生物传感器在环境监测中的应用分析

管 岚

（信阳市环境监控信息中心，河南 信阳 464000）

生物传感器是一种性质特殊的传感器，兼具稳定性佳、灵敏度高、成本低廉、选择性好的优良特点，不仅可以提供生物环境信息，还可以提供化学、物理环境信息，在环境监测领域得到了越来越广泛的应用。近几年，环境监测领域的生物传感器类型不断增多，各有优缺点。因此，分析环境监测领域生物传感器的应用具有非常突出的现实意义。

1 生物传感器概述

生物传感器是由固定化生物敏感材料、信号放大装置、理化换能器依据一定逻辑组合而成的分析工具，对生物物质高度敏感，可以将识别的生物物质浓度转换为电信号后量化分析。从本质上而言，生物传感器是结合生物成分、物理成分的设备；固定化的生物敏感材料集成了抗原、酶、抗体、微生物、核酸、细胞等生物活性物质；理化换能器则包括场效应管、氧电极、压电晶体、光敏管等几个部分[1]。

2 环境监测中常用的生物传感器类型

2.1 电化学生物传感器

2.1.1 基于导电聚合物的生物传感器

导电聚合物是指骨架上存在延伸π-π键、轨道高度重叠的聚合物，电学、光学性质较为特别，包括聚噻吩、聚苯胺、聚亚苯基乙烯等多种类型。基于导电聚合物的生物传感器主要是利用物理吸附或共价结合的方法，将生物分子固定在传感器上。比如，调整溶液酸碱值至高于酶等生物活性物质的等电点，促使酶等生物活性物质带负电，在静电吸附作用下，将生物分子固定到聚合物阳离子基体上。再如，通过化学氧化合成功能性聚合物，将其外层与共价键结合后固定生物活性物质。基于导电聚合物的生物传感器可以应用于环境中酚类化合物、重金属离子、农药的监测[2]。比如，在环境中酚类化合物监测中，利用聚苯胺/多酚氧化酶、聚吡咯/酪氨酸酶、聚苯胺－离子液体－碳钠、米管/酪氨酸酶，可以在1.25×10-6mol/L～1.50×10-4mol/L线性范围内进行监测。再如，利用电极表面固定亚硫酸盐氧化酶、细菌色素的SO2电化学生物传感器可以检测大气环境污染物中的二氧化硫。除此之外，以接枝二茂铁为介体，借助缩合反应，在玻碳电极（或大分子介孔材料）上固定酵母菌种，同时混合包埋源于活性污泥的微生物、聚乙烯醇溶胶，可以快速检测被污染水源环境中的生化需氧量。

基于导电聚合物的生物传感器是一种典型的电化学生物传感器，具有选择性佳、灵敏度高、成本低、重现性佳的优良特点。但是，据已有理论研究与实践应用可知，基于导电聚合物的生物传感器稳定性较差，除聚苯胺/多酚氧化酶生物传感器可以在一个月内达到90%的活性外，其他生物传感器在一个月内活性均出现明显下降，下降幅度最高为60%。

2.1.2 DNA电化学生物传感器

DNA电化学生物传感器是利用电化学体系进行环境中DNA分子已标定样品检测的传感器，如致癌物多氯联苯、芳香族胺等。在实际应用过程中，DNA电化学生物传感器主要依据所加电活性指示剂、DNA单链或DNA双链作用的差异进行环境中污染物识别。部分结合在DNA上的小分子易受外界环境污染因子作用产生变化，根据小分子变化可以进行环境污染程度描述。一般可以利用计时电位分析法将DNA杂交后的鸟嘌呤固定在电极表面，通过检测鸟嘌呤峰值氧化信号，推测环境中的污染物。或者利用基于核酸探针生物接收器的微芯片电极捕获DNA序列，判定环境中致病微生物含量[3]。

DNA电化学生物传感器主要用于无法培养的环境微生物污染因子检测，可以满足土壤环境、水环境微生物污染需求，检测速度较快，可靠性较高。但是，只有两引物之间存在特异性的DNA片段才可以顺利扩增进而用于环境污染检测，基于此，当前该方法仅适用于对DNA具有亲和作用的物质检测。

2.2 基于微生物燃料电池的生物传感器

微生物燃料电池是一种借助微生物完成化学能、电能相互转化的装置，在装置应用过程中微生物承担着阳极催化剂作用，可以反映微生物的新陈代谢过程。基于微生物燃料电池的生物传感器包括基于单室微生物燃料电池的生物传感器、基于双室微生物燃料电池的生物传感器两种。在基于微生物燃料电池的生物传感器制备时，可以利用伏安法或电流分析法。即根据电流、电势变动幅度以及峰值电流与目标化学物质、峰值电流密度与目标化学物质浓度之间联系，进行多种化学物质检测。或者根据电流变化与微生物氧化还原、新陈代谢过程之间的关系，进行特定类型的化学物质监测。

