納米流體生物傳感器在環(huán)境檢測(cè)中的研究

宋雪雪

青島斯坦德檢測(cè)股份有限公司 山東青島 266109

生物傳感器是用于檢測(cè)目標(biāo)生物分子（例如蛋白質(zhì)，酶，抗體，核酸等）的常用設(shè)備，并已廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷，藥物開發(fā)，環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全行業(yè)。21 世紀(jì)的生物學(xué)進(jìn)步對(duì)高通量生物分析系統(tǒng)，快速且廉價(jià)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)提出了更高的要求。在過(guò)去的二三十年中，微處理技術(shù)的不斷發(fā)展導(dǎo)致基于生物和納米技術(shù)的新型傳感器和傳感平臺(tái)的快速發(fā)展。

1 納米芯片傳感器原理分析

由于芯片的表面張力在納米尺度上非常突出，因此與常規(guī)電子芯片相比，信號(hào)傳輸以流體傳輸?shù)男问絺鬏?。例如，在測(cè)試條生物傳感器中，基于紙材料顆粒的微毛細(xì)管作用（測(cè)試條的親水性和表面張力）執(zhí)行樣品傳輸操作[1]。同時(shí)，流體材料還通過(guò)孔執(zhí)行泰勒-阿里斯擴(kuò)散，有助于維持流體的平行和穩(wěn)定傳輸。另外，材料表面上的流體尺寸的減小以及由流體的流速滑移引起的電動(dòng)力效應(yīng)是影響液體輸送的主要因素。疏水介質(zhì)的表面具有數(shù)十納米至數(shù)百納米的疏水尺寸，并且表面速度的滑移長(zhǎng)度在極疏水的表面上延伸至微米的量級(jí)。而且，生物傳感器的最大特征是目標(biāo)源和生物傳感器的組合。

2 納米流體生物傳感器材料和制作

2.1 傳統(tǒng)生物傳感器的選材和制作

自20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，MEMS 工藝中使用的光刻和蝕刻技術(shù)已逐漸應(yīng)用于處理硬質(zhì)材料，例如用于微型設(shè)備制造的硅和玻璃。隨著該技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，基于硅的芯片處理技術(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越成熟[2]。例如，固定在硅和二氧化硅晶片上的一層肽核酸探針用于檢測(cè)單鏈DNA 序列。此外，硅的高熱導(dǎo)率可以確保器件的溫度分布均勻。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究人員從傳統(tǒng)的硬質(zhì)材料轉(zhuǎn)向芯片選擇中的聚合物。聚合物由于其優(yōu)異的生物相容性，透光性，簡(jiǎn)單地加工方法，易于批量生產(chǎn)和低成本而被廣泛用作化學(xué)，生物測(cè)試和醫(yī)學(xué)診斷中的芯片基板。聚二甲基硅氧烷是目前使用最廣泛的聚合物。PDMS 用于制造微流體設(shè)備的早期使用可追溯到20 世紀(jì)80 年代后期。軟光刻技術(shù)的出現(xiàn)，可以用來(lái)來(lái)制造基于PDMS 的微流體裝置。但是，由于聚合物材料的硬度相對(duì)較低，因此所得的微流體通道更容易變形甚至塌陷。

2.2 試紙生物傳感器的選擇和生產(chǎn)

在過(guò)去的四十年中，基于側(cè)向流動(dòng)的試紙生物傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的商業(yè)化，其中最著名的是早期妊娠試紙。這些傳感器還用于醫(yī)學(xué)測(cè)試，食品工業(yè)和環(huán)境科學(xué)。但是，由于缺乏對(duì)這些現(xiàn)有論文的定量測(cè)試，促使了新一代基于紙張的微流體生物傳感器的發(fā)展。最常用的紙材料是由優(yōu)質(zhì)棉絨制成的色譜紙和濾紙。與一維水平流動(dòng)試紙相比，二維和三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且易于完成多個(gè)分析任務(wù)。試紙測(cè)試中使用最廣泛的是電化學(xué)測(cè)試方法。亨特里的問(wèn)題組是第一個(gè)使用電化學(xué)檢測(cè)在4 厘米×4 平方厘米的試紙上檢測(cè)葡萄糖，乳酸和尿素的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的微流體制造技術(shù)不同，所有試紙條檢測(cè)系統(tǒng)都基于相同的過(guò)程原理。換句話說(shuō)，在紙上繪制親水性排水通道以形成毛細(xì)管。根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展，蠟染和烷基烯酮二聚體印刷可能是最有前途的方法。

