核酸适配体-荧光传感技术在重金属检测领域的应用

李彤彤，孙晓红，张彦瑾，赵 瑾，聂志勇*

(1.天津大学 化工学院，天津 300350；2.军事医学研究院毒物药物研究所 抗毒药物与毒理学国家重点实验室，北京 100850；3.军事医学研究院科研计划处，北京 100850)

重金属主要指铅、镉等密度大于4.5 g·cm-3的金属[1]。随着科技和工业的迅速发展，重金属得到更广泛的开采、开发和利用，由于前期过度开发及治理不到位，造成了较多的水源、土壤污染问题；同时由于重金属生物蓄积性强，将持续对生物链和生态环境造成严重威胁。另外，由于某些重金属离子无色无味、毒性大，亦成为投毒、中毒的重要恐怖物质[2]，如1994年清华大学才女朱令铊中毒事件[3-4]、2010年广东北江铊重大环境污染事件[5]等。所以，重金属的检测鉴定在环境安全、反恐等方面具有重要意义。

基于人们生活、环境安全的考虑及重金属离子的毒性差异，国家标准规定了生活饮用水、工业排放废水中重金属的含量，而国家推荐性标准的检测方法主要是依靠大型仪器在实验室中完成。随着对环境问题的日益重视以及毒剂毒物检测防控的需求[6-7]，除火焰光度、离子迁移谱仪等实时快检装备外[8]，包括可见[9]、紫外[10-11]、荧光[12]等试剂盒、试纸条检测技术亦得到广泛开发和利用。其中，指数富集配体系统进化技术为设计、筛选具有重金属离子选择性捕获能力的核酸适配体提供了重要的理论基础[13-15]，科研工作者已设计筛选出针对Ag+[16]、Hg2+[17-19]、Pb2+[20-22]、Cd2+[23]、K+[24]、Tl+[25]等在内的多种适配体(如表1)，这些适配体可与目标离子形成稳定复合物并折叠成特定的二级结构发挥识别功能，也可以依赖重金属离子发挥核酶(脱氧核酶)作用。由于这些金属离子与碱基的高特异性作用，基于该原理设计的检测体系可以实现目标离子对其他金属离子的出色选择性。而这些适配体与荧光物质结合，又可使重金属离子与适配体的相互作用转化为荧光信号，这为核酸适配体-荧光传感器的开发提供了广阔的思路和设计空间。另外，在这些体系中使用纳米材料可有效提高其性能。本文对近年来核酸适配体在重金属离子荧光传感器设计上的应用进行总结，重点介绍了标记型、非标记型及纳米材料辅助等类型。

表1 重金属及其核酸适配体Table 1 Heavy metals and nucleic acid aptamers

1 标记型适配体-荧光传感技术

在标记型适配体-荧光传感器中，标记后的核酸适配体具有靶标识别和信号转换输出两方面功能。待测物通过诱导适配体构象发生变化，使标记的荧光团空间位置发生转变，从而将待测物质信息转换输出为荧光信号。标记型适配体-荧光传感策略又可分为单标记荧光团电子转移猝灭原理、双标记荧光团间的荧光共振能量转移原理以及依赖重金属的核酶(脱氧核酶)切割释放荧光团原理。

1.1 单标记荧光团电子转移猝灭型

单标记指将单一荧光团修饰在核酸适配体一端作为信号元件。利用该荧光团信号的增强或减弱来指示体系中目标物的浓度。该类荧光探针制备相对简单，重现性良好。目前，常见的单标记适配体-荧光传感器主要为“Turn off”模式，依据其原理可分为两类：一是利用重金属离子的直接诱导猝灭作用；二是利用设计的核酸适配体部分碱基片段的荧光猝灭特性，以重复鸟嘌呤片段及诱导后产生的G-四链体应用最为广泛。