在环境水质分析监测、重金属监测、溶解氧监测中均可应用基于微生物燃料电池的生物传感器。比如，已有研究表明，以乙酸盐作为微生物燃料电池碳源制备无膜单室微生物燃料电池，可以在32 mg/L～1 280 mg/L范围内测试水质环境中生化需氧量。再如，在浸没式微生物燃料电池内加入一定量铜等重金属，可以通过检测微生物燃料电池输出电压变化而了解环境中对应重金属类型浓度[4]。

基于微生物燃料电池的生物传感器具有便携化、小型化、简单化、稳定性、实时化的特点，且可以回收。但是基于微生物燃料电池的生物传感器应用于环境监测具有一定前提条件，即电池电流对污水浓度响应速度快，且电池产生的电流（或电荷）与环境污染物浓度之间线性关系良好。

2.3 全细胞生物传感器

全细胞生物传感器是融合微生物学、合成生物学、工程学、生态学的传感器，其感应中心为活细胞，可以在感应到目标毒性物质时诱导蛋白基因产生可测量信号。由报告元件将化学信号转换为报告蛋白信号后，依据报告蛋白活性、数量变换判定靶目标物浓度。荧光素酶、磕头虫荧光素酶、绿色荧光蛋白、红外荧光蛋白均为可用的报告蛋白。根据检测物质的差异，全细胞生物传感器可以划分为非特异性全细胞生物传感器、特异性全细胞生物传感器两种。

全细胞生物传感器的敏感元件为微生物全细胞，可以应用于环境中污染物监测、毒性物质快速感应预警，具有成本低廉、敏感度高、响应速度快、可定量、原位监测、易检测、体积小的优良特点。但是，因细胞天然调节蛋白具有专一性，无法检测毒害性较强的污染物。

2.3.1 非特异性全细胞生物传感器

非特异性全细胞生物传感器主要用于环境中有毒物质总量的检测，易受外界因素影响出现假阳性结果。免疫传感器是典型的非特异性全细胞生物传感器。在环境毒性物质监测中，CFI（Continuous flow immunosensor，连续流动的免疫传感器）较为常用。比如，FAST 2 000就可以在30 min内完成环境中RDX（三次甲基三硝基胺）、TNT（三硝基甲苯）等毒性污染物的检测。在检测过程中，FAST 2 000主要是以抗体为基础，在支持物上固定可特异性识别污染物的抗体，在荧光标识信号分子、抗体达到饱和后，以抗体－荧光信号分子复合体的形式识别污染物。再如，FIA（flow injection analysis system，流动注射分析系统）可以固定蛋白质基质的亲和色谱柱为核心，在注入酶底物、酶示踪剂与样品、牛血清蛋白、环糊精后，可以进行环境中致癌物质——三嗪、敌草隆的检测[5]。

免疫传感器的分子识别元件为抗原－抗体，具有可靠性高、特异性强、灵敏性佳的优良特点。在分子传导技术支持下，免疫传感器的灵敏度进一步提高，为环境中污染物监测提供了依据。但是在特异性、数量性方面，免疫传感器的局限性较为明显。特别是基于抗体的免疫传感器需要在获知待分析化合物成分的前提下选择适宜的抗体，且抗体仅可满足一种化合物或几种化合物识别要求，加之抗原－抗体是通过静电作用、憎水作用结合的，无法完成多种化合物检测，在离子强度、腐殖质含量、酸碱值等环境条件变更时，免疫传感器检测灵敏度会显著下降。

2.3.2 特异性全细胞生物传感器

特异性全细胞生物传感器包括特定化合物生物传感器、金属离子生物传感器、压力应答生物传感器几种[6]。特定化合物生物传感器主要依赖细胞分解代谢中调节蛋白、代谢化合物相互作用实现对特定抗生素、有机物的检测，如利用荧光假单胞杆菌萘传感器进行代谢毒性化合物甲苯检测等；金属离子生物传感器包括识别元件（对多种重金属离子敏感）、报告单元两个部分，可以响应特定重金属离子，比如，汞、砷等；压力应答生物传感器的代表是重组修复蛋白A（RecA）-LexA－调节的SOS压力应答生物传感器，可以筛选对DNA具有危害的环境毒性因子。

3 生物传感器在环境监测中的应用内容

3.1 监测土壤环境污染

3.1.1 农药残留

农药残留是土壤环境有毒有害污染物的代表，可以通过将丁酰胆碱酯酶（或酪氨酸酶、葡萄糖氧化酶、变旋酶、碱性磷酸酶等固定化酶）与铂电极连接成换能器，根据莠去净、敌敌畏、3，4－二氯草酚或其他有机磷类农药对酶的抑制作用，在无抑制剂存在的情况下检测土壤环境中的农药残留量。或者根据乙酰胆碱酯酶催化乙酰胆碱水解，以及有机磷可以与酶稳定结合的性质，将固定化乙酰胆碱酯酶制成的生物传感器放入含有机磷类杀虫剂的试样中，根据其对酶活性的抑制程度，进行土壤环境中杀虫剂含量推测。

