生物传感器在环境监测中的应用进展

罗鸿斌

(东莞理工学院 科研处，广东东莞 523808)

经济的高速发展，环境问题日益严重，已严重影响经济的可持续发展和人们的健康。如何在经济发展的同时，更好的保护和治理环境，构建生态文明的和谐社会，是迫切要解决的问题。生物传感器等现代分子生物学技术为代表的生物技术的发展，由于其灵敏、快速、高特异性等特点，在环境保护领域逐步应用。本文通过阐述生物传感器技术的原理及在环境监测中的应用，让广大环境保护工作者有一定的了解。

1 概念及特点

1.1 概念和分类

生物传感器是基于生物反应进行检测的一类化学传感器，以微生物、酶、抗原、抗体等具有生物活性的固定化的生物敏感材料作为功能性识别元件，由信号转换元件将外界对其理化性质的影响转化成电信号，并通过信号放大装置放大，而实现对待测物质的定量测定［1］。基本原理是利用检测物与生物感应元件之间相互作用产生响应信号，通过信号处理元件对响应信号进行接收、加工、转换、输出，实现对检测物的分析检测 (如图1所示)。例如，检测葡萄糖的生物传感器就是使用葡萄糖氧化酶作为生物感应元件对检测目标葡萄糖进行催化氧化，再使用电极作为信号处理元件对催化氧化过程中的电信号进行处理，以此实现定量检测葡萄糖［2］。

图1 生物传感器原理图

自1962年，L C Clark将电极与含有葡萄糖氧化酶的膜结合，应用于葡萄糖检测以来。生物传感器在环境监测、人体健康评估、生物医学研究、食品安全、发酵工业生产、化工等域，得到应用和发展。生物传感器涵盖了包括生物学、物理学、材料学、化学、医学、微电子技术等学科在内的众多学科，是多学科交叉联系发展起来的交叉学科和检测分析技术。

根据识别元件分为:免疫化学传感器、酶传感器、非酶受体传感器、微生物传感器、细胞传感器、DNA传感器、组织传感器等。

根据信号转导方式分为:半导体传感器、压电晶体生物传感器、声学、光学和热学传感器、测电压生物传感器等。

按照生物敏感物质相互作用的类型分为:代谢型、亲和型和催化型生物传感器。

1.2 特点

与传统的分析方法相比，生物传感器具有很多优点［2］。特异性强，只与相应配体特异性反应，专一性强;检测范围广，可对有机污染物、重金属、抗生素、农药等小分子目标物，酶、抗体、蛋白质等大分子目标物、细胞、微生物等上万种目标物进行检测;反应快，可以多次反复使用;操作简单，可以在线连续监测和自动分析;成本低，便于推广应用;样品用量少，一般样品预处理过程不需要太复杂和加入其他试剂;体积小，便于携带。此外，还有其它很多优点。

生物传感器有众多优点，但也存在一些不足。一些生物传感器无法批量生产，应用成本较高，推广受到一定的限制;重复利用率不高，容易造成资源的浪费;一些电极制备重现性差，稳定性容易受外界条件的影响，给检测带来误差;有些生物感应元件容易受外界条件影响，无法长时间存放，例如有些酶常需要提供辅酶才能起作用。

2 在环境监测中的应用

2.1 在水体监测中的应用

水是生命之源，水体环境严重影响人类健康。如何快速、有效、准确的监测水质，具有十分重要的意义。生物传感器由于其高灵敏度、高特异性、操作简便、低成本、快速、能在线连续监测等特点，在水污染监测方面得到了迅速应用和发展。

生化需氧量 (BOD)是监测水体中有机物污染程度的最常用测定指标。传统的测定方法要在实验室进行，5 d的培养期，费时费力、重复性差。而BOD生物传感器器可在10～15min检测出BOD值，可对水质状况在线监测［3］。S Jouanneau等综述了测定BOD的多种方法，认为生物传感器测定是耗时最少的方式，但市场化使用少［4］。生物传感器国外已有商品化的生物传感器快速BOD测定仪，产品较为昂贵，并且性能不够稳定，需要进一步提高仪器的准确性和稳定性。

