生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用分析

管 嵐

（信陽市環(huán)境監(jiān)控信息中心，河南 信陽 464000）

生物傳感器是一種性質(zhì)特殊的傳感器，兼具穩(wěn)定性佳、靈敏度高、成本低廉、選擇性好的優(yōu)良特點，不僅可以提供生物環(huán)境信息，還可以提供化學(xué)、物理環(huán)境信息，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。近幾年，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的生物傳感器類型不斷增多，各有優(yōu)缺點。因此，分析環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域生物傳感器的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 生物傳感器概述

生物傳感器是由固定化生物敏感材料、信號放大裝置、理化換能器依據(jù)一定邏輯組合而成的分析工具，對生物物質(zhì)高度敏感，可以將識別的生物物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為電信號后量化分析。從本質(zhì)上而言，生物傳感器是結(jié)合生物成分、物理成分的設(shè)備；固定化的生物敏感材料集成了抗原、酶、抗體、微生物、核酸、細胞等生物活性物質(zhì)；理化換能器則包括場效應(yīng)管、氧電極、壓電晶體、光敏管等幾個部分[1]。

2 環(huán)境監(jiān)測中常用的生物傳感器類型

2.1 電化學(xué)生物傳感器

2.1.1 基于導(dǎo)電聚合物的生物傳感器

導(dǎo)電聚合物是指骨架上存在延伸π-π鍵、軌道高度重疊的聚合物，電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)較為特別，包括聚噻吩、聚苯胺、聚亞苯基乙烯等多種類型。基于導(dǎo)電聚合物的生物傳感器主要是利用物理吸附或共價結(jié)合的方法，將生物分子固定在傳感器上。比如，調(diào)整溶液酸堿值至高于酶等生物活性物質(zhì)的等電點，促使酶等生物活性物質(zhì)帶負電，在靜電吸附作用下，將生物分子固定到聚合物陽離子基體上。再如，通過化學(xué)氧化合成功能性聚合物，將其外層與共價鍵結(jié)合后固定生物活性物質(zhì)。基于導(dǎo)電聚合物的生物傳感器可以應(yīng)用于環(huán)境中酚類化合物、重金屬離子、農(nóng)藥的監(jiān)測[2]。比如，在環(huán)境中酚類化合物監(jiān)測中，利用聚苯胺/多酚氧化酶、聚吡咯/酪氨酸酶、聚苯胺－離子液體－碳鈉、米管/酪氨酸酶，可以在1.25×10-6mol/L～1.50×10-4mol/L線性范圍內(nèi)進行監(jiān)測。再如，利用電極表面固定亞硫酸鹽氧化酶、細菌色素的SO2電化學(xué)生物傳感器可以檢測大氣環(huán)境污染物中的二氧化硫。除此之外，以接枝二茂鐵為介體，借助縮合反應(yīng)，在玻碳電極（或大分子介孔材料）上固定酵母菌種，同時混合包埋源于活性污泥的微生物、聚乙烯醇溶膠，可以快速檢測被污染水源環(huán)境中的生化需氧量。

基于導(dǎo)電聚合物的生物傳感器是一種典型的電化學(xué)生物傳感器，具有選擇性佳、靈敏度高、成本低、重現(xiàn)性佳的優(yōu)良特點。但是，據(jù)已有理論研究與實踐應(yīng)用可知，基于導(dǎo)電聚合物的生物傳感器穩(wěn)定性較差，除聚苯胺/多酚氧化酶生物傳感器可以在一個月內(nèi)達到90%的活性外，其他生物傳感器在一個月內(nèi)活性均出現(xiàn)明顯下降，下降幅度最高為60%。

2.1.2 DNA電化學(xué)生物傳感器

DNA電化學(xué)生物傳感器是利用電化學(xué)體系進行環(huán)境中DNA分子已標(biāo)定樣品檢測的傳感器，如致癌物多氯聯(lián)苯、芳香族胺等。在實際應(yīng)用過程中，DNA電化學(xué)生物傳感器主要依據(jù)所加電活性指示劑、DNA單鏈或DNA雙鏈作用的差異進行環(huán)境中污染物識別。部分結(jié)合在DNA上的小分子易受外界環(huán)境污染因子作用產(chǎn)生變化，根據(jù)小分子變化可以進行環(huán)境污染程度描述。一般可以利用計時電位分析法將DNA雜交后的鳥嘌呤固定在電極表面，通過檢測鳥嘌呤峰值氧化信號，推測環(huán)境中的污染物。或者利用基于核酸探針生物接收器的微芯片電極捕獲DNA序列，判定環(huán)境中致病微生物含量[3]。

