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随着工业化和城市化的不断发展，在生活水平不断提高的同时，也加速了环境污染，包括化学污染和生物污染[1]. 化学污染物包括重金属[2]、过量的营养元素[3]、农药[4]、杀虫剂、芳香族化合物[5]以及其他新污染物等. 生物污染物则包括不同类型的生物毒素[6]和病原微生物[7]. 各类污染物大量累积，对生态系统和人体健康构成巨大威胁.
为保障生态安全和环境健康，开展有效的污染防治和环境管理，应提高对各类环境污染物精准识别和环境检测水平. 目前环境污染物常规检测方法包括分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子光谱法和各类色谱法[8]. 这些方法普遍依赖昂贵的检测仪器，成本较高、操作繁琐、不适合原位检测. 生物传感器具有灵敏度高、选择性好、操作简单、响应迅速、便于原位检测等固有优势，是一类很有前景的检测方法[9]. 比率荧光生物传感器可以克服对环境和检测器变化的干扰问题，具有明显的优势. 共振能量转移（resonance energy transfer，RET）是从供体发色团到邻近基态受体分子的非辐射能量转移，是目前主流的比率荧光策略. RET生物传感器依据供体发色团的不同可以分为荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）传感器、生物发光共振能量转移（bioluminescence resonance energy transfer，BRET）传感器和化学发光共振能量转移（chemiluminescence resonance energy transfer，CRET）传感器（图1）.
本文总结了目前RET生物传感器在环境检测领域的研究进展，包括用于重金属、阴离子、有机污染物、生物毒素和病原微生物等污染物的检测，并针对不同环境污染物分析了RET传感体系的构建特点，最后探讨了基于RET的生物传感器在环境领域应用所面临的挑战，并对其未来发展前景进行了展望，以期为相关研究提供参考.
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FRET是从受激的供体荧光团到邻近基态受体分子（生色团猝灭剂或荧光团）的非辐射能量转移. 偶极-偶极共振使FRET仅发生在相互距离约为1—10 nm的区域，在该区域可以应用理想的偶极近似[10]. 偶极-偶极共振导致的RET需要供体发射光谱与受体激发光谱之间的光谱重叠. 在此过程中，供体的光致发光 （photoluminescence，PL）强度减小，其PL寿命降低，而发光型受体PL强度和衰减时间增加，从而实现能量转移.
在Förster理论中，FRET转移率（
$ {\textit{κ}}_{\text{FRET}} $ ）是供体/受体距离的函数. 如式（1）所示，$ {\textit{κ}}_{\text{FRET}} $ 可以用r和R0表示如下[11]：其中，
$ {\textit{τ}}_{\text{D}} $ 是没有受体的供体激发态寿命，R0是Förster距离，r是供体和受体之间的距离（nm）.Förster理论另一个重要的结果参数是FRET效率，用
$ {\textit{E}}_{\text{FRET}} $ 表示，定义为每个供体激发发生的能量转移的分数（公式2）[11]. 通过将公式1替换公式2中的$ {\text{κ}}_{\text{FRET}} $ 项，可以发现$ {\textit{E}}_{\text{FRET}} $ 与$ {\textit{r}}^{\text{6}} $ 成反比. -
在自然界中，BRET是一个生物体的自发过程，可以在水母Aequorea victoria和海肾Renilla reniformis等海洋生物中观察到[12]. 该过程通过氧化底物将能量从供体酶非辐射转移到合适的受体. BRET在许多方面类似于FRET，只是它不需要外部光源来激发供体. 因此，基于BRET的能量转移遵循FRET理论，可以类似地用于产生信号变化以响应纳米级的距离变化. 使用不需要外部激发供体分子的传感和成像模式产生了多种优势：供体没有光漂白、生物自发荧光小、信噪比高、并且没有来自直接受体激发和荧光的背景干扰[13].
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CRET类似地遵循FRET理论，其中化学发光（chemiluminescence，CL）供体通过化学反应激发[14]. 通常，直接CL和催化CL系统中的CL底物用作能量供体，荧光染料、聚合物和纳米粒子被用作能量受体来构建 CRET系统. 在直接CRET系统中，由于CL体系的简单性和对能量受体吸收波长的限制较小，过氧草酸盐作为CL底物通常被用作能量供体. 在催化CRET体系中，作为CL底物的鲁米诺及其衍生物因其良好的化学稳定性和强的CL强度而被广泛用作能量供体.
