面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)的生物傳感器研究

夏善紅 邊超 孫楫舟 謝勇 韓明杰 熊晨雨

隨著工農(nóng)業(yè)和社會(huì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)廢水以及生活污水大量排放，水污染事件頻發(fā)，嚴(yán)重破壞了人類賴以生存的水資源環(huán)境，水污染防治工作迫在眉睫。開展水污染監(jiān)測(cè)、及時(shí)有效地掌握水質(zhì)污染的各項(xiàng)指標(biāo)是水污染防治的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測(cè)分析方法操作步驟繁瑣、測(cè)試周期長(zhǎng)，分析儀器體積大、價(jià)格高，難以滿足廣域水環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)以及分布式組網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)的需求。亟待開發(fā)小型化、低成本、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速的水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)儀器。同時(shí)，一些痕量、高毒性、難降解的污染物，如重金屬離子和持久性有機(jī)污染物等，需要檢測(cè)方法和檢測(cè)技術(shù)具有超高的靈敏度。

生物傳感器利用生物分子之間的特異性識(shí)別與反應(yīng)，通過將生物分子識(shí)別元件固定在傳感器敏感表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的特異性識(shí)別。生物分子識(shí)別元件通常是生物體成分（如酶、抗原、抗體、DNA等）或生物體本身（如細(xì)胞、組織等）。生物傳感器的換能器進(jìn)一步將變化的化學(xué)或物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物濃度的檢測(cè)。換能器可以是電化學(xué)的、光學(xué)的、熱學(xué)的、壓電的或磁學(xué)的。生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的生物、化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)分析儀器相比，生物傳感器具有體積小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、響應(yīng)快、功耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)及快速檢測(cè)，在醫(yī)療健康、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

按照識(shí)別元件分類，生物傳感器可以分為酶?jìng)鞲衅鳌⒚庖邆鞲衅?、DNA傳感器、組織傳感器、微生物傳感器等。本文面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，對(duì)若干不同類型的生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述。

1 生物傳感器及其水環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用

生物傳感器多種多樣。本節(jié)面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，主要調(diào)研歸納了酶、免疫、DNA、組織、微生物等生物傳感器的研究與發(fā)展。

1.1 酶?jìng)鞲衅髟谒h(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

酶是具有生物活性且能起特異性催化作用的一類蛋白質(zhì)，具有反應(yīng)速度快、催化效率高、反應(yīng)條件溫和以及高選擇性和高特異性等特點(diǎn)，被廣泛用于制備酶生物傳感器。酶?jìng)鞲衅髂軐?duì)生化物質(zhì)實(shí)現(xiàn)原位、準(zhǔn)確、靈敏、快速的檢測(cè)。在水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，酶?jìng)鞲衅鞒Ｓ糜谟袡C(jī)磷農(nóng)藥、酚類物質(zhì)、硝酸鹽和重金屬離子等的檢測(cè)。

針對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)的酶?jìng)鞲衅?，通常利用有機(jī)磷農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶活性的抑制作用，通過檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。近年來涌現(xiàn)出了許多用于乙酰膽堿酯酶固定的新型材料，如金納米顆粒、銀納米線等納米材料，以及微凝膠等聚合物材料。同時(shí)也出現(xiàn)了許多新的方法，如基于錐形光纖酶?jìng)鞲衅鞯挠袡C(jī)磷檢測(cè)方法。Wei和Feng研究了一種基于乙酰膽堿酯酶/氮摻雜多孔碳/硼摻雜金剛石電極的電化學(xué)生物傳感器，氮摻雜多孔碳的孔狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性為乙酰膽堿酯酶的固定提供了大量的反應(yīng)位點(diǎn)，有效維持了乙酰膽堿酯酶的活性；同時(shí)氮的引入提高了電極表面的電導(dǎo)率、加速了電子傳遞速率。測(cè)試結(jié)果表明，敵敵畏和殺螟松的檢測(cè)范圍均為0.1～10000 ng/L， 檢測(cè)限分別低至1.50 pg/L和4.40 pg/L。為了降低酶固定化的難度，充分利用酶的特異性作用，Caballero-Díaz等利用氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)和乙酰膽堿酯酶作為生物識(shí)別元件，開發(fā)了熒光納米傳感器，用于河水中殺蟲劑苯氧威的測(cè)定。該傳感器利用酶的產(chǎn)物對(duì)氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)熒光的淬滅作用實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，傳感器無需固定化酶。測(cè)試結(jié)果表明，研制傳感器對(duì)苯氧威的檢測(cè)線性范圍為6～70 μmol/L，檢出限為3.15 μmol/L，并具有較好的重現(xiàn)性。

