生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

1、生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用摘要：本文簡要介紹了生物傳感器的原理、分類和發(fā)展概況，著重講述了其在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用。綜述了測定雙酚A、Hg2+、Pb2+、農(nóng)藥殘留，鹵代烴污染物的水環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器。關(guān)鍵詞：生物傳感器污染物環(huán)境監(jiān)測1 生物傳感器發(fā)展概況 生物傳感器是對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器，微生物傳感器，細(xì)胞傳感器

2、，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。生物傳感器的工作原理如下：待測物生物識別元件信息信號轉(zhuǎn)換電信號或光信號信號放大信息處理信號輸出近些年來，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨(dú)到之處。它可以克服價(jià)格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。此外，還可以同時(shí)利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。2 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用2.1 酶生物傳感器 近年來，食品工業(yè)和環(huán)境和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域酚類化合物的監(jiān)測有重大的意義。傳統(tǒng)的這些化合物的檢測

3、和定量的方法有分光光度法和色譜法，但是耗時(shí)和昂貴。然而，漆酶的生物傳感器是一種快速的方法，能在線監(jiān)測這些化合物。我們討論的主要傳導(dǎo)原則。我們根據(jù)電化學(xué)原理分為電流型、伏安法、電位、電導(dǎo)傳感器。我們將光學(xué)傳感器分為熒光和吸收。安培傳感器的方法是最廣泛的研究和應(yīng)用酶生物傳感器。光學(xué)生物傳感器比其他生物傳感器具有更高的靈敏度。漆酶的生產(chǎn)由少數(shù)菌屬為主：栓菌，曲霉，和靈芝。 圖1 適宜底物酶氧化的簡化反應(yīng)機(jī)理。在一般情況下，根據(jù)不同的糖基化，真菌漆酶具有的分子量為6080 kDa和等電點(diǎn)為4-7。漆酶是由一個(gè)集群的四個(gè)銅原子（型銅，型銅和2個(gè)型銅原子），形成的酶的活性位點(diǎn)。根據(jù)紫外/可見光譜和電子順磁

4、共振（EPR）光譜獲得的特征，這些銅原子被分為三組。I型銅（T1，連接至少一個(gè)半胱氨酸（Cys）和兩個(gè)組氨酸(His)）負(fù)責(zé)該酶的強(qiáng)烈的藍(lán)色，在600nm有強(qiáng)烈的電子吸收和EPR檢測。II型銅（T2，連接兩個(gè)組氨酸（His）顯示在可見光譜中沒有吸收（無色）但揭示了檢測的EPR特性。III型銅由一對反鐵磁耦合的銅原子組成（T3，每個(gè)連接三個(gè)組氨酸（His）光譜特征的弱吸附在330 nm（氧化型）和EPR信號的缺失。檢測單，雙，和聚酚類、氨基酸、甲氧基、芳胺和抗壞血酸，隨之而來的四電子還原氧水。漆酶的催化機(jī)制開始于T1銅給電子給底物，隨后從減少T1內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移到T2和T3銅。T3銅功就像在好氧氧化

5、過程中兩電子受體，其中T2銅的存在是必要的。氧還原成水發(fā)生在T2和T3集群，通過過氧化物中間體。漆酶是不能氧化直接非酚類底物或具有高氧化還原電位的大分子。在這樣的背景下，介體物質(zhì)作為漆酶中間基板，產(chǎn)生高氧化還原電位中間能夠間接氧化非酚類底物。 漆酶生物檢測器對于檢測和量化的酚類化合物使用漆酶的生物傳感器顯示出巨大的潛力。傳統(tǒng)的檢測方法，如分光光度法、氣相色譜法、液相色譜法和毛細(xì)管電泳法，都是耗時(shí)和昂貴的。漆酶生物傳感器的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的方法是電化學(xué)（安培法，伏安法，電位、電導(dǎo)），光和熱。最廣泛的研究和應(yīng)用的方法對是漆酶生物安培傳感器，而溫度和電導(dǎo)原理較少研究和應(yīng)用。光學(xué)生物傳感器提供了更高的靈敏

6、度，可用于食品工業(yè)或生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高質(zhì)量是必需的。為了擴(kuò)大其使用的工業(yè)過程，需要解決的問題，這可以通過集成廉價(jià)的支持和固定技術(shù)，以避免酶的泄漏，提高了活性回收過程中的固定化過程中，或通過將納米材料。漆酶生物傳感器是一種快速在線監(jiān)測和原位酚類化合物的方法，具有較高的靈敏度和重現(xiàn)性，可用于食品、環(huán)境和醫(yī)療行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化。 2.2 用于檢測環(huán)境污染物的酵母生物傳感器酵母生物傳感器已成為合適的工具用來篩選和檢測環(huán)境污染物，因?yàn)橄啾绕渌麄鞲屑夹g(shù)它具有各種優(yōu)勢。另一方面，在一些情況下許多限制仍然是關(guān)于它們的最佳性能和適用性，如低濃度樣品和現(xiàn)場測試。酵母生物傳感器，特別側(cè)重于篩選和評估環(huán)境污染物的影響。（1）

