来源：Foods | 编译：DNA Lab Space
卡那霉素是畜牧业与水产养殖中广泛使用的氨基糖苷类抗生素，其残留问题直接关系到食品安全。传统的仪器检测方法虽然精准，却难以满足现场快速筛查的需求。一篇发表于《Foods》期刊的综述性论文，系统梳理了基于适配体的荧光生物传感器在卡那霉素检测中的设计策略与传感机制。该研究由Wang S和Qiu J完成，PMCID为PMC13463918，为食品基质中抗生素残留检测提供了技术路线的全景式参考。
研究背景
适配体是通过体外筛选获得的单链核酸分子，能够以高亲和力特异性结合靶标物质。与抗体相比，适配体具有热稳定性好、化学合成便捷、修饰灵活等优势，因此在生物传感领域备受青睐。荧光生物传感器将适配体的分子识别能力与荧光信号的高灵敏度相结合，已成为食品中抗生素残留检测的研究热点。
卡那霉素作为兽用抗生素，其不合理使用可能导致动物源性食品中的药物残留。人体长期摄入含卡那霉素残留的食品，可能产生耳毒性、肾毒性等健康风险。因此，开发快速、灵敏、经济的卡那霉素检测方法，对于食品安全监管具有重要意义。荧光适配体传感器凭借其操作简便、响应快速、可实时检测等优点，在这一需求背景下获得了广泛关注。然而，食品基质的复杂性——包括蛋白质、脂质、色素等成分——往往对传感器性能产生干扰，这促使研究者不断优化传感策略。
研究方法
该综述聚焦于荧光适配体传感器的两大类设计：标记型与非标记型。在标记型方法中，荧光信号的调节主要依赖荧光基团与淬灭基团之间的相互作用。
荧光基团与淬灭基团的选择
常用的有机荧光基团包括Cy3和Cy5，它们通常与相应的淬灭基团配对使用。Cy3的激发和发射波长分别位于约550 nm和570 nm，而Cy5的激发和发射波长则分别在约650 nm和670 nm附近。这些花青类染料具有较高的摩尔消光系数和量子产率，适合作为荧光信号报告分子。在淬灭基团方面，传统有机淬灭剂如BHQ1被广泛使用。BHQ1的吸收光谱与Cy3的发射光谱有良好重叠，能够通过荧光共振能量转移机制有效淬灭Cy3的荧光信号。
值得注意的是，该综述指出，纳米材料基淬灭剂正逐渐受到研究者青睐。金纳米颗粒（AuNPs）和石墨烯作为代表性纳米淬灭剂，展现出优于传统有机淬灭剂的性能。这种优势源于几个方面：其一，纳米材料的淬灭效率更高，能够在更宽的波长范围内发挥作用；其二，纳米材料具有高比表面积，为DNA适配体的吸附提供了充足的位点；其三，纳米材料对复杂食品基质中的背景干扰具有更好的抑制作用，有助于提高信噪比。
信号放大策略
为提升检测灵敏度，核酸扩增策略被引入适配体传感器设计中。该综述列举了四种主要扩增技术：杂交链式反应（CHA）、滚环扩增（RCA）、杂交链式反应（HCR）和链置换扩增（SDA）。这些等温扩增技术能够在恒定温度条件下实现核酸序列的指数级扩增，从而放大检测信号。在食品体系中，基质效应常常削弱检测性能，而信号放大策略对于痕量卡那霉素的准确测定至关重要。
金纳米颗粒作为荧光淬灭剂的详细机制
该综述特别详细阐述了金纳米颗粒在荧光适配体传感器中的功能角色。AuNPs具有聚集依赖的光学特性，包括高效的荧光淬灭能力。这种淬灭效应源于AuNPs的局域表面等离子体共振特性——当荧光基团与AuNPs表面距离足够近时，能量能够通过非辐射途径转移，导致荧光信号显著下降。
AuNPs在传感器中扮演双重角色：一方面作为DNA适配体的载体，通过金-硫键或静电吸附等方式固定核酸序列；另一方面作为荧光淬灭剂，调控荧光信号的开-关状态。这种双重功能简化了传感器的构建流程，避免了多组分系统的复杂组装。该综述引用了Chen等人的研究[42]，该研究构建了一种基于FRET机制的适配体传感器，其中AuNPs同时作为DNA载体和荧光淬灭剂。这种设计充分利用了AuNPs的表面化学可调性和生物相容性，为卡那霉素的快速灵敏检测提供了可行方案。
检测机制的分类
