生物傳感器在現(xiàn)代環(huán)境污染檢測中的應(yīng)用研究進(jìn)展

馬超 朱國飛 劉麗萍

[摘 要]本文圍繞生物傳感器技術(shù)在環(huán)境污染物檢測和分析中的應(yīng)用入手，介紹了生物傳感器，特別是電化學(xué)DNA傳感器的原理、特點及其在重金屬離子、有機(jī)污染、病原性微生物和生物污染物檢測方面的應(yīng)用，闡述了生物傳感器技術(shù)作為一種新型的環(huán)境污染物分析和檢測手段，在環(huán)境工程方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為解決現(xiàn)代環(huán)境分析中，污染物的檢測方法提供了參考。

[關(guān)鍵詞]生物傳感器；環(huán)境分析；環(huán)境污染物；檢測技術(shù)

[中圖分類號]X835.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的興起，環(huán)境污染物種類和數(shù)量越來越多，環(huán)境問題日趨越重，環(huán)保問題面臨空前挑戰(zhàn)。對環(huán)境污染物進(jìn)行檢測、分析、研究、控制的技術(shù)越來越受到社會各界的廣泛關(guān)注和重視。環(huán)境污染物檢測技術(shù)和檢測方法不斷創(chuàng)新，正朝著經(jīng)濟(jì)、高效、方便、快速的方向發(fā)展。常見的環(huán)境污染物種類有，重金屬污染物、煙氣及大氣污染物、顆粒物、有機(jī)物污染物、生物污染等多個種類，對污染物進(jìn)行有效檢測和定性、定量分析是對其進(jìn)行科學(xué)研究和有效治理的基礎(chǔ)。因此，污染物的檢測和分析技術(shù)顯得尤為重要。對環(huán)境污染物進(jìn)行檢測的方法通常需要結(jié)合各種污染物的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，借助現(xiàn)代科學(xué)儀器，利用其物理化學(xué)性質(zhì)、生物活性、光學(xué)成像等技術(shù)原理和手段來完成。

現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)常用的儀器設(shè)備有多種，但是每種儀器設(shè)備對污染物的檢測有不同的側(cè)重點，有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，總體來說，對樣品、使用環(huán)境、操作技能等都有很高要求，很多設(shè)備難以實現(xiàn)智能、高效、方便、快捷地對污染物進(jìn)行分析和檢測。

近年來，隨著生物傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，為現(xiàn)代環(huán)境分析和檢測開辟了新的技術(shù)手段。生物傳感器（Biosensor）是指用生物功能物質(zhì)作識別元件制成的傳感器，通過生物功能體與被檢對象的特異性接觸和反應(yīng)，產(chǎn)生聲、光、電等生物學(xué)信號，并通過換能器將信號轉(zhuǎn)化和放大達(dá)到檢測的目的，通常有酶生物傳感器、免疫生物傳感器、核酸生物傳感器、微生物生物傳感器等。生物傳感器通常具有特異性強(qiáng)、專一性強(qiáng)、靈敏度高、檢測快速、操作方便等諸多特點，目前已廣泛運用于生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、食品安全、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

1 生物傳感器在重金屬污染物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

重金屬離子是在水、土壤、農(nóng)產(chǎn)品、副食品中廣泛存在的環(huán)境污染物，由于重金屬污染通常具有富集性、長久性、難以去除性等特點，大多數(shù)重金屬離子通常是有毒、有害，容易引起有機(jī)體中毒，甚至?xí)兄掳⒅峦蛔?、致畸變等情況產(chǎn)生，容易危害公眾身體健康和生命安全。因此重金屬污染的嚴(yán)重性和控制的嚴(yán)格性需要重點關(guān)注。

生物傳感器在重金屬離子污染物檢測中往往具有及時、準(zhǔn)確、高靈敏、高選擇性等特點，因此利用修飾的生物傳感器技術(shù)對農(nóng)田、土壤、水和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬離子進(jìn)行分析和檢測的技術(shù)成為很多學(xué)者和環(huán)境工作者普遍關(guān)注的熱點。在已有的研究成果中，浙江大學(xué)周潔等設(shè)計出一種基于電化學(xué)配位和碳納米管修飾的高通量細(xì)胞阻抗傳感器和DNA生物傳感器，實現(xiàn)了對Hg2+、Cd2+、Pb2+等重金屬離子無標(biāo)記實時檢測，同時還就Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等重金屬離子對肝細(xì)胞毒理作用進(jìn)行研究，揭示了Zn2+對Cd2+吸收抑制作用的細(xì)胞毒性機(jī)理。高中鋒綜述了電化學(xué)DNA生物傳感器的原理、設(shè)計方案、制備方法等要點，并成功制備了PEP-FODs熒光生物標(biāo)記DNA傳感器，利用熒光猝滅原理檢測出Fe2+、Fe3+、Cu2+等重金屬離子，具有較好的細(xì)胞成像效果。王志強(qiáng)利用納米技術(shù)和電化學(xué)傳感器相結(jié)合，成功研制電化學(xué)生物傳感器，實現(xiàn)了對農(nóng)田土壤以及灌溉用水中鉛、鎘、汞等重金屬離子快速檢測，具有便捷、高效、低成本等特點，適合于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站使用。崔琳等研究人員，基于電化學(xué)檢測方法，利用多種納米材料與DNA探針設(shè)計出不同的生物傳感器，成功實現(xiàn)了Cd2+、Pb2+、Bi3+ 、Hg2+、As3+、Cu2+等六種重金屬離子的檢測，可進(jìn)行定量分析， 具有靈敏、快速、簡單、選擇性好等特點。

