鄧莎，董怡，任堯，鄧銳杰，何強

（四川大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065）

重金屬具有毒性大、危害性持久及生物富集性強等特點，是土壤和水體的主要污染物[1,2]，并可以通過轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物、牲畜和魚等食用動植物體內(nèi)以及水源而轉(zhuǎn)移到食品中，成為食品安全領(lǐng)域的一大嚴(yán)重問題。其中，鉛離子（Pb2+）、汞離子（Hg2+）和鎘離子（Cd2+）是三種廣泛存在的金屬污染物，其攝入會極大地危害人體健康，導(dǎo)致貧血、肌肉麻痹、腦神經(jīng)永久性損傷等健康問題[3-5]。近年來，頻發(fā)的“血鉛”、“鎘米”等重金屬污染事件，造成了惡劣的社會影響。為防止攝入重金屬，痕量重金屬離子分析檢測技術(shù)的建立顯得尤為重要。傳統(tǒng)的重金屬分析方法包括原子吸收/發(fā)射光譜法[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[7,8]等，盡管它們具有高準(zhǔn)確性和高靈敏度的優(yōu)點，但其樣品前處理過程復(fù)雜、儀器昂貴、運行成本較高，難以實現(xiàn)食品樣品的臨場檢測[9]。因此，目前亟需開發(fā)快速、可現(xiàn)場操作和可推廣的食品重金屬污染檢測方法。

近年來，以功能核酸為基礎(chǔ)的生物傳感及分析技術(shù)引起廣泛關(guān)注，在重金屬檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力[10,11]。功能核酸是一類通過篩選獲取的具備識別或者催化功能的核酸分子，主要包含核酸適配體、核酶及二者的復(fù)合物。核酸適配體是一類通過指數(shù)富集配體的系統(tǒng)進化（SELEX）技術(shù)篩選出的能高特異性結(jié)合靶分子的DNA或RNA分子[12]；核酶是通過SELEX技術(shù)篩選出的具有催化活性和結(jié)構(gòu)識別能力的DNA或RNA片段[13]。由于功能核酸分子對目標(biāo)分子具有高度的選擇性，以及其結(jié)構(gòu)的可預(yù)測性與可設(shè)計性，目前被廣泛用于包括真菌毒素和抗生素等食品污染物的檢測[14]，特別在重金屬分析領(lǐng)域得到了較廣泛應(yīng)用。例如，Pb2+特異性核酶能夠特異性地催化以Pb2+為輔因子的底物RNA裂解，比其它競爭金屬離子的催化活性高40萬倍[15]，可用于鉛污染檢測。功能核酸對其靶標(biāo)金屬離子具有極高的親和力，可被用于構(gòu)建靶標(biāo)金屬離子觸發(fā)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)核酸探針，同時，可對核酸探針進行化學(xué)修飾和標(biāo)記，通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出檢測信號，檢測多種金屬離子，包括Hg2+[16]、Pb2+[15]、Cd2+[17]、Mg2+[18]、Zn2+[19]和Cu2+[20]等。此外，由于核酸探針具備高的識別特異性，有望在復(fù)雜的食品樣品中實現(xiàn)對靶標(biāo)金屬離子的精準(zhǔn)識別和檢測。本文綜述了功能核酸用于重金屬（鉛、汞和鎘）污染檢測領(lǐng)域的應(yīng)用進展，介紹了由功能核酸構(gòu)建的熒光傳感器和比色傳感器，及功能核酸與納米粒子復(fù)合構(gòu)建的檢測傳感器，突出了功能核酸與微流控技術(shù)、與便攜檢測設(shè)備整合的檢測平臺，為臨場的食品重金屬污染分析提供重要思路。