酚類物質(zhì)是水環(huán)境中常見的高毒污染物，對(duì)酚類物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)具有重要的意義。Sethuraman等基于聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-還原氧化石墨烯-三氧化二鐵-多酚氧化酶（PEDOT-rGO-Fe2O3-PPO）復(fù)合改性玻碳電極，對(duì)鄰苯二酚進(jìn)行了特異性檢測(cè)。所制備的復(fù)合電極酶的負(fù)載能力高、電子轉(zhuǎn)移速率快，對(duì)鄰苯二酚的檢測(cè)線性范圍為4×10－8～6.20×10－5mol/L，檢測(cè)下限為7×10－9mol/L。當(dāng)儲(chǔ)存在約4℃的緩沖液中時(shí)，該生物傳感器的穩(wěn)定性可長(zhǎng)達(dá)75 d。

水中過量的硝酸鹽會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，硝酸鹽的檢測(cè)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中也占有重要的地位。Minami等首次報(bào)道了一種基于延長(zhǎng)柵型的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）酶生物傳感器，對(duì)硝酸鹽檢測(cè)的下限低至45 μg/L，靈敏度可以與一些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相媲美。由于OFET具有可印刷性、機(jī)械靈活性、拉伸性和可拋棄等特點(diǎn)，該研究為水中低成本、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的硝酸鹽傳感器的研制開辟了一條新途徑。Ali等基于氧化石墨烯（GO）納米片和PEDOT納米纖維（PEDOT-NF）設(shè)計(jì)了一種微流體阻抗型硝酸鹽傳感器，其中PEDOT-NFs-GO復(fù)合物用于固定硝酸還原，研究表明GO和PEDOTNF之間存在協(xié)同作用。該傳感器在0.44～442 mg/L的硝酸鹽離子濃度范圍內(nèi)，靈敏度為61.15 Ω·L·mg－1·cm－2，檢測(cè)限為0.135 mg/L，并具有良好的特異性、可靠性和重現(xiàn)性。

伴隨著工業(yè)化進(jìn)程，含有重金屬離子（Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+、Hg2+等）的污水大量排放，嚴(yán)重危害著水環(huán)境及水生生物。利用重金屬離子對(duì)酶的抑制作用，采用如辣根過氧化酶、乳酸脫氫酶、脲酶、葡萄糖氧化酶等可以研制用于重金屬檢測(cè)的酶?jìng)鞲衅?。水環(huán)境中痕量汞離子的原位、準(zhǔn)確、快速和靈敏檢測(cè)是人們尤為關(guān)注的問題。Elsebai等以戊二醛和牛血清白蛋白為交聯(lián)劑，將過氧化氫酶固定在玻碳電極表面，研制用于汞離子檢測(cè)的酶?jìng)鞲衅?，?shí)現(xiàn)了對(duì)痕量汞離子的檢測(cè)，檢測(cè)限為1.8×10－11mol/L，檢測(cè)線性范圍5×10－11～5×10－10mol/L。將該傳感器應(yīng)用于不同類型水樣中汞離子的測(cè)定，結(jié)果表明該傳感器對(duì)汞離子有很好的選擇性。