DNA電化學(xué)生物傳感器主要用于無法培養(yǎng)的環(huán)境微生物污染因子檢測，可以滿足土壤環(huán)境、水環(huán)境微生物污染需求，檢測速度較快，可靠性較高。但是，只有兩引物之間存在特異性的DNA片段才可以順利擴增進而用于環(huán)境污染檢測，基于此，當(dāng)前該方法僅適用于對DNA具有親和作用的物質(zhì)檢測。

2.2 基于微生物燃料電池的生物傳感器

微生物燃料電池是一種借助微生物完成化學(xué)能、電能相互轉(zhuǎn)化的裝置，在裝置應(yīng)用過程中微生物承擔(dān)著陽極催化劑作用，可以反映微生物的新陳代謝過程。基于微生物燃料電池的生物傳感器包括基于單室微生物燃料電池的生物傳感器、基于雙室微生物燃料電池的生物傳感器兩種。在基于微生物燃料電池的生物傳感器制備時，可以利用伏安法或電流分析法。即根據(jù)電流、電勢變動幅度以及峰值電流與目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)、峰值電流密度與目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)濃度之間聯(lián)系，進行多種化學(xué)物質(zhì)檢測。或者根據(jù)電流變化與微生物氧化還原、新陳代謝過程之間的關(guān)系，進行特定類型的化學(xué)物質(zhì)監(jiān)測。

在環(huán)境水質(zhì)分析監(jiān)測、重金屬監(jiān)測、溶解氧監(jiān)測中均可應(yīng)用基于微生物燃料電池的生物傳感器。比如，已有研究表明，以乙酸鹽作為微生物燃料電池碳源制備無膜單室微生物燃料電池，可以在32 mg/L～1 280 mg/L范圍內(nèi)測試水質(zhì)環(huán)境中生化需氧量。再如，在浸沒式微生物燃料電池內(nèi)加入一定量銅等重金屬，可以通過檢測微生物燃料電池輸出電壓變化而了解環(huán)境中對應(yīng)重金屬類型濃度[4]。

基于微生物燃料電池的生物傳感器具有便攜化、小型化、簡單化、穩(wěn)定性、實時化的特點，且可以回收。但是基于微生物燃料電池的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測具有一定前提條件，即電池電流對污水濃度響應(yīng)速度快，且電池產(chǎn)生的電流（或電荷）與環(huán)境污染物濃度之間線性關(guān)系良好。

2.3 全細胞生物傳感器

全細胞生物傳感器是融合微生物學(xué)、合成生物學(xué)、工程學(xué)、生態(tài)學(xué)的傳感器，其感應(yīng)中心為活細胞，可以在感應(yīng)到目標(biāo)毒性物質(zhì)時誘導(dǎo)蛋白基因產(chǎn)生可測量信號。由報告元件將化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為報告蛋白信號后，依據(jù)報告蛋白活性、數(shù)量變換判定靶目標(biāo)物濃度。熒光素酶、磕頭蟲熒光素酶、綠色熒光蛋白、紅外熒光蛋白均為可用的報告蛋白。根據(jù)檢測物質(zhì)的差異，全細胞生物傳感器可以劃分為非特異性全細胞生物傳感器、特異性全細胞生物傳感器兩種。

全細胞生物傳感器的敏感元件為微生物全細胞，可以應(yīng)用于環(huán)境中污染物監(jiān)測、毒性物質(zhì)快速感應(yīng)預(yù)警，具有成本低廉、敏感度高、響應(yīng)速度快、可定量、原位監(jiān)測、易檢測、體積小的優(yōu)良特點。但是，因細胞天然調(diào)節(jié)蛋白具有專一性，無法檢測毒害性較強的污染物。

2.3.1 非特異性全細胞生物傳感器

非特異性全細胞生物傳感器主要用于環(huán)境中有毒物質(zhì)總量的檢測，易受外界因素影響出現(xiàn)假陽性結(jié)果。免疫傳感器是典型的非特異性全細胞生物傳感器。在環(huán)境毒性物質(zhì)監(jiān)測中，CFI（Continuous flow immunosensor，連續(xù)流動的免疫傳感器）較為常用。比如，F(xiàn)AST 2 000就可以在30 min內(nèi)完成環(huán)境中RDX（三次甲基三硝基胺）、TNT（三硝基甲苯）等毒性污染物的檢測。在檢測過程中，F(xiàn)AST 2 000主要是以抗體為基礎(chǔ)，在支持物上固定可特異性識別污染物的抗體，在熒光標(biāo)識信號分子、抗體達到飽和后，以抗體－熒光信號分子復(fù)合體的形式識別污染物。再如，F(xiàn)IA（flow injection analysis system，流動注射分析系統(tǒng)）可以固定蛋白質(zhì)基質(zhì)的親和色譜柱為核心，在注入酶底物、酶示蹤劑與樣品、牛血清蛋白、環(huán)糊精后，可以進行環(huán)境中致癌物質(zhì)——三嗪、敵草隆的檢測[5]。

