生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進展

羅鴻斌

(東莞理工學(xué)院 科研處，廣東東莞 523808)

經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人們的健康。如何在經(jīng)濟發(fā)展的同時，更好的保護和治理環(huán)境，構(gòu)建生態(tài)文明的和諧社會，是迫切要解決的問題。生物傳感器等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)為代表的生物技術(shù)的發(fā)展，由于其靈敏、快速、高特異性等特點，在環(huán)境保護領(lǐng)域逐步應(yīng)用。本文通過闡述生物傳感器技術(shù)的原理及在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，讓廣大環(huán)境保護工作者有一定的了解。

1 概念及特點

1.1 概念和分類

生物傳感器是基于生物反應(yīng)進行檢測的一類化學(xué)傳感器，以微生物、酶、抗原、抗體等具有生物活性的固定化的生物敏感材料作為功能性識別元件，由信號轉(zhuǎn)換元件將外界對其理化性質(zhì)的影響轉(zhuǎn)化成電信號，并通過信號放大裝置放大，而實現(xiàn)對待測物質(zhì)的定量測定［1］。基本原理是利用檢測物與生物感應(yīng)元件之間相互作用產(chǎn)生響應(yīng)信號，通過信號處理元件對響應(yīng)信號進行接收、加工、轉(zhuǎn)換、輸出，實現(xiàn)對檢測物的分析檢測 (如圖1所示)。例如，檢測葡萄糖的生物傳感器就是使用葡萄糖氧化酶作為生物感應(yīng)元件對檢測目標(biāo)葡萄糖進行催化氧化，再使用電極作為信號處理元件對催化氧化過程中的電信號進行處理，以此實現(xiàn)定量檢測葡萄糖［2］。

圖1 生物傳感器原理圖

自1962年，L C Clark將電極與含有葡萄糖氧化酶的膜結(jié)合，應(yīng)用于葡萄糖檢測以來。生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測、人體健康評估、生物醫(yī)學(xué)研究、食品安全、發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)、化工等域，得到應(yīng)用和發(fā)展。生物傳感器涵蓋了包括生物學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子技術(shù)等學(xué)科在內(nèi)的眾多學(xué)科，是多學(xué)科交叉聯(lián)系發(fā)展起來的交叉學(xué)科和檢測分析技術(shù)。

根據(jù)識別元件分為:免疫化學(xué)傳感器、酶傳感器、非酶受體傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器、DNA傳感器、組織傳感器等。

根據(jù)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式分為:半導(dǎo)體傳感器、壓電晶體生物傳感器、聲學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)傳感器、測電壓生物傳感器等。

按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分為:代謝型、親和型和催化型生物傳感器。

1.2 特點

與傳統(tǒng)的分析方法相比，生物傳感器具有很多優(yōu)點［2］。特異性強，只與相應(yīng)配體特異性反應(yīng)，專一性強;檢測范圍廣，可對有機污染物、重金屬、抗生素、農(nóng)藥等小分子目標(biāo)物，酶、抗體、蛋白質(zhì)等大分子目標(biāo)物、細(xì)胞、微生物等上萬種目標(biāo)物進行檢測;反應(yīng)快，可以多次反復(fù)使用;操作簡單，可以在線連續(xù)監(jiān)測和自動分析;成本低，便于推廣應(yīng)用;樣品用量少，一般樣品預(yù)處理過程不需要太復(fù)雜和加入其他試劑;體積小，便于攜帶。此外，還有其它很多優(yōu)點。

生物傳感器有眾多優(yōu)點，但也存在一些不足。一些生物傳感器無法批量生產(chǎn)，應(yīng)用成本較高，推廣受到一定的限制;重復(fù)利用率不高，容易造成資源的浪費;一些電極制備重現(xiàn)性差，穩(wěn)定性容易受外界條件的影響，給檢測帶來誤差;有些生物感應(yīng)元件容易受外界條件影響，無法長時間存放，例如有些酶常需要提供輔酶才能起作用。

2 在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 在水體監(jiān)測中的應(yīng)用

水是生命之源，水體環(huán)境嚴(yán)重影響人類健康。如何快速、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)測水質(zhì)，具有十分重要的意義。生物傳感器由于其高靈敏度、高特異性、操作簡便、低成本、快速、能在線連續(xù)監(jiān)測等特點，在水污染監(jiān)測方面得到了迅速應(yīng)用和發(fā)展。

