全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 10期
生物传感器在转基因产品检测中的研究进展
黄新　郭欣硕　李明福　陈洪俊　朱水芳
(中国检验检疫科学研究院动植物检疫研究所 ,北京 100029)
　　摘 　要 : 　生物传感器因快速、低耗和易于操作等优点在基因序列测定中受到了广泛的关注。概述了生物传感器的基本
原理、分类以及几种主要生物传感器在转基因产品检测中的研究进展 ,分析了其在应用中存在的问题 ,并对今后的发展趋势
提出一些看法。
关键词 : 　生物传感器 　转基因产品 　检测
Advances in Research of Biosensors in
Transgen ic Products Detection
Huang Xin　Guo Xinshuo 　L i M ingfu　Chen Hongjun 　Zhu Shuifang
( The Institu te of Anim al and Plant Quarantine of Chinese Academ y of Inspection and Quarantine, B eijing 100029)
　　Abs trac t: 　Owing to the advantages of rap id response, easy handling and low cost, the biosensor has received much attention in the
field of genic sequence detection. This article has summarized the basic p rincip le, classification as well as research p rogress of several
main biosensors for GMO detection. The existed p roblem and p rospect for the development expectation of biosensor in the future has
been briefly stated.
Key wo rds: 　B iosensor　GMO p roducts　Detection
收稿日期 : 2009207215
基金项目 :中国检验检疫科学研究院基本科研业务费专项 (2008JK005)
作者简介 :黄新 (19772) ,男 ,博士 ,研究方向 :转基因产品检测 ; E2mail: huangx@caiq. org. cn
通讯作者 :朱水芳 ,研究员 ,博导 ; E2mail: zhushf@netchina. com. cn
　　1983年 ,世界上首次报道了转基因烟草和马铃
薯的诞生 , 1996美国政府首次批准了世界上第一个
商品化的转基因产品 ———转基因延熟番茄面世。到
目前为止 ,全世界已有 25个国家开始转基因农作物
的种植 ,世界各国已试种的转基因植物超过 4 500
种 ,已批准商业化种植的已超过 100余种。据国际
农业生物技术获取与应用协会 ( ISAAA )报告统计 ,
2008年全球转基因农作物种植面积从 2007年的
11143亿 hm2增至 1. 25亿 hm2 ,相当于 3. 089亿英
亩 ,种植面积增长了 9. 4% ,预计今年转基因种子产
值将增长 11% ,达到 83亿美元。
随着转基因产业的迅速发展 ,转基因安全评估
和风险管理的难度不断加大。转基因产品的安全性
问题一直是国内外关注的焦点 ,它直接关系到人类
的健康和生态环境安全 ,并且对国际贸易造成了一
定影响 ,各国政府及有关的国际组织都对此问题表
示极大的关注。自 1996年全球首例商品化转基因
番茄在美国问世以来 ,全球出现了 100多起转基因
产品环境安全、食品安全、非法入境等事件 ,引起了
国际社会广泛关注和重视。为了强化转基因产品的
管理 ,欧盟、澳大利亚、日本和韩国等均已出台了转
基因产品标识管理办法。国际上大部分转基因产品
标识国都有标识低限 (阀值 ) ,如欧盟的 1%、韩国
3%、日本 5% ,对未批准的转基因产品其检测阀值
实际为零允许量。
目前转基因产品的检测主要从两个方面入手 ,
一是核酸水平 ,即检测遗传物质中是否含有插入的
