面向水环境监测的生物传感器研究

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1、面向水环境监测的生物传感器研究 夏善红 边超 孙楫舟 谢勇 韩明杰 熊晨雨 中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室 中国科学院大学 摘 要： 生物传感器利用生物分子之间的特异性识别作用, 实现对生物、化学靶标的检测, 在许多领域具有重要的应用价值。文章面向水环境监测需求, 调研总结了生物传感器的研究与发展, 主要阐述了酶、免疫、DNA、组织、微生物等生物传感器及其在水环境监测领域的应用研究。关键词： 生物传感器; 水污染监测; 酶; 免疫; 脱氧核糖核酸; 组织; 微生物; 作者简介：夏善红 中科院电子所研究员, 博士生导师。1994 年于英国剑桥大学工程系获得电子工程博士学位。19

2、95 年至今, 在中科院电子所工作, 曾任副所长、传感技术联合国家重点实验室主任等职。多年从事传感器与微系统技术研究。作为负责人, 先后主持 20 余项国家级科研项目/课题;作为首席科学家, 先后主持国家重点基础研究发展计划 (“973”) 项目 2 项。发表论文 300 余篇, 作为第一发明人获授权发明专利 30 余项。近年来主要研究方向包括:电场传感器、水环境监测传感器、微传感集成芯片系统、无线网络传感器、微纳制造技术等。在电场传感器、生物化学微传感器系统等研究方向取得创新研究成果。E-mail:基金：“973”计划项目 (2015CB352100) Biosensors for Wate

3、r Pollution MonitoringXia Shanhong Bian Chao Sun Jizhou Xie Yong Han Mingjie Xiong Chenyu State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences; Abstract： Biosensors have many applications. Biological and chemical samples can be detected by utilizing th

4、e specific recognition between biomolecules. This paper investigates and reviews the research and development of biosensors for water environment monitoring. Biosensors with different sensing mechanisms and materials, such as enzyme, immune, DNA, tissue, microorganism biosensors, as well as their ap

5、plications for detecting various water pollution parameters are described.Keyword： biosensor; water pollution monitoring; enzyme; immuno; DNA; tissue; microorganism; 随着工农业和社会的发展, 工农业废水以及生活污水大量排放, 水污染事件频发, 严重破坏了人类赖以生存的水资源环境, 水污染防治工作迫在眉睫。开展水污染监测、及时有效地掌握水质污染的各项指标是水污染防治的重要环节。传统的水污染监测分析方法操作步骤繁琐、测试周期长, 分析

6、仪器体积大、价格高, 难以满足广域水环境现场实时检测以及分布式组网在线监测的需求。亟待开发小型化、低成本、操作简单、响应快速的水环境监测技术和监测仪器。同时, 一些痕量、高毒性、难降解的污染物, 如重金属离子和持久性有机污染物等, 需要检测方法和检测技术具有超高的灵敏度。生物传感器利用生物分子之间的特异性识别与反应, 通过将生物分子识别元件固定在传感器敏感表面, 实现对待测物的特异性识别。生物分子识别元件通常是生物体成分 (如酶、抗原、抗体、DNA 等) 或生物体本身 (如细胞、组织等) 。生物传感器的换能器进一步将变化的化学或物理信号转换为可测量的电信号, 实现对待测物浓度的检测。换能器可以

7、是电化学的、光学的、热学的、压电的或磁学的1。生物传感器具有选择性好、灵敏度高的优点。与传统的生物、化学物质检测分析仪器相比, 生物传感器具有体积小、设备简单、操作简便、响应快、功耗低、成本低等优势, 有利于实现生物、化学物质的现场及快速检测, 在医疗健康、食品安全、环境监测等诸多领域具有广阔的应用前景。按照识别元件分类, 生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA 传感器、组织传感器、微生物传感器等。本文面向水环境监测需求, 对若干不同类型的生物传感器在水环境监测领域的应用研究进行综述。1 生物传感器及其水环境监测应用生物传感器多种多样1。本节面向水环境监测应用需求, 主要调研归纳了酶、