水体富营养化是水污染的一个重要因素。水体富营养化的一个原因是氰基细菌的大量繁殖，这些细菌杀死水生植物后，使水体产生恶臭味道。生物传感器可对水体富营养化实现在线监测。氰基细菌的细胞体内存在的藻青蛋白 (phy cocyanin)显示出的荧光光谱不同于其他的微生物，用对荧光敏感的生物传感器就可以监测氰基细菌浓度，监测藻类繁殖情况。随着水体富营养化的加剧，有些蓝藻死亡过程中释放的毒素已经成为广泛存在的天然有毒物。微囊藻毒素 (MC)分布较广，毒性甚至可致家畜死亡和人类中毒。对饮用水中的微囊藻毒素监测对于保障饮用水安全具有重要意义。Shi H等人研制的一种全自动在线光生物传感器系统 (AOBS)可实现对微囊藻毒素LR(MC－LR)的持续、实时监测，并具有高度敏感和特异性。该系统成功应用于太湖MC－LR含量的长期、持续测定和预警，并已使用一年左右。该系统还可以通过不同的检测元件，同时监测六种污染物，可作为水污染早期预警系统［5］。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用，有很大的危害。Quan等制成的亚硝酸盐酶电极，通过将氧化还原介体紫精分别键合到聚硅氧烷和壳聚糖中，然后亲水性的聚氨酯将这两种聚合物分别与Cu－NiRs包埋固定于玻璃碳电极表面，紫精修饰的壳聚糖酶电极对亚硝酸盐的灵敏度为14.9 nA/μmol/L、线性稳态响应范围0.04～11 μmol/L(r2=0.999)，响应时间只需15 s，酶电极在65 d内可保持稳定［6］。

细菌总数是水质的一个重要监测指标。目前普遍采用的标准方法是平板菌落记数法，误差大、步骤繁琐、耗时长。韩树波等人研制的新型伏安型细菌总数生物传感器，优化设计了电极及其辅助测定装置，检测下限达3×104cells，只需0.5 h左右的测定周期［7］。Qianyu Zhang等人设计了一种基于化能自养氨氧化细菌的电位传感器，用于检测水中的污染物［8］。

废水中重金属离子的浓度测定也是重要的监测指标。将光纤和微生物一起包埋在聚合物基质中制成的微生物传感器，具有高灵敏度、选择性好、储藏稳定性强、测量范围广等特点。这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1×10－9mol/L［9］。Roberto等利用绿色荧光蛋白 (GFP)，研制的细菌荧光素酶生物传感器，对亚砷酸盐和砷酸盐可测到定亚微克水平，效果好、费用低，可长期对砷污染地区进行在线监测［10］。

生物传感器还用来测定水体中酚类和表面活性剂的浓度。有研究人员将探针和可潜水的生物传感器上的灵敏电流计相连，并将镉氨酸酶和漆酶固定在碳纤维传导器上，通过对电流计输出读数的分析，而对酶产物进行分析。这种生物传感器可用于测定大规模的酚类化合物浓度［11］。白志辉等用硫化物杆菌制成的硫化物传感器，可用于对工业废水、生活污水等基体复杂样品中的硫化物进行测定［12］。Heitzer等人研制成了一种光学全细胞生物传感器，以对废水中含有的萘和水杨酸盐的生物利用率以及微生物分解活力进行连续的在线监控。主要利用了一种经基因工程改造的荧光假单胞菌指示菌，它在一定条件下暴露于萘和水杨酸盐中将导致生物发光剧增，于萘和水杨酸盐的浓度决定了指示菌的响应强度和时间［13］。

此外，生物传感器还可以用于水处理设备的一部分，提高监测效率。研究人员研制的一种新型pH生物传感器，已发展起来用于监测生活污水的卫生状况。主要是基于细菌对葡萄糖的新陈代谢作用，在37℃的温度下，利用肠细菌的生长状况来监测pH值。该传感器可以作为水处理装置的终端，适用于在线检测［14］。