3 納米流體生物傳感器對(duì)水環(huán)境檢測(cè)應(yīng)用

3.1 BOD 檢測(cè)

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，對(duì)生化需氧量的分析生化需氧量（BOD）是反映污染物中有機(jī)物含量的重要指標(biāo)。與目前的監(jiān)測(cè)方法相比，使用納米流體生物傳感器監(jiān)測(cè)生化需氧量的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)時(shí)間短，減少了相關(guān)人員的技術(shù)要求，更適合現(xiàn)場(chǎng)分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。在監(jiān)測(cè)生化需氧量時(shí)，納米生物流體傳感器的基本工作原理是使用一種或多種細(xì)菌獲得測(cè)量的（水樣）信息。由于水樣品中不同的生化需氧量，細(xì)菌的代謝也不同。將細(xì)菌新陳代謝的速率轉(zhuǎn)換為電流變化，然后將電流轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的信號(hào)變化，然后通過(guò)電路轉(zhuǎn)換信號(hào)變化以獲得該生化需氧量。例如，中國(guó)的一些生物傳感器使用酵母作為生物電極，該設(shè)備可以在水樣的pH 值為6，溫度為27 度，凝固的酵母含量為17g 的情況下在15 秒內(nèi)監(jiān)控水樣。生化需氧量結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，穩(wěn)定。此外，一般將SPT 酵母在世界范圍內(nèi)被用作生物電極，并且這些傳感器用于監(jiān)測(cè)生化需氧量，且誤差很小。使用這種類型的納米流體生物傳感器監(jiān)測(cè)造紙工業(yè)中的生化需氧量，可以在短短5 秒鐘內(nèi)檢測(cè)出污染物濃度較高的水樣的結(jié)果。國(guó)外學(xué)者通過(guò)特定的過(guò)程將耐鹽微生物固定在電極上，納米流體生物傳感器可以有效地適應(yīng)監(jiān)測(cè)海水生化需氧量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)?？傊?，納米流體生物傳感器在監(jiān)測(cè)生化需氧量方面比目前的監(jiān)測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 硝酸鹽監(jiān)測(cè)

在水樣硝酸鹽監(jiān)測(cè)中，納米流體生物傳感器的基本工作原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽期間發(fā)生的電流變化來(lái)監(jiān)測(cè)硝酸鹽含量[3]。外國(guó)學(xué)者使用單細(xì)胞細(xì)菌監(jiān)測(cè)硝酸鹽的變化。納米流體生物傳感器將亞硝酸鹽控制在一定范圍內(nèi)，然后對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。國(guó)外學(xué)者對(duì)納米流體生物傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，以便將測(cè)得的水樣直接進(jìn)入納米流體生物傳感器，使硝酸鹽更接近納米流體生物傳感器。如今，某些生物傳感器可以在黑暗和明亮的監(jiān)測(cè)條件下分別監(jiān)測(cè)硝酸鹽，并且由于納米流體生物傳感器可以在鹽水條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此可以有效避免氮氧化物的干預(yù)。納米流體生物傳感器可以有效地監(jiān)測(cè)河流中的硝酸鹽。

4 結(jié)語(yǔ)

納米流體生物傳感器具有物理，生物和化學(xué)特性，并且具有很強(qiáng)的跨學(xué)科和技術(shù)要求。本文首先對(duì)傳統(tǒng)生物傳感器的選擇和生產(chǎn)以及試紙條傳感器的選擇和制備進(jìn)行了分析研究，然后主要介紹了納米流體生物傳感器在環(huán)境污染物檢測(cè)中的應(yīng)用?？梢钥闯觯@種納米流體聚合物芯片具有出色的感測(cè)靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，使納米流體傳感器適用于制藥檢查，醫(yī)療設(shè)備和環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域。