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（1）重金属检测
RET生物传感器已用于Hg、As、Pb等有毒重金属的检测（见表1），这类传感器具有良好的实用性和通用性，其构建的主要原理是FRET，采用的分子识别元件主要包括结合蛋白、DNA酶和适体. 结合蛋白是从生物体内获取的能与重金属（如铅、汞、砷等）特异性结合的天然蛋白，其两端分别与供受体荧光蛋白偶联，构建融合蛋白传感器，可实现有毒重金属离子的高灵敏度和高选择性检测，但是这类结合蛋白种类有限，只能检测有限的金属离子[15-17]. 对重金属有特异性的DNA结合酶是通过DNA文库筛选得到的[18]，具有灵敏度高、选择性好的优点. 例如，Jin等以一种Pb2+依赖性DNA结合酶为识别元件，以Cy3和Cy5为荧光供受体对，开发了一种低噪声FRET传感器[19]，对Pb2+的检测限达到77 pmol·L−1. 以重金属适体为识别元件可构建发夹结构的RET生物传感器，在亲和力、特异性等方面性能优越. 例如，Ono等利用Hg2+与两个胸腺嘧啶（T）碱基的高配位能力，构建了T-Hg2+-T结构的RET生物传感器[20]，对Hg2+的检测限可达40 nmol·L−1. 此外，采用双荧光标记[21]或纳米材料[2]作为FRET对可以显著提高传感器的灵敏度. 此外，Xiong等首次证实了与Cu2+结合的短肽能够显著提高Cu2+在鲁米诺-H2O2 CL体系中的催化性能，并基于这种特异性增强作用构建了CRET生物传感器[22]，对Cu2+的检测限可达50 nmol·L−1.
（2）无机阴离子检测
用于无机阴离子检测的RET生物传感器多采用结合蛋白作为识别元件，以青色荧光蛋白和黄色荧光蛋白作为荧光供受体对，构建FRET传感器（见表2）. 这种基因编码的融合蛋白传感器便于从质粒DNA克隆转移到可用于测定的形式，且不会显著丧失结合亲和力. Gu等利用蓝藻聚球藻Synechococcus的磷酸盐结合蛋白作为传感域，分别在其N端和C端与ECFP和Venus融合，构建了磷酸盐FRET传感器[36]. Fatima等开发了用于检测硝酸盐和硫酸盐的非侵入性基因编码FRET传感器[37-38]，对硝酸盐和硫酸盐具有高特异性和亲和力，适用于体内和体外检测.
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（1）抗生素检测
用于抗生素检测的RET生物传感器主要以抗体和适体作为识别元件，具有优异的传感性能，构建的FRET传感器对抗生素的检测限低于1 ng·mL−1（见表3）. 此外，与传统的酶联免疫检测法（Enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）相比，基于RET的均相免疫分析无需分离步骤，既缩短了测定时间又简化了检测程序，且在检测小分子化合物方面具有显著优势. 例如，Zhang等使用单克隆抗体修饰的上转换纳米颗粒（Upconverting nanoparticles，UCNPs）作为能量供体，与抗原连接的AuNPs作为受体，构建了FRET传感器，用于检测恩诺沙星、环丙沙星和诺氟沙星等氟喹诺酮类抗生素，检出限为0.19—0.32 μg·L−1[40].
Yu等以单链抗体（Single chain antibody fragment，scFv）作为识别单元，以量子点（Quantum dot，QD）和Rluc作为能量供受对，构建了用于检测氟喹诺酮类抗生物的BRET同源免疫传感器[41]，检测限为2.54 ng·L−1，线性范围为0.023—25.60 ng·mL−1. Liu等基于荧光标记的适体和锆卟啉金属有机框架，构建了FRET传感器，实现了氯霉素快速检测（< 26 min），检测限为0.08 pg·mL−1，检测范围为0.1—10 ng·mL−1[42].
（2）有机农药检测
目前，基于RET生物传感器的有机农药检测方法主要分为酶传感器和非酶传感器（见表3），非酶传感器比酶传感器具有更好的选择性和敏感性[43]. Long等研发了一种基于UCNPs和Au-NPs的FRET纳米传感器用于检测有机磷农药（organophosphorous pesticides，OPPs）[4]，其识别机制是基于OPPs对乙酰胆碱酯酶（acetyl cholinesterase，AChE）活性的抑制作用，从而减少AChE催化的乙酰硫胆碱水解产物硫代胆碱的生成，硫代胆碱和AuNPs之间的静电相互作用和金-硫醇相互作用导致AuNP/UCNPs复合物的解离，因此OPPs浓度的变化引起传感器比率荧光信号的变化. 该生物传感器具有良好的稳定性，且对甲基对硫磷、久效磷和乐果等农药的检出限分别达到0.67、23、67 ng·L−1. Arvand等利用单链DNA功能化QD优异的光学性能和生物相容性，开发了一种适体传感器，通过将适体固定在水溶性L-半胱氨酸修饰的ZnS QD上，用于测定实际样品中的克瘟散（edifenphos，EDI）[44]. 当EDI不存在时，从QD到氧化石墨烯（graphene oxide，GO）的FRET会导致QD的荧光猝灭，当EDI存在时会与适体结合，取代GO，使得QD的荧光恢复，其荧光强度与EDI浓度成正比，从而实现定量检测. 该传感器的线性范围为1.61—19.33 nmol·L−1，检出限为0.42 nmol·L−1. 此外，已有研究筛选出了针对有机农药的特异性抗体[45]，可为基于RET的农药检测技术带来更丰富的应用潜力.