1.2 免疫傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

免疫傳感器是基于抗原抗體之間的特異性親和反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的一類生物傳感器?；诳贵w的免疫分析技術(shù)，因具有操作簡(jiǎn)便、攜帶方便、成本低廉、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)而用于環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的研制，目前多應(yīng)用于農(nóng)藥以及重金屬離子等污染物的檢測(cè)。

Guo等基于抗三唑磷的單克隆抗體設(shè)計(jì)了SPR生物傳感器，該傳感器對(duì)于殺蟲劑三唑磷具有較好的特異性和較低的檢測(cè)下限（0.096 ng/mL），線性檢測(cè)范圍為0.98～8.29 ng/mL，該傳感器芯片可重復(fù)使用160次。Belkhamssa等將莠去津抗體修飾在多壁碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管上，基于免疫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)農(nóng)藥莠去津的檢測(cè)，其檢測(cè)下限為0.001 ng/mL，線性檢測(cè)范圍為0.001～10 ng/mL。Monerris等通過在玻碳電極表面固定抗雌激素酮的單克隆抗體，制備電化學(xué)免疫傳感器用于測(cè)定水樣中的痕量雌激素酮。

在重金屬離子檢測(cè)中，抗體通常與EDTA螯合的金屬離子結(jié)合來實(shí)現(xiàn)特異性識(shí)別。Shu等利用小鼠抗Cu2+-EDTA單克隆抗體來捕獲Cu2+-EDTA螯合物，然后利用紫外線輻射降解免疫復(fù)合物以釋放游離的Cu2+，基于Cu2+對(duì)CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光猝滅效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于Cu2+的高特異性和高靈敏度檢測(cè)。該免疫傳感器的檢測(cè)下限為0.33 ng/mL。由于采用抗體捕獲Cu2+，避免了其他重金屬離子對(duì)量子點(diǎn)熒光淬滅效應(yīng)的干擾，提高了傳感器的選擇性。López等基于抗Cd2+-EDTA單克隆抗體對(duì)Cd2+免疫傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該傳感器具有較寬的檢測(cè)范圍0.4～2000 μg/L，檢測(cè)下限為0.1 μg/L。

Xing等基于免疫層析技術(shù)研制了能夠?qū)崿F(xiàn)水中重金屬、藻毒素、抗生素、激素和殺蟲劑等5種污染物同時(shí)檢測(cè)的紙基免疫傳感器。以鉛（II）、微囊藻毒素-亮氨酸-精氨酸（MC-LR）、氯霉素（CAP）、睪酮（T）和百菌清（CTN）作為代表物，5種不同的抗原被分別固定在硝化纖維素膜上，樣本中的待測(cè)物和固定的抗原競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合單克隆金標(biāo)抗體，5種物質(zhì)的檢測(cè)下限分別為4 ng/mL、1 ng/mL、0.1 ng/mL、5 ng/mL和5 ng/mL，檢測(cè)時(shí)間20 min。該紙基傳感器為水中污染物的現(xiàn)場(chǎng)半定量檢測(cè)提供了一種有效的方法。

1.3 DNA傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

DNA具有與抗原抗體結(jié)合類似的高親和力，并具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性、低毒性，以及易于合成和修飾等特點(diǎn)，成為生物和化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)中的常用識(shí)別元件。目前，DNA常被用來檢測(cè)水中的重金屬離子以及農(nóng)藥、抗生素等有機(jī)污染物。

利用Hg2+引起富含胸腺嘧啶（T）的DNA單鏈折疊，形成T-Hg2+-T特異性結(jié)構(gòu)，抑制DNA雜交反應(yīng)的性質(zhì)，能夠研制用于Hg2+檢測(cè)的DNA傳感器。Jia等研制了局域等離子體共振（LSPR）光纖DNA傳感器用于水中Hg2+的檢測(cè)。該傳感器以DNA雜交雙鏈為聯(lián)接，構(gòu)建納米金顆粒Core-satellites結(jié)構(gòu)并激發(fā)等離子體耦合增強(qiáng)效應(yīng)；通過檢測(cè)Hg2+抑制DNA雜交反應(yīng)過程中，對(duì)等離子體耦合強(qiáng)度以及LSPR諧振波長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的檢測(cè)，檢測(cè)線性范圍5～150 nmol/L，檢測(cè)下限為3.4 nmol/L。

