高靈敏生物傳感器 環境監測的新生力量

我國正處于經濟快速發展與環境污染加劇的時期，水環境安全保障已經成為國家社會經濟發展的限制性因素和迫切需要解決的重大問題。多種類型的環境污染事件不斷發生，對生態環境、人民健康和社會發展產生重大影響。水環境污染事件的發展和環境水質復合污染的特點，不僅要求對常規水質指標進行檢測，而且迫切需要對有毒有機物、重金屬和生物毒素類污染物進行檢測。生物傳感器技術是目前國際環境監測領域的發展方向和前沿技術，它已成為我國環境科技工作者重點研發的方向之一。

清華大學環境學院長期以來從事水環境污染控制理論與技術的研究，該院的環境生物監測技術研究中心在水環境污染物監測生物傳感器領域積累了大量的研究成果和經驗。經過十余年的科技攻關成功地研制了基于倏逝波原理的“平面波導生物傳感器”和“全光纖倏逝波生物傳感器”，建立了儀器系統，并實現了成果轉化，為環境監測提供了新技術。

生物傳感器研究的背景

生物傳感器是一種運用抗體和功能基因等生物材料作為敏感材料，通過適當的信號采集器件，將各種生物化學信息轉換為電信號的分析裝置。許多生物活性物質都可以作為敏感材料，用以識別環境中的污染物，與各種敏感材料相適應的傳感元件也有很多種 ，如電流測定元件、電位測定元件、光強測定元件等。與傳統傳感器相比，生物傳感器具有選擇性強、測試速度快、操作簡便和可連續測定等特點。

國際上環境監測生物傳感器的研發始于上世紀90年代，歐盟項目支持的AWACSS系統是目前國際上采用生物傳感器技術對水中微量有毒污染物進行定量檢測的代表。該儀器系統實現了對水中6種微量有毒污染物進行一機多指標的定量檢測，但儀器系統尚處于實驗階段，未能實現批量生產和推廣應用。

2000年以來，清華大學環境學院在國家863計劃等項目的持續支持下，研究中心攻克了小分子環境污染物生物材料研制、傳感元件的功能材料修飾與系統光學準直設計、復雜環境樣品檢測中微弱信號的采集與干擾屏蔽等關鍵技術難點，完成了多項發明和技術創新，研制了在線式、便攜式、實驗室臺式和微型傳感器四種水中有毒污染物高靈敏檢測生物傳感器及其儀器系統。儀器實現了產業化。在國際上首次實現了基于免疫與功能核酸生物傳感技術的環境監測儀器的現場長期連續監測。引領了環境監測生物傳感器技術的發展，推動了環境監測與水污染控制領域的技術進步。

生物傳感器的優勢與特點

生物傳感器由生物功能材料、傳感元件和信號收集與處理單元構成。研發生物傳感器首先需要研制用于識別污染物的生物功能材料，包括抗體和功能核酸等。研究中心開發了多種用于檢測環境和食品污染物的多克隆抗體和單克隆抗體，并建立相應的免疫檢測技術和產品。生物傳感器中基于抗體/抗原反應原理的免疫分析技術是發展最為迅速、最為成熟、應用最為廣泛的生物監測技術。基于高特異性抗體的污染物免疫檢測技術，是目前有毒有害有機污染物（如POPs、EDCs、藻類毒素、農藥殘留等）快速檢測的重要手段。課題組研發的新型生物傳感器檢測生物反應所產生的熒光信號，通過檢測光的強度、振幅、相位等參數確定被檢物質的量。與其他傳感器相比，這種傳感器具有抗電磁干擾能力強。不用參比電極，可以實現傳感器微型化以及用于遙測和適時檢測等優點。

要實現對環境污染物的監測，還需要功課生物傳感器表面修飾的難關。如何將小分子化合物固定到傳感器表面一直是表面修飾領域中的一個難題。研究中心在進行錐型光學傳感器理論分析的基礎上，提出了將小分子污染物與大分子惰性蛋白結合形成復合物，然后再將該復合物通過雙功能試劑固定到硅烷化后的傳感器表面上的修飾方法對傳感器進行修飾；最后利用X射線光電子能譜儀（XPS）和基于倏逝波原理的微量污染物快速檢測儀器對修飾的效果進行表征。

全光纖倏逝波微量污染物快速檢測儀的發明

研究中心運用自主研發的專利技術發明了全光纖倏逝波生物傳感器，并通過成果轉化，發明了全光纖倏逝波微量污染物快速檢測儀。這一儀器利用激光在光纖內以全反射方式傳輸時，在光纖表面所處的介質中產生倏逝波，該倏逝波可以激發光纖表面用熒光染料標記的抗體或互補DNA上標記的熒光物質，實現待測目標物質的定量檢測。新型的微量污染物快速檢測儀集成倏逝波熒光分析原理與光纖檢測優勢于一體，可實現靈敏、準確、快速、經濟的檢測，在環境質量監控、食品安全檢測及生物醫學檢測等領域具有廣泛的應用前景。

全光纖倏逝波快速檢測儀的結構原理如圖1所示，硬件主要包括光學系統、流動進樣系統、信號處理與控制系統。圖2為便攜式倏逝波全光纖微量污染物快速檢測儀的實物圖。該發明在激發光路上，以波長為635nm、輸出功率為8mW的半導體脈沖激光器作為光源，激光器發出的激光通過光纖耦合器進入單多模光纖耦合器中的單模光纖，由于單模光纖只傳遞一種模式的光，可有效地降低能量損失。然后再經單多模光纖耦合器的多模光纖傳輸，從光纖連接器進入光纖探頭（見圖3）。利用單多模光纖耦合結構將激光引入光纖探頭，可有效克服傳統光纖免疫傳感器激光由光纖探頭端面射入時，由于端面反射而造成背景噪聲高的缺點。最后，激光在探頭表面附近區域產生倏逝波，激發光纖探頭表面連接在抗體或DNA分子上的熒光標記物質。

在信號接收光路中，大部分被激發的熒光耦合回探頭，經連接器進入單多模光纖耦合器的多模光纖，由多模光纖的另一端射出。熒光濾光片濾除反射的或迷失的激發光，而使絕大部分熒光透過，透過的熒光由光電探測器（光電二極管）探測并將光信號轉換成電信號，然后該電信號經鎖相放大器放大，由計算機采集并進行數據處理。脈沖激光器的脈沖信號由脈沖信號發生器提供，同時，脈沖信號發生器為鎖相放大器提供相同頻率信號作為參考信號。通過對太湖和巢湖等大量實際水樣和加標水樣的檢測，并與液相色譜等標準方法比對表明，全光纖倏逝波微量污染物快速檢測儀對2，4-D和藻毒素等微量有毒污染物的檢出限可滿足《生活飲用水衛生標準》的要求。該儀器具有靈敏度高、檢測速度快和測試成本低等特點。

全光纖倏逝波微量污染物快速檢測儀的出現，為我國環境檢測技術提供了新的手段，并將在環境檢測領域占得一席之地。嶄露頭角的全光纖倏逝波微量污染物快速檢測儀，已然吹響了生物監測技術進入環境監測領域的號角，不久的將來它將在環境保護中大顯身手。