新型便携式砷传感器：结合巨大芽孢杆菌与 CMOS 技术

砷作为一种广泛存在于地壳中的自然元素，在地下水、土壤、农作物和矿物质中都有显著含量。长期接触低浓度砷会对人体健康造成严重威胁，可能引发皮肤病变、心血管疾病和多种癌症。美国环境保护署（EPA）规定饮用水中砷的最大污染物水平为 10 ppb（0.13 μM），土壤筛选水平为 0.39 mg/kg（约 390 ppb）；职业安全与健康管理局（OSHA）设定空气中砷的允许暴露限值为 10 μg/m³（约 0.01 ppb）；美国食品药品监督管理局（FDA）则规定婴儿米粉中砷的行动水平为 100 ppb。

传统的砷检测方法，如原子吸收光谱法（AAS）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），虽然灵敏度和准确性高，但成本高昂、样品制备复杂，且需要精密的实验室设备。而现代的砷现场检测方法中，低成本检测试剂盒可靠性欠佳，容易产生假阳性结果。全细胞生物传感器利用活细胞检测环境污染物，虽成本低、检测能力强，但在实际应用中受到诸多限制，例如运输活细菌细胞需要冷链来维持其活性，且大肠杆菌等常用底盘细胞的检测范围有限。

巨大芽孢杆菌作为一种普遍存在于土壤中的细菌，具有强大的抗逆性和形成芽孢的能力。其细胞较大，有利于基因表达和承担更高的代谢负荷，并且对包括砷在内的有毒物质有很强的抗性。研究团队利用合成生物学技术，对巨大芽孢杆菌进行基因改造用于砷检测。通过构建基于 ars 操纵子和绿色荧光蛋白（GFP）的基因电路，当砷存在时，ArsR 蛋白与启动子Pars的结合被解除，从而启动 GFP 的表达，产生荧光信号。

图 1：展示砷传感器电路设计、不同变体响应、mCherry 表征及多菌株功能验证。

研究人员构建了三种传感器变体，通过不同的组成型启动子驱动 ArsR 的表达，优化传感器的动态范围。实验结果显示，使用最强启动子表达 ArsR 的 B041 变体表现最佳，其在砷诱导下具有 30 倍的激活倍数。同时，研究证实 mCherry 荧光蛋白可在巨大芽孢杆菌中有效表达，且与木糖浓度呈正相关，而 LSSmOrange 未检测到荧光信号。此外，实验还表明巨大芽孢杆菌在 LB 培养基中培养和诱导时效果更佳。

图 2：呈现营养态传感器设计、砷耐受性、荧光响应、检测限和检测时间。

在对该传感器的性能进行深入研究时发现，相较于枯草芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌对砷的耐受性更强。在高浓度砷（100 μM - 1 mM）环境下，巨大芽孢杆菌仍能生长，且在浓度不超过 400 μM 时，对其内在代谢影响较小。在低浓度砷检测实验中，以 mCherry 为报告基因的传感器检测限低至 0.01 μM（0.77 ppb），这一检测限在众多砷全细胞生物传感器中处于领先水平。

图 3：体现芽孢制备流程、萌发和荧光动态、检测限及对砷的响应。

巨大芽孢杆菌的芽孢具有代谢休眠的特性，可在极端环境下长期存活，无需冷链保存，为生物传感器的应用提供了极大便利。研究人员通过改良的方法诱导芽孢形成，实验发现，尽管芽孢萌发对砷毒性较为敏感，但在高达 200 μM 的砷浓度下，荧光信号仍能随砷浓度增加而增强。新鲜芽孢和冻干芽孢的检测限均为 0.05 μM，且冻干芽孢在室温下储存 3 周后，检测性能未受明显影响。

图 4：描绘集成传感器操作流程，展示其与营养细胞、冻干芽孢集成时的检测限。

为实现现场检测，研究团队将巨大芽孢杆菌的营养细胞和芽孢形式的生物传感器与 CMOS 芯片集成。该 65 nm 的 CMOS 芯片具备 600 - 700 nm 的片上带通光学滤波器、光电二极管和处理电路，可有效读取OD 600 和mCherry 荧光信号。集成传感器的检测限在营养细胞中为 0.3 μM，在冻干芽孢中为 1.0 μM。理论上，该传感器适用于土壤、空气等多种环境中砷含量的检测，但由于实际环境样品存在干扰因素，后续还需进一步测试和优化。

此次研究成功展示了巨大芽孢杆菌作为全细胞生物传感器底盘的潜力，其与 CMOS 技术集成的砷检测系统检测限低、便携性强，在环境监测领域具有广阔的应用前景。未来，研究团队计划进一步提高集成传感器的灵敏度，开展实地测试并校准传感器，使其能更好地满足不同应用场景的需求。

参考文献：Hu C Y, McManus J, Aghlmand F, et al. A Portable Arsenic Sensor Integrating Bacillus megaterium with CMOS Technology[J]. ACS Synthetic Biology, 2025.