生化需氧量 (BOD)是監(jiān)測水體中有機物污染程度的最常用測定指標(biāo)。傳統(tǒng)的測定方法要在實驗室進行，5 d的培養(yǎng)期，費時費力、重復(fù)性差。而BOD生物傳感器器可在10～15min檢測出BOD值，可對水質(zhì)狀況在線監(jiān)測［3］。S Jouanneau等綜述了測定BOD的多種方法，認(rèn)為生物傳感器測定是耗時最少的方式，但市場化使用少［4］。生物傳感器國外已有商品化的生物傳感器快速BOD測定儀，產(chǎn)品較為昂貴，并且性能不夠穩(wěn)定，需要進一步提高儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

水體富營養(yǎng)化是水污染的一個重要因素。水體富營養(yǎng)化的一個原因是氰基細(xì)菌的大量繁殖，這些細(xì)菌殺死水生植物后，使水體產(chǎn)生惡臭味道。生物傳感器可對水體富營養(yǎng)化實現(xiàn)在線監(jiān)測。氰基細(xì)菌的細(xì)胞體內(nèi)存在的藻青蛋白 (phy cocyanin)顯示出的熒光光譜不同于其他的微生物，用對熒光敏感的生物傳感器就可以監(jiān)測氰基細(xì)菌濃度，監(jiān)測藻類繁殖情況。隨著水體富營養(yǎng)化的加劇，有些藍(lán)藻死亡過程中釋放的毒素已經(jīng)成為廣泛存在的天然有毒物。微囊藻毒素 (MC)分布較廣，毒性甚至可致家畜死亡和人類中毒。對飲用水中的微囊藻毒素監(jiān)測對于保障飲用水安全具有重要意義。Shi H等人研制的一種全自動在線光生物傳感器系統(tǒng) (AOBS)可實現(xiàn)對微囊藻毒素LR(MC－LR)的持續(xù)、實時監(jiān)測，并具有高度敏感和特異性。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于太湖MC－LR含量的長期、持續(xù)測定和預(yù)警，并已使用一年左右。該系統(tǒng)還可以通過不同的檢測元件，同時監(jiān)測六種污染物，可作為水污染早期預(yù)警系統(tǒng)［5］。因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用，有很大的危害。Quan等制成的亞硝酸鹽酶電極，通過將氧化還原介體紫精分別鍵合到聚硅氧烷和殼聚糖中，然后親水性的聚氨酯將這兩種聚合物分別與Cu－NiRs包埋固定于玻璃碳電極表面，紫精修飾的殼聚糖酶電極對亞硝酸鹽的靈敏度為14.9 nA/μmol/L、線性穩(wěn)態(tài)響應(yīng)范圍0.04～11 μmol/L(r2=0.999)，響應(yīng)時間只需15 s，酶電極在65 d內(nèi)可保持穩(wěn)定［6］。

細(xì)菌總數(shù)是水質(zhì)的一個重要監(jiān)測指標(biāo)。目前普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)方法是平板菌落記數(shù)法，誤差大、步驟繁瑣、耗時長。韓樹波等人研制的新型伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳感器，優(yōu)化設(shè)計了電極及其輔助測定裝置，檢測下限達(dá)3×104cells，只需0.5 h左右的測定周期［7］。Qianyu Zhang等人設(shè)計了一種基于化能自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌的電位傳感器，用于檢測水中的污染物［8］。

廢水中重金屬離子的濃度測定也是重要的監(jiān)測指標(biāo)。將光纖和微生物一起包埋在聚合物基質(zhì)中制成的微生物傳感器，具有高靈敏度、選擇性好、儲藏穩(wěn)定性強、測量范圍廣等特點。這種微生物傳感器可以達(dá)到最低測量濃度1×10－9mol/L［9］。Roberto等利用綠色熒光蛋白 (GFP)，研制的細(xì)菌熒光素酶生物傳感器，對亞砷酸鹽和砷酸鹽可測到定亞微克水平，效果好、費用低，可長期對砷污染地區(qū)進行在線監(jiān)測［10］。