重金属离子的直接诱导猝灭作用，一般指重金属离子通过与核酸链的相互作用进而导致标记荧光团的荧光猝灭。相比于传统荧光传感器，直接利用重金属离子猝灭游离在体系中的荧光染料，重金属离子通过亲和吸引带负电的核酸链[26]，导致荧光团与金属离子之间的距离缩短，从而发生荧光猝灭，其具有背景信号低、猝灭效率高等优点，且金属离子与核酸链之间的亲和力不依赖高特异性的核酸适配体，合成成本低。Li等[27]合成共轭芴通过酰胺键连接到核酸适配体上作为信号元件，无需标记猝灭基团构建单标记核酸荧光探针，利用核酸链和重金属间的亲和作用以及重金属离子的直接诱导猝灭作用，实现了Pb2+的高灵敏度和高选择性检测。该类传感器大多依靠结合亲和力或热力学识别目标金属。Li等[28]发现不同金属离子与单标记核酸链的结合动力学存在差异性，首次根据其结合动力学特征来区分金属离子，将一端标记羧基荧光素(FAM)的随机核酸链作为荧光探针，利用Cr3+的荧光猝灭动力学特性实现了湖水中Cr3+的检测。该方法为金属检测和传感器开发提供了另一个维度。

适配体上部分片段诱导荧光猝灭作用，主要是在核酸适配体上人为修饰具有猝灭特性的一段碱基片段，将该片段作为荧光信号猝灭元件,当与荧光团在合适的距离时，荧光团和碱基之间发生光诱导电子转移(Photoinduced electron transfer，PIET)，使得荧光团的荧光被猝灭。其中依靠鸟嘌呤堆积的自身猝灭能力构建的单标记适配体-荧光传感器应用最为广泛。该策略的识别探针需包含两段序列，一段为富含G的序列，一段为重金属离子的特异性适配体序列；远离富G序列的一端标记荧光团，作为信号元件，富G序列作为荧光信号猝灭元件。Zhu等[23]利用特异性核酸适配体在Cd2+存在时可从无规卷曲状态变为茎-环结构，拉近荧光团和富G序列的距离，由于光诱导电子转移，导致荧光猝灭。荧光响应与Cd2+的浓度成正比。Yang等[29]利用核酸适配体选择性捕获Hg2+，形成双链结构可拉近荧光团和富G序列的距离，实现4.0 nmol/L Hg2+的检测。Bian等[30]则借助Ag+可诱导适配体形成C-Ag+-C双链结构和富G序列的荧光猝灭性能，实现水样、药物和食品中Ag+的检测。Zhang等[31]利用该原理设计了同时检测Pb2+和Ag+的六氯荧光素(HEX)单标记荧光探针，对于Pb2+和Ag+的检出限分别为96、21 pmol/L。该体系不仅可选择性地单独检测Pb2+或Ag+，而且可检测其混合物。高密度鸟嘌呤堆叠的G-四链体的荧光猝灭能力强于单一鸟嘌呤，Wang等[32]利用该差异性实现了0.4 nmol/L Pb2+的检测，以单标记羧基荧光素(FAM)茎环结构作为识别探针，茎部3′端的3个重复鸟嘌呤片段作为荧光猝灭剂，探针环部序列T30695(GGGTGGGTGGGTGGGT)可与Pb2+形成G-四链体；体系中不存在Pb2+时，发夹结构使鸟嘌呤接近染料而发生PIET，导致荧光强度降低。而体系中存在Pb2+时，环部序列折叠成G-四链体结构，荧光团在G-四链体上有效堆积，荧光被显著猝灭。

单标记适配体-荧光传感器无需进行荧光基团和猝灭基团的双重标记，有效降低了设计及合成的难度及检测成本。同时，该方法简单快速，在检测重金属离子中具有广阔的潜力。但现阶段仍存在一些问题，如在荧光染料方面，部分标记型荧光物质的标记技术存在局限，只能在特定碱基上进行。还有部分具有优良发光、猝灭荧光性质的荧光物质的标记技术尚不成熟，限制了其应用[33]。此外在核酸适配体一端人为修饰一段序列，易影响适配体与靶标之间的亲和力，进而干扰检测的选择性。因此需要针对荧光物质、荧光传感策略、性能优化等方面进一步探索，开发、合成性能更佳的荧光物质，并设计优化核酸适配体链，以提高检测的灵敏度和选择性。

