生物傳感器綜述

1、生物傳感器課程論文論文題目：生物傳感器技術在環(huán)境分析與檢測方面的應用研究進展專 業(yè)： 分 析 化 學 姓 名： 雷 杰 學 號： 12015130529 指導教師： 晉 曉 勇 時 間： 2015年10月23日 生物傳感器技術在環(huán)境分析與檢測方面的應用研究進展摘要：生物傳感器作為一類新興傳感器,它是以生物分子敏感元件,將化學信號、熱信號、光信號轉換成電信號或者直接產(chǎn)生電信號予以放大輸出,從而得到檢測結果。文章綜述了生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測,包括水環(huán)境、大氣環(huán)境等領域的應用和最新進展,并展望了環(huán)境監(jiān)測生物傳感器的發(fā)展前景及發(fā)展方向。關鍵詞：生物傳感器技術；環(huán)境分析檢測；0前言生物傳感器這門課屬于分析

2、化學和生物化學的一門交叉學科，它涉及到生物化學、電化學等多個基礎學科。就目前生物傳感器研究的歷史階段，它仍然處于十分活躍的研究階段，生物傳感器的研究逐漸變得專業(yè)化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物傳感器，生物可控和智能化的傳感器制成1。基于生物傳感器的基本結構和性能，從它的選擇性，穩(wěn)定性，靈敏度和傳感器系統(tǒng)的集成化發(fā)展的特點和趨勢,科研人員主要研究生物傳感器在醫(yī)療、食品工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等方面，它的發(fā)展對生產(chǎn)生活都有極大影響，尤其是生物傳感器專一性好、易操作、設備簡單、可現(xiàn)場檢測、便攜式、測量快速準確、適用范圍廣，從而深受研究者的青睞。本文主要概述了近三年來生物傳感器在環(huán)境分析與檢測方面的應

3、用研究，從而對以后生物傳感器技術的研究有所幫助與借鑒。1.生物傳感器技術1.1生物傳感器的組成及工作原理生物傳感器主要是由生物識別和信號分析兩部分組成。生物識別部分是由具有分子識別能力的生物敏感識別元件構成，包括細胞、生物素、酶、抗體及核酸。信號分析部分通常叫換能器。它們的工作原理一般是根據(jù)物質(zhì)電化學、光學、質(zhì)量、熱量、磁性等，物理化學性質(zhì)將被分析物與生物識別元件之間反應的信號轉變成易檢測、量化的另一種信號，比如電信號、焚光信號等，再經(jīng)過信號讀取設備的轉換過程，最終得到可以對分析物進行定性或定量檢測的數(shù)據(jù)2。生物傳感器識別和檢測待測物的工作原理：首先，待測物分子與識別元素接觸；然后，識別元素把

4、待測物分子從樣品中分離出來；接著，轉換器將識別反應相應的信號轉換成可分析的化學或物理信號；最后，使用現(xiàn)代分析儀器對輸出的信號進行相應的轉換，將輸出信號轉化為可識別的信號。生物傳感器的各個部分包括分析裝置、儀器和系統(tǒng)也由此構成。生物傳感器中的識別元素決定了傳感器的特異性，是生物定性識別的決定因素；識別元素與待測分子的親合力，以及換能器和檢測儀表的精密度，在很大程度上決定了傳感器的靈敏度和響應速度。1.2生物傳感器的分類生物傳感器的分類方法有很多種，按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分為: 微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等；按照傳感器器件檢測的原理分為:熱敏生

5、物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器聲、波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等；按照生物敏感物質(zhì)相互作用類型分為: 親和型和代謝型兩種。目前，國內(nèi)外在環(huán)境監(jiān)測中常用的傳感器主要有酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器這4種生物傳感器3。2.生物傳感器技術在環(huán)境檢測中的應用近年來，工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展使環(huán)境中有害物質(zhì)的含量大大增加，這些有害物質(zhì)大致可分為有毒氣體、工業(yè)廢水、重金屬污染等。而這些毒物會大大影響人類的生存環(huán)境。還有很大一部分環(huán)境毒物的產(chǎn)生是由于環(huán)境污染間接造成的。比如人類大量污水的排放使海水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量突然增加，造成海水“富營養(yǎng)

6、化”，浮游藻類就會在短時間內(nèi)迅速繁殖，有些浮游藻類是產(chǎn)毒藻，被海洋中的貝類食用后在貝類的消化腺中累積，最后被人類食用。這些毒素會對人類的健康造成嚴重的威脅。因此對環(huán)境毒物的快速、便攜、高靈敏度檢測是我們所要關注環(huán)境監(jiān)測的重點之一。國家標準中環(huán)境毒物的分析檢測方法一般有液相質(zhì)譜聯(lián)用法、氣相色譜法、液相質(zhì)譜聯(lián)用法、分光分度計法，但這些方法操作復雜，設備龐大，不適用于現(xiàn)場檢測4。而生物傳感器結合了生物分子的特異性、選擇性以及電化學分析的高靈敏度、儀器便攜和成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測領域，本文主要綜述生物傳感器技術在不同環(huán)境檢測研究對象中所應用的技術方法及原理，為以后從事改善環(huán)境污染的研究人員

