可卡因免疫及适配体生物传感器_陈戈慧.pdf

POGESSINCHEMISTY化 学 进 展DOI:10.7536/PC220916http:/wwwprogchemaccnProgress in Chemistry，2023，35(5):757770收稿:2022 年 9 月 19 日，收修改稿:2022 年 11 月 13 日，网络出版:2023 年 4 月 30 日国家自然科学基金项目(No 21974068，21890740，21890742，9195401)资助The work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No 21974068，21890740，21890742，and 9195401)*Corresponding author e-mail:jkong njusteducn可卡因免疫及适配体生物传感器陈戈慧1马楠1于帅兵1王娇1孔金明1*张学记2(1南京理工大学环境与生物工程学院南京 210094;2深圳大学医学部生物医学工程学院深圳 518060)摘要由于长期滥用可卡因会对人体产生心律失常、心肌梗死、中风、高血压、主动脉僵硬等不良影响，可卡因已成为当今最危险和非法滥用的药物之一，传统的可卡因色谱分析方法存在耗时、样本处理繁琐和操作复杂等缺点。因此，改善传统可卡因分析方法对打击犯罪和发展医学具有一定的积极影响。由于生物传感器的准确性和便携性，基于免疫和适配体技术的生物传感器是检测可卡因的一个重要发展方向。在这篇综述中，主要讲述了近年来不同类型的可卡因生物传感器，涵盖了基于电化学、荧光、比色等方法在可卡因检测上的进展，对可卡因的免疫和适配体生物传感器进行了归纳和综述，并总结了可卡因传感器的优缺点和发展方向。关键词可卡因免疫适配体生物传感器中图分类号:O657;TP212.3文献标识码:A文章编号:1005-281X(2023)05-0757-14Immunity and Aptamer Biosensors for Cocaine DetectionGehui Chen1，Nan Ma1，Shuaibing Yu1，Jiao Wang1，Jinming Kong1*，Xueji Zhang2(1School of Environmental and Biological Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，China;2 School of Biomedical Engineering，Shenzhen University Health Science Center，Shenzhen518060，China)AbstractCocaine has become one of the most dangerous and illicitly abused drugs today due to the adverse effectsof long-term cocaine abuse，such as arrhythmia，myocardial infarction，stroke，hypertension and aortic stiffnessTraditional cocaine chromatographic analysis methods have disadvantages such as time-consuming，cumbersomesample processing and complicated operations Therefore，improving cocaine detection methods has a certainpositive impact on crime-fighting and medicine-developing Due to the accuracy and portability of biosensors，immunological and aptamer technologies for specific capture of targets have become an important direction forcocaine detection In this review，different types of cocaine biosensors in recent years are mainly described，covering the research progress of cocaine detection based on electrochemical，fluorescence，colorimetric and othermethods The immuno-and aptamer-based biosensors of cocaine are reviewed，the advantages，disadvantages anddevelopment directions of cocaine sensors are summarizedKey wordscocaine;immunity;aptamer;biosensoreview化 学 进 展758Progress in Chemistry，2023，35(5):757770Contents1Introduction2Immunosensors for cocaine detection2.1Labeled immunosensors2.2Label-free immunosensors3Aptasensors for cocaine detection3.1Fluorescent aptasensors3.2Colorimetric aptasensors3.3Electrochemical