1.2 双标记荧光团荧光共振能量转移型

单标记传感中，单一荧光团的光谱行为简单，使得单标记荧光传感体系在复杂体系中的应用受到了限制。近年来，双标记荧光传感体系得到了科学家们的青睐。传统的双标记核酸荧光传感器由于其独特的分子结构、性能以及良好选择性被广泛应用。核酸分子两端标记基团分别充当荧光能量的供体和受体，当荧光供体的发射光谱与受体的吸收光谱有部分重叠，且这两个基团之间距离在1～10 nm时，供体基团被激发后可通过耦合作用将其能量传递给受体基团，导致供体荧光猝灭，受体发射荧光，从而完成荧光共振能量转移(FRET)。

荧光共振能量转移的程度与供、受体分子的空间距离紧密相关[34]。Ono等[19]利用汞的核酸适配体与Hg2+形成双链结构拉近两端荧光团的距离，引起FRET，通过荧光强度的变化实现对Hg2+的检测。除了通过双链结构改变空间距离外，还可通过适配体被诱导折叠成的其他结构—G-四链体来引起FRET。Hoang等[25]筛选出对Tl+具有较高选择性的核酸探针(PS2.M，5′-GTGGGTAGGGCGGGTTGG-3′)，在两端分别修饰罗丹明(TMR)和FAM(如图1)，Tl+诱导PS2.M折叠成G-四链体，引起518 nm处FAM的发射峰强度下降，585 nm处TMR的发射峰强度增强。以此荧光强度的变化实现溶液中59 μmol/L铊离子的检测。Liu等[35]设计筛选出可形成G-四链体的富含T的对Hg2+和Pb2+具有亲和力的核酸链，并在两端分别标记FAM和4-(4′-二甲氨基苯基)偶氮苯甲酸(DABCYL)，首次实现以1条核酸适配体链同时检测Hg2+和Pb2+。该体系还可包含多条适配体同时检测多种重金属，且互不干扰[36]。

图1 基于适配体结构转变引发FRET检测Tl+的原理[25]Fig.1 Principle of Tl+ detection based on fluorescence resonance energy transfer caused by structural transformation of aptamer[25]

与单标记的荧光探针相比，双荧光团标记的探针能更好地消除外界体系、核酸链分子、染料浓度等带来的误差。表1列出了一些单标记和双标记的核酸适配体-荧光传感器进行比较。双标记体系增加了核酸适配体中修饰染料的种类和数量，往往存在修饰后的核酸链稳定性减弱的问题，同时双标记的荧光基团也存在影响适配体与靶标结合亲和力的问题。所以寻找稳定的染料以及更好的修饰方法是双标记适配体荧光传感技术发展的热点。

表2 单标记、双标记核酸适配体-荧光传感器Table 2 Single and dual labeled nucleic acid aptamer-fluorescence sensor

1.3 基于特异性核酶(脱氧核酶)的标记型

除了借助核酸的识别功能外，还可利用依赖重金属的特异性脱氧核酶(DNAzyme)构建酶型荧光传感器。作为酶型传感方法，这种荧光传感器具有更好的专一性和更少的样品消耗量。2000年，Lu课题组[20]利用依赖Pb2+的特异性DNAzyme构建了检测铅的荧光传感器(图2A)，将底物链5′端标记荧光团，酶链的3′端标记了猝灭基团，当底物与酶链杂交时，荧光团与猝灭基团相互靠近，使得荧光团的荧光被猝灭；在体系中加入Pb2+后，特异性DNAzyme在辅助因子Pb2+的作用下，催化底物链切割导致DNA链断裂，继而荧光团和猝灭基团分离，实现体系荧光恢复。但该体系由于底物链与酶链的结合是分子间杂交，因此整个体系的热力学稳定性不高。为提高灵敏度，Lu课题组[37]后来在底物链上多修饰1个猝灭基团，确保游离的荧光团也能被猝灭以降低背景信号，该荧光传感器对Pb2+的检出限达35 nmol/L。Wang等[38]将底物链与酶链连接成环状(图2B),减少了多种荧光团的修饰带来的合成成本，同时提高热力学稳定性，检出限为3 nmol/L。为实现更低的背景荧光，Zhang等[39]将底物链设计为分子内的茎-环结构，同时底物链两端分别标记荧光基团和猝灭基团(图2C)；该体系中所需酶链无需标记猝灭分子，可用少量酶链循环催化大量底物链水解，真正实现脱氧核酶的催化功能，同时提高传感器灵敏度,该体系对Pb2+的检出限为600 pmol/L。以上设计中，茎-环结构的荧光团与猝灭基团结合紧密，更能有效猝灭荧光，以获得更低的背景荧光信号和更高的信噪比。