（3）内分泌干扰物
内分泌干扰物（Endocrine disrupting chemicals，EDCs）因极高的环境检出率和巨大的生态健康风险，备受关注. 目前用于EDCs检测的RET生物传感器，普遍采用适体作为分子识别元件（见表3）. 例如，一种基于GO的新型适体传感器被用于检测水体中的双酚A（bisphenol A，BPA）[53]. 该传感器由FAM标记的BPA适体与GO构成，当适体与BPA结合时，构象发生改变，避免了被GO吸附，从而阻止了GO对FAM的荧光猝灭，以此实现对BPA的定量检测. 该方法的检出限为0.05 ng·mL−1，加标回收率为96.0%—104.5%. 与GO一样，磁性氧化石墨烯（magnetic graphene oxide，MGO）也可以抑制荧光团标签的荧光并选择性地吸附单链DNA. 基于此，Hu等通过加入MGO，构建了用于检测BPA的FRET传感器[52]. MGO既保留了GO和磁性材料的特性，又表现出作为荧光猝灭剂和单链DNA吸附剂的优异性能，同时也有利于介质分离. 可见，纳米材料的使用有助于提高RET生物传感器的定量检测性能.
此外，对于未知EDCs的筛选，通常采用受体作为传感域构建RET传感器. Medlock利用甲基法尼酯受体二聚体分别偶联荧光蛋白mAmetrine和Rluc2，构建了用于EDCs筛选的BRET传感器，比报告基因分析的灵敏度高，实现了对29种未知化学物质的筛选[49]. Kim等开发了一种基于人雌激素受体-α（estrogen receptor alpha，ER-α）二聚化的新型BRET，用于鉴定17β-雌二醇、17α-雌二醇、皮质酮、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯、双酚A和对壬基酚与ER-α的结合亲和力[50].
（4）新污染物
目前针对药物和个人护理产品（pharmaceutical and personal care products，PPCPs）、全氟化合物（perfluorinated compounds，PFCs）、溴代阻燃剂（brominated flame retardants，BRPs）、消毒副产物（disinfection by-products，DBPs）等新污染物，缺乏快速检测手段[58]. RET生物传感器优异的检测性能与多样的构建原理能为新污染物的快速检测提供帮助（见表3）. 用于新污染物检测的RET传感器主要以受体、结合蛋白和抗体作为识别元件. Goldman等通过将抗2,4,6-三硝基甲苯（trinitrotoluene，TNT）的scFv固定在CdSe-ZnS QD，开发了FRET生物传感器，用于竞争性检测土壤中的TNT[5]. Bu等将碳点（carbon dots，CD）偶联的4,4'-二溴联苯（4,4'-Dibromobiphenyl，PBB15）抗原和AuNPs修饰的抗PBB15抗体组合，构建了一种用于检测PBB15的竞争性均相免疫FRET传感器[56]，其检测范围为0.05—4 μg·mL−1，检测限为0.039 μg·mL−1，且该方法省略了分离和重复洗涤步骤，简化了检测流程. Li等利用苯并芘（benzoapyrene，BaP）与抗体之间的配体荧光增强作用，构建了用检测BaP的均相免疫FRET传感器，其检测限为0.06 ng·mL−1[57].
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抗体和适体是用于生物毒素检测的RET生物传感器的主要敏感元件（见表4）. 小分子生物毒素的快速免疫分析需要高灵敏度和特异性的抗体，源于羊驼的纳米抗体用于构建RET生物传感器，可以拥有更低的检测限. 此外，适体作为稳定且廉价的生物毒素识别受体，可以替代传统多克隆抗体和单克隆抗体，提供与抗体相当的结果.
由蓝藻产生的微囊藻毒素（microcystins，MCs）对全球供水构成严重威胁. Shi等基于Au-NP诱导的GQD荧光猝灭，建立了一种可靠的FRET生物传感器[59]，对MC-LR和MC-RR的检测限分别为0.5和0.3 ng·mL−1. Akter开发了基于时间分辨荧光共振能量转移（time-resolved fluorescence resonance energy transfer，TR-FRET）的藻毒素均相非竞争性免疫测定方法，可实现9种毒素变体的快速检测[60]. 此外，Lee等开发了基于MCs适体的FRET生物传感器，对MC-LR的检测限达到10−4 ng·mL−1，且在不同的同系物之间具有选择性[61-62].
黄曲霉毒素、赭曲霉毒素等霉菌毒素具有强致癌性. Su等在超级折叠绿色荧光蛋白（superfolder GFP，SGFP）的羧基末端融合相应的纳米抗体作为供体，以OTA-QD的化学共轭物作为受体，构建了检测赭曲霉毒素A（ochratoxin A，OTA）的荧光纳米抗体生物传感器，检测限为5 pg·mL−1，线性检测范围为5—5000 pg·mL−1[63].
T-2毒素是由镰刀菌产生的A类霉菌毒素之一，对动物和人类具有遗传毒性、细胞毒性和免疫毒性. Zhao等设计了一种检测T-2毒素的荧光适体FRET传感器[6]，检测限为0.239 ng·mL−1，检测范围为0.5—100 ng·mL−1.