生物傳感器還用來測定水體中酚類和表面活性劑的濃度。有研究人員將探針和可潛水的生物傳感器上的靈敏電流計相連，并將鎘氨酸酶和漆酶固定在碳纖維傳導(dǎo)器上，通過對電流計輸出讀數(shù)的分析，而對酶產(chǎn)物進行分析。這種生物傳感器可用于測定大規(guī)模的酚類化合物濃度［11］。白志輝等用硫化物桿菌制成的硫化物傳感器，可用于對工業(yè)廢水、生活污水等基體復(fù)雜樣品中的硫化物進行測定［12］。Heitzer等人研制成了一種光學(xué)全細(xì)胞生物傳感器，以對廢水中含有的萘和水楊酸鹽的生物利用率以及微生物分解活力進行連續(xù)的在線監(jiān)控。主要利用了一種經(jīng)基因工程改造的熒光假單胞菌指示菌，它在一定條件下暴露于萘和水楊酸鹽中將導(dǎo)致生物發(fā)光劇增，于萘和水楊酸鹽的濃度決定了指示菌的響應(yīng)強度和時間［13］。

此外，生物傳感器還可以用于水處理設(shè)備的一部分，提高監(jiān)測效率。研究人員研制的一種新型pH生物傳感器，已發(fā)展起來用于監(jiān)測生活污水的衛(wèi)生狀況。主要是基于細(xì)菌對葡萄糖的新陳代謝作用，在37℃的溫度下，利用腸細(xì)菌的生長狀況來監(jiān)測pH值。該傳感器可以作為水處理裝置的終端，適用于在線檢測［14］。

完整的預(yù)警系統(tǒng)，對于水污染的監(jiān)測具有重要意義。這樣的系統(tǒng)可以對水中的污染物進行檢測、分析、信號傳輸、報警，生物傳感器結(jié)合報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時、連續(xù)、快速的預(yù)警。Shi H等人研制的全自動在線光生物傳感器系統(tǒng) (AOBS)可實現(xiàn)對微囊藻毒素LR(MC－LR)的持續(xù)、實時監(jiān)測，并具有高度敏感和特異性，并應(yīng)用于太湖MC－LR含量的長期、持續(xù)測定和預(yù)警［5］。

2.2 在農(nóng)藥控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，普遍使用農(nóng)藥，農(nóng)藥殘留在水和土壤中，對環(huán)境造成影響較大。傳統(tǒng)的農(nóng)藥測定方法主要有GC－MS、高效液相色譜－質(zhì)譜技術(shù)、熒光分析法、酶抑制法、免疫分析法、紅外光譜法等，但都需要借助實驗儀器進行。生物傳感器則便捷、經(jīng)濟，可現(xiàn)場進行分析。羅啟枚等認(rèn)為酶生物傳感器在農(nóng)藥殘留檢測方面具有傳統(tǒng)檢測方法不可比擬的優(yōu)勢［15］。

很低濃度的有機磷農(nóng)藥對乙酰膽堿酯酶的活性有抑制作用，在一定濃度范圍內(nèi)，有機磷農(nóng)藥濃度和酶活抑制程度之間有對應(yīng)關(guān)系。周華等將牛血清白蛋白和乙酰膽堿酯酶固定在石墨電極基體上生長的碳納米管電極表面，研制的新型生物傳感器可用于檢測有機磷農(nóng)藥。對農(nóng)藥中甲基對硫磷、樂果、敵敵畏等檢測效果較好［16］。有研究人員設(shè)計出了間接測定有機磷農(nóng)藥濃度的酶傳感器，利用除草劑對光合作用抑制，從而改變?nèi)~綠素?zé)晒獾臉?biāo)志，對某些農(nóng)藥污染物的毒性能迅速反映的特點，研制了基于PSII的生物傳感器［17］。

除草劑的使用，在全世界都較為廣泛，過量的除草劑對水源的污染較大。除草劑中的某些成份對植物類囊體束縛酶起分解過氧化氫的作用，基于這一原理，李建平等研制了一種可以現(xiàn)場快速檢測痕量除草劑的電化學(xué)生物傳感器［18］。Yannis Ferro等人探討了使用無機半透明的水凝膠結(jié)合固定化的海藻細(xì)胞構(gòu)建光生物傳感器，這種光藻生物傳感器可用于水污染物的預(yù)警。對除草劑敵草隆和阿特拉津的檢測極限可達(dá)到0.1 uM［19］。suri等人將待測抗原與固定在微懸臂上的抗體結(jié)合，引起微懸臂的彎曲，研制的納米機械免疫傳感器檢測阿特拉津，檢測限達(dá)到了1 ng/mL［20］。