图2 基于DNAzyme的Pb2+探针及其工作原理示意图[20,38-39]Fig.2 Principle of Pb2+ probe based on DNAzyme[20,38-39]

除上述Pb2+的DNAzyme外，科研工作者还筛选得到Hg2+、Cu2+、Mg2+等金属离子的DNAzyme[40-42]，与天然酶相比，核酶/脱氧核酶具有合成步骤简单、理化性质稳定等优势。此外，它们对金属离子具有高度识别特异性。当特定金属离子存在时，显示出酶活性,且活性的大小与体系中的金属离子浓度呈正相关，使得它们在金属离子检测传感器研究中具有重要位置。目前该领域的重点研究方向仍是筛选、优化具有高催化活性、高识别特异性的核酶/脱氧核酶，以提高基于特异性核酶/脱氧核酶设计的相关传感器的灵敏度、特异性及稳定性。

2 非标记型适配体-荧光传感技术

荧光团标记核酸适配体，易影响适配体与靶标之间的亲和力。为解决这一问题，非标记核酸适配体传感体系得到了广泛研究。非标记核酸适配体传感器主要依赖核酸适配体在构象上的变化，包括二级结构的诱导形成以及空间位置的变化等，在无荧光团标记的情况下，利用外源荧光分子实现随重金属浓度变化而发生荧光信号的变化。传统的荧光生色团在高浓度或聚集状态下分子之间的π-π堆积相互作用促使激发态能量以非辐射的方式耗散，从而导致荧光猝灭，出现聚集诱导猝灭现象[43](Aggregation-caused quenching,ACQ)，且传统染料分子作为荧光信号源常被光漂白效应破坏，这些现象曾严重制约发光材料的开发和实际应用。2001年，唐本忠课题组[44]发现一些特殊分子染料分散在溶液中时荧光微弱甚至观察不到荧光，但聚集后荧光强度显著增强，将这一现象称为聚集诱导发光(Aggregation-induced emission，AIE)现象。具体机理是AIE分子以单体游离态被激发光激发后，被激发电子以分子内振动旋转形式回到基态，不产生荧光；而当AIE分子发生聚集时，被激发的电子无法通过分子内振动旋转释放能量回到基态，只能通过辐射方式释放多余能量，从而产生荧光。不少AIE分子在溶液中以阳离子形式稳定存在，能够与DNA骨架上的磷酸根负离子发生静电作用，形成核酸链-AIE的复合物，当功能核酸结合重金属离子并折叠成特定结构(双链DNA、G-四链体、i-Motif等，见表3)后，核酸适体链-AIE复合物的结构更加紧凑，使得AIE分子聚集，体系荧光强度显著增强几十甚至几千倍。在一定范围内，荧光强度的变化与重金属的浓度线性相关。基于此开发的非标记适配体荧光传感器具有信噪比高、抗漂白能力强的特点。

Li等[45]利用双链螯合染料SYBR Green I(SGI)可插入汞诱导适配体形成的T-Hg2+-T双链结构，显著增强体系的荧光强度，实现了Hg2+的检测。且SGI与纯T序列双链结构的亲和力强于其他非纯T序列[46]。SGI除可嵌入T-Hg2+-T、C-Ag+-C[47]结构外，还能与易形成G-四链体的核酸适配体链结合发生AIE现象，基于该原理可实现1.6 nmol/L Pb2+的检测[48]。除了SGI外，其他一些染料也可插入紧凑的核酸适配体结构中。Ge等[49]添加硫黄素T(ThT)诱导结合富G序列折叠成G-四链体结构，发生AIE现象，体系呈现强荧光状态。若体系中有Hg2+，则可特异性地将G-四链体转化为T-Hg2+-T双链结构，引起ThT的荧光强度降低(原理如图3)。该方法可用于自来水和河水样品中Hg2+的检测，具有高灵敏度、宽线性范围和良好选择性。Li等[50]利用Zn-PPIX可嵌入Pb2+诱导的核酸适配体折叠成G-四链体后产生AIE效应，成功设计了Pb2+的荧光传感器。一些基于该方法的传感器中的核酸适配体序列、染料分子、检测对象以及方法检出限列于表3。