石房蛤毒素是一种来自贝类的主要海洋毒素，广泛分布于食物链. Gu等利用DNase I辅助的靶循环信号放大技术，以GQD为供体，以MRGO为受体和磁选体，建立了一种高灵敏、快速的FRET适体检测方法，比不含DNase I的荧光适体分析具有更宽的检测范围（0.1—100 ng·mL−1）和更低的检测限（0.035 ng·mL−1）[64].
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基于适体的靶向技术为构建简便、灵敏、特异、稳定的RET生物检测平台提供了一种新的途径，在水体病原微生物检测方面有巨大潜力. Jin等以适体为识别元件，以UCNPs和AuNPs作为供受体对，构建了FRET传感器进行整合，实现了对大肠杆菌的灵敏、快速（< 20 min）测定，检测范围为5—106 cfu·mL−1，检出限为3 cfu·mL−1[68]. Hao等以Co2+/ABEI-AuNFS为化学发光供体，WS2纳米片为受体，建立了检测金黄色葡萄球菌的CRET方法[69],该方法的检出限15 cfu·mL−1，线性范围为50—1.5×105 cfu·mL−1. 这种引入化学发光增强剂的信号放大技术，提高了传感器的灵敏度. 除病原菌外，也有RET生物传感器用于甜菜坏死黄脉病毒[70]、诺如病毒[71]等病毒的检测（见表5）.
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目前，FRET传感器在化学污染物和生物污染物检测中应用最广泛. FRET最早由Förster等开创并完整地构建了Förster理论体系，为FRET传感器的环境应用提供了理论支持. 此外，FRET的构建方式相对简单，采用化学荧光团作为FRET对，以生物核酸适体作为分子识别元件，整个传感器相对于大分子蛋白具有更好的化学稳定性，有利于在复杂的环境条件下发挥更好的优势. RET传感器相比于FRET传感器的优势在于没有激发光的背景干扰，由此带来的灵敏度的提高使得其在痕量有机污染物的检测中得到了部分前沿的应用. 目前新开发的小体积、高亮度纳米荧光素酶[72]和人工荧光素酶[73]可能会“点亮”BRET传感器在环境检测领域的应用前景. CRET传感器仅在重金属和病原微生物检测中有部分研究. 化学发光在稳定性方面具有优势，但CRET传感器的构建受到化学发光体系的限制[22]，需要更多的研究来证明其在环境检测领域应用的前景. 此外，环境检测领域的三种RET传感器均以异质RET为主，是两种不同荧光团或荧光团-猝灭剂对之间的能量转移，可以发生在两种不同类型的光学活性物质之间[74].
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环境污染物种类庞杂，新污染物丛出不穷，但目前发现的生物体内对环境污染物有特异性的敏感元件数量有限，难以满足众多环境污染物的检测需求，需要筛选更多特异性的敏感元件. 目前较为可行的解决途径是通过指数富集的配体系统进化技术[75]和噬菌体展示技术[76]，筛选对特定环境污染物有特异性的适体和抗体，将其作为敏感元件. 此外，通过生物组学方法识别污染物暴露的敏感生物分子也可作为潜在的识别元件[77].
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抗干扰能力是生物传感器用于环境检测需要面临的最大挑战. 与医疗、食品安全等领域的检测相比，环境污染物检测要面对更恶劣的环境条件和更复杂环境介质，生物传感器的灵敏度易受到实际环境条件的影响和环境介质的干扰，需要考虑提高传感器的可靠性. 基于纳米颗粒和有机/无机支架相结合的探针开发，将极大地提高RET的光稳定性和可检测性[11]. 近年来，各种纳米材料已成功地用于生物传感器的研发. 纳米技术可以通过增强信噪比，增加信号转导来提升生物传感器的性能. 定制纳米复合材料（具有颗粒、棒、线和管等多种纳米结构），可以改进生物传感器对复杂的环境样品敏感度和灵活性. 不过，纳米材料潜在生物毒性[78]，大规模应用前应评估其环境健康风险，避免引入二次污染.
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提高通量是环境检测技术发展的重要需求[8]. 多步RET传感器能以单一传感器载体检测多个目标分子，实现检测通量的成倍增加. 通过在纳米颗粒界面负载多种荧光染料或其他发光团，构建多步RET，可以增加1∶N或N∶1供体-受体组件的能量转移速率. 还可以设计具有竞争或级联路径的能量转移系统，在提高检测通量的同时提高检测灵敏度. 针对多路RET构建时多种发光团的选择问题，快速发展的材料科学和合成生物学将为RET传感器的信号响应系统提供帮助. 研发性能更好的纳米材料和荧光蛋白用于构建RET对，将获得更好的光谱分离、更高的RET效率、红移的激发和发射，这也为RET传感器的构建带来更多供受体对的选择[11].
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基于RET的生物传感器作为一种均相光学检测技术，具有操作简便、灵敏度高、自动校正等优点，其中FRET在针对重金属、阴离子、有机污染物和生物污染物等环境污染物的检测中得到了广泛的应用. 与FRET相比，BRET及CRET无需外部光源激发，可避免激发光源所引起的诸多副作用，极大地减少背景干扰以及“假阳性”问题，在检测领域显示出了巨大的优势. 此外，RET生物传感器可根据不同的目标物选择不同的传感域，包括结合蛋白、抗体、DNA酶、适体等，采用构象变化、竞争结合等不同的构建方式. 此外，RET生物传感器在敏感元件的筛选、抗干扰能力、检测通量方面能够满足环境检测的技术需求，具有广阔的应用前景.