1 基于核酸探針的食品重金屬污染檢測

1.1 鉛污染

基于功能核酸的熒光傳感器具有靈敏度高、檢測快速的優(yōu)勢，在食品重金屬污染檢測中得到廣泛應(yīng)用。Li等[21]分別在底物鏈5’端和核酶鏈3’端修飾熒光基團和猝滅基團，開發(fā)了一種用于Pb2+檢測的熒光響應(yīng)探針。當(dāng)?shù)孜镦満汀?-17”脫氧核酶鏈雜交，由于熒光能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光基團熒光信號淬滅。當(dāng)體系中加入Pb2+后，核酶鏈被激活，將底物鏈切割成兩個片段，降低底物鏈和核酶鏈的雜交穩(wěn)定性，導(dǎo)致底物鏈脫離核酶鏈，進而恢復(fù)熒光信號。該熒光傳感器的動態(tài)范圍為10 nM～4 μM，并在4 ℃下具備良好的選擇性。然而，該核酸探針存在較高的背景熒光信號，為降低背景信號，對底物鏈進行了雙重修飾，分別在其5’端和3’端修飾熒光基團和猝滅基團，從而使背景熒光得到了顯著抑制[22]。為進一步消除熒光背景，核酶底物鏈被設(shè)計成分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)。分子信標(biāo)是一類具有環(huán)狀區(qū)和莖干區(qū)的寡核苷酸鏈，無靶分子存在時，分子信標(biāo)兩端的熒光基團和猝滅基團相互靠近，發(fā)生猝滅。通過設(shè)計酶鏈結(jié)構(gòu)，使酶鏈與分子信標(biāo)的環(huán)狀區(qū)雜交，在Pb2+存在，核酶切割分子信標(biāo)的環(huán)截面，導(dǎo)致熒光基團與猝滅基團分離并增強熒光型號，在過量的分子信標(biāo)存在下，核酶可多次催化分子信標(biāo)裂解，獲得放大的熒光信號（如圖1所示），該熒光傳感器對Pb2+的檢測限可達0.6 nM[23]，并應(yīng)用于自來水中鉛污染分析。

圖1 GR-5核酶-分子信標(biāo)探針用于Pb2+檢測[23]Fig.1 The mechanism of molecular beacon in Pb2+ detection[23]

納米材料由于獨特的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等性能，可作為優(yōu)異的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件，廣泛應(yīng)用于新型傳感器的構(gòu)建。由于金納米顆粒（AuNPs）的高熒光淬滅能力，Kim等開發(fā)了一種基于脫氧核酶和AuNPs的Pb2+檢測熒光傳感器[24]，底物鏈通過硫醇鍵固定于AuNPs表面。當(dāng)無Pb2+存在時，底物鏈與核酶鏈雜交吸附在AuNPs表面，熒光猝滅。加入Pb2+后，核酶鏈切割底物鏈導(dǎo)致其斷裂，使熒光基團與AuNPs分離，顯示出增強的熒光信號，該法檢測限低至5 nM。利用單鏈DNA、雙鏈DNA與氧化石墨烯不同的相互作用，F(xiàn)an等構(gòu)建了氧化石墨烯（GO）與核酶復(fù)合的探針，其機理是修飾了熒光基團的底物鏈與核酶鏈雜交形成雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，其與GO相互作用弱，游離在溶液中，呈現(xiàn)強熒光信號；當(dāng)體系中添加Pb2+觸發(fā)核酶活性后，底物鏈被切割成兩段，吸附到GO表面上，熒光顯著猝滅。該氧化石墨烯（GO）/核酶復(fù)合探針的檢測限低至0.5 nM[25]。

除上述核酶外，G-四鏈體也被應(yīng)用于重金屬鉛離子污染的檢測中。Pb2+可穩(wěn)定G-四鏈體結(jié)構(gòu)，利用Pb2+引發(fā)的G-四鏈體成型可構(gòu)建Pb2+的快速傳感分析。Xu等設(shè)計了一個雙鏈核酸探針，其中一條鏈為G-四鏈體，在無Pb2+時，兩條互補鏈雜交形成DNA雙鏈，添加Pb2+后，其中一條鏈與Pb2+結(jié)合形成穩(wěn)定的G-四鏈體結(jié)構(gòu)，進一步與鋅原卟啉相互作用，得到增強的熒光信號[26]。為輸出響應(yīng)信號，選用染料AMT作為熒光指示劑，該指示劑可與G-四鏈體形成絡(luò)合物，導(dǎo)致熒光猝滅，加入Pb2+后，由于親和力差異，導(dǎo)致指示劑被Pb2+置換出，顯示出增強的熒光信號[27]（如圖2所示），該分析方法的檢測限低至3.6 nM。