表3 AIE分子识别的DNA二级结构及检测的重金属离子Table 3 DNA secondary structure recognized by AIE substances and heavy metal ions detected

图3 基于硫黄素T的AIE特性检测Hg2+的非标记荧光传感器[49]Fig.3 A label-free sensor for Hg2+ detection based on AIE induced by thioflavin-T[49]

标记型核酸适配体-荧光传感器较为常用，但标记的荧光基团会干扰适配体的识别能力，且成本高，耗时、费力，这就使非标记适配体荧光传感技术对于分析检测领域具有非常重要的意义。基于特殊发光性质的染料分子或荧光基团的非标记适配体荧光传感技术不仅克服了传统的ACQ现象，而且能够通过非标记荧光团与适配体体系简单混合实现对目标物的低成本快速、灵敏检测。非标记适配体荧光传感技术正成为重金属快速检测分析研究的新方向。但就目前而言，可用的AIE分子相对较少且材料合成步骤繁琐，报道的AIE分子大多发射波长较短,荧光量子产率低，半峰宽不够窄,这为构建非标记适配体荧光传感器带来一定的困难。要实现复杂基质条件下重金属离子的特异性检测，还需科研工作者开发更多结构新颖、性能优良的免标记荧光材料来克服以上缺点。

3 纳米材料辅助核酸适配体-荧光传感技术

除了传统的利用荧光染料和核酸适配体作用而构建的适配体-荧光传感器外，纳米材料因其良好的生物兼容性、稳定性等特性在适配体荧光传感领域中具有标记或增强信号，提高灵敏度的作用，也被广泛应用于重金属检测。常见的纳米材料如贵金属纳米簇(AuNCs、AgNCs等)表现出优异的荧光特性，可作为新型荧光标记物；碳纳米材料(如氧化石墨烯、碳纳米管等)常作为固定核酸适配体的载体以及荧光猝灭剂，优化适配体的识别能力；量子点(Quantum dot,QD)等也可作为荧光传感中的信号元件，提高检测的灵敏度。

3.1 DNA稳定的金属纳米簇辅助

金属纳米簇具有良好的光学性能，在检测分析应用中受到较多关注，可用于荧光检测传感器的构建。在无稳定剂的情况下，金属纳米簇将发生不可逆的聚集，而DNA是良好的稳定剂。DNA稳定的金属纳米簇辅助的荧光传感器在检测重金属方面方便、快捷、灵敏，根据目标物对核酸-纳米簇复合物的作用机理不同，产生的信号变化也不尽相同。目标物破坏复合物结构，引起荧光猝灭，可构建“Turn off”模式荧光传感器；分析目标物存在下增强金属纳米簇的荧光，可构建“Turn on”模式荧光传感器。

Zhu等[60]合成了核酸-金纳米簇复合物(DNA-AuNCs)，若样品中含有Hg2+，则与核酸适配体形成双链结构，引起AuNCs的聚集，破坏复合物结构，使DNA-AuNCs溶液从蓝色荧光逐步猝灭。该方法可实现0.083 μmol/L Hg2+的检测，拓宽了检测实际样品中Hg2+的方法。除DNA-AuNCs，核酸-银纳米簇复合物(DNA-AgNCs)因荧光强度高、稳定性好且合成成本低也被广泛应用于生物标记和化学生物传感中。Zhang等[61]利用核酸适配体和Cu2+的相互作用可猝灭DNA-AgNCs的荧光，实现了河水样品中Cu2+的荧光分析，且该体系对铜离子特异性强，其他离子干扰小。此外，有报道称荧光铜纳米颗粒(CuNPs)可与双链DNA形成dsDNA-CuNPs复合物，表现出优异的荧光特性，可作为新型荧光标记物。Chen等[62]利用Pb2+对dsDNA-CuNPs荧光的选择性猝灭作用，开发了一种无标记的荧光适配体传感器，实现了尿液和河水样品中5 nmol/L铅的检测。