完整的预警系统，对于水污染的监测具有重要意义。这样的系统可以对水中的污染物进行检测、分析、信号传输、报警，生物传感器结合报警系统可以实现实时、连续、快速的预警。Shi H等人研制的全自动在线光生物传感器系统 (AOBS)可实现对微囊藻毒素LR(MC－LR)的持续、实时监测，并具有高度敏感和特异性，并应用于太湖MC－LR含量的长期、持续测定和预警［5］。

2.2 在农药控制中的应用现状

现代农业，普遍使用农药，农药残留在水和土壤中，对环境造成影响较大。传统的农药测定方法主要有GC－MS、高效液相色谱－质谱技术、荧光分析法、酶抑制法、免疫分析法、红外光谱法等，但都需要借助实验仪器进行。生物传感器则便捷、经济，可现场进行分析。罗启枚等认为酶生物传感器在农药残留检测方面具有传统检测方法不可比拟的优势［15］。

很低浓度的有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的活性有抑制作用，在一定浓度范围内，有机磷农药浓度和酶活抑制程度之间有对应关系。周华等将牛血清白蛋白和乙酰胆碱酯酶固定在石墨电极基体上生长的碳纳米管电极表面，研制的新型生物传感器可用于检测有机磷农药。对农药中甲基对硫磷、乐果、敌敌畏等检测效果较好［16］。有研究人员设计出了间接测定有机磷农药浓度的酶传感器，利用除草剂对光合作用抑制，从而改变叶绿素荧光的标志，对某些农药污染物的毒性能迅速反映的特点，研制了基于PSII的生物传感器［17］。

除草剂的使用，在全世界都较为广泛，过量的除草剂对水源的污染较大。除草剂中的某些成份对植物类囊体束缚酶起分解过氧化氢的作用，基于这一原理，李建平等研制了一种可以现场快速检测痕量除草剂的电化学生物传感器［18］。Yannis Ferro等人探讨了使用无机半透明的水凝胶结合固定化的海藻细胞构建光生物传感器，这种光藻生物传感器可用于水污染物的预警。对除草剂敌草隆和阿特拉津的检测极限可达到0.1 uM［19］。suri等人将待测抗原与固定在微悬臂上的抗体结合，引起微悬臂的弯曲，研制的纳米机械免疫传感器检测阿特拉津，检测限达到了1 ng/mL［20］。

此外，Mauriz等研制的表面等离子共振 (SPR)型免疫传感器，可用于水中毒死蜱农药的检测。将一种毒死蜱人工抗原固定于传感器金膜的表面，使它和待测样品中游离态毒死蜱竞争性的结合相应抗体，毒死蜱浓度的增加会导致SPR信号减弱，使用该方法检测农药残留物可低至PPt水平。该传感器稳定性良好，可重复使用200次［21］。Deng等人将电流型免疫传感器与ELIsA微孔板结合起来研制的电化学检测器，具有高通量、稳定性高、检测限低、可重复使用等优点，检测2，4－D，检测限达到0.072 ng/mL［22］。Alvarez等人首次将纳米机械生物传感器用于双对氯苯基三氯乙烷 (DDT)的检测。牛血清白蛋白 (BSA)与DDT半抗原结合形成人工抗原，在微悬臂的金表面通过硫醇自组装共价固定，固定在金表面的DDT和待测游离态DDT竞争性结合单克隆抗体，检测浓度低至纳摩尔范围，无需标记［23］。

2.3 在大气监测中的应用

大量的废气、烟尘排入大气中，严重影响大气质量。我们每天呼吸着大气，大气污染就像影子，随时跟着我们，对于大气环境质量的监测极为重要。生物传感技术可用来测定大气中的CO2、NOx、SO2等的含量及浓度等。