外源基因 ;二是蛋白质水平 ,即通过插入外源基因表
达的蛋白质产物或其功能进行检测 [ 1 ]。现有的
PCR技术、基因芯片技术和 EL ISA技术 ,尤其是实
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时荧光 PCR技术已经广泛地应用于转基因产品的
检测。随着转基因产业的迅速发展 ,转基因品种越
来越多 ,大量的转基因产品流入市场 ,对转基因检测
提出了新的要求 ,向着快速、灵敏、准确、便捷、现场
检测的方向发展。
生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发
展起来的一门技术 ,旨在使分子检测更简单 ,速度更
快 ,成本更低。作为新一代的分析工具 ,生物传感器
已经取得了突破性进展 ,在食品工业、环境监测、发
酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用 ,可
简单、快速、准确地检测生物分子相关参数 ,并可以
现场检测。近几年来 ,随着转基因生物技术的突飞
猛进和生物产业发展取得的突出成绩 ,生物传感器
在转基因产品检测的研究也取得了突破性的进展。
介绍了生物传感器的基本原理、分类以及几种主要
生物传感器在转基因产品检测中的研究进展 ,分析
了其在应用中存在的问题 ,并对今后的发展趋势提
出一些看法。
1　生物传感器的基本原理
生物传感器是将生物识别元件和信号转换元
件紧密结合 ,从而检测目标化合物的分析装置 [ 2 ] 。
生物传感器中生物识别元件又称生物敏感膜 ,是
生物传感器的关键元件 ,直接决定传感器的功能
与质量。根据生物敏感膜选用的材料不同 ,其组
成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞
器或它们的不同组合 ,近年来还引入了高分子聚
合物模拟酶 ,使分子识别元件的概念得到进一步
延伸。生物传感器的信号转换元件 (又称换能器 )
则包括电化学电极、半导体、光学元件、热敏元件、
压电装置等。它的作用是将各种生物、化学和物
理的信息转变成光电等信号。生物学反应产生的
信息是多元化的 ,微电子学和传感技术的现代成
果为检测这些信息提供了丰富的手段 ,使研究者
在设计生物传感器时有足够的回旋余地。总之 ,
生物传感器的基本原理为分子识别元件与待测物
质特异性结合 ,发生生物化学反应 ,产生的生物学
信息通过物理、化学型信号转换器将其转化为离
散或连续的可以定量处理的光电等信号表达出
来 ,从而得到被测物质的浓度 [ 3 ] 。
图 1　生物传感器结构简图
2　生物传感器的分类
生物传感器的分类和命名方法较多且不尽统
一 ,主要有两种方法 ,即分子识别元件分类法和换能
器分类法。
根据使用的敏感元件的不同可以分为酶生物传
感器 [ 4～6 ]、免疫生物传感器 [ 7, 8 ]、核酸生物传感
器 [ 9～14 ]、微生物传感器 [ 15～17 ]、细胞生物传感器 [ 18, 19 ]
和组织生物传感器 [ 20, 21 ]等。根据信号转换方式的
不同又可以分为电化学生物传感器 [ 22～24 ]、光学生物
传感器 [ 25, 26 ]、压电生物传感器 [ 27 ]、热生物传感器 [ 28 ]
和磁生物传感器 [ 29 ]等。目前 ,应用于转基因产品
检测研究的生物传感器主要有光学生物传感器如
表面等离子共振 ( SPR )传感器 ,压电生物传感器
如 QCM ,薄膜光纤传感器 ,干剂量油尺式生物传感
器 ,电化学生物传感器等。以下采用换能器分类
法介绍几种主要生物传感器在转基因产品检测中
的研究进展。
2. 1　光学生物传感器
表面等离子共振 ( surface p lasmon resonance,
SPR)传感器是应用较广的光学生物传感器 (op tical
biosensors)。表面等离子共振是一种物理现象 ,当
入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面
时 ,可引起金属自由电子的共振 ,由于电子吸收了光
能量 ,从而使反射光在一定角度内大大减弱。其中 ,
使反射光在一定角度内完全消失的入射角称为 SPR
角。SPR随表面折射率的变化而变化 ,而且折射率
的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正
