便携式纸基生物传感器开发：快速检测转基因玉米与大豆的现场解决方案

本研究针对转基因作物监管中传统检测方法成本高、耗时长且依赖实验室的痛点，开发了基于环介导等温扩增(LAMP)技术的微流控纸基生物传感器(μPAD)。该系统可在60分钟内直接通过叶片粗提物完成RHS1玉米及RR1/RR2大豆的检测，灵敏度达1.0×103 拷贝/反应，成本仅2.9美元/次，为田间转基因检测提供了便携、经济的解决方案。

　　

随着全球转基因作物种植面积持续扩大，如何快速准确地鉴别转基因成分成为保障生物安全、维护贸易合规的核心挑战。传统检测方法如蛋白质侧流层析试纸条(LFD)易受非蛋白表达型转基因干扰，而聚合酶链式反应(PCR)技术虽特异性强却依赖昂贵仪器和DNA纯化步骤，难以在田间场景应用。更棘手的是，像Roundup杂交系统(RHS)这类通过调控CP4-EPSPS基因实现雄性不育的创新技术，以及抗草甘膦大豆RR1/RR2等新一代转基因品种的涌现，对检测技术提出了更高要求。

针对这些技术瓶颈，来自普渡大学的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表了一项突破性研究。他们创新性地将环介导等温扩增(LAMP)技术与微流控纸基分析器件(μPAD)相结合，开发出首个可直接检测叶片粗提物的便携式平台。该系统无需DNA纯化步骤，通过优化0.12-0.25%十二烷基硫酸钠(SDS)提取液配方，在65°C恒温条件下60分钟内即可完成检测，成本控制在2.9美元/测试，为转基因监管提供了革命性的现场检测工具。

研究团队运用了四项关键技术：1) 基于PrimerExplorer V5软件设计特异性LAMP引物组，靶向RHS1玉米及RR1/RR2大豆的转基因序列；2) 采用数字PCR(dPCR)精确定量基因组拷贝数；3) 开发集成化μPAD芯片，通过激光切割亚克力板构建防水反应舱；4) 建立基于色度值(NHI)的时程图像分析算法，实现结果客观判读。所有植物样本均由拜耳作物科学公司提供，涵盖转基因及非转基因对照品种。

【基因拷贝数与LAMP引物表征】
通过dPCR验证，RHS1、RR1和RR2在基因组DNA中的拷贝数显著高于叶片粗提物。设计的五组LAMP引物（Corn.control.3、RHS1.8等）均表现出优异特异性，其中RR1.1和RR2.1引物完全避免非特异性扩增，为后续μPAD检测奠定基础。

【荧光定量LAMP性能验证】
qLAMP结果显示，RHS1.8引物仅扩增转基因玉米，而Soy.control.1引物可识别所有大豆样本。琼脂糖凝胶电泳观察到典型的梯形条带，证实LAMP扩增成功。时间峰值分析表明RR1检测最快（31分钟），符合田间快速检测需求。

【比色法LAMP检测限确立】
采用pH指示剂的比色法在30分钟内即可肉眼判读结果。系统对RHS1、RR1和RR2的检测限分别为4.00×10²
、2.30×10³
和4.00×10³
拷贝/反应，显著优于传统PCR方法。

【μPAD芯片集成与优化】
创新设计的亚克力反应舱有效防止交叉污染，预载冻干试剂的纸基条带可在-20°C保存60天。添加海藻糖(11.5% w/v)和牛血清白蛋白(BSA)显著提升反应稳定性，使系统能耐受叶片色素等抑制剂干扰。

【叶片粗提物检测验证】
关键突破在于实现1:7稀释的叶片粗提物直接检测。0.25% SDS（玉米）和0.12% SDS（大豆）的提取方案最优，NHI分析显示所有转基因样本均能在设定阈值内有效识别，ROC曲线下面积(AUC)达1.0，实现100%灵敏度与特异性。

【讨论与结论】
该研究开创性地将μPAD-LAMP技术应用于转基因检测领域，相比现有技术具有三大优势：1) 检测速度提升3倍，且无需复杂设备；2) 成本降低70%，主要耗材为可批量生产的纸基芯片；3) 首次实现叶片粗提物的直接检测，简化前处理流程。研究者特别指出，该系统通过掺入dUTP/尿嘧啶DNA糖基化酶(UDG)体系有效控制气溶胶污染，而甜菜碱添加剂成功克服了RHS1(61.88% GC)等高GC含量靶标的扩增难题。

这项技术的推广将彻底改变转基因作物的监管模式，使种子纯度检测、田间基因漂移监测等关键场景实现"样本进-结果出"的现场化操作。未来通过整合自动图像分析模块和多重检测通道，该平台有望成为转基因检测的新标准方法。正如研究者强调的，这种低成本、易操作的检测策略不仅适用于玉米和大豆，其模块化设计更可扩展至其他转基因作物的检测，为全球生物安全治理提供普适性解决方案。