基于共振能量转移的生物传感器用于环境检测的研究进展
Research progress of biosensors based on resonance energy transfer in the field of environmental pollutant detection
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摘要: 共振能量转移（RET）是从受激或自发光供体到邻近基态受体（生色团猝灭剂或荧光团）的非辐射能量转移. 利用该原理构建的生物传感器具有高灵敏度、高选择性、自动校正的特点，在环境检测领域具有巨大的应用潜力. 本文综述了目前RET生物传感器在环境检测领域（包括重金属、阴离子、有机污染物、生物毒素和病原微生物的检测）的研究进展，并针对不同环境污染物分析了RET传感体系的构建特点，最后探讨了基于RET的生物传感器在环境领域应用所面临的挑战，并对其未来发展前景进行了展望.Abstract: Resonant energy transfer (RET) is a non-radiative energy transfer from stimulated or self-luminous donors to adjacent ground state receptors (chromophore quenchers or fluorophores). Biosensors based on this principle have the characteristics of high sensitivity, high selectivity, and automatic correction, and have great application potential in the field of environmental monitoring. In this paper, the research progress of RET biosensors in environmental monitoring (including the detection of heavy metals, anions, organic pollutants, biotoxins, and pathogenic microorganisms) is reviewed, and the construction characteristics of RET sensing systems for different environmental pollutants are analyzed. Finally, the challenges of RET-based biosensors in the environmental field are discussed, and its future development prospects are prospected.
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图 1 用于环境检测的RET生物传感器及其构建原理
Figure 1. RET biosensor for environmental detection and its construction principle
表 1 RET生物传感器在重金属离子检测中的应用
Table 1. Applications of RET biosensor in the detection of heavy metal ions
目标物
TargetRET类型
Type of RET供体
Donor受体
Acceptor分子识别元件
Molecular recognition
element识别元件类型
Type of recognition
element检测限
Limit of
detection检测范围
Range of
detection参考文献
ReferenceHg2+ FRET ECFP Venus 汞结合蛋白 MerP 结合蛋白 — 0.210—
1.196 μmol·L−1[15] Hg2+ FRET FAM、HEX GO 汞适体探针：5'-TTC TTT CTT CGC GTT GTT TGT T-FAM-3' 适体 3.5 nmol·L−1 10—
249 nmol·L−1[23] Hg2+ FRET fluorescein, F DABCYL 富含T-T对的寡脱氧核糖核苷酸序列（5'-dabcyl-d TTC TTT CTT CCC CTT GTT TGT T-6-fluorescein-3'） 适体 40 nmol·L−1 40—
100 nmol·L−1[20] Hg2+ FRET 荧光素 四甲基罗丹明 汞敏感 DNA 适体（MSD） 适体 7 nmol·L−1 10—
200 nmol·L−1[21] Hg2+ FRET CD GO 寡核苷酸ODN：5'-NH2-（CH2）6 -TTC TTT CTT CGC GTT GTT TGT T-3' 适体 2.6 nmol·L−1 5—
200 nmol·L−1[2] Pb2+ FRET Cy3 Cy5 Pb2+ 依赖性DNA酶（5'-GGG GGG GGG GTG AGT GCT TCC ACT ATA GGA AGA GAT GAA AAA A-（CH2）6-bio-3'） DNA酶 0.077 nmol·L−1 0.1—
1000 nmol·L−1[19] Pb2+ FRET FAM Cy3 DNA片段1（含铅、汞特异性结合序列）、DNA片段1（含银、汞特异性结合序列） 适体 20 nmol·L−1 — [24] Pb2+ FRET FAM、HEX GO 铅适体探针：5'-GGA AGG TGT GGA AGG-HEX-3' 适体 2.56 nmol·L−1 10—
100 nmol·L−1[23] Pb2+ CRET 血红素/G-四链体催化 H2O2对鲁米诺的氧化发光 FAM Pb2+ 依赖性DNA酶8-17（5'-CAC GTC CAT CTC TTC TCC GAG CCG GTC GAA ATA GTG AGT-FAM-3'） DNA酶 5 nmol·L−1 7.5—