3.1.2 重金属残留

重金属残留是土壤环境监测的主要目标之一，可以利用含－SH催化基团的酶进行监测。这主要是由于重金属离子会优先与硫醇基结合，降低酶的催化活性，根据酶的催化活性变化可以推测土壤环境中重金属含量。比如，借助戊二醛在膜表面固定含－SH催化基团的酶（丙酮酸氧化酶等），将膜与溶解氧传感器相连接，可以测定环境中的银离子、汞离子含量[7]。

3.2 监测大气环境污染

3.2.1 二氧化硫

二氧化硫是酸雨、酸雾形成的主要原因之一，以往大气环境中二氧化硫监测流程比较繁琐，利用生物传感器监测大气环境中二氧化硫的过程较为简单。比如，在醋酸纤维膜（多孔渗透膜）上固定含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体等亚细胞脂类并连接氧电极，可以在10 min内获得大气环境中二氧化硫浓度。

3.2.2 甲烷

甲烷是一种具有爆炸性的气体，对大气环境危害极大，常规检测方法无法确定大气中甲烷的准确浓度。而利用琼脂在醋酸纤维膜上固定单基甲胞鞭毛虫、氧电极制备的微生物反应器，可以根据微生物吸收含甲烷样品气体时消耗氧的情况，结合氧扩散与电流之间的关系，推测样本中甲烷浓度。一般生物传感器可以在2 min之内获得大气环境样本中的甲烷浓度，实现大气中甲烷的连续、快速监测。

3.2.3 氮氧化合物

氮氧化合物是光化学烟雾形成的主要原因之一，常规检测氮氧化物的方法较复杂，且无法确定大气中氮氧化物浓度。此时，可以利用固定于醋酸纤维膜上的亚硫酸盐氧化酶、氧电极制备的生物传感器，根据电流与氮氧化合物之间的线性关系，测定环境中氮氧化合物浓度。

3.3 监测水环境污染

3.3.1 生化需氧量

生化需氧量是水环境监测的关键指标之一，常规水环境生化需氧量监测操作复杂、耗时长（5天）、干扰性大，无法满足现场水环境监测要求。此时可以在水环境生化需氧量监测中应用生物传感器。比如，通过在琼脂糖凝胶、藻酸盐内截留蛋白水解酶、β－半乳糖苷酶、淀粉酶，或者通过硝酸纤维膜、乙酸纤维素膜固定红琉球菌、毛孢子菌、丁酸梭菌等物质与常规氧电极，可以检测水环境中的生化需氧量，其稳定性较好，反应时间较短。

3.3.2 溶解氧

在水环境中，烷基苯磺酸类阴离子表面活性剂含量较高，因其自然降解性不佳，极易在水面形成泡沫消耗水体溶解氧，危害水体环境。基于此，可选择具备烷基苯磺酸降解作用的细菌、氧电极组成生物传感器，根据阴离子表面活性剂与细菌呼吸作用之间的关系，进行水中溶解氧的监测。

3.3.3 酚类物质

酚类物质多源于炼油废水、造纸废水、煤气洗涤废水、合成氨废水、木材防腐废水，传统的4－氨基安替比林光度法易受油类、芳香胺类、硫化物的干扰，而利用生物传感器可以摒除上述元素的干扰。比如利用苯酚氧化酶、黄素蛋白酚酶2－单氧合酶为识别元件的酶电极安培传感器，可以对水环境中苯酚物质进行监测，准确度较高[8]。

3.3.4 微生物

微生物污染是水环境污染的类型之一，可以利用价格低廉、制备便捷的多克隆抗体免疫传感器进行检测。比如检测水环境中沙门氏菌等，多克隆抗体免疫传感器应用了杂交瘤技术、抗体噬菌体重组显示技术，灵敏性较高。

4 生物传感器在环境监测中的应用前景

4.1 高精确度

当前，生物传感器在环境监测中应用的最大阻力仍然是精确度问题[9]。未来用于环境监测的生物传感器应选择特异性更强、敏感性更高的受体，并从极端环境内持续筛选、分离酸碱度依赖性小、温度稳定性高的新型微生物变异株、遗传工程株，提高生物传感器的监测精确度，为生物传感器在环境监测中应用范围的扩展提供依据。

4.2 高稳定性

在多年发展进程中，生物传感器因生物活性单元不稳定性、易变性而无法稳定应用于环境监测领域。因此，在未来材料学、微电子学、生物信息学交叉发展进程中应进一步提升生物传感器的稳定性，而新一代高稳定性的生物传感器必将在环境监测领域得到更广泛的应用。

4.3 高可信度

高可信度是生物传感器成功应用于环境监测的关键。未来用于环境监测的生物传感器可信度应更高，以满足环境监测分析、独立评估要求。同时根据商业性环境监测用试剂盒要求，确保新的生物传感器本身不产生有机溶剂废品，包装材料、保护层、吸头、试管、微量板均可分解，免除人们关于生物传感器二次污染环境的顾虑。

5 结论

综上所述，在环境污染问题日益严重的二十一世纪，生物传感器作为一种可以快速、连续、在线监测环境的工具，被越来越多的人熟知。根据环境监测需求的差异，所使用的生物传感器类型也具有一定差异。未来可以根据环境监测内容选择更加稳定、精确、可信的生物传感器。