比。因此可以通过获取生物反应过程中 SPR角的
动态变化 ,得到生物分子之间相互作用的特异性
信号。
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2009年第 10期 黄新等 :生物传感器在转基因产品检测中的研究进展
SPR技术是目前研究分子间相互作用反应效果
最佳的技术 ,具有实时反应 ,无需标记特点 ,能够实
时显示采集的数据 ,不需要放射性或荧光物质标记 ,
能够对相互作用的反应动力学、结合亲和力和样品
浓度进行分析 ,已广泛应用于微生物检测、药物筛
选、血液分析、DNA分析、抗原 /抗体分析、有毒气体
检测等方面。
在转基因产品的检测上 , Feriotto等 [ 30 ]采用表
面等离子共振传感器对转基因农达大豆基因序列进
行了实时检测。将生物素标记的转基因大豆内源
( lectin gene)和外源基因寡核苷酸片段固定在传感
器芯片表面 ,研究了寡核苷酸探针长度对杂交效率
的影响。结果表明 , 13～15个碱基长度寡核苷酸转
基因农达大豆基因检测。
在表面等离子共振传感技术中 ,将探针固定
在传感器表面的方法有两种 [ 31 ] 。第一种方法是将
链亲和素和生物素探针固定在涂有金层的表面
上 ,金层表面用巯基十一醇处理 ,其次用环氧氯丙
烷和羧基葡聚糖 ,该葡聚糖表面在加链霉亲和素
之前先用 n2羟基琥珀酰亚胺 (NHS)和碳二亚胺
( EDAC)激活。在生物素探针固定化之前使用巯
基己醇封闭。第二种方法是将巯基化探针直接耦
合在晶体上。相比之下 ,这种方法要快速的多 ,并
且得到了相似的结果。W ang等 [ 32 ]比较了两种探
针固定的方法 ,硫醇修饰的 DNA探针直接耦合在
金层表面和在金层表面涂上一层葡聚糖 ,链亲和
素附着在葡聚糖层和固定了的核酸探针上。检测
限在分别在 2. 5 nM和 20 nM ,研究表明硫醇修饰
的 DNA探针直接耦合在金层表面是一种更为直接
有效的方法。
除了表面等离子共振传感器外 ,一些可视生物
传感器也应用于转基因产品的检测。例如 , Kalo2
gianni等 [ 33 ]报告了首个 DNA生物传感器检测的转
基因作物 DNA的序列。生物传感器被设计成一次
性干试剂试纸条的形式 ,其中功能性寡核苷酸 Au
纳米微粒是传感器的主要部分。首先将生物素标识
的 PCR扩增片段 35S启动子和 NOS终止子与具有
3′2寡聚 A末端的探针在溶液中杂交 ( 7 m in) ,随后
侵入到适当的缓冲液中。在毛细管作用下 ,缓冲液
沿着传感器条带迁移携带 Au纳米微粒结合到寡核
苷酸 ( dT)上与寡聚 A2末端杂交。接着 ,固定在检测
区的亲和素诱捕杂交物 ,显示出由纳米颗粒聚集成
的一条特征红线。固定化的寡核苷酸 ( dA )链把过
剩的纳米颗粒界限在轨迹区域之内 ,这就是检测
的原理。扩增产物的检测限为 0. 16 nM。此生物
传感器能够检测 0. 1%的转基因大豆。这种干剂
试纸条的最低要求是溶液的制备和合格工作人员
的培训。
另一种可视生物传感器是基于辣根过氧化物酶
(HRP)显色反应的 , Bai等 [ 34 ]报道了一种涂有氮化
硅的硅片光学层的硅光学传感器。该传感器表面用
肼修饰以确保能够与在 5′2末端携带着醛基的寡核
苷酸探针耦合。经变性后的生物素化 PCR产物与
固定探针杂交。通过与辣根过氧化物酶 2抗生素结
合物反应检测杂交混合物 ,四甲基联苯胺 ( TMB )被
用作底物。转换的底物的沉淀使传感器表面颜色由
金色变为蓝色或紫色 ,从而实现了在没有仪器时对
DNA扩增产物的目视检测 ,传感器对靶序列的检测
限约在 0. 1 fmol。
2. 2　压电生物传感器
压电生物传感器 ( p iezoelectric biosensors)是近
20年来发展起来的一种新型生物传感器。其表面
固定具有生物识别特性的生物活性材料 ,利用压电
介质激发声波 ,通过声波与周边环境的相互作用 ,传
感器将反应过程中环境介质的物理、化学变化转换
成相应的传感检测信号 ,从而得到关于反应的各种
信息。压电生物传感器具有质量响应灵敏、特异性
高、简便快速、样品无需标记、方法易于自动化、集成
化等优点 ,因此引起了人们的浓厚兴趣 ,成为生物传
感器领域的研究热点之一。
Tombelli等 [ 35 ]研究了石英晶体微天平传感器