圖2 利用AMT染料與G-四鏈體結(jié)合誘導(dǎo)猝滅的熒光Pb2+生物傳感器示意圖[27]Fig.2 Schematic representation of the proposed fluorescent Pb2+biosensor utilizing the binding-induced quenching of AMT to G-quadruplex[27]

此外，比色分析法作為一種簡單、低成本且易于肉眼觀察的檢測法，在一定程度上可避免對檢測設(shè)備的依賴。由于AuNPs具有高的消光系數(shù)和特殊的光學(xué)特性，常被用于比色分析[28]。Lu等使用核酶及其底物鏈與附著在AuNPs的DNA雜交，使AuNPs聚集成藍色納米顆粒組裝體，當(dāng)Pb2+存在時，底物鏈被核酶鏈切割，阻止AuNPs聚集，顏色從藍色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色[29]，從而實現(xiàn)對Pb2+的可視化檢測。這種底物鏈以“頭尾”方式與DNA雜交，涉及退火過程。為了簡化操作流程，該課題組引入了“尾尾”雜交設(shè)計的思路[30]。此外，利用鹽誘導(dǎo)AuNPs聚集變色，構(gòu)建一種不依賴AuNPs修飾的方法[31,32]。GR-5及“8-17”脫氧核酶均可在Pb2+的協(xié)同作用下使底物鏈裂解，改變AuNPs的聚集狀態(tài)，導(dǎo)致體系顏色變化[33-35]。這種無標(biāo)記的策略保持高靈敏度和良好的選擇性，有助于臨場鉛污染可視化檢測分析。

1.2 汞污染

目前已構(gòu)建了一系列的Hg2+響應(yīng)型核酸探針，用于汞污染的檢測分析。Hg2+能特異性地連接兩個胸腺嘧啶堿基（T），在DNA雙鏈中形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T錯配結(jié)構(gòu)[36,37]，這種錯配堿基能穩(wěn)定DNA雙鏈，并且T-T堿基對只能由Hg2+穩(wěn)定，確保了其對Hg2+良好的選擇性。Ono和Togashi通過在富含T的寡核苷酸鏈兩端修飾熒光基團和猝滅基團，開發(fā)了一種用于Hg2+檢測的熒光傳感器[38]。在添加Hg2+后，T-Hg2+-T錯配使寡核苷酸鏈折疊成發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，熒光基團與猝滅基團靠近發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光猝滅。然而，這種“turn-off”熒光信號的模式，可能會出現(xiàn)假陽性，為克服該問題，提出了一種基于“turn-on”信號的熒光傳感器（如圖3所示），即在無Hg2+時，熒光標(biāo)記鏈與猝滅標(biāo)記鏈雜交使熒光猝滅；Hg2+存在時，T-Hg2+-T錯配結(jié)構(gòu)導(dǎo)致非互補片段折疊成發(fā)夾狀，并從熒光基團標(biāo)記的鏈釋放出猝滅基團標(biāo)記鏈，從而增強熒光信號[39]?；诜肿有艠?biāo)的傳感器也被用于Hg2+分析，Hg2+可使分子信標(biāo)打開，導(dǎo)致熒光團與猝滅劑遠離并恢復(fù)熒光信號[40]。

圖3 基于鏈置換核酸探針的Hg2+熒光傳感器[39]Fig.3 Schematic of the “turn-on” fluorescent mercury sensor[39]

上述熒光傳感器通常需采用熒光基團或猝滅劑對核酸進行化學(xué)修飾。為避免核酸探針的化學(xué)修飾，引入了特異性核酸染料[41]。Yu等開發(fā)出一種基于靶向誘導(dǎo)的G-四鏈體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的無標(biāo)記Hg2+檢測傳感器[42]。在無Hg2+時，DNA探針在硫黃素T的輔助下折疊成G-四鏈體，并觀察到高熒光信號。加入Hg2+后，G-四鏈體被Hg2+介導(dǎo)的T-T錯配分解，導(dǎo)致熒光變?nèi)?。此外，利用AuNPs的熒光淬滅及與核酸探針的相互作用，構(gòu)建了Hg2+熒光傳感器[43]。為進一步提高檢測靈敏度，復(fù)合納米粒子如量子點與AuNPs被用于構(gòu)建“turn-off”信號的熒光傳感器[44]，可檢測水中低至6 nM水平的汞污染。