Zuo等提出一種基于WS2納米片的雙色熒光生物傳感器，用于檢測(cè)Hg2+和Ag+。該傳感器利用WS2納米片的熒光猝滅能力和WS2納米片與DNA分子之間的相互作用而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。通過監(jiān)測(cè)525 nm和583 nm處的熒光強(qiáng)度的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+和Ag+的同時(shí)檢測(cè)。Hg2+和Ag+的線性檢測(cè)范圍分別為6.0～650.0 nmol/L和5.0～1000.0 nmol/L，檢測(cè)下限分別為3.3 nmol/L和1.2 nmol/L。

利用核酸切割酶識(shí)別特定DNA雙鏈并切割其中某條單鏈的性質(zhì)，以及重金屬能夠激活核酸酶水解產(chǎn)生并釋放出單鏈，游離出的單鏈又能夠與其他的分子信標(biāo)重新雜交，觸發(fā)下一輪酶切引起信號(hào)的循環(huán)放大的性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)重金屬離子的檢測(cè)。趙永席等研制了基于核酸切割酶與脫氧核酶的熒光循環(huán)放大系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Pb2+的檢測(cè)，檢測(cè)下限0.1 nmol/L，并具有好的選擇性。Hong等基于這一原理研制了電化學(xué)生物傳感器，對(duì)Hg2+的線性范圍10～50000 pmol/L，檢測(cè)下限低至1.6 pmol/L。

Arvand和Mirroshandel等基于石墨烯/適配體-量子點(diǎn)（GO/aptamer-QDs）復(fù)合物設(shè)計(jì)了一種能夠檢測(cè)克瘟散殺菌劑（EDI）的熒光增強(qiáng)型適配體傳感器。該傳感器利用從量子點(diǎn)到石墨烯片的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)致使量子點(diǎn)熒光淬滅的性質(zhì)，以及EDI對(duì)GO的取代作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)EDI的熒光增強(qiáng)型檢測(cè)。該傳感器的線性檢測(cè)范圍為5×10－4～6×10－3mg/L，檢出限為1.3×10－4mg/L，重現(xiàn)性（RSD＝3.9%，n＝10）良好，對(duì)其他化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的農(nóng)藥具有很好的選擇性。Zourob等篩選出高親和力、特異性強(qiáng)的多菌靈DNA適配體，并采用自組裝單層膜法將DNA適配體修飾在金電極表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)多菌靈的特異性檢測(cè)，檢測(cè)范圍10～10000 ng/L，檢測(cè)限8.2 ng/L，而其他常用農(nóng)藥如異丙隆、阿特拉津、利谷隆、氟樂靈、西維因和甲基對(duì)硫磷等不會(huì)對(duì)該傳感器的檢測(cè)造成干擾。

1.4 組織傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近些年來，動(dòng)植物組織也被作為生物傳感器的識(shí)別元件來進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別檢測(cè)，尤其是水生植物已經(jīng)成為環(huán)境研究的重要研究工具。研究人員可以通過控制外部環(huán)境條件（例如光、熱或者除草劑、重金屬及有機(jī)污染物等），對(duì)植物的生命活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行評(píng)估。

以藻類為例，Tsopela等基于藻類設(shè)計(jì)了一種由電化學(xué)三電極微流控平臺(tái)組成的便攜式除草劑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置。利用敵草隆除草劑的存在會(huì)引起藻類光合作用的代謝活動(dòng)發(fā)生紊亂，從而導(dǎo)致其產(chǎn)氧速率受到影響的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)除草劑的檢測(cè)。