免疫傳感器的分子識別元件為抗原－抗體，具有可靠性高、特異性強、靈敏性佳的優(yōu)良特點。在分子傳導(dǎo)技術(shù)支持下，免疫傳感器的靈敏度進一步提高，為環(huán)境中污染物監(jiān)測提供了依據(jù)。但是在特異性、數(shù)量性方面，免疫傳感器的局限性較為明顯。特別是基于抗體的免疫傳感器需要在獲知待分析化合物成分的前提下選擇適宜的抗體，且抗體僅可滿足一種化合物或幾種化合物識別要求，加之抗原－抗體是通過靜電作用、憎水作用結(jié)合的，無法完成多種化合物檢測，在離子強度、腐殖質(zhì)含量、酸堿值等環(huán)境條件變更時，免疫傳感器檢測靈敏度會顯著下降。

2.3.2 特異性全細胞生物傳感器

特異性全細胞生物傳感器包括特定化合物生物傳感器、金屬離子生物傳感器、壓力應(yīng)答生物傳感器幾種[6]。特定化合物生物傳感器主要依賴細胞分解代謝中調(diào)節(jié)蛋白、代謝化合物相互作用實現(xiàn)對特定抗生素、有機物的檢測，如利用熒光假單胞桿菌萘傳感器進行代謝毒性化合物甲苯檢測等；金屬離子生物傳感器包括識別元件（對多種重金屬離子敏感）、報告單元兩個部分，可以響應(yīng)特定重金屬離子，比如，汞、砷等；壓力應(yīng)答生物傳感器的代表是重組修復(fù)蛋白A（RecA）-LexA－調(diào)節(jié)的SOS壓力應(yīng)答生物傳感器，可以篩選對DNA具有危害的環(huán)境毒性因子。

3 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用內(nèi)容

3.1 監(jiān)測土壤環(huán)境污染

3.1.1 農(nóng)藥殘留

農(nóng)藥殘留是土壤環(huán)境有毒有害污染物的代表，可以通過將丁酰膽堿酯酶（或酪氨酸酶、葡萄糖氧化酶、變旋酶、堿性磷酸酶等固定化酶）與鉑電極連接成換能器，根據(jù)莠去凈、敵敵畏、3，4－二氯草酚或其他有機磷類農(nóng)藥對酶的抑制作用，在無抑制劑存在的情況下檢測土壤環(huán)境中的農(nóng)藥殘留量。或者根據(jù)乙酰膽堿酯酶催化乙酰膽堿水解，以及有機磷可以與酶穩(wěn)定結(jié)合的性質(zhì)，將固定化乙酰膽堿酯酶制成的生物傳感器放入含有機磷類殺蟲劑的試樣中，根據(jù)其對酶活性的抑制程度，進行土壤環(huán)境中殺蟲劑含量推測。

3.1.2 重金屬殘留

重金屬殘留是土壤環(huán)境監(jiān)測的主要目標(biāo)之一，可以利用含－SH催化基團的酶進行監(jiān)測。這主要是由于重金屬離子會優(yōu)先與硫醇基結(jié)合，降低酶的催化活性，根據(jù)酶的催化活性變化可以推測土壤環(huán)境中重金屬含量。比如，借助戊二醛在膜表面固定含－SH催化基團的酶（丙酮酸氧化酶等），將膜與溶解氧傳感器相連接，可以測定環(huán)境中的銀離子、汞離子含量[7]。

3.2 監(jiān)測大氣環(huán)境污染

3.2.1 二氧化硫

二氧化硫是酸雨、酸霧形成的主要原因之一，以往大氣環(huán)境中二氧化硫監(jiān)測流程比較繁瑣，利用生物傳感器監(jiān)測大氣環(huán)境中二氧化硫的過程較為簡單。比如，在醋酸纖維膜（多孔滲透膜）上固定含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體等亞細胞脂類并連接氧電極，可以在10 min內(nèi)獲得大氣環(huán)境中二氧化硫濃度。

3.2.2 甲烷

甲烷是一種具有爆炸性的氣體，對大氣環(huán)境危害極大，常規(guī)檢測方法無法確定大氣中甲烷的準(zhǔn)確濃度。而利用瓊脂在醋酸纖維膜上固定單基甲胞鞭毛蟲、氧電極制備的微生物反應(yīng)器，可以根據(jù)微生物吸收含甲烷樣品氣體時消耗氧的情況，結(jié)合氧擴散與電流之間的關(guān)系，推測樣本中甲烷濃度。一般生物傳感器可以在2 min之內(nèi)獲得大氣環(huán)境樣本中的甲烷濃度，實現(xiàn)大氣中甲烷的連續(xù)、快速監(jiān)測。