與Pb2+比色傳感器類似，比色分析法在Hg2+檢測中廣泛使用。Lee等人報道了一種利用AuNPs顯色的比色傳感器[45]（如圖4）。AuNPs分別被兩種具有T-T錯配的單鏈DNA修飾，Hg2+的加入可促成T-Hg2+-T錯配，從而導(dǎo)致分散的AuNPs發(fā)生聚集，顏色發(fā)生變化。通過監(jiān)測溶液顏色的變化可測定Hg2+的濃度，該傳感器的檢測限為0.1 μM。但該方法對溫度控制精度要求比較高，隨后，通過引入適當(dāng)?shù)墓押塑账徭溡约翱刂芓-T錯配的數(shù)量，使得該傳感器在室溫下實現(xiàn)可靠的檢測[46]。同時，多種無標(biāo)記比色傳感器也被用于Hg2+檢測，Willner報道[47]，富含T的單鏈DNA在無Hg2+時保持單鏈狀態(tài)，吸附在AuNPs的表面，靜電排斥使AuNPs處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，當(dāng)加入Hg2+后，T-Hg2+-T形成誘導(dǎo)單鏈DNA形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，從AuNPs表面脫去，導(dǎo)致AuNPs聚集，顏色由紅色變?yōu)樗{色，其檢測限可達10 nM。

圖4 核酸探針功能化的AuNPs用于比色檢測Hg2+[45]Fig.4 Colorimetric detection of mercuric ion (Hg2+) using DNA-AuNPs[45]

1.3 鎘污染

Cd2+特異性核酶被廣泛應(yīng)用于Cd2+的檢測[48]，但基于核酶的Cd2+檢測傳感平臺可能存在一些缺點，由于DNA中功能基團的限制，很難將Cd2+這樣的親硫金屬離子作為精準(zhǔn)靶點，選擇性較差。Liu等使用單一的硫代磷酸酯去修飾DNA以增強其對Cd2+的親和力，該方法采用商業(yè)化堿基，不會使篩選過程復(fù)雜化，且對Cd2+具有高度的選擇性?；谠摵嗣傅膫鞲衅髟诰彌_液中的檢測限為1.1 nM，在大米提取物中的檢測限為1.6 nM[49]。Pei等采用靶向誘導(dǎo)釋放鏈的方式構(gòu)建了一種快速、特異性強的Cd2+檢測發(fā)光生物傳感器，在無Cd2+的情況下，兩條標(biāo)記鏈形成互補結(jié)構(gòu)，熒光猝滅，加入Cd2+后，熒光修飾鏈折疊成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，不再與另一條帶猝滅基團的鏈結(jié)合，依舊顯示熒光信號[50]。為避免熒光基團、猝滅劑雙重標(biāo)記，Wang等報道了一種由Cd2+特異性適體構(gòu)成的單標(biāo)記多功能探針，Cd2+特異性適體能同時識別Cd2+并作為信號子。Cd2+可引起適體的構(gòu)象轉(zhuǎn)換，從一個隨機的線性序列轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€莖環(huán)結(jié)構(gòu)，熒光強度發(fā)生變化，從而建立測定Cd2+的熒光分析方法，該方法的檢測限為2.15 nM[51]。

