。其中，標記熒光基團的生物感測器需要將熒光基團和猝滅基團通過共價鍵鏈接在DNA序列上，以滿足靶標物質的檢測；無標記熒光基團的生物感測器具有製作成本低、周期短等特點，而受到廣泛關注。

圖4.熒游標記的功能核酸生物感測器檢測Pb2+：(A)單標記熒光感測器；(B)雙標記熒光感測器；(C)序列內部熒游標記感測器

圖5.未標記熒光基團的功能核酸熒光生物感測器：(A)基於Picogreen染料檢測Pb

2+；(B)基於聚T檢測Cu2+

雖然熒光生物感測器對於金屬離子檢測能提供較高的靈敏度和選擇性，但其仍需要設備進行信號輸出，實際應用中即使是體積較小的可提式熒光計也不便於原位和實時監測，而且熒光基團的標記周期和費用相對於比色生物感測器也沒有優勢。因此，比色生物感測器檢測重金屬是理想的方法，具有操作簡單、價格低廉，且可通過直接的顏色變化進行半定量等特點，對於具有實時原位檢測要求的樣品更彰顯其意義。

圖6.標記的功能核酸比色生物感測器檢測Pb

2+

圖7.非標記的比色生物感測器檢測(A) Ag

+和(B)Pb2+; (C)利用邏輯門檢測Mg2+和UO22-的感測器

電化學方法儀器簡單、操作方便、靈敏度高、易於微型化、適於進行在線分析和實時環境檢測，但是某些貴金屬電極昂貴，修飾過程較繁瑣。

三、總結與展望

隨著工業化進程的不斷發展，大量的污染物不斷被排放到環境中，人類活動對生態環境造成的影響日趨顯現，尤其是重金屬離子對人類健康的影響更顯著。如何快速、低成本的對這些金屬離子進行實時監測，成為當前亟待解決的課題。功能核酸由於具有特異性強、穩定、易於修飾、與金屬離子的作用方式多種多樣，在開發檢測金屬離子的生物感測器方面倍受重視。目前功能核酸生物感測器主要包括熒光、比色、電化學三種檢測方式。雖然功能核酸生物感測器具有很多優點，但仍然存在一些缺點和不足，主要表現在：（1）目前功能核酸生物感測器對金屬離子的檢測主要集中在Hg2+，Pb2+，Cu2+，K+，Ag+，UO22+等，對其他離子的研究較少；（2）當前研究的生物感測器大多停留在實驗室理論研究方面，商品化的實際應用較少。因此，功能核酸生物感測器在很多方面亟待提高，如發現新的功能核酸，拓展金屬離子的檢測範圍；提高功能核酸的敏感性和結合親核性；伴隨著納米材料（金納米粒子、碳納米管、氧化石墨烯、量子點等）的不斷發展，將功能核酸與納米材料相結合提高檢測的靈敏度；完善金屬離子在體內的檢測方法；完成高通量分析，或者多重金屬檢測，同時開發出簡便、易攜帶、穩定、重複性好，能進行實時定量原位檢測的生物感測器等。

點評：

1.簡單總結了目前功能核酸生物感測器檢測金屬離子的研究進展，為相關人員提供較為全面的參考信息；

2. 文中主要以功能核酸與金屬離子之間的作用關係為基礎，對相關生物感測展開介紹。

3. 目前納米材料也是研究生物感測的重要元件，相當多的生物感測器是基於此發展起來的，文章應該加以補充完善。

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Z.-H. Du, X.-Y. Li, J.-J. Tian, Y.-Z.Zhang, H.-T. Tian, W.-T. Xu, Progress on Detection of Metals Ions by FunctionalNucleic Acids Biosensor, Chinese Journal of Analytical Chemistry, 46(2018)995-1004.

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