Harguinteguy等利用狐尾藻對(duì)河流中的重金屬離子濃度進(jìn)行連續(xù)4個(gè)月的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)狐尾藻植物體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的積累，從而提出利用該種水生植物能實(shí)現(xiàn)重金屬水體污染的早期監(jiān)測(cè)的方案；同時(shí)該課題組發(fā)現(xiàn)小眼子菜也可以用于重金屬離子的監(jiān)測(cè)。

Védrine等利用小球藻設(shè)計(jì)了一種用于水中污染物檢測(cè)的光學(xué)生物傳感器。他們將小球藻微藻包裹在石英微纖維過濾器表面，通過研究除草劑對(duì)于葉綠素?zé)晒獾挠绊?，檢測(cè)水體中甲酚、阿特拉津、西瑪津、異丙隆和敵草隆等5種農(nóng)藥的濃度。結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)＞1 μg/mL濃度下的檢測(cè)，5種農(nóng)藥的檢測(cè)下限分別為5 μg/L、0.255 μg/L、0.5 μg/L、0.025 μg/L和0.025 μg/L。

Merko?等以鉍作為前驅(qū)體，利用組織與鉍的結(jié)合作用，在電化學(xué)沉積鉍的過程中將蘑菇組織固定到修飾有多壁碳納米管的絲網(wǎng)印刷電極表面，得到一種苯酚傳感器。該傳感器的線性響應(yīng)范圍為2～200 μmol/L，檢測(cè)限為1.17 μmol/L。

1.5 微生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

微生物傳感器以微生物為識(shí)別元件，利用其在待測(cè)物下的代謝過程實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的檢測(cè)。微生物可以是單一菌種、菌群或者死細(xì)胞。

結(jié)合微生物實(shí)現(xiàn)水中生化需氧量（BOD）的檢測(cè)，是微生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要的應(yīng)用方向。生活污水與工業(yè)廢水中含有的大量有機(jī)污染物，可經(jīng)好氣菌的生物化學(xué)作用而分解，并消耗大量的溶解氧，破壞水體中氧的平衡，造成魚類及其他水生生物的缺氧死亡。由于水體中所含的有機(jī)物成分復(fù)雜，通常利用水中有機(jī)物在一定條件下所消耗的氧來間接表示水體中有機(jī)物的含量。BOD能相對(duì)表示出可被微生物分解的有機(jī)污染物含量，符合水體自凈化的實(shí)際情況，因而在水質(zhì)評(píng)價(jià)方面更具有實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外采用的BOD檢測(cè)方法主要包括5天培養(yǎng)法、測(cè)壓法、活性污泥曝氣降解法、檢壓庫(kù)侖法和較高溫度法等，但這些方法存在測(cè)定周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜、不適用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、無法及時(shí)反映水質(zhì)情況等缺點(diǎn)。

1977年，Karube等首次將土壤中的微生物修飾在電極上測(cè)量污水中的BOD，實(shí)現(xiàn)了BOD的在線快速檢測(cè)。微生物BOD傳感器通常由微生物菌膜和氧電極構(gòu)成，利用溶解氧電極直接檢測(cè)微生物在生物降解有機(jī)物時(shí)引起氧濃度的變化，并具有簡(jiǎn)單、易于微型化、集成化和方便使用等優(yōu)點(diǎn)。此后，利用微生物檢測(cè)生化需氧量的文章被大量報(bào)道。