3.2.3 氮氧化合物

氮氧化合物是光化學(xué)煙霧形成的主要原因之一，常規(guī)檢測氮氧化物的方法較復(fù)雜，且無法確定大氣中氮氧化物濃度。此時，可以利用固定于醋酸纖維膜上的亞硫酸鹽氧化酶、氧電極制備的生物傳感器，根據(jù)電流與氮氧化合物之間的線性關(guān)系，測定環(huán)境中氮氧化合物濃度。

3.3 監(jiān)測水環(huán)境污染

3.3.1 生化需氧量

生化需氧量是水環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵指標(biāo)之一，常規(guī)水環(huán)境生化需氧量監(jiān)測操作復(fù)雜、耗時長（5天）、干擾性大，無法滿足現(xiàn)場水環(huán)境監(jiān)測要求。此時可以在水環(huán)境生化需氧量監(jiān)測中應(yīng)用生物傳感器。比如，通過在瓊脂糖凝膠、藻酸鹽內(nèi)截留蛋白水解酶、β－半乳糖苷酶、淀粉酶，或者通過硝酸纖維膜、乙酸纖維素膜固定紅琉球菌、毛孢子菌、丁酸梭菌等物質(zhì)與常規(guī)氧電極，可以檢測水環(huán)境中的生化需氧量，其穩(wěn)定性較好，反應(yīng)時間較短。

3.3.2 溶解氧

在水環(huán)境中，烷基苯磺酸類陰離子表面活性劑含量較高，因其自然降解性不佳，極易在水面形成泡沫消耗水體溶解氧，危害水體環(huán)境。基于此，可選擇具備烷基苯磺酸降解作用的細菌、氧電極組成生物傳感器，根據(jù)陰離子表面活性劑與細菌呼吸作用之間的關(guān)系，進行水中溶解氧的監(jiān)測。

3.3.3 酚類物質(zhì)

酚類物質(zhì)多源于煉油廢水、造紙廢水、煤氣洗滌廢水、合成氨廢水、木材防腐廢水，傳統(tǒng)的4－氨基安替比林光度法易受油類、芳香胺類、硫化物的干擾，而利用生物傳感器可以摒除上述元素的干擾。比如利用苯酚氧化酶、黃素蛋白酚酶2－單氧合酶為識別元件的酶電極安培傳感器，可以對水環(huán)境中苯酚物質(zhì)進行監(jiān)測，準(zhǔn)確度較高[8]。

3.3.4 微生物

微生物污染是水環(huán)境污染的類型之一，可以利用價格低廉、制備便捷的多克隆抗體免疫傳感器進行檢測。比如檢測水環(huán)境中沙門氏菌等，多克隆抗體免疫傳感器應(yīng)用了雜交瘤技術(shù)、抗體噬菌體重組顯示技術(shù)，靈敏性較高。

4 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景

4.1 高精確度

當(dāng)前，生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的最大阻力仍然是精確度問題[9]。未來用于環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器應(yīng)選擇特異性更強、敏感性更高的受體，并從極端環(huán)境內(nèi)持續(xù)篩選、分離酸堿度依賴性小、溫度穩(wěn)定性高的新型微生物變異株、遺傳工程株，提高生物傳感器的監(jiān)測精確度，為生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用范圍的擴展提供依據(jù)。

4.2 高穩(wěn)定性

在多年發(fā)展進程中，生物傳感器因生物活性單元不穩(wěn)定性、易變性而無法穩(wěn)定應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。因此，在未來材料學(xué)、微電子學(xué)、生物信息學(xué)交叉發(fā)展進程中應(yīng)進一步提升生物傳感器的穩(wěn)定性，而新一代高穩(wěn)定性的生物傳感器必將在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

4.3 高可信度

高可信度是生物傳感器成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵。未來用于環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器可信度應(yīng)更高，以滿足環(huán)境監(jiān)測分析、獨立評估要求。同時根據(jù)商業(yè)性環(huán)境監(jiān)測用試劑盒要求，確保新的生物傳感器本身不產(chǎn)生有機溶劑廢品，包裝材料、保護層、吸頭、試管、微量板均可分解，免除人們關(guān)于生物傳感器二次污染環(huán)境的顧慮。

5 結(jié)論

綜上所述，在環(huán)境污染問題日益嚴重的二十一世紀(jì)，生物傳感器作為一種可以快速、連續(xù)、在線監(jiān)測環(huán)境的工具，被越來越多的人熟知。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測需求的差異，所使用的生物傳感器類型也具有一定差異。未來可以根據(jù)環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容選擇更加穩(wěn)定、精確、可信的生物傳感器。