7、提供相關參考資料。2.1生物傳感器技術針對大氣污染方面的研究進展 根據(jù)查閱相關文獻，目前研究者主要采用的是從大量的廢氣、煙塵排入大氣中，利用生物傳感技術來測定大氣中的 CO2、NOx 、SO2等的含量及濃度等。Suzuki 等研究出一種CO2生物傳感器主要是利用半導體技術，使用更加方便5。魯中明等研究開發(fā)了一種CO2光纖化學傳感器，具有體積小能耗低的特點，適宜現(xiàn)場長期自動監(jiān)測，在 0 194 ppm 的CO2濃度范圍內(nèi)，其最佳精度為 + 1. 21 ppm，響應時間 ( 99% ) 約為2min6。氮氧化物是空氣污染物的重要成份，主要有 NO 和 NO2。NO2反應最強，是光化學煙霧的主要造成

8、因素。Charlesp 等用固定化硝化細菌、多孔滲透膜、氧電極組成微生物傳感器，能夠間接測定空氣中NOx 的濃度，其檢出限為 1 × 10 8mol / L7。SO2是酸雨、酸霧形成的主要因素，傳統(tǒng)的檢測方法較為復雜。Carballor 等制備的傳感器，使用了制作方法簡單、制備成本低的聚卟啉合鎳配合物修飾玻碳電極，與流動注射分析技術結合使用,對 SO2含量的檢測快速而有效，可使檢出限達 0. 15 mg /L8。甲醛也是一種大氣污染物，特別是裝飾材料的使用，直接影響到我們的居住環(huán)境，對健康的危害更為隱性。祝艷濤等綜合分析了國內(nèi)外甲醛氣體傳感器的研究現(xiàn)狀的基礎，綜述了測定甲醛的金屬氧化

9、物傳感器、聲表面波傳感器、電化學傳感器、基于化學發(fā)光的傳感器的特性，并指出了甲醛氣體傳感器存在的問題，對其發(fā)展趨勢進行了預測9。2.2生物傳感器技術針對工業(yè)廢水監(jiān)測方面的研究進展生化需氧量( BOD)是監(jiān)測水體中有機物污染程度的最常用測定指標。傳統(tǒng)的測定方法要在實驗室進行，5d 的培養(yǎng)期，費時費力、重復性差。而 BOD 生物傳感器可在 1015min 檢測出 BOD 值，可對水質(zhì)狀況在線監(jiān)測3。S Jouanneau 等綜述了測定 BOD 多種方法，認為生物傳感器測定是耗時最少的方式，但市場化使用少10。生物傳感器國外已有商品化的生物傳感器快速 BOD 測定儀，產(chǎn)品較為昂貴，并且性能不夠穩(wěn)定，

10、需要進一步提高儀器的準確性和穩(wěn)定性。Ju等使用生物傳感器分析檢測水體中的微囊藻毒素，該研究小組將微囊藻毒素固定于碳納米突簇制備成的電極表面，抗體與微囊藻毒素之間發(fā)生免疫反應導致抗體結合到電極表面引起電化學信號發(fā)生改變，以此實現(xiàn)微囊藻毒素的檢測。生物傳感器還用來測定水體中酚類和表面活性劑的濃度。有研究人員將探針和可潛水的生物傳感器上的靈敏電流計相連，并將鎘氨酸酶和漆酶固定在碳纖維傳導器上，通過對電流計輸出讀數(shù)的分析，而對酶產(chǎn)物進行分析。這種生物傳感器可用于測定大規(guī)模的酚類化合物濃度11。白志輝等用硫化物桿菌制成的硫化物傳感器，可用于對工業(yè)廢水、生活污水等基體復雜樣品中的硫化物進行測定。Heitz

11、er等人研制成了一種光學全細胞生物傳感器，以對廢水中含有的萘和水楊酸鹽的生物利用率以及微生物分解活力進行連續(xù)的在線監(jiān)控。主要利用了一種經(jīng)基因工程改造的熒光假單胞菌指示菌，它在一定條件下暴露于萘和水楊酸鹽中將導致生物發(fā)光劇增，于萘和水楊酸鹽的濃度決定了指示菌的響應強度和時間。此外，生物傳感器還可以用于水處理設備的一部分，提高監(jiān)測效率。研究人員研制的一種新型 pH生物傳感器，已發(fā)展起來用于監(jiān)測生活污水的衛(wèi)生狀況。主要是基于細菌對葡萄糖的新陳代謝作用，在37 的溫度下，利用腸細菌的生長狀況來監(jiān)測 pH 值。該傳感器可以作為水處理裝置的終端，適用于在線檢測。完整的預警系統(tǒng)，對于水污染的監(jiān)測具有重要意義