8、免疫、DNA、组织、微生物等生物传感器的研究与发展。1.1 酶传感器在水环境监测中的应用酶是具有生物活性且能起特异性催化作用的一类蛋白质, 具有反应速度快、催化效率高、反应条件温和以及高选择性和高特异性等特点, 被广泛用于制备酶生物传感器。酶传感器能对生化物质实现原位、准确、灵敏、快速的检测。在水环境污染监测领域, 酶传感器常用于有机磷农药、酚类物质、硝酸盐和重金属离子等的检测。针对有机磷农药检测的酶传感器, 通常利用有机磷农药对乙酰胆碱酯酶活性的抑制作用, 通过检测电流实现对有机磷农药的检测。近年来涌现出了许多用于乙酰胆碱酯酶固定的新型材料, 如金纳米颗粒2、银纳米线3等纳米材料, 以及微凝

9、胶4等聚合物材料。同时也出现了许多新的方法, 如基于锥形光纤酶传感器的有机磷检测方法5。Wei 和 Feng6研究了一种基于乙酰胆碱酯酶/氮掺杂多孔碳/硼掺杂金刚石电极的电化学生物传感器, 氮掺杂多孔碳的孔状结构和良好的生物相容性为乙酰胆碱酯酶的固定提供了大量的反应位点, 有效维持了乙酰胆碱酯酶的活性;同时氮的引入提高了电极表面的电导率、加速了电子传递速率。测试结果表明, 敌敌畏和杀螟松的检测范围均为 0.110 000 ng/L, 检测限分别低至 1.50 pg/L 和 4.40 pg/L。为了降低酶固定化的难度, 充分利用酶的特异性作用, Caballero-Daz 等7利用氮掺杂石墨烯量

10、子点和乙酰胆碱酯酶作为生物识别元件, 开发了荧光纳米传感器, 用于河水中杀虫剂苯氧威的测定。该传感器利用酶的产物对氮掺杂石墨烯量子点荧光的淬灭作用实现检测, 传感器无需固定化酶。测试结果表明, 研制传感器对苯氧威的检测线性范围为 670mol/L, 检出限为 3.15mol/L, 并具有较好的重现性。酚类物质是水环境中常见的高毒污染物, 对酚类物质进行检测具有重要的意义。Sethuraman 等8基于聚 (3, 4-乙烯二氧噻吩) -还原氧化石墨烯-三氧化二铁-多酚氧化酶 (PEDOT-r GO-Fe 2O3-PPO) 复合改性玻碳电极, 对邻苯二酚进行了特异性检测。所制备的复合电极酶的负载能

11、力高、电子转移速率快, 对邻苯二酚的检测线性范围为 4106.2010 mol/L, 检测下限为 710 mol/L。当储存在约 4的缓冲液中时, 该生物传感器的稳定性可长达 75 天。水中过量的硝酸盐会对人体产生危害, 硝酸盐的检测在水质监测中也占有重要的地位9。Minami 等10首次报道了一种基于延长栅型的有机场效应晶体管 (OFET) 酶生物传感器 (图 1) , 对硝酸盐检测的下限低至 45g/L, 灵敏度可以与一些传统的检测方法相媲美。由于 OFET 具有可印刷性、机械灵活性、拉伸性和可抛弃等特点, 该研究为水中低成本、现场检测的硝酸盐传感器的研制开辟了一条新途径。Ali 等11基