(QCM )对转基因玉米的检测 ,将生物素标记的探针
固定在金表面用于检测抗虫转基因玉米的 C ry1A
( b)基因 ,研究表明该压电生物传感器可用于检测
Mon 810 转基因玉米粉 ,转基因含量线形范围是
011% ～5%。石英晶体微天平传感器也应用检测抗
草甘磷除草剂转基因大豆中 52烯醇式丙酮酰莽草
酸 232磷酸合酶 ( EPSPS)基因的检测。该方法可用
于转基因含量为 30%的大豆动物饲料中 EPS PS基
因的检测 ,该基因的 PCR扩增产物和没有扩增的植
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物基因组 DNA的均可检测 [ 36 ]。
2. 3　电化学生物传感器
电化学生物传感器 ( electrochem ical biosensors)
则是指由生物材料作为敏感元件 ,电极作为转换元
件 ,以电势或电流为特征检测信号的传感器。电化
学生物传感器具有高度选择性 ,是快速、直接获取复
杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已
在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医
学、环境分析等领域获得实际应用。
Lucarelli等 [ 37 ]采用寡核苷酸修饰的一次性丝
网印刷金电极的开发了酶电化学生物传感器 ,将 5′2
末端的巯基探针固定在金层表面。 PCR产物在溶
液中先变性 ,与生物素标记的探针杂交 ,然后在于电
极上固定的探针杂交 ,清洗传感器后 ,加入链霉亲和
素 2碱性磷酸酯酶偶联物。这种酶催化萘磷酸盐底
物水解成为有电化学活性的萘酚 ,从而通过微分脉
冲伏安法检出 ,这种传感器应用于含有 1%和 5%转
基因大豆及转基因玉米样品的分析。虽然对于阴性
样品没有非特异性扩增 ,该方法只适合于转基因产
品的筛选和定性检测。
据报道 ,另一种传感器的寡核苷酸探针被固
定在丝网印刷碳电极表面 ,热变性的 PCR产物直
接转移到电极表面 ,将电极侵入到含有亚甲基蓝
的溶液中 ,亚甲基蓝与鸟嘌呤相互作用 ,这些电极
表面上次甲基蓝的累积可以通过方波伏安法检
测 [ 38 ] 。Kerman等 [ 39 ]报道了一种肽核酸探针介导
的电化学传感器 ,将肽核酸探针固定在玻璃碳电
极表面 ,肽核酸探针捕获靶 DNA后 ,溶液中的正
电荷 [ Co (NH3 ) 6 ]3 +络离子与 DNA链上的负电荷
的磷酸盐骨架间产生静电作用 , [ Co (NH3 ) 6 ]3 +在
传感器表面上的累积导致了电流的增加 ,这种传
感器可用于检测 5%的转基因大豆。
Sun等 [ 40 ]报道了一种 CdS纳米粒子修饰的寡
核苷酸探针电化学传感器 ,该传感器首先将目标
寡核苷酸固定在自组装单分子膜修饰的电极上 ,
然后与 CdS纳米粒子修饰的寡核苷酸探针杂交 ,
杂交反应可以通过 HNO3溶液中 CdS纳米颗粒的
氧化分解来监测 ,溶解的镉离子可通过微分脉冲
溶出伏安法 (DPSAV )来检测。该方法可用于检测
转基因产品中的 NOS终止子基因 ,可区分 3个碱
基错配的核酸序列 ,检测灵敏度达 2. 75 ×10 - 12
mol/L - 1。
3　展望
生物传感器是极具发展潜力的学科领域 ,近年
来 ,得益于材料科学、生命科学和纳米技术、半导体
微加工技术、电子技术的快速发展 ,生物传感器无论
在基础研究 ,还是应用开发方面都取得了很大进展。
尽管现在生物传感器的应用受到稳定性、重现性和
使用寿命等诸多限制 ,但由于其具有高选择性、响应
快、操作简单、携带方便、适合于现场检测等优点 ,仍
是重点研究的对象。随着计算机技术、材料技术、生
物技术等的发展 ,生物传感器现存的诸多不足将有
望得到完善 ,在食品安全检测中的应用将越来越广
泛 ,并且在现场测试方面无疑将会发挥更大的作用。
不同的生物传感器检测方法有不同的特点 ,随
着国内外对转基因产品研究的深入以及对转基因产
品检测要求的提高 ,人们要求更准确、快速、简便、高
效而且成本低廉的传感器检测技术的问世。同时 ,
现有的检测方法也在不断的改进中 ,未来的发展方
向是在没有仪器的情况之下使用一次性生物传感器
对转基因作物进行可视的检测。
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