基于适配体的生物传感器实现对抗生素残留的可持续检测

《ACS Sustainable Resource Management》：Sustainable Detection of Antibiotic Residues with Aptamer-Based Biosensors

抗生素残留监测需高效、便携和环保方案，aptasensors凭借高灵敏度、低成本和少试剂优势成为替代传统色谱法（HPLC/GC-MS/LC-MS/MS）的优选，但面临技术成熟度低（TRL3-6）、复杂基质干扰、标准化不足等挑战。未来需结合数字平台提升检测便捷性，并通过结构优化和再生技术增强可持续性。

　　

环境系统中抗生素残留物是一个紧迫的全球性问题，它推动了抗菌素耐药性（AMR）的发展，并破坏了微生物生态系统，因此需要快速可靠的监测策略。(1) 尽管高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱（GC–MS）和液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）具有高灵敏度，但在分散式应用中受到高成本、操作复杂性、对专业人员的依赖以及溶剂密集型工作流程的限制。(2,3) 在这种背景下，基于适配体的生物传感器（aptasensors）作为一种有前景的替代方案出现，能够实现高度特异性、快速和便携的现场检测。(1) 除了分析性能外，生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）的新证据也突显了它们相对于传统技术的环境和经济优势。LCA显示，色谱方法能耗高且溶剂使用量大，而aptasensors使用的试剂较少，产生的有害废物也较少。(4) TEA表明，aptasensors通过减少仪器设备和分析时间来降低成本，并支持分散式、便携式的检测。(5) 此外，化学合成的适配体消除了对动物的需求和冷链要求，降低了生产成本和变异性，相比抗体更具优势。值得注意的是，虽然色谱方法的检测限可达到μg L^?1至ng L^?1，但aptasensors具有相当的灵敏度且响应时间更快。(6,7) 总而言之，这些特点使aptasensors成为大规模抗生素监测和AMR缓解的可持续、经济高效的平台，促进了绿色分析化学和资源效率的提高。

适配体作为绿色生物识别元件

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适配体作为新一代绿色生物识别元件，推动了可持续和生态创新的生物传感技术的发展。它们通过指数富集法（SELEX）系统性地进化出高亲和力和特异性的短单链DNA或RNA分子。(8) 与抗体不同，它们的化学合成不需要动物或细胞培养，从而减少了伦理和环境负担。(9) 适配体凭借高重复性、低试剂消耗和最小化废物产生，支持资源高效的生物传感。它们的物理化学稳定性避免了冷链存储的需求，降低了能耗，并适用于现场应用。(10) 与可生物降解的基底（如纸质或微流控设备）结合使用，进一步促进了环保且可扩展的生物传感器的发展。(11) 适配体还可以再生和重复使用，提高了成本效益。然而，仍存在一些挑战，包括基质干扰以及对pH值、离子强度或温度变化的敏感性，这些因素会影响其折叠和目标识别。(3) 通过改进的选择性、稳定性和灵敏度，已经开发出了先进的SELEX变体、结构转换设计、化学修饰和纳米材料结合技术。(12) 这些策略共同实现了便携式、多重检测和快速的平台，能够在复杂的环境和食品基质中选择性地、环保地检测抗生素残留物。

适配体的可持续创新

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适配体技术的进步越来越多地受到可持续性驱动的创新指导，标志着向环境责任型分析平台的转变。由纤维素和其他可生物降解基底制成的纸质适配体，为农产品和食品安全应用中的抗生素残留物现场监测提供了经济高效、一次性使用和便携的解决方案。(11,13) 最近的发展通过引入荧光和电化学检测策略，进一步增强了这些平台的功能，实现了灵敏、无标记、实时的检测，同时减少了试剂消耗和化学废物。这些方法支持在食品和环境基质中快速、可靠且环保地监测抗生素残留物。(14,15) 结合荧光和比色检测与智能手机辅助分析界面的光学适配体技术，显著减少了对集中式实验室基础设施的依赖，同时促进了数字化互联的残留物监测。与智能手机兼容的平台展示了快速且高度准确的分析性能，例如通过氮化物掺杂碳纳米片嵌入电纺聚丙烯腈（PAN）基质中构建的双模式荧光探针进行了验证。(16,17) 这些创新为食品安全系统中的现场抗生素监测提供了便携、实时和分析上稳健的解决方案。同时，微流控和芯片实验室平台通过减少试剂消耗和废物，以及通过双模式纸质设备实现检测，推动了绿色化学的发展，如图1所示。(18,19) 总之，这些进步表明适配体正在从高性能检测工具向可持续、节能和数字化适应性分析工具转变，有望改变抗生素残留物的监测方式，使其更具成本效益、分散化且更加环保，从而推动全球可持续性目标的实现。

适配体的挑战与机遇

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尽管取得了快速进展，大多数适配体仍处于早期至中期技术成熟度阶段（TRL 3–6），包括实验室规模的比色、荧光和电化学平台，仅在便携式格式（如侧向流动检测、微流控设备和智能手机集成传感器）中进行了有限的原型验证（TRL 5–6），仅有少数接近早期商业化阶段（TRL 7–8）；广泛的监管验证和市场采用仍然有限。因此，尽管适配体在研究和原型阶段已经取得显著进展，但全面验证和商业化仍处于发展阶段。(20,21)

图1

图1. 用于智能手机辅助检测环境样本中抗生素的双模式适配体。

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可再生的适配体接口提高了可重复使用性和可持续性；然而，高亲和力适配体的有限可用性和耗时的SELEX过程仍然是主要限制。在复杂基质中，非特异性相互作用会降低结合效率和分析准确性，从实验室研究到标准化、符合监管要求的检测方法的转化也受到限制。(22–2324) 监管框架仍然依赖于色谱和免疫测定方法，这突显了严格验证和标准化协议的必要性。在可扩展性、鲁棒性和商业可行性方面的额外挑战阻碍了耐用、用户友好且经济高效的适配体平台的发展。先进的SELEX策略（捕获、计数和基质SELEX）提高了复杂样品中适配体的选择性和特异性。(25) 结合坚固的材料、信号放大和微型化技术，这些进步使得适配体能够在现场进行可持续的抗生素监测。除了技术性能外，适配体还支持“同一健康”框架下的可持续资源管理。便携式平台实现了食品和水的快速、环保检测，而与物联网（IoT）和区块链的集成促进了实时监测和透明的供应链，特别是在资源有限的环境中。

结论与未来展望

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抗生素残留物仍然是一个持续的全球性挑战，需要可持续、分散式的监测解决方案。适配体通过结合强大的分析性能和环境经济优势，提供了一条有前景的途径。然而，大多数系统仍处于早期技术成熟度阶段，监管验证和商业化程度有限。缩小这一差距需要标准化验证、提高复杂基质中的鲁棒性以及可扩展的制造工艺。与便携式和数字平台的结合可以实现实时、现场可部署的监测，而自供电系统则可以持续运行并减少对电池的依赖。如果没有协调的验证和监管协调努力，适配体可能会停留在科学上有前景但未得到充分应用的阶段。推进这些系统对于实现可持续的抗生素监测、减缓抗菌素耐药性和“同一健康”框架下的资源管理至关重要。