中國(guó)科學(xué)院武漢病毒所環(huán)境微生物室是我國(guó)最早從事BOD微生物傳感器研究的機(jī)構(gòu)，張先恩等于1986年篩選獲得了具有廣泛代謝譜和降解能力的假單胞菌作為BOD微生物傳感器的工作菌株，可在15分鐘內(nèi)完成一個(gè)樣品BOD的測(cè)定，并適合于有毒工業(yè)污水中BOD的測(cè)定。該團(tuán)隊(duì)1987年研制的智能化BOD儀器，可在石油化工廢水處理廠等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該項(xiàng)目1989年獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，從而對(duì)BOD微生物傳感器的研究開發(fā)起到了重要的推動(dòng)作用。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所董紹俊團(tuán)隊(duì)在BOD微生物傳感器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面均有重要貢獻(xiàn)，2003年以來該團(tuán)隊(duì)發(fā)表了20余篇BOD微生物傳感器相關(guān)的論文，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了BOD測(cè)定儀，在長(zhǎng)春市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站等地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。BOD微生物傳感器的研究涉及用于微生物固定的材料和方法，如溶膠-凝膠材料、有機(jī)無機(jī)雜化材料、納米管和石墨烯等材料，同時(shí)也涉及快速檢測(cè)方法與傳感器以及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。實(shí)現(xiàn)微生物的有效固定，提高BOD傳感器的穩(wěn)定性和壽命，同時(shí)縮短檢測(cè)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)BOD的快速檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)是研究者關(guān)注的方向。

Wang等采用固定微生物細(xì)胞（IMC）珠作為識(shí)別元件測(cè)量BOD，其與傳統(tǒng)BOD檢測(cè)的生物敏感膜相比有效減小了傳質(zhì)阻力，提高了靈敏度和穩(wěn)定性。IMC珠在每天8次檢測(cè)頻率下可保持約70 d的生物活性，可實(shí)現(xiàn)BOD快速測(cè)量。Liu等以鐵氰化鉀作為媒介，以碳纖維氈作為微生物固定化材料，構(gòu)建BOD流動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在30 min內(nèi)檢測(cè)BOD，穩(wěn)定性達(dá)2個(gè)月。Hooi等利用海藻酸鈣固定微生物在超微電極上研制BOD檢測(cè)微生物傳感器。該傳感器利用超微電極擴(kuò)散傳質(zhì)快的特點(diǎn)，有效縮短了響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BOD的快速檢測(cè)。Kashem等通過將酵母植入被聚乙烯-聚丙烯（PE-PP）包裹的氧敏感膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了光學(xué)BOD生物傳感器。PE-PP膜能夠消除環(huán)境樣品的干擾，并具有試劑用量少，測(cè)試時(shí)間短（5 min）的優(yōu)點(diǎn)。Wang等基于磁性修飾微生物的技術(shù)制備無膜式BOD微生物傳感器。研究以枯草芽孢桿菌為代謝有機(jī)物的微生物，將四氧化三鐵納米顆粒（帶正電）吸附在枯草芽孢桿菌（帶負(fù)電）表面形成磁性微生物。利用超微電極陣列和納米鈀/還原羧基石墨烯修飾的超微電極陣列為換能器，在超微電極陣列底部設(shè)計(jì)一個(gè)磁性基底，通過磁場(chǎng)將磁性微生物固定在超微電極陣列表面作為敏感膜，并能通過調(diào)控外部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)敏感膜的更新。該傳感器具有制備簡(jiǎn)單、易更新等特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)BOD的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

2 水質(zhì)生物傳感器的若干關(guān)鍵技術(shù)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜。發(fā)展用于現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)的水質(zhì)生物傳感器面臨諸多科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)需要解決傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性，以及器件和系統(tǒng)的微小型化、低功耗、長(zhǎng)期自治工作等關(guān)鍵問題。筆者在即將出版的著作中對(duì)相關(guān)問題作了一些具體分析，這里重點(diǎn)闡述3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 生物材料的富集技術(shù)