众所周知，CO2是造成温室效应的主要原因。Suzuki等研究出一种CO2生物传感器，主要是利用半导体技术，使用更加方便［3］。鲁中明等研究开发了一种CO2光纤化学传感器，具有体积小、能耗低的特点，适宜现场长期自动监测，在0～194 ppm的CO2浓度范围内，其最佳精度为+1.21 ppm，响应时间 (99%)约为 2 min［24］。

氮氧化物是空气污染物的重要成份，主要有NO和NO2。NO2反应最强，是光化学烟雾的主要造成因素。Charlesp等用固定化硝化细菌、多孔渗透膜、氧电极组成微生物传感器，能够间接测定空气中NOx 的浓度，其检出限为1 ×10－8mol/L［25］。

SO2是酸雨、酸雾形成的主要因素，传统的检测方法较为复杂。Carballor等制备的传感器，使用了制作方法简单、制备成本低的聚卟啉合镍配合物修饰玻碳电极，与流动注射分析技术结合使用，对SO2含量的检测快速而有效，可使检出限达0.15 mg/L［26］。

甲醛也是一种大气污染物，特别是装饰材料的使用，直接影响到我们的居住环境，对健康的危害更为隐性。祝艳涛等综合分析了国内外甲醛气体传感器的研究现状的基础，综述了测定甲醛的金属氧化物传感器、声表面波传感器、电化学传感器、基于化学发光的传感器的特性，并指出了甲醛气体传感器存在的问题，对其发展趋势进行了预测［27］。

3 发展趋势

自1962年以来，经过几十年的发展，出现了丰富多样的生物传感器类型，却没有大规模商业化应用。影响其广泛使用的原因复杂，较难批量生产。生物传感器是多学科综合交叉的一门技术，主要的发展趋势是多功能化、微型化、智能化、集成化。未来一段时期，生物传感器的研究工作将主要围绕:生物传感器要由单一功能向多功能转变，一个传感器集合多种污染物的检测功能;利用基因工程技术构建高效的目标菌株，以提高效率和稳定性;解决生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题;提高信号检测器的使用寿命，选择活性强、选择性高的生物传感元件;微型化生物传感器与其它分析仪器、信号终端的集成化，建立高效的生物传感系统，提高预警效率。此外，应用生物传感器得到的检测结果必须得到权威的认可，才可能大规模的应用实际中。通过这些努力，最终逐步市场化和商品化。

随着环境保护和其他相关学科技术的发展，生物传感器技术也将发展的更加成熟。不用多久，新一代高灵敏度、低成本、高稳定性等众多优势的生物传感器将在环境监测领域，将发挥更大的作用。

［1］罗鸿斌．现代分子生物学技术在环境监测中的应用［J］．东莞理工学院学报，2013，20(3):73－77．

［2］陈章．新型生物传感器的构建及其在环境和生物检测中的应用研究［D］．长沙:湖南大学，2012．

［3］王建龙，张悦，施汉昌，等．生物传感器在环境污染监测中的应用研究［J］．生物技术通报，2000，3:13－18．

［4］S．Jouanneau a L，Recoules b c，M J Durand a，et al．Thouand．Methods for assessing biochemical oxygen demand(BOD):A review［J］．Water Res，2014(1);49:62 －82．

［5］Shi H，Song B，Long F，et al．Automated online optical biosensing system for continuous real－time determination of microcystin－LR with high sensitivity and specificity:Early warning for cyanotoxin risk in drinking water sources［J］．Environ Sci Technol，2013，47，4434 －4441．

［6］Quan D，Shin W．A Nitrite Biosensor Based on Co－immobilization of Nitrite Reductase and Viologen–modified Chitosan on a Glassy Carbon Electrode［J］．Sensors，2010，10:6241 － 6256．

［7］韩权，李新，郭光美，等．伏安型细菌总数生物传感器的研究与应用［J］．化学通报，2000(2):49－51．

［8］Qianyu Zhang，Jiawang Ding ，Lijuan Kou，et al．A Potentiometric Flow Biosensor Based on Ammonia－Oxidizing Bacteria for the Detection of Toxicity in Water［J］．Sensors，2013，13(6)，6936 －6945．