125 nmol·L−1[18] Cu2+ FRET 色氨酸Trp 丹磺酰氯 铜电阻操纵子编码蛋白C（CopC） 结合蛋白 7 nmol·L−1 0.04—
11 μmol·L−1[16] Cu2+ FRET Alexa Fluor 488 红色荧光蛋白DsRed 红色荧光蛋白DsRed — — 200—
5000 nmol·L−1[25] Cu2+ CRET Cu2+催化的H2O2/鲁米诺发光体系 QD（620 nm） Ser-Pro-Gly-His肽 多肽 50 nmol·L−1 0.2—
10 μmol·L−1[22] Zn2+ FRET ECFP DsRED 植物锌转运蛋白 结合蛋白 — — [17] Zn2+ FRET CFP YFP Synechococcus sp.的 Zn结合金属硫蛋白 结合蛋白 — 100—2000、
60—1400、
5.0—250、30—
900 μmol·L−1[26] Zn2+ BRET/FRET NanoLuc、Cerulean Cerulean、Citrine 双组氨酸和半胱氨酸残基四面体 Zn2+复合物 多肽 — Kd（(15.6 ±
1.0) pmol·L−1）[27] Ca2+ BRET Rluc8 Venus Ca 2+结合蛋白钙调蛋白 （CaM） 及其靶肽 M13 结合蛋白 — Kd
（1.9 μmol·L−1）[28] Ca2+ BRET NanoLuc cp229Venus
ΔC10人类中心体 Centrin 蛋白3的Mg2+/Ca2+检测域 结合蛋白 — 0.1—
20 mmol·L−1[29] Mg2+ BRET NanoLuc cp229Venus
ΔC10人类中心体 Centrin 蛋白3的Mg2+/Ca2+检测域 结合蛋白 — 1—
10 mmol·L−1[29] As3+ FRET ECFP Venus 砷结合蛋白ArsR 结合蛋白 — 5.00—53.78、
2.00—45.50、
6.00—58.96、
0.20—
55.67 μmol·L−1[30] Tl+ FRET FAM TMR PS2.M血红素适体（GTG GGT AGG GCG GGT TGG） 适体 59 μmol·L−1 59—
300 μmol·L−1[31] Co2+ FRET ECFP Venus 硫酸盐还原菌Desulfovibrio vulgaris Hildenborough钴螯合酶钴结合域 结合蛋白 — 0.05—80、
0.1—120、
0.09—
200 μmol·L−1[32] Ni2+ FRET ECFP Venus 大肠杆菌镍结合蛋白NikA 结合蛋白 — 5—5000、
0.5—3000、
0.1—5000、
10—
5000 μmol·L−1[33] Ag+ FRET ECFP Venus 银结合蛋白CusF 结合蛋白 — 1.679—7.198、
2.039—6.879、
2.232—
7.249 μmol·L−1[34] Pt2+ CRET 3,4,5-三甲氧基苯基-乙二醛（TMPG）与鸟嘌呤（G）核苷酸的衍生反应 6-carboxy-2',4,7, 7'-四氯荧光素 （TET） 铂控制的链霉亲和素结合适体 适体 0.26 μmol·L−1 0.5—
513 μmol·L−1[35] — 未提及 
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表 2 RET生物传感器在无机阴离子检测中的应用
Table 2. Applications of RET biosensor in the detection of inorganic anions
目标物
TargetRET类型
Type of RET供体
Donor受体
Acceptor分子识别元件
Molecular recognition element识别原件类型
Type of recognition element检测范围
Range of detection参考文献
ReferencePO43- FRET ECFP Venus Synechococcus strain OS-A 磷酸盐结合蛋白 结合蛋白 25—1200 nmol·L−1、80—5600 nmol·L−1、0.4—25 μmol·L−1、0.5—34 μmol·L−1、25—1600 μmol·L−1、3—170 mmol·L−1 [36] NO3- FRET CFP YFP Synechocystis sp. 6803 硝酸盐结合蛋白NrtA 结合蛋白 0.5—50 μmol·L−1、0.6—50 μmol·L−1、0.2—80 μmol·L−1、0.7—20 μmol·L−1 [37] NO3- FRET CFP cp195Venus 根瘤菌NasS与其转录反终止子NasT双组分 结合蛋白 Kd（39.5 μmol·L−1） [3] NO2- FRET CFP cp195Venus 根瘤菌NasS与其转录反终止子NasT双组分 结合蛋白 Kd（256 μmol·L−1） [3] MoO42- FRET CFP YFP 大肠杆菌转录因子ModE的C末端钼酸盐结合域（MoBD） 结合蛋白 Kd（47 nmol·L−1） [39] SO42- FRET ECFP mVenus 鼠伤寒沙门氏菌的硫酸盐结合蛋白 （sbp） 结合蛋白 0.3—90 μmol·L−1、0.2—50 μmol·L−1、40—800 μmol·L−1、0.5—80 μmol·L−1 [38] — 未提及
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表 3 RET生物传感器在有机污染物检测中的应用
Table 3. Applications of RET biosensor in the detection of organic pollutants
目标物分类
Target classification目标物
TargetRET
类型