對(duì)于某些毒性大、標(biāo)準(zhǔn)限值較低的污染物，直接檢測(cè)難度較大，可以采用預(yù)富集的方法，實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè)。常見的液相富集方法包括萃取法、吸附法、離子交換法、膜分離法和生物化學(xué)法等，這些方法普遍存在設(shè)備試劑昂貴、環(huán)境不夠友好等問題。近年來，隨著生物學(xué)以及生物學(xué)表征、研究方法的快速發(fā)展，以微生物吸附富集為代表的生物化學(xué)富集方法受到了廣泛關(guān)注。利用生物材料與金屬離子之間的絡(luò)合、離子交換以及物理吸附等作用，可以將生物材料作為一種吸附富集材料用于傳感器中，例如Fiol等將育亨樹莖和葡萄莖混合于PVC膜中作為生物吸附材料預(yù)富集Hg2+。

2.2 生物傳感器的微型化

隨著微納加工技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的需求，水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的微型化和小型化成為發(fā)展趨勢(shì)。微納加工技術(shù)能夠促進(jìn)傳感器的微型化和批量制造，有助于提升傳感器的一致性；而納米技術(shù)能夠在傳感芯片微型化的同時(shí)有效保障以及提升傳感器的靈敏度、選擇性等性能。

生物傳感器的微型化具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少價(jià)格昂貴的生物功能性材料的消耗，有效降低研發(fā)成本；（2）能實(shí)現(xiàn)微量分析，檢測(cè)過程中所需配套試劑量減少，檢測(cè)過程產(chǎn)生的廢液量也隨之減少；（3）便于系統(tǒng)集成，有利于形成可用于水環(huán)境無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的生物傳感器系統(tǒng)。然而生物傳感器在微型化過程中仍然存在著諸多技術(shù)難題，包括敏感元件的集成、生物材料的固定和保持活性、待測(cè)水樣的預(yù)處理等問題。

2.3 生物敏感材料的可更新固定化方法

制備生物敏感膜所選用生物功能性材料的種類、數(shù)量、固定化方法以及代謝活性對(duì)于傳感器的性能具有重要影響。性能優(yōu)異的生物傳感器既要求將生物敏感材料限制在一定的空間且不流失，又要求保持生物的固有活性?，F(xiàn)有生物傳感器中的生物敏感材料固定技術(shù)包括包埋法、吸附法、交聯(lián)法等，上述方法均在一定程度上存在降低活性、造成交聯(lián)負(fù)效應(yīng)及敏感膜不易更新等問題。

近年來出現(xiàn)了一些關(guān)于生物敏感材料可更新固定化方法的研究。筆者團(tuán)隊(duì)研究了磁性功能化細(xì)胞技術(shù)用于生物傳感器的構(gòu)建。磁性功能化的細(xì)胞可以富集在磁鐵溝道的周圍，通過對(duì)磁鐵溝道區(qū)域的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞固定區(qū)域的圖形化，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在敏感表面的固定數(shù)量和質(zhì)量的提高。而當(dāng)磁鐵移除后，通過適當(dāng)?shù)臎_洗操作后可以進(jìn)行重新固定，有效地保障了敏感膜的活性，開辟了可更新傳感器敏感膜的新方法。酵母菌和海藻等都可被四氧化三鐵納米顆粒磁性功能化，基于多中心的吸附作用，聚合物修飾的納米顆粒（帶正電）吸附在生物體（帶負(fù)電）表面，然后再將磁化酵母菌或海藻細(xì)胞固定于傳感界面上形成敏感膜，整個(gè)過程耗時(shí)短，比傳統(tǒng)方法省時(shí)、高效。

3 結(jié)語

面向水環(huán)境監(jiān)測(cè)的生物傳感器研究正在不斷拓展和深入，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。目前，由于生物功能材料的活性尚存在穩(wěn)定性、一致性等問題，大部分生物傳感器還難以適應(yīng)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，有待于原理、方法和技術(shù)上的進(jìn)一步研究與突破。

期待生物傳感器結(jié)合微納米技術(shù)、微流控技術(shù)等新興技術(shù)有更大的創(chuàng)新發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)體積小、響應(yīng)迅速、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器。這將對(duì)水環(huán)境和水資源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)具有重要的意義。