無標(biāo)記Cd2+檢測策略可以免除核酸探針的化學(xué)修飾，降低檢測成本提高檢測穩(wěn)定性[52-54]，Chen等開發(fā)了一種類發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針介導(dǎo)的頭尾結(jié)合與分支遷移的無酶DNA擴增檢測技術(shù)，以G-四鏈體為信號子，檢測靈敏度高，檢測限可達5 pm[55]。同樣，利用G-四鏈體結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種超靈敏、無標(biāo)記的Cd2+探針。在無Cd2+時，Cd2+特異性適體鏈段處于無規(guī)狀態(tài)，加入Cd2+后，Gd2+適配體折疊成G-四鏈結(jié)構(gòu)，與血紅素相互作用使體系吸光度增加，檢測限為0.15 nM。該方法避免了探針的標(biāo)記且采用廉價的儀器直接定量分析，具有良好的動態(tài)范圍[56]。類似地，通過Cd2+特異性適體誘導(dǎo)核酸適體的構(gòu)象轉(zhuǎn)換，利用兩種未標(biāo)記的寡核苷酸，以熒光染料 SYBR Green I作為信號子（如圖5），構(gòu)建了無標(biāo)記核酸傳感器，其檢測限為0.34 μg/L，在湘江水，池塘水，自來水和礦井水檢測中的回收率在98.57%～102.49%之間。該熒光傳感器具有良好的選擇性，無需對樣品進行處理或靶向預(yù)富集便可檢測實際樣品中的Cd2+[57]。此外，納米粒子也被用于Cd2+檢測，Wang等通過構(gòu)建特定適體與還原氧化石墨烯（rGO）/石墨氮化碳（g-C3N4）的復(fù)合體系，研制了一種電化學(xué)生物Cd2+傳感器，檢出限低至0.337 nM[58]。Guo等采用基于AuNPs的無標(biāo)記比色法對Cd2+進行檢測，設(shè)計了一種在高鹽環(huán)境下利用AuNPs和谷胱甘肽（GSH）聯(lián)合檢測水和大米樣品中Cd污染的簡單、無標(biāo)記比色法[59]。

圖5 以熒光染料 SYBR Green I作為信號分子的Cd2+檢測生物傳感器[57]Fig.5 The design principle for the Cd2+ determination with SYBR green I[57]

2 基于核酸探針的食品重金屬污染檢測

2.1 微流體芯片檢測

由于高通量、快速、易于操作及良好的可靠性，基于功能核酸的微流體芯片在重金屬離子檢測方面引起越來越多的關(guān)注[60-62]。Shaikh等通過Pb2+特異性核酶構(gòu)建了一種模塊化結(jié)構(gòu)的微流控芯片系統(tǒng)，該傳感器可以在1 nL的溶液中可檢測濃度低至500 nM的Pb2+[63]。Lu等介紹了一種實時監(jiān)測Pb2+的微流體平臺，其通過微流體裝置表面的鏈霉親和素將熒光標(biāo)記的Pb2+特異性核酶固定在壁上，固定化的核酶保留了對Pb2+的檢測活性。僅在Pb2+存在時，核酶才切割其互補底物鏈，同時熒光標(biāo)記將切割事件轉(zhuǎn)化為與Pb2+濃度成比例的光學(xué)信號[64]?；赥-Hg2+-T錯配結(jié)構(gòu)，Liu等開發(fā)了與微陣列技術(shù)兼容的熒光芯片傳感器，可在“turn-on”或“turn-off”模式下對Hg2+進行無試劑、一步式的檢測，“turn-off”模式比“turn-on”模式的靈敏度稍高，檢測限分別為3.6 nM和8.6 nM，且通過檢測飲用水和鮮奶中的加標(biāo)Hg2+，證明了該芯片傳感器在現(xiàn)場實際檢測中具有巨大潛力[60]。利用微陣列結(jié)構(gòu)，Ye等通過將Cu2+/Pb2+依賴的核酶與固定于玻片表面的底物結(jié)合，構(gòu)建了一種多目標(biāo)檢測的微芯片傳感器。在無金屬離子的情況下，探針與底物雜交，產(chǎn)生強熒光信號；加入相應(yīng)金屬離子后，底物裂解，導(dǎo)致熒光強度發(fā)生顯著變化，該傳感器可對整個微陣列直接成像[65]。Lu等使用“8-17”核酶和AuNPs構(gòu)建了用于檢測Pb2+的側(cè)向流動裝置，檢出限為0.5 μM，且無需使用任何儀器便可達到可視化效果[66]。為提高靈敏度，Chen等在微流體芯片檢測技術(shù)中引入擴增策略，Pb2+將底物鏈切割成兩個片段，釋放出的裂解產(chǎn)物充當(dāng)催化劑以觸發(fā)核酸雜交、分支遷移和置換，從而放大信號，達到對Pb2+的擴增檢測。此策略無需使用儀器即可目測低至濃度為10 pM的Pb2+[67]?；谙嗨频乃悸罚环N通過核酸外切酶輔助信號放大的帶狀生物傳感器使用AuNPs作為示蹤劑（如圖6），被用于水溶液中的Hg2+可視化檢測，具有良好的回收率和準(zhǔn)確性[68]?；诩埢奈⒘骺胤治鲈O(shè)備具有制備簡單、所需樣品量少、可潤濕性及易于存儲的優(yōu)點[69]。Zhang等報道了一種紙基微流控的電化學(xué)發(fā)光傳感器，能同時檢測Pb2+和Hg2+，首先將DNA鏈沉積到功能化的蠟紙上，通過Pb2+和Hg2+誘導(dǎo)功能核酸構(gòu)象轉(zhuǎn)變形成G-四鏈體和T-Hg2+-T錯配結(jié)構(gòu)，使Si@CNCs和Ru@AuNPs分別在陰極和陽極上顯示出信號，實現(xiàn)了在一個紙工作區(qū)同時檢測兩種金屬離子[70]。