12、。這樣的系統(tǒng)可以對水中的污染物進行檢測、分析、信號傳輸、報警，生物傳感器結合報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時、連續(xù)、快速的預警。Shi H 等人研制的全自動在線光生物傳感器系統(tǒng) ( AOBS) 可實現(xiàn)對微囊藻毒素 L ( MC L) 的持續(xù)、實時監(jiān)測，并具有高度敏感和特異性，并應用于太湖 MC L含量的長期、持續(xù)測定和預警12。生物傳感細胞 ADp1-pwhlux在水環(huán)境急性毒性檢測中的應用針對天然發(fā)光菌和以模式微生物為宿主構建的生物傳感細胞在急性毒性檢測應用中對測試條件要求苛刻等適用性問題ADp1-pwhlux株基因工程構建的生物傳感細胞不動桿菌ADp1-pwhlux應用于急性毒性檢測,結果表明ADp1

13、-pwhlux發(fā)光受急性毒物的抑制袁毒物劑量與發(fā)光抑制存在劑量效應關系13。2.3生物傳感器技術針對重金屬污染方面的研究進展重金屬離子作為一個總體 ，從原則上講，可以被任何具有-SH 催化基團的酶加以檢測。重金屬離子和硫醇基的結合會使酶的催化活性降低。Gayet 等篩選出了許多適合對金屬離子進行檢測的氧化酶。這些酶用戊二醛固定在膜的表面，然后將膜放置在溶解氧傳感器上面做成探頭，可以用來測定重金屬離子的濃度。 研究發(fā)現(xiàn)用這種探頭可以測定 Hg+和 Ag+。 以用丙酮酸氧化酶制成的生物傳感器為例，當溶液中 HgCl2的濃度為 1.0m 或者 Ag2NO3的濃度為 0.1m 時，響應基線會降低 50

14、%（酶活性降低 50%）。 當這種酶生物傳感器的酶失活時，可以用 10mm的 EDTA 進行清洗再生，從而實現(xiàn)這種傳感器的重復使用14。并且重金屬污染能通過生物富集作用對動植物及人類產(chǎn)生危害。發(fā)光微生物傳感器是近年來生物毒性測試中研究最多，最受關注的微生物傳感器之一。Wang等15采用嗜冷桿菌（Psychrobacter sp.）微生物傳感器毒性分析系統(tǒng)，對環(huán)境中Hg2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Cd2+、Pb2+、Co2+等重金屬和鄰氯苯酚（2-CP）、2，4-二氯酚（2，4-DCP）、鄰硝基酚（2-NP）、對硝基酚（4-NP）、四環(huán)素、十二烷基苯磺酸鈉（LAS）等有機物的生物急性毒性

15、進行分析。試驗結果表明，基于對數(shù)生長后期和穩(wěn)定期的嗜冷桿菌微生物傳感器具有良好的毒性分析性能。有關文獻報到重金屬離子與DNA之間都會發(fā)生相互作用，從而對DNA造成損傷，影響DNA的正常復制和表達。基于重金屬離子與DNA相互作用，研究者開發(fā)了很多用于重金屬檢測的電化學DNA傳感器。Wong將一段寡核昔酸鏈固定在金電極上，溶液中的Cd2+富集在DNA鏈上，最后通過欠電位沉積法檢測Cd2+的含量17 Oliveira利用鉛離子導致DNA交聯(lián)的特性設計了電化學DNA傳感器實現(xiàn)了環(huán)境中鉛離子含量的檢測1819。鉛離子介導的DNA交聯(lián)影響了電化學信號的傳導，使信號下降，變化的程度與鉛離子濃度成比例。3生物

16、傳感器在環(huán)境中的檢測展望未來一段時期，生物傳感器的研究工作將主要圍繞: 生物傳感器要由單一功能向多功能轉變，一個傳感器集合多種污染物的檢測功能; 利用基因工程技術構建高效的目標菌株，以提高效率和穩(wěn)定性; 解決生物響應的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題; 提高信號檢測器的使用壽命，選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件; 微型化生物傳感器與其它分析儀器、信號終端的集成化，建立高效的生物傳感系統(tǒng)，提高預警效率。此外，應用生物傳感器得到的檢測結果必須得到權威的認可，才可能大規(guī)模的應用實際中20。通過這些努力，最終逐步市場化和商品化。隨著環(huán)境保護和其他相關學科技術的發(fā)展，生物傳感器技術也將發(fā)展的更

17、加成熟。不用多久，新一代高靈敏度、低成本、高穩(wěn)定性等眾多優(yōu)勢的生物傳感器將在環(huán)境監(jiān)測領域，將發(fā)揮更大的作用。參考文獻1于兆林.生物傳感器M.1版.上海.上海遠東出版社.1992:1-2.2Depagne C, Roux C, Coradin T. How to design cell-based biosensors using thesol-gel process J.Anal.Bioanal.Chem.2011,400(4): 965-976.3俞衛(wèi)忠,陳建.生物傳感器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用J.污染防治技術,2014,02:66-68+72.4曹淑超.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用J.能源環(huán)

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