此外，Mauriz等研制的表面等離子共振 (SPR)型免疫傳感器，可用于水中毒死蜱農(nóng)藥的檢測。將一種毒死蜱人工抗原固定于傳感器金膜的表面，使它和待測樣品中游離態(tài)毒死蜱競爭性的結(jié)合相應(yīng)抗體，毒死蜱濃度的增加會導(dǎo)致SPR信號減弱，使用該方法檢測農(nóng)藥殘留物可低至PPt水平。該傳感器穩(wěn)定性良好，可重復(fù)使用200次［21］。Deng等人將電流型免疫傳感器與ELIsA微孔板結(jié)合起來研制的電化學(xué)檢測器，具有高通量、穩(wěn)定性高、檢測限低、可重復(fù)使用等優(yōu)點，檢測2，4－D，檢測限達(dá)到0.072 ng/mL［22］。Alvarez等人首次將納米機械生物傳感器用于雙對氯苯基三氯乙烷 (DDT)的檢測。牛血清白蛋白 (BSA)與DDT半抗原結(jié)合形成人工抗原，在微懸臂的金表面通過硫醇自組裝共價固定，固定在金表面的DDT和待測游離態(tài)DDT競爭性結(jié)合單克隆抗體，檢測濃度低至納摩爾范圍，無需標(biāo)記［23］。

2.3 在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用

大量的廢氣、煙塵排入大氣中，嚴(yán)重影響大氣質(zhì)量。我們每天呼吸著大氣，大氣污染就像影子，隨時跟著我們，對于大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測極為重要。生物傳感技術(shù)可用來測定大氣中的CO2、NOx、SO2等的含量及濃度等。

眾所周知，CO2是造成溫室效應(yīng)的主要原因。Suzuki等研究出一種CO2生物傳感器，主要是利用半導(dǎo)體技術(shù)，使用更加方便［3］。魯中明等研究開發(fā)了一種CO2光纖化學(xué)傳感器，具有體積小、能耗低的特點，適宜現(xiàn)場長期自動監(jiān)測，在0～194 ppm的CO2濃度范圍內(nèi)，其最佳精度為+1.21 ppm，響應(yīng)時間 (99%)約為 2 min［24］。

氮氧化物是空氣污染物的重要成份，主要有NO和NO2。NO2反應(yīng)最強，是光化學(xué)煙霧的主要造成因素。Charlesp等用固定化硝化細(xì)菌、多孔滲透膜、氧電極組成微生物傳感器，能夠間接測定空氣中NOx 的濃度，其檢出限為1 ×10－8mol/L［25］。

SO2是酸雨、酸霧形成的主要因素，傳統(tǒng)的檢測方法較為復(fù)雜。Carballor等制備的傳感器，使用了制作方法簡單、制備成本低的聚卟啉合鎳配合物修飾玻碳電極，與流動注射分析技術(shù)結(jié)合使用，對SO2含量的檢測快速而有效，可使檢出限達(dá)0.15 mg/L［26］。

甲醛也是一種大氣污染物，特別是裝飾材料的使用，直接影響到我們的居住環(huán)境，對健康的危害更為隱性。祝艷濤等綜合分析了國內(nèi)外甲醛氣體傳感器的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)，綜述了測定甲醛的金屬氧化物傳感器、聲表面波傳感器、電化學(xué)傳感器、基于化學(xué)發(fā)光的傳感器的特性，并指出了甲醛氣體傳感器存在的問題，對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測［27］。

3 發(fā)展趨勢

自1962年以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了豐富多樣的生物傳感器類型，卻沒有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。影響其廣泛使用的原因復(fù)雜，較難批量生產(chǎn)。生物傳感器是多學(xué)科綜合交叉的一門技術(shù)，主要的發(fā)展趨勢是多功能化、微型化、智能化、集成化。未來一段時期，生物傳感器的研究工作將主要圍繞:生物傳感器要由單一功能向多功能轉(zhuǎn)變，一個傳感器集合多種污染物的檢測功能;利用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效的目標(biāo)菌株，以提高效率和穩(wěn)定性;解決生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題;提高信號檢測器的使用壽命，選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件;微型化生物傳感器與其它分析儀器、信號終端的集成化，建立高效的生物傳感系統(tǒng)，提高預(yù)警效率。此外，應(yīng)用生物傳感器得到的檢測結(jié)果必須得到權(quán)威的認(rèn)可，才可能大規(guī)模的應(yīng)用實際中。通過這些努力，最終逐步市場化和商品化。

隨著環(huán)境保護和其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器技術(shù)也將發(fā)展的更加成熟。不用多久，新一代高靈敏度、低成本、高穩(wěn)定性等眾多優(yōu)勢的生物傳感器將在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，將發(fā)揮更大的作用。

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