圖6 基于外切酶信號放大的膠體金試紙用于汞離子檢測[68]Fig.6 Schematic illustration of the strip biosensor for the visual detection of the formed ssDNA product[68]

2.2 基于小型便攜設(shè)備的檢測平臺

在食品重金屬離子檢測中，由于區(qū)域范圍廣、樣品數(shù)量多，迫切需要快速、經(jīng)濟有效且可進行臨場檢測的便攜式檢測平臺。Lu等采用生活中廣泛使用的血糖儀作為檢測平臺對有毒金屬離子（如Pb2+和Uo2+）進行檢測，此傳感器的機制是將具有特定識別功能的DNA-轉(zhuǎn)化酶結(jié)合物固定在磁珠上，添加相應(yīng)的金屬離子后，底物被切割釋放出侵入性DNA，與DNA-轉(zhuǎn)化酶偶聯(lián)物競爭磁珠上的DNA，誘導(dǎo)DNA-轉(zhuǎn)化酶結(jié)合物從磁珠上釋放，用磁鐵除去磁珠后，含有結(jié)合物的溶液可以有效地催化蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。由于溶液中轉(zhuǎn)化酶的濃度與樣品中靶標(biāo)的濃度成正比，因此血糖儀的讀數(shù)可用于定量靶標(biāo)濃度[71,72]。Tang等開發(fā)了兩種基于血糖儀的便攜式定量傳感器。一種是利用Pb2+特異性核酶封端裝載了葡萄糖的介孔二氧化硅納米顆粒（MSN）（如圖7所示），當(dāng)引入Pb2+后，底物鏈被切割，導(dǎo)致葡萄糖從MSN中釋放，通過檢測所得溶液中釋放的葡萄糖分子，可測定低至1 pM的Pb2+[73]。另一種設(shè)計是Pb2+特異性核酶固定在鏈霉親和素修飾的微板上，利用單鏈DNA和轉(zhuǎn)化酶標(biāo)記的AuNPs作為信號轉(zhuǎn)化載體，向微孔板中加Pb2+后，固定核酶的底物鏈被切割，微孔板中新生成的單鏈DNA，可再次與AuNPs上的單鏈DNA雜交，使微孔板攜帶上轉(zhuǎn)化酶，轉(zhuǎn)化酶可將蔗糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖，進而使用血糖儀讀數(shù)，檢測Pb2+。該法具有高度重現(xiàn)性和對目標(biāo)Pb2+的高選擇性，可用于監(jiān)測加標(biāo)飲用水樣品中的Pb2+[74]。