除了一些重金属离子可猝灭贵金属纳米簇外，还可以设计不同的核酸适配体，合成核酸-贵金属纳米簇，增强目标物的荧光，如Liu等[63]发现DNA-AgNCs纳米簇靠近富G序列时，荧光增强约500倍。Yin等[64]在此基础上发现2个DNA-AgNCs纳米簇互相靠近时的荧光增强效果比靠近富G序列更好。基于相邻DNA-AgNCs探针对的荧光增强现象，Zhang等[65]开发出银纳米团簇功能化的适配体荧光传感器检测Pb2+。该方法利用Pb2+诱导适配体折叠成G-四链体，使核酸链两端的DNA-AgNCs相互靠近，导致荧光增强。通过荧光信号变化实现对Pb2+的痕量检测。Deng等[66]则使用DNA双链稳定的AgNCs作为荧光探针，实现对水溶液中Hg2+的高选择性检测。

随着金属纳米簇合成工艺以及表面修饰种类的丰富与发展，使得越来越多的金属纳米簇辅助的荧光分析方法得以构建。

3.2 碳纳米材料辅助

氧化石墨烯(GO)、碳纳米管(CNT)、功能化氧化石墨烯、石墨炔等碳纳米材料易溶于水，具有较好的生物相容性，可高效猝灭标记在寡核酸链上的染料的荧光，从而实现对靶标的荧光检测。基于此特点开发了多种检测重金属离子的荧光适配体传感器。当无目标物存在时，单链DNA可通过核苷酸碱基和碳纳米材料之间的疏水和π-π堆积相互作用自发地吸附到碳纳米材料表面，使标记的荧光团猝灭以获得较低的背景。重金属诱导核酸链折叠成特殊二级结构后从碳纳米材料上脱离，体系荧光得以恢复，以实现对重金属的检测。

Li等[67]利用GO作为吸附核酸载体以及荧光猝灭剂(如图4)，该体系中不存在Pb2+时，适配体吸附在GO表面，荧光被有效猝灭。而当体系中存在Pb2+时，Pb2+将核酸适配体单链诱导折叠为G-四链体结构，使其脱离GO表面并恢复荧光，实现了对Pb2+的高灵敏检测(检出限为400 pmol/L)。CNT的超猝灭能力也被用于重金属荧光传感器的开发，Taghdisi等[68]利用单壁碳纳米管(SWCNT)作为吸附核酸载体以及荧光猝灭剂检测Pb2+。Pb2+通过将游离单链诱导折叠为对SWCNT亲和力弱的G-四链体结构，使标记FAM的G-四链体从SWCNT的侧壁脱离并恢复荧光，该体系实现了自来水和大鼠血清中Pb2+的检测。利用碳纳米材料的特性，还可开发用于检测Hg2+[69]、Ag+[70]等的荧光适体传感器。该体系还适用于多种单标记核酸适体探针同时检测体系中的多种重金属离子，荧光团的荧光强度对相应的离子浓度表现出良好的线性依赖性，且这些探针之间无干扰效应。Lu等[70]在GO辅助体系中加入多种单标记核酸适体探针，实现了Hg2+、Pb2+和Ag+的同时检测。相较于GO，多壁碳纳米管(MWCNT)具有更高的表面积，可装载多个分子并猝灭所有染料，Wang等[71]报道了基于适配体-MWCNT的多色荧光传感器，可实现同时检测均相溶液中的Hg2+、Ag+和Pb2+(检出限分别为15、18、20 nmol/L)。与单目标分析相比，多重分析可在单一溶液中检测多种分析物，检测快速简单，样品和试剂消耗量低。

图4 基于氧化石墨烯和G-四链体检测Pb2+的荧光传感原理[67]Fig.4 Principle of fluorescence sensing of Pb2+ based on graphene oxide and G-quadruplex DNA[67]