7、 化學(xué)或環(huán)境樣本的制備（例如，提取或預(yù)濃縮的樣品的樣品）和酵母細(xì)胞的曝光（曝光時(shí)間變化取決于酵母）。（2）該化合物在酵母細(xì)胞中引發(fā)生物反應(yīng)，如報(bào)告基因的誘導(dǎo)活性損害或代謝反應(yīng)。（3） 與生物反應(yīng)有關(guān)的信號（4） 測量、放大和用一個(gè)電子換能器轉(zhuǎn)化成可量化的值進(jìn)行分析，以評估化學(xué)物質(zhì)的影響或環(huán)境樣品。 酵母生物傳感器是用于化合物的檢測的合適的篩選工具，在某些情況下，他們用于環(huán)境監(jiān)測的具有一定的局限性，如比哺乳動(dòng)物細(xì)胞具有較低的靈敏度。然而，隨著檢測系統(tǒng)的改進(jìn)，和新的特定的生物傳感器的發(fā)展，最近已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，酵母生物傳感器現(xiàn)在可以替代的其他分析工具，并正在被標(biāo)準(zhǔn)化作為環(huán)境監(jiān)測。然而，目前覆蓋的

8、酵母生物化合物的數(shù)量限制了生物降解有機(jī)物（BOD測定）、內(nèi)分泌干擾物、金屬、細(xì)胞毒素和抗生素。只能檢測少部分的環(huán)境污染物。因?yàn)楸O(jiān)測所有潛在的有毒化合物是不可能的。發(fā)展的合理的優(yōu)先級方案是未來的篩選程序的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。進(jìn)一步發(fā)展酵母生物傳感器的新類別和提高靈敏度，檢測低濃度的分子。2.3 氧化石墨烯氧化物生物傳感器檢測雙酚A 雙酚A（BPA）是聚碳酸酯（PC），環(huán)氧樹脂和塑料行業(yè)的一種重要的工業(yè)化學(xué)品，作者基于氧化石墨烯和防BPA適配體設(shè)計(jì)了一種檢測雙酚A的新方法。氧化石墨烯可以特異性地吸附和淬滅熒光修飾的單鏈DNA探針。同時(shí)，BPA可以結(jié)合抗雙酚A 適配體并防止核酸適體吸附在氧化石墨烯（GO）

9、表面。不同濃度的雙酚A下，基于目標(biāo)誘導(dǎo)抗BPA適體和相互作用的熒光修飾抗BPA適體之間的構(gòu)象變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熒光信號的強(qiáng)度改變。在范圍0.110毫微克/毫升內(nèi)，獲得了檢出限為0.05 ng / mL。在實(shí)際水樣的回收率添加BPA可以96%到104.5%。該方法已成功地用于確定實(shí)際水樣中BPA。利用石墨烯氧化物（GO）以及使用羧基熒光素標(biāo)記的抗雙酚A適配體（FAM-ssDNA）構(gòu)建了用于檢測雙酚A的傳感器。檢測原理如圖4所示，在無BPA存在的情況下，GO會與適配體產(chǎn)生吸附作用，從而會使FAM的熒光發(fā)生淬滅。在BPA存在的情況下，BPA會與適配體結(jié)合，從而改變了適配體的構(gòu)型，并且阻止了適配體在

10、GO表面的吸附，從而降低了熒光猝滅作用，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。不同濃度的BPA，熒光的強(qiáng)度不同，這也是定量檢測BPA的依據(jù)。2.4 倏逝波光纖生物傳感器 傳統(tǒng)的檢測Hg2+、Pb2+方法，如原子吸收光譜法（AAS）和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS），可在非常低的濃度下檢測Hg2+、Pb2+，但是他們很難用于現(xiàn)場應(yīng)用。因其可移植性差、成本高。所以探索一種新的簡單、快速、廉價(jià)、實(shí)時(shí)的重金屬檢測技術(shù)是重要的。倏逝波光纖生物傳感器基于功能核酸測定Hg2+、Pb2+環(huán)境水樣中的現(xiàn)場檢測。采用兩步方案旨在利用TT與Hg2+錯(cuò)配和817脫氧核酶與Pb2+溶液中底物裂解的快速結(jié)合，以及基于倏逝波液固界面敏感的DN