圖7 基于MSN和便攜式血糖儀的DNA生物傳感器用于Pb2+檢測的示意圖[73]Fig.7 Schematic illustration of PGM-based Pb2+ sensor and measurement principle based on target-responsive release of glucose from DNAzyme-linked silica nanoparticles with a glucometer readout[73]

Chen等人提出了一種基于智能手機的比色傳感策略，主要是利用T-Hg2+-T錯配和AuNPs聚集狀態(tài)不同所顯示出的顏色不同，為避免使用復(fù)雜的設(shè)備并最大程度地減少數(shù)據(jù)分析和對傳輸功率的要求，將多個檢測結(jié)果集中在基于纖維素的紙張分析設(shè)備上，隨后通過智能手機云端進行數(shù)據(jù)的計算、傳輸和存儲（如圖8）。該法所提出的平臺具有在資源受限的環(huán)境中進行靈敏且高通量的現(xiàn)場汞污染監(jiān)測的能力，對于Hg2+加標(biāo)的池塘水和河水，檢測限為50 nM，且可在40 min的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)同時執(zhí)行多個測試[75]。類似的智能手機比色系統(tǒng)被用于水樣中Cd2+的快速和高通量測定，Wang等基于適體功能化AuNPs開發(fā)出一種智能手機比色系統(tǒng)可在10 min內(nèi)快速捕獲并分析比色變化，該法具有較高的選擇性和靈敏度，線性范圍為2-20 μg/L，檢出限為1.12 μg/L，實現(xiàn)Cd2+的定量檢測，為實際應(yīng)用中Cd2+的現(xiàn)場測定提供了參考[76]。此外，基于光盤的分析檢測平臺由于對不同場景的可擴展性以及對數(shù)據(jù)記錄和讀取的強大能力受到關(guān)注。Zhang等將DNA分子信標(biāo)探針固定于數(shù)字視頻光盤上制備了探針陣列，用于定量Hg2+和Pb2+。被固定在光盤上的DNA探針最初呈折疊發(fā)夾狀，Hg2+和Pb2+的存在會導(dǎo)致發(fā)夾結(jié)構(gòu)的“打開”形成穩(wěn)定的G-四鏈體和T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)，末端生物素部分的暴露與AuNPs-鏈霉親和素絡(luò)合物結(jié)合，同時促使銀沉積而增強識別型號，最后使用計算機驅(qū)動讀取可量化的數(shù)字信號。該方法對Hg2+和Pb2+顯示出較寬的響應(yīng)范圍和低檢測限，且實現(xiàn)了對大米中重金屬含量的測定[77]。小型便攜設(shè)備檢測平臺的開發(fā)為重金屬離子臨場檢測奠定了基礎(chǔ)。

圖8 基于智能手機的現(xiàn)場比色傳感策略[75]Fig.8 Schematic illustration of the proposed on-site Hg2+sensing strategy[75]

3 結(jié)論

功能核酸具備良好的穩(wěn)定性和對重金屬離子的強親和力，可以構(gòu)建重金屬傳感檢測平臺，在食品重金屬污染分析領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。與其他重金屬分析方法相比，核酸探針即使在復(fù)雜環(huán)境中也能保持對特定金屬離子的選擇性和檢測穩(wěn)定性，可應(yīng)用于實際食品樣品檢測。同時，功能核酸與重金屬離子的結(jié)合可引發(fā)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，產(chǎn)生熒光、電化學(xué)和顏色變化等信號，實現(xiàn)高效快速的重金屬污染檢測。此外，將功能核酸和納米材料整合至生物傳感器中，利用納米材料的光、電、磁性能，可顯著提升檢測靈敏度和響應(yīng)速率，與血糖儀、智能手機等便攜式設(shè)備聯(lián)用開發(fā)，在重金屬臨場檢測領(lǐng)域有一定的應(yīng)用潛力。盡管目前基于功能核酸檢測重金屬離子的相關(guān)產(chǎn)品離商業(yè)化還有距離，但隨著對功能核酸對靶點識別機制的研究以及核酸和納米材料合成技術(shù)的迅速發(fā)展，基于功能核酸的分析方法的可靠性、穩(wěn)定性和靈敏度將進一步提升，必將促進其在食品重金屬污染領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。