12、于氧化石墨烯 (GO) 纳米片和 PEDOT 纳米纤维 (PEDOT-NF) 设计了一种微流体阻抗型硝酸盐传感器, 其中 PEDOT-NFsGO 复合物用于固定硝酸还原, 研究表明 GO 和 PEDOT-NF 之间存在协同作用。该传感器在0.44442 mg/L 的硝酸盐离子浓度范围内, 灵敏度为 61.15Lmgcm, 检测限为 0.135 mg/L, 并具有良好的特异性、可靠性和重现性。图 1 基于延长栅型有机场效应晶体管的硝酸盐生物传感器10 下载原图伴随着工业化进程, 含有重金属离子 (Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg 等) 的污水大量排放, 严重危害着水环境及水生生物。利用重金属离

13、子对酶的抑制作用, 采用如辣根过氧化酶12、乳酸脱氢酶13、脲酶14、葡萄糖氧化酶15等可以研制用于重金属检测的酶传感器。水环境中痕量汞离子的原位、准确、快速和灵敏检测是人们尤为关注的问题。Elsebai 等16以戊二醛和牛血清白蛋白为交联剂, 将过氧化氢酶固定在玻碳电极表面, 研制用于汞离子检测的酶传感器 (图 2) , 实现了对痕量汞离子的检测, 检测限为 1.810 mol/L, 检测线性范围 510510mol/L。将该传感器应用于不同类型水样中汞离子的测定, 结果表明该传感器对汞离子有很好的选择性。图 2 用于汞离子检测的酶传感器16 下载原图1.2 免疫传感器在水环境监测中的应用免

14、疫传感器是基于抗原抗体之间的特异性亲和反应而实现检测的一类生物传感器。基于抗体的免疫分析技术, 因具有操作简便、携带方便、成本低廉、反应迅速等特点而用于环境监测传感器的研制, 目前多应用于农药以及重金属离子等污染物的检测17-19。Guo 等20基于抗三唑磷的单克隆抗体设计了 SPR 生物传感器, 该传感器对于杀虫剂三唑磷具有较好的特异性和较低的检测下限 (0.096 ng/m L) , 线性检测范围为 0.988.29 ng/m L, 该传感器芯片可重复使用 160 次。Belkhamssa等21将莠去津抗体修饰在多壁碳纳米管场效应管上, 基于免疫反应实现对有机农药莠去津的检测, 其检测下限

15、为 0.001 ng/m L, 线性检测范围为 0.00110ng/m L。Monerris 等22通过在玻碳电极表面固定抗雌激素酮的单克隆抗体, 制备电化学免疫传感器用于测定水样中的痕量雌激素酮。在重金属离子检测中, 抗体通常与 EDTA 螯合的金属离子结合来实现特异性识别19。Shu 等23利用小鼠抗 Cu-EDTA 单克隆抗体来捕获 Cu-EDTA 螯合物, 然后利用紫外线辐射降解免疫复合物以释放游离的 Cu, 基于 Cu 对 Cd Se/Zn S 量子点的荧光猝灭效应, 实现对于 Cu 的高特异性和高灵敏度检测。该免疫传感器的检测下限为 0.33 ng/m L。由于采用抗体捕获 Cu,

16、 避免了其他重金属离子对量子点荧光淬灭效应的干扰, 提高了传感器的选择性。Lpez 等24基于抗 Cd-EDTA 单克隆抗体对 Cd 免疫传感器进行了设计, 该传感器具有较宽的检测范围0.42 000g/L, 检测下限为 0.1g/L。Xing 等25基于免疫层析技术研制了能够实现水中重金属、藻毒素、抗生素、激素和杀虫剂等 5 种污染物同时检测的纸基免疫传感器。以铅 (II) 、微囊藻毒素-亮氨酸-精氨酸 (MC-LR) 、氯霉素 (CAP) 、睾酮 (T) 和百菌清 (CTN) 作为代表物, 5 种不同的抗原被分别固定在硝化纤维素膜上, 样本中的待测物和固定的抗原竞争结合单克隆金标抗体, 5 种物质的检测下限分别为 4 ng/m L、1 ng/m L、0.1 ng/m L、5 ng/m L 和 5 ng/m L, 检测时间 20 分钟。