3.3 量子点辅助

在传统的荧光传感器中，有机染料分子用作荧光信号源，常被光漂白效应破坏。标记型适配体荧光传感器因合成成本高限制了其进一步的应用。近年来，量子点辅助开发的适配体荧光传感器引起了很多关注，不仅因为QD具有出色的抗漂白性、量子产率高、荧光稳定性好、寿命长，而且因其稳定的理化特性可作为荧光信号元件免受光漂白。从结构的角度来看，常用的QD可分为核心型和核壳型。核心型QD通过表面活性剂包封合成，可以提供足够的发光强度以实现有效的能量传输，但其因表面缺陷致使发光量子产率不高。而核壳型QD凭借其独特的核壳结构可实现各层间的电荷转移，提高了量子产率的同时保证了发光强度，广泛应用于荧光传感器的开发。CdSe@ZnS是一种典型的核壳QD结构。Li等[72]成功开发了CdSe@ZnS量子点辅助的检测Pb2+的“Turn on”型适配体荧光传感器。与“Turn off”型荧光传感器相比，该体系的抗背景干扰能力更强，可实现90 pmol/L Pb2+的检测。Liu等[73]则利用富G序列合成功能化CdS量子点(G-CdS QDs)，在K+存在下加入血红素，形成G-四链体/血红素复合物，电子从量子点转移至血红素，发生荧光猝灭。体系中存在Pb2+时，Pb2+可以诱导K+稳定的G-四链体/血红素复合物发生构象转变，从而释放出血红素辅助因子，被血红素猝灭的G-CdS QDs的荧光将再次恢复，这种变化基于Pb2+和PS2.M之间的特殊相互作用，对Pb2+的响应几乎不受其他金属离子共存的影响[73]。Guo等[74]利用巯基乙酸(TGA)封端的CdTe QD实现了3.33 nmol/L Hg2+的检测。开发易制备、易表征、量子产率高的材料，将为检测真实样品中的其他金属离子提供巨大潜力。

纳米材料辅助核酸适配体-荧光传感可以解决影响标记型核酸适配体-荧光传感的多种问题，与有机染料或抗体相比具有互补的优势。基于荧光法本身的高灵敏度特性以及纳米材料的特殊光电效应，使得纳米材料辅助核酸适配体-荧光传感技术在生物、环境等方面的分析应用具有较大的发展潜力。尽管贵金属纳米材料以及量子点已广泛用于生物传感的开发，但随着纳米材料种类的扩大以及检测需求的增加，低成本的量子点新材料，反斯托克斯发光的上转换粒子以及碳纳米材料逐渐成为传感器辅助材料的主流。将适配体与纳米材料的光学特性相结合，可有效提高适配体的固定量，进一步改善生物传感器向更低检出限、更高灵敏度和小型化方向发展，具有巨大的潜力，在这一领域的研究必会得到越来越多的关注。

4 结语与展望

金属作为潜在威胁物质，即使微量接触的情况下,也可能对人类健康和环境构成严重危害。传统检测方法不能满足重金属离子的现场、快速、高灵敏度、高选择性的检测需求。功能化核酸的出现为提高重金属传感器的设计提供了新的思路和平台。随着适配体筛选技术的快速发展，筛选出具有高特异性、高亲和力的核酸适配体成为可能。另外，纳米技术的发展也为优良的荧光传感体系提供了更好的发光或猝灭基础。目前来看，未来荧光传感技术在重金属领域的应用，倾向于借助纳米技术来优化体系的光学性能，提高方法的灵敏度，利用核酸适配体易于编辑、选择性强等优点提高检测方法的选择性。总体来说，该技术仍存在一些亟待开发和解决的问题：一是砷和铊等高毒性的重金属离子适配体较少，选择性较差或有待进一步优化，所以需要更优的核酸适配体设计及筛选技术；二是缺乏评估核酸适配体与靶标特异性结合的标准[75]，需要重视适配体的设计筛选与传感器设计开发之间存在的差距，寻找特异性高、抗干扰能力强的核酸适配体；三是需将传感器与试剂盒、试纸条、微流控芯片等结合，实现传感器的微型化；四是实现检测结果的高效传输与数据处理，以实现对复杂样品的快速、现场实时检测。总之，基于核酸适配体的荧光传感技术在不断的发展和完善，必将在生物医药、食品、环境等各个领域发挥巨大的作用。