11、A檢測。該傳感器表現(xiàn)出高的靈敏度和選擇性沒有任何信號的放大、檢測快速（13分鐘內(nèi)每測試），成本低（1020元人民幣每樣），和多循環(huán)再生（至少18次）。該方法也被成功地應(yīng)用于汞和實(shí)際環(huán)境水樣中鉛的檢測 鉛，汞的檢測示意圖最初TB和AF鏈雜交（標(biāo)有BHQ2淬火）和AF應(yīng)變（用Cy3熒光）在緩沖液中檢測Hg2+。在添加汞離子后，AF展開和T-A對形成自由的AF和THg2+T.上述混合物形成隨后被傳遞到光纖的探針鏈TS，而自由AF被俘，固定于纖維表面，隨后通過倏逝波激發(fā)產(chǎn)生熒光信號的檢測。檢測完成后，通過清洗探針，就可用于下一輪的檢測。在第一步中，富含的DNA與DNA或817脫氧核酶與底物鏈

12、緩沖溶液中，然后加入與重金屬離子反應(yīng)雜交DNA 8分鐘，第二步，上述混合物被泵入反應(yīng)室，在那里捕獲的DNA是穩(wěn)定的自由用熒光標(biāo)記的DNA雜交的光纖，其次是激勵(lì)通過倏逝波產(chǎn)生可檢測的熒光信號 2.5 熒光生物傳感器 一種先進(jìn)的光學(xué)生物傳感器是基于鹵代脂肪烴的酶促反應(yīng)，伴隨著pH指示劑的熒光變化。本裝置適在pH范圍從4到10，溫度范圍從5到60°C時(shí)檢測水中鹵代烴污染物。傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，便于攜帶，測量時(shí)間短，是環(huán)境監(jiān)測分析的常規(guī)技術(shù)。該傳感器已成功地用于在實(shí)驗(yàn)室條件下，對幾種重要的鹵代烴污染物的檢測，1,2-二氯乙烷、1,2,3-三氯丙烷。最低檢出限分別為2.7、1.4mg/L。

13、通過重復(fù)注射鹵代化合物于測量溶液證明能夠連續(xù)監(jiān)測。濃度由傳感器結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜儀測定，具有高效的相關(guān)系數(shù)0.92，為生物傳感器系統(tǒng)在現(xiàn)場篩查和日常監(jiān)測提供了一個(gè)良好的技術(shù)。 溫度和pH對1,2-二溴乙烷的生物傳感器響應(yīng)的影響。1,2-二溴乙烷的濃度為64 mg /L。測量是在22°。在1mM的4-羥乙基哌嗪乙磺酸緩沖溶液下測量。3 未來發(fā)展趨勢由于生物傳感器具有快速、在線、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視。經(jīng)過近30年的研究，生物傳感器已獲得了很大發(fā)展。但是真正應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)例并不太多，這主要是由于目前的生物傳感器還存在諸多不足之處，如穩(wěn)定性差、對許多有毒物質(zhì)

14、缺乏抵抗性、使用壽命短、維護(hù)較為復(fù)雜等。未來生物傳感器發(fā)展的方向主要集中在兩個(gè)方面：換能器的發(fā)展和檢測元件的改進(jìn)。信號轉(zhuǎn)換是生物傳感器的關(guān)鍵問題，如何在傳感元件的氧化還原中心與電極換能器之間建立電子傳遞仍是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。生物傳感器在工作過程中，往往會出現(xiàn)識別元件與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等不可逆的情況，這必然會影響傳感器的檢測能力，降低其靈敏度。因此，如何提高元件的使用壽命，選擇靈活性強(qiáng)、選擇性高的傳感元件也是一個(gè)主要的研究方向?；钚晕镔|(zhì)的固定化技術(shù)在研究生物傳感器的穩(wěn)定性時(shí)占有重要位置，因此這個(gè)問題如果能得到很好的解決，必將極大推動(dòng)生物傳感器的發(fā)展，提高其實(shí)用性。此外，便攜式微型生物傳感器的研究也

15、是未來的一個(gè)發(fā)展方向，新生物材料的合成、納米技術(shù)的應(yīng)用等都將進(jìn)一步推進(jìn)生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1 Rodríguez-Delgado M M, Alemán-Nava G S, Rodríguez-Delgado J M, et al. Laccase-based biosensors for detection of phenolic compoundsJ. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2015, 74: 21-45.2 Rodríguez-Delgado M M, Alemán

16、-Nava G S, Rodríguez-Delgado J M, et al. Laccase-based biosensors for detection of phenolic compoundsJ. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2015, 74: 21-45.3 Wang R, Xiang Y, Zhou X, et al. A reusable aptamer-based evanescent wave all-fiber biosensor for highly sensitive detection of Ochratoxin AJ. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 66: 11-18.4 Han S, Zhou X, Tang Y, et al. Practical, highly sensitive, and regenerable evanescent-wave biosensor for detection of Hg 2