Type of
RET供体
Donor受体
Acceptor分子识别元件
Molecular
recognition
element识别元件
类型
Type of
recognition
element检测限
Limit of detection检测范围
Range of detection参考文献
Reference抗生素 四环素（TC） FRET Eu3+穴状化合物 Cy5 抗TC多克隆抗体 抗体 0.0106 ng·mL−1 0.0273—
9.2645 ng·mL−1[46] 抗生素 氟喹诺酮衍生物（FQs） FRET β-NaLuF4：Yb、Er、Gd UCNPs AuNPs 抗FQs抗体 抗体 0.2 ng·mL−1 1—80 ng·mL−1 [40] 抗生素 氟喹诺酮衍生物（FQs） BRET Rluc QD 抗ENR单链可变抗体 抗体 0.003 ng·mL−1 0.023—
25.6 ng·mL−1[41] 抗生素 磺胺二甲嘧啶（SMZ） FRET RhoB AuNPs SMZ适体SMZ1S（5'-CGT TAG ACG-3'） 适体 0.82 ng·mL−1 1.25—
40 ng·mL−1[47] 抗生素 氯霉素（CAP） FRET FAM PCN-222 CAP适体（5'-FAM-ACT TCA GTG AGT TGT CCC ACG GTC GGC GAG TCG GTG GTA G-3'） 适体 0.08 pg·mL−1 0.1 pg·mL−1—
10 ng·mL−1[42] 农药 甲基对硫磷、久效磷、乐果 FRET UCNPs AuNPs 乙酰胆碱酯酶（AChE） 酶 0.67、23、67 ng·L−1 parathion-methyl
2—20000 ng·L−1[4] 农药 二嗪农 FRET β-NaYF4： Yb、Er UCNPs GO 二嗪农适体5'-NH2-C6-ATC CGT CAC ACC TGC TCT AAT ATA GAG GTA TTG CTC TTG GA AAG GTA CAG GGA TGG TGT TGG CTC CCG TAT-3' 适体 0.023 ng·mL−1 0.05—
500 ng·mL−1[48] 农药 克瘟散（EDI） FRET L-半胱氨酸封端的ZnS QD GO EDI适体（5'-NH2-C6-CGT ACG GAA TTC GCT AGC TAA GGG ATT CCT GTA GAA GGA GGT CTG GAT CCG AGC TCC G-3'） 适体 0.13 ng·mL−1 0.5—60 ng·mL−1 [44] 内分泌干扰物 内分泌干扰物（EDCs） BRET Rluc mAmetrine 甲基法尼脂受体MfR（protein methoprene tolerant （Met） with its partner, steroid receptor coactivator （SRC）） 受体 LOEC 3.0 μmol·L−1 — [49] 内分泌干扰物 内分泌干扰物（EDCs） BRET NanoLuc HaloTag NanoBRETTM618 人雌激素受体-α 受体 — — [50] 内分泌干扰物 双酚A（BPA） FRET 水溶性共轭聚（9,9-双（6‘-N,N,N-三甲基铵基）己基）氟苯（PFP） FAM BPA适体（5'-FAM-CCG GTG GGT GGT CAG GTG GGA TAG CGT TCC GCG TAT GGC CCA GCG CAT CAC GGG TTC GCA CCA-3'） 适体 0.005 ng·mL−1 0—1.0 ng·mL−1 [51] 内分泌干扰物 双酚A（BPA） FRET FAM MGO BPA适体（5'- CCG GTG GGT GGT CAG GTG GGA TAG CGT TCC GCG TAT GGC CCA GCG CAT CAC GGG TTC GCA CCA-FAM-3'） 适体 0.071 ng·mL−1 0.2—10 ng·mL−1 [52] 内分泌干扰物 双酚A（BPA） FRET FAM GO BPA适体（5'-FAM-CCG GTG GGT GGT CAG GTG GGA TAG CGT TCC GCG TAT GGC CCA GCG CAT CAC GGG TTC GCA CCA-3'） 适体 0.05 ng·mL−1 0.1—10 ng·mL−1 [53] 其他 2,3,7,8-四氯代二苯-并-对二噁英（2,3,7,8-TCDD） BRET Rluc YFP 芳香烃受体AHR、HSP90 受体 10 amol·L−1 1 amol·L−1—
100 pmol·L−1[54] 其他 苯 FRET 色氨酸Trp 1-氨基蒽（1-AMA） 猪气味结合蛋白（OBPs） 结合蛋白 3.9 ng·mL−1 3.9—781 ng·mL−1 [55] 其他 2,4,6-三硝基甲苯（TNT） FRET CdSe-ZnS QD BHQ-10 抗TNT单链抗体 抗体 — Kd（15.7 μmol·L−1） [5] 其他 4,4'-二溴联苯（PBB15） FRET CD AuNPs 抗PBB15抗体 抗体 0.039 μg·mL−1 0.05—4 μg·mL−1 [56] 其他 苯并[a]芘（BaP） FRET 抗BaP抗体 BaP 抗BaP抗体 抗体 0.06 ng·mL−1 0.1—5 ng·mL−1 [57] — 未提及
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表 4 RET生物传感器在生物毒素检测中的应用
Table 4. Applications of RET biosensor in the detection of biotoxin
目标物
TargetRET类型
Type of RET供体
Donor受体
Acceptor分子识别元件
Molecular recognition element识别元件
类型
Type of recognition element检测限
Limit of detection检测范围