aptasensors3.4Other aptasensors4Conclusion and outlook表 1不同可卡因免疫传感器及其检出限对比Table 1A comparison of different cocaine immunosensors and their limits of detectionApproach of detectionUsed sampleLinear detection range(mol/L)Limit of detection(mol/L)refElectrochemical-based ELISAWater/Saliva/Urine4.95101319Colorimetric Immuno-microarrayOral fluids3.631099.91073.6310921LFIAUrine1.651081.651061.6510826LFIASaliva1.651083.301061.6210927ElectrochemicalUrine/Sweat/Saliva/Serum1.651088.251071.1910830FluorescencePBS buffer2.30101131ElectrochemicalPBS buffer0.501062.5010534SHGPBS buffer7.51011351引言可卡因是一种天然存在的生物碱，是一种常见的成瘾兴奋剂药物，可以增加大脑奖赏回路中的多巴胺水平1。1860 年，Whler 和 Niemann2 从古柯叶中提取出来叫做可卡因的结晶生物碱，其对中枢神经系统的兴奋作用导致了该药物的滥用。自1985 年以来可卡因已成为世界主要毒品之一。可卡因可以使人对该药物的使用产生以强迫性为特征的深度成瘾状态3，它已成为当今最危险和非法滥用的药物之一。长期滥用该类麻醉药品会对人体产生不良影响，如心律失常、心肌梗死、中风、高血压、主动脉僵硬等4。根据联合国毒品和犯罪问题办公室的2022 年世界毒品报告，大约有 2150万人至少使用过一次可卡因，近年来可卡因的产量、纯度和缉获量都有所增加。因此，如何在法医学和临床医学等领域方便快速地检测可卡因是一项重要的任务，具有良好灵敏度和快速检测的筛查技术用于分析可卡因已成为公众关注的问题5。在以前的研究中，不同的色谱分析方法已被用于检测样品中的可卡因:气相色谱-火焰离子化检测器(Gas chromatography-flame ionisation detection，GC-FID)6、液 相 色 谱-串 联 质 谱 法(Liquidchromatography-tandem massspectrometry，LC-MS/MS)7 和气相色谱-质谱(Gas chromatography-massspectrometry，GC-MS)8 等。色谱分析需要先在有机溶剂中提取可卡因，然后对提取物进行某种形式的净化、预浓缩和纯化，GC-MS 还需要复杂的可卡因分子化学衍生程序9。尽管这些方法检测可卡因具有很强的可靠性和准确性，但是需要专业设备预处理样品，且从处理样品到检出结果的时间长。色谱分析的检测过程长、成本高，传统的可卡因分析方法难以满足有些场景中现场测试的需求10。生物传感器作为一种分析设备，由两个基本模块组成:目标识别和信号转导。生物识别元件与目标物发生识别后，识别元件的特性发生改变。接着换能器将识别后产生的变化转变为可以读出的信号11。采用抗体作为目标识别元件的是免疫生物传感器，而适配体作为识别元件的被称为适配体传感器。除了这两种识别元件外，也有研究将微生物12 和酶13 用作识别元件检测可卡因(或可卡因代谢物)。由于这些生物传感器相较于免疫和适配体反应条件较为苛刻，且成本较高不易保存，在检测可卡因方面的研究较少。近年来新型的基于免疫和适配体识别元件的可陈戈慧等:可卡因免疫及适配体生物传感器综述与评论化学进展，2023，35(5):757770759卡因生物传感器已成为主流，不仅与纳米材料等信号放大的技术结合，还将新的信号转导器引入可卡因检测中。与传统的可卡因分析相比新型传感器具有特异性高、分析时间短、成本低、无需复杂的样本处理等显著优势14。在这篇综述中，我们系统地介绍了近年来基于免疫生物传感器和适配体生物传感器检测可卡因的各种新型策略。2用于可卡因检测的免疫传感器免疫传感器的工作原理是通过抗体与抗原之间的特异性识别引起可测量的信号变化，实现对可卡因的定量检测15。抗体与抗原之间的免疫亲和识别促进了检测的特异性和灵敏性，使其非常适合在复杂样本中检测低浓度分子。根据标签的有无可以将免疫传感器分为标记免疫传感器和非标记免疫传感器(表 1)。2.1标记免疫传感器酶 联 免 疫 吸 附 测 定 法(Enzyme-linkedimmunosorbent assay，ELISA)和基于纳米颗粒标记的侧向流动免疫分析法(Lateral flow immunoassay，LFIA)等技术已被广泛用于检测可卡因的免疫分析方法中。2.1.1酶联免疫吸附测定ELISA 是一种典型的实验室检测方法，可以实现对小分子的高通量特异性检测。传统的 ELISA方法不仅需要复杂的操作过程和昂贵仪器，而且纳摩尔的检测限限制了其在不同领域的应用16。ELISA 通常由四个主要部分组成，即固体基底、识别元件、信号放大部分和读出方式。这些部分的特性决定了 ELISA 的性能，所有新兴的 ELISA 衍生技术至少改进了这四个 ELISA 部分中的一个17。Abdelshafi 等18 使用抗体 IP3G2 作为可卡因的识别元件，基于半抗原-辣根过氧化物酶偶联物与可卡因竞争结合酶标抗体的原理，开发出一种竞争性ELISA 检测欧元纸币上可卡因的分析策略。他们通过交叉反应性研究，得到抗体 IP3G2 对可卡因的亲和力高于可卡因的代谢物。并且对从柏林不同地区获得的六十五欧元纸币进行了可卡因分析，检测到的可卡因的污染频率为 100%。由