2 生物傳感器在有機(jī)污染檢測分析領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)量，通常需要施用大量化肥，大規(guī)模使用農(nóng)藥、殺蟲劑等，對食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時也造成大量的環(huán)境污染。化肥、農(nóng)藥中殘留成分是有機(jī)污染物的重要來源。利用生物傳感器技術(shù)實現(xiàn)對土壤、農(nóng)牧產(chǎn)品中有機(jī)污染的快速、便捷、低成本檢測，成為當(dāng)下各農(nóng)學(xué)和環(huán)境專業(yè)研究的熱點。王輝、段玉瑤等人利用Fe3O4納米顆粒、石墨烯納米材料、殼聚糖等復(fù)合修飾乙酰膽堿酯酶（ACh E），研制出一種生物傳感器，成功測定農(nóng)藥中毒死蜱，具有檢測結(jié)果線性相關(guān)好、檢測精度高、檢出限低等特點，適用于蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留物毒死蜱快速檢測。和建萍、潘學(xué)軍等基于全內(nèi)反射熒光技術(shù)原理，利用免疫分析方法，成功設(shè)計出一種高靈敏度的平面波導(dǎo)型熒光免疫傳感器（PWFI），對農(nóng)藥類中殘留的小分子污染物2，4-D進(jìn)行檢測。熊岳等通過層層吸附自組裝的方法，將PDDA和DNA固定到玻碳電極表面，設(shè)計了一種基于探針分子[Ru（bpy）2（dppz）]2+，固態(tài)電化學(xué)發(fā)光DNA傳感器，用于雜環(huán)芳烴農(nóng)業(yè)的檢測研究，成功實現(xiàn)了對二氯喹啉酸、喹硫磷、多菌靈等農(nóng)藥進(jìn)行檢測。

3 生物傳感器在病原微生物、生物污染的檢測和研究領(lǐng)域的應(yīng)用

病原微生物廣泛存在于如牛奶等乳制品中，和傳統(tǒng)的檢測方法相比，生物傳感器用于病原微生物的檢測具有檢測靈敏度高、時間短、成本低、方便快捷等諸多優(yōu)點。生污染物廣泛存在于我們的生活中，特別是醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和疾病預(yù)防控制場所，因此生物傳感器用于生物污染物的檢測和毒理研究也越來越受到廣泛關(guān)注。章毅博士研究團(tuán)隊基于免疫分析和DNA雜交技術(shù)，利用生物熒光標(biāo)記等技術(shù)，成功設(shè)計了免疫傳感器、DNA傳感器、酶傳感器等生物傳感器，用于城市生活垃圾堆中污染物的檢測，成功檢測出了病原性微生物、重金屬離子（Hg2+）和毒莠、對苯二酚等有機(jī)污染物，為開發(fā)可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中污染物的高效在線檢測系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。苗慶慶博士利用生物標(biāo)志物的檢測成像技術(shù)，設(shè)計了自組裝放射性納米粒子生物傳感器，用于腫瘤細(xì)胞生長機(jī)理的研究，在20種氨基酸中成功區(qū)分檢測出生物硫醇，并在活細(xì)胞中成功地區(qū)分和檢出Cys和GSH。同時，他還成功設(shè)計了快速選擇性和可視化檢測Cd2+ 、Fe2+離子的納米熒光探針。張浩博士利用生物標(biāo)記、熒光成像技術(shù)、紫外可見吸收光譜、圓二色譜及ELISA法等多種光譜學(xué)手段、ITC技術(shù)及分子對接模擬方法，從鉛毒性與氧化應(yīng)激的相關(guān)性這一科學(xué)問題入手，以分子和細(xì)胞毒理學(xué)、儀器分析化學(xué)為背景，聯(lián)合動物、細(xì)胞和分子三個水平研究了鉛誘發(fā)機(jī)體氧化損傷和細(xì)胞凋亡的毒性效應(yīng)及作用機(jī)理。謝樂、許雨喬等人利用實時熒光定量PCR直接檢測糞便標(biāo)本艱難梭菌tcdB基因，可用于艱難梭菌相關(guān)腹瀉的快速診斷。孫文超、解長占等人，利用實時熒光定量PCR技術(shù)，建立犬圓環(huán)病毒（DogCV）檢測方法，檢測率為12.50%。麗牧等利用熒光定量PCR法，設(shè)計引物與探針，準(zhǔn)確、快速地檢測出新城疫病毒，并且檢測具有特異性、靈敏度、穩(wěn)定性，能夠滿足實際工作中的檢測要求。程永婷、賈曉暉等人針對Cpn0308基因建立檢測肺炎衣原體的Taqman探針實時熒光定量PCR（FQ-PCR）方法，應(yīng)用于臨床肺炎衣原體核酸檢測。佘軒、姚云清等人探討實時熒光定量PCR對HIV陰性免疫力低下合并肺孢子肺炎（PCP）患者的診斷價值。

4 結(jié)語

綜上所述，生物傳感器技術(shù)作為一門新興的現(xiàn)代環(huán)境分析方法和手段，在環(huán)境污染物分析和檢測中應(yīng)用越來越廣泛，成為重要的技術(shù)手段和研究方法。由于環(huán)境污染物種類繁多，性質(zhì)各異，污染物的作用機(jī)理通常是一個非常復(fù)雜和系統(tǒng)的過程，因此在對重金屬離子、有機(jī)污染物、病原性微生物和生物污染物的檢測和分析中，還需要綜合運用分析化學(xué)、現(xiàn)代儀器、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多學(xué)科背景，綜合應(yīng)用各種理化、生化分析的方法手段，才能更好地實現(xiàn)對各種污染物的分析和檢測。

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