Range of detection参考文献
Reference赭曲霉毒素A（OTA） FRET SGFP QD OTA纳米抗体 抗体 5 pg·mL−1 5—5000 pg·mL−1 [63] 微囊藻毒素-LR、微囊藻毒素-RR FRET GO AuNPs 抗MC抗体 抗体 0.5 ng·mL−1、0.3 ng·mL−1 — [59] 微囊藻毒素/节球藻毒素 FRET 7d-Eu（III）螯合物 Alexa Fluor®680 抗adda单克隆抗体和抗IC单链抗体 抗体 （MC-LR）
0.3 ng·mL−1— [60] 肉毒杆菌毒素BoNT/A轻链 FRET SNAP-25-GFP GO SNAP-25肽 多肽 1 fg·mL−1 1 fg·mL−1—
1 pg·mL−1[65] 石房蛤毒素（STX） FRET GQDs MRGO STX适体STX-41（CTT TTT ACA AAA TTC TTT TTA CCT ATA TTA TGA A） 适体 0.035 ng·mL−1 0.1—100 ng·mL−1 [64] 微囊藻毒素-LR FRET QD PoPo3染料 MC-LR适体（5'-NH2-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC TAC CAC ATT ATG CCC CAT CTC CGC-3'） 适体 10−4 ng·mL−1 10−4—100 ng·mL−1 [61] 微囊藻毒素-LR、冈田酸（OA） FRET NaYF4:Yb,Ho UCNPs、Mn2+掺杂的NaYF4:Yb,Er UCNPs BHQ3、 BHQ1 MC-LR适体（bio-GGC GCC AAA CAG GAC CAC CAT GAC AAT TAC CCA TAC CAC CTC ATT ATG CCC CAT CTC CCC）、OA适体（bio-GGT CAC CAA CAA CAG GGA GCG CTA CGC GAA GGG TCA ATG TGA CGT CAT GCG GGT GTG G） 适体 0.025 ng·mL−1、0.05 ng·mL−1 0.1—50 ng·mL−1 [62] 黄曲霉毒素B1 FRET CdTe QDs AuNPs AFB1 适体（ 5'-GTT GGG CAC GTG TTG TCT CTC TGT GTC TCG TGC CCT TCG CTA GGC CCA CA-3' ） 适体 1 ng·mL−1 3.1—125 ng·mL−1 [66] T-2毒素 FRET Cy3 NH2–UiO–66（MOFs） T-2毒素适体（5'–Cy3–CAG CTC AGA AGC TTG ATC CTG TAT ATC AAG CAT CGC GTG TTT ACA CAT GCG AGA GGT GAA GA CTC GAA GTC GTG CAT CTG–3'） 适体 0.239 ng·mL−1 0.5—100 ng·mL−1 [6] 葡萄球菌肠毒素B（SEB） FRET CD 吖啶黄素（Acf） SEB适体（5'-PO4-AGC TCA CTG GTC GTT GTT GTC TGT TGT CTG TTA TGT TGT TTC GT−3'） 适体 0.5 ng·mL−1 0.5—10 ng·mL−1 [67] — 未提及
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表 5 RET生物传感器在病原微生物检测中的应用
Table 5. Applications of RET biosensor in the detection of pathogenic microorganisms
目标物
TargetRET 供体
Donor受体
Acceptor分子识别元件
Molecular recognition element识别元件类型
Type of recognition element检测限
Limit of detection检测范围
Range of detection参考文献
Reference甜菜坏死黄脉病毒 FRET QDs 罗丹明 抗谷胱甘肽-S-转移酶抗体 抗体 0.5 μg·mL−1 — [70] 副溶血性弧菌（VP） FRET POSS–PQDs
（低聚硅倍半硅氧烷-钙钛矿量子点）Ti3C2 Mxenes（碳化钛—二维碳化物和氮化物） VP适体（5'-NH2-TTT TTT TTC CAA CGA AAC AGT GAC TCG TTG-3'） 适体 30 cfu·mL−1 102—
106 cfu·mL−1[7] 大肠杆菌ATCC 8739 FRET Yb,Er UCNPs AuNPs 大肠杆菌 ATCC 8739 适体（GCA ATG GTA CTA CTT CCC CAT GAG TGT TGT GAA ATG TTG GGA CAC TAG GTG GCA TAG AGC CGC AAA AGT GCA CTA CTT TGC TAA-NH2） 适体 3 cfu·mL−1 5—
106 cfu·mL−1[68] 诺如病毒GII CRET 3,4,5-三甲氧基苯基-乙二醛（TMPG）与鸟嘌呤 （G） 核苷酸的衍生反应 6-FAM 诺如病毒适体（5'-6-FAM-GGG GGT TTT CAT GTG AAG ACT ATA TGG CGC TCA CAT ATT TTT C-3'） 适体 80 ng·mL−1 0.16—
10 μg·mL−1[71] 金黄色葡萄球菌 CRET Co2+/ABEI-AuNFs WS2纳米片 金葡菌适体（5'-GCA ATG GTA CGG TAC TTC CTC GGC ACG TTC TCA GTA GCG CTC GCT GGT CAT CCC ACA GCT ACG TCA AAA GTG CAC GCT ACT TTG CTA A - 3'） 适体 15 cfu·mL−1 50—1.5 ×
105 cfu·mL−1[69] — 未提及
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