根据信号响应模式，标记型荧光适配体传感器可分为"信号关闭"型和"信号开启"型。在"信号关闭"型设计中，适配体与荧光基团连接，当靶标存在时，适配体构象发生变化，导致荧光基团与淬灭剂靠近，荧光信号减弱。在"信号开启"型设计中，系统初始状态为荧光淬灭状态，靶标的加入使适配体与靶标结合，释放荧光基团或改变其与淬灭剂的距离，从而恢复荧光信号。后一种设计通常具有更高的信噪比，因为背景信号较低。原文摘要未详述具体参数，如缓冲液组成、孵育温度、反应时间等实验条件，也未提供检测限、线性范围等定量指标。该综述主要通过文献调研方式，归纳了不同设计策略的共性技术特征。
研究结果
该综述的核心结果在于系统分类和比较了不同荧光适配体传感器的设计策略，并评估了其在卡那霉素检测中的适用性。
标记型传感器的性能特征
基于有机荧光基团与淬灭剂配对的传感器，其信号调控依赖于荧光共振能量转移效率。Cy3/BHQ1配对方案成熟，但有机淬灭剂的背景信号较高，在复杂食品基质中可能影响检测灵敏度。相比之下，AuNPs作为淬灭剂时，其高淬灭效率和宽光谱重叠特性显著改善了信噪比。石墨烯同样表现出优异的DNA吸附能力和淬灭性能，为传感器设计提供了另一种纳米材料选择。
信号放大对检测灵敏度的影响
该综述强调，核酸扩增策略——CHA、RCA、HCR、SDA——能够显著提升检测灵敏度。这些方法通过酶促或非酶促反应实现信号放大，使痕量靶标产生可检测的荧光响应。在食品体系中，这种放大效应尤为重要，因为食品基质中的干扰成分可能掩盖低浓度靶标的信号。原文摘要未提供具体的数据对比，如各放大策略的相对灵敏度提升倍数、检测限的具体数值等。但该综述明确指出，信号放大对于"准确测定食品系统中痕量卡那霉素残留"是必要的。
纳米材料淬灭剂的优势
AuNPs和石墨烯作为淬灭剂的优势体现在三个方面：一是淬灭效率高，能够在较短距离内实现有效能量转移；二是光谱重叠范围广，适用于多种荧光基团；三是比表面积大，可吸附更多DNA适配体，提高传感器的响应能力。这些特性在降低背景干扰、提升信噪比方面具有实际价值，尤其适用于蛋白质、脂质含量较高的动物源性食品样品。
传感器构建的简化趋势
AuNPs的双重功能——既是载体又是淬灭剂——简化了传感器的构建流程。传统的标记型传感器需要分别设计荧光标记和淬灭标记，而基于AuNPs的平台可以通过一步组装完成。这种简化不仅降低了成本，还减少了多组分系统中可能出现的非特异性相互作用。该综述将此归因于AuNPs的表面化学可调性和生物相容性，这些特性使AuNPs基平台特别适用于复杂食品基质中的快速检测。
不同设计策略的比较视角
该综述的另一个结果性贡献，是将不同设计策略置于统一的比较框架下。标记型方法依赖荧光基团-淬灭剂对，信号调控直接而明确；非标记型方法则可能利用适配体结合诱导的构象变化来产生荧光响应。每种策略都有其适用场景：标记型方法适合需要精确定量分析的场景，而非标记型方法可能在操作简便性和成本控制方面更具优势。原文摘要未详述非标记型方法的具体机制，也未提供各策略检测性能的直接对比数据。该综述的价值在于为研究者提供了技术选择的参考框架，而非给出绝对优劣的判断。
讨论与展望
该综述的讨论部分聚焦于纳米材料在荧光适配体传感器中的核心地位。AuNPs和石墨烯之所以受到青睐，不仅因为其淬灭性能，更因为其多功能性——一种材料可以同时完成载体、淬灭剂甚至信号转换器的任务。这种多功能集成是传感器设计的重要趋势，它减少了系统组件的数量，降低了组装复杂度和批次间差异。
食品基质对传感器性能的影响是该领域面临的共性挑战。蛋白质、脂质、盐离子等成分可能干扰适配体与靶标的结合，也可能影响荧光信号的稳定性。该综述将纳米材料淬灭剂的"高比表面积DNA吸附能力"视为应对这一挑战的有效策略，但原文摘要未提供具体的抗干扰数据或实际食品样品的验证结果。
展望未来，荧光适配体传感器的发展方向可能包括：进一步优化纳米材料的表面修饰，提高其在复杂基质中的稳定性；开发多靶标同时检测的阵列化平台；以及将传感器与微流控芯片、便携式设备集成，实现现场快速检测。该综述为这些方向提供了概念基础，但具体的性能指标和技术突破仍需后续研究提供数据支撑。在卡那霉素检测这一具体应用场景中，荧光适配体传感器的实用化程度，最终取决于其在实际食品样品中的检测可靠性、操作便捷性和成本可控性之间的平衡。
PMCID: PMC13463918