［9］Leth S，M alton i S，S imkus R，et al．Engineered bacteria based biosensors for monitoring bioavailable heavy meta［J］．Electroan alysis，2002，14(1):1．

［10］Roberto F F，Barnes J M，Bruhn D F．Evaluation of a GFP reporter gene construct for environmental arsenic detection Talanta［J］，2002，58(1):181－188．

［11］FREIRE R S，THONGNGAMDEE S，DURAN N，et al．mixed enzyme(lacase/tyrosinase)based remote electrochemical biosensor for monitoring phenolic compounds［J］．Analyst，2002，127(2):258．

［12］白志辉，王晓辉，罗湘南．硫化物微生物传感器的研究［J］．河北科技大学学报，1999，20(1):10－13．

［13］Heitzer A，Malachow sky K，Thonnard JE，et al．Optical biosensor f or environmental on line monitoring of naphthalene and salicylate bioavailability with an immobilized bioluminescent cat abolic reporter bacterium［J］．Applied and Environment al Microbiology，1994，60(5):1487－ 1494．

［14］Dewettnctk T，Van Hege K，Verstraete W．Develop ment of a rapid pH －based biosensor to monitor and control the hyghenic quality of reclaimed domestic wastewater［J］．Applied and Microbiology and Biotechnology，2001，56(5 －6):809 －815．

［15］罗启枚，王辉，刘登友，等．农药残留检测生物传感器酶固定技术研究进展［J］．化学传感器，2007，27(3):17－22．

［16］周华，王辉宪，刘登友，等．碳纳米管修饰酶生物传感器的应用进展［J］．传感器世界，2008(4):6－10．

［17］Koblizek M，Maly J，Masojidek J，et al．Biosensors as useful tools for environmentalanalysis and monitoring［J］．Biotechnol，2002，78:110－116．

［18］李建平，彭图治，贺筱蓉．基于拮抗作用检测除草剂的类囊体膜生物传感器研究［J］．高等学校化学学报，2003，24(3):404－409．

［19］Yannis Ferro，Mercedes Perullini，Matias Jobbagy，et al．Development of a Biosensor for Environmental MonitoringBased on Microalgae Immobilized in Silica Hydrogels［J］．Sensors 2012，12:16879 － 16891．

［20］Suri C R，Kaur J，Gandhi，5．，Shelthawat，GS．Lable － free ultra － sensitive deteetion of atrazine based on nanomechanies［J］．Nanoteeh，2008，19:1－6．

［21］Manriz E，Calle A，Lechuga，et al．Real－ time deteetion of chlorpyrifos at Part Per trillion levels in ground，surface and drinking water samples by a Portable surface Plasmon resonanee immunosensor［J］．Anal Chim Aeta，2006，561:40 －47．

［22］Deng A，Yang H．A multiehannel electrochemieal detector coupled with an ELISA Mierotiter Plate for the immunoassay of Z，4 －diehloroPhenoxyacetic acid［J］．Sens AetuatorsB，2007，124:423 －426．

［23］Alvarez M，Calle A，hnlayo J，et al．Development of nanomechanical biosensors for detection of the pestieide DDT［J］．Biosens．Bioelectron．2003，18:649－653．

［24］鲁中明，戴民汉，许昆明，等．一种光纤化学二氧化碳传感器的研制［J］．高技术通讯，2003(11):B38－43．

［25］Charles P T，Gauger P R，Patterson Jr C H，et al．On －site Immunoanalysis of Nitrate and Nitroaromatic Compounds in Groundwater［J］．Environ SciTechnol，2000，34(21):464 －4650．

［26］Carballor R，Dall V C，Balbo A L，et al．Sensors and Actuatprs B［J］．Chemical，2003，(88):155－ 161．

［27］祝艳涛，方正，罗建波，等．中国测试技术［J］．2008，34(1):100－104．