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(shù)在環(huán)境分析與檢測(cè)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展專 業(yè)： 分 析 化 學(xué) 姓 名： 雷 杰 學(xué) 號(hào)： 12015130529 指導(dǎo)教師： 晉 曉 勇 時(shí) 間： 2015年10月23日 生物傳感器技術(shù)在環(huán)境分析與檢測(cè)方面的應(yīng)用研究進(jìn)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(xué)信號(hào)、熱信號(hào)、光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者直接產(chǎn)生電信號(hào)予以放大輸出,從而得到檢測(cè)結(jié)果。文章綜述了生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè),包括水環(huán)境、大氣環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用和最新進(jìn)展,并展望了環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器的發(fā)展前景及發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：生物傳感器技術(shù)；環(huán)境分析檢測(cè)；0前言生物傳感器這門課屬于分析

2、化學(xué)和生物化學(xué)的一門交叉學(xué)科，它涉及到生物化學(xué)、電化學(xué)等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)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?；谏飩鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)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(diǎn)和趨勢(shì),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(cè)等方面，它的發(fā)展對(duì)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(shè)備簡(jiǎn)單、可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、便攜式、測(cè)量快速準(zhǔn)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(cè)方面的應(yīng)

3、用研究，從而對(duì)以后生物傳感器技術(shù)的研究有所幫助與借鑒。1.生物傳感器技術(shù)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(shí)別和信號(hào)分析兩部分組成。生物識(shí)別部分是由具有分子識(shí)別能力的生物敏感識(shí)別元件構(gòu)成，包括細(xì)胞、生物素、酶、抗體及核酸。信號(hào)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(xué)、光學(xué)、質(zhì)量、熱量、磁性等，物理化學(xué)性質(zhì)將被分析物與生物識(shí)別元件之間反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成易檢測(cè)、量化的另一種信號(hào)，比如電信號(hào)、焚光信號(hào)等，再經(jīng)過信號(hào)讀取設(shè)備的轉(zhuǎn)換過程，最終得到可以對(duì)分析物進(jìn)行定性或定量檢測(cè)的數(shù)據(jù)2。生物傳感器識(shí)別和檢測(cè)待測(cè)物的工作原理：首先，待測(cè)物分子與識(shí)別元素接觸；然后，識(shí)別元素把

4、待測(cè)物分子從樣品中分離出來；接著，轉(zhuǎn)換器將識(shí)別反應(yīng)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可分析的化學(xué)或物理信號(hào)；最后，使用現(xiàn)代分析儀器對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的信號(hào)。生物傳感器的各個(gè)部分包括分析裝置、儀器和系統(tǒng)也由此構(gòu)成。生物傳感器中的識(shí)別元素決定了傳感器的特異性，是生物定性識(shí)別的決定因素；識(shí)別元素與待測(cè)分子的親合力，以及換能器和檢測(cè)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(yīng)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(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅鳌NA傳感器等；按照傳感器器件檢測(cè)的原理分為:熱敏生

5、物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)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(guó)內(nèi)外在環(huán)境監(jiān)測(cè)中常用的傳感器主要有酶?jìng)鞲衅?、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(shù)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)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(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量突然增加，造成海水“富營(yíng)養(yǎng)

6、化”，浮游藻類就會(huì)在短時(shí)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(huì)對(duì)人類的健康造成嚴(yán)重的威脅。因此對(duì)環(huán)境毒物的快速、便攜、高靈敏度檢測(cè)是我們所要關(guān)注環(huán)境監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境毒物的分析檢測(cè)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(jì)法，但這些方法操作復(fù)雜，設(shè)備龐大，不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)4。而生物傳感器結(jié)合了生物分子的特異性、選擇性以及電化學(xué)分析的高靈敏度、儀器便攜和成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，本文主要綜述生物傳感器技術(shù)在不同環(huán)境檢測(cè)研究對(duì)象中所應(yīng)用的技術(shù)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(guān)參考資料。2.1生物傳感器技術(shù)針對(duì)大氣污染方面的研究進(jìn)展 根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，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(shù)來測(cè)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(dǎo)體技術(shù)，使用更加方便5。魯中明等研究開發(fā)了一種CO2光纖化學(xué)傳感器，具有體積小能耗低的特點(diǎn)，適宜現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，在 0 194 ppm 的CO2濃度范圍內(nèi)，其最佳精度為 + 1. 21 ppm，響應(yīng)時(shí)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(yīng)最強(qiáng)，是光化學(xué)煙霧的主要造成

8、因素。Charlesp 等用固定化硝化細(xì)菌、多孔滲透膜、氧電極組成微生物傳感器，能夠間接測(cè)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(cè)方法較為復(fù)雜。Carballor 等制備的傳感器，使用了制作方法簡(jiǎn)單、制備成本低的聚卟啉合鎳配合物修飾玻碳電極，與流動(dòng)注射分析技術(shù)結(jié)合使用,對(duì) SO2含量的檢測(cè)快速而有效，可使檢出限達(dá) 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(duì)健康的危害更為隱性。祝艷濤等綜合分析了國(guó)內(nèi)外甲醛氣體傳感器的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)，綜述了測(cè)定甲醛的金屬氧化

9、物傳感器、聲表面波傳感器、電化學(xué)傳感器、基于化學(xué)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(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)9。2.2生物傳感器技術(shù)針對(duì)工業(yè)廢水監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展生化需氧量( BOD)是監(jiān)測(cè)水體中有機(jī)物污染程度的最常用測(cè)定指標(biāo)。傳統(tǒng)的測(cè)定方法要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，5d 的培養(yǎng)期，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、重復(fù)性差。而 BOD 生物傳感器可在 1015min 檢測(cè)出 BOD 值，可對(duì)水質(zhì)狀況在線監(jiān)測(cè)3。S Jouanneau 等綜述了測(cè)定 BOD 多種方法，認(rèn)為生物傳感器測(cè)定是耗時(shí)最少的方式，但市場(chǎng)化使用少10。生物傳感器國(guó)外已有商品化的生物傳感器快速 BOD 測(cè)定儀，產(chǎn)品較為昂貴，并且性能不夠穩(wěn)定，

10、需要進(jìn)一步提高儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。Ju等使用生物傳感器分析檢測(cè)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(yīng)導(dǎo)致抗體結(jié)合到電極表面引起電化學(xué)信號(hào)發(fā)生改變，以此實(shí)現(xiàn)微囊藻毒素的檢測(cè)。生物傳感器還用來測(cè)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(jì)相連，并將鎘氨酸酶和漆酶固定在碳纖維傳導(dǎo)器上，通過對(duì)電流計(jì)輸出讀數(shù)的分析，而對(duì)酶產(chǎn)物進(jìn)行分析。這種生物傳感器可用于測(cè)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(duì)工業(yè)廢水、生活污水等基體復(fù)雜樣品中的硫化物進(jìn)行測(cè)定。Heitz

11、er等人研制成了一種光學(xué)全細(xì)胞生物傳感器，以對(duì)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(jìn)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(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度和時(shí)間。此外，生物傳感器還可以用于水處理設(shè)備的一部分，提高監(jiān)測(cè)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(cè)生活污水的衛(wèi)生狀況。主要是基于細(xì)菌對(duì)葡萄糖的新陳代謝作用，在37 的溫度下，利用腸細(xì)菌的生長(zhǎng)狀況來監(jiān)測(cè) 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(cè)。完整的預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于水污染的監(jiān)測(cè)具有重要意義

12、。這樣的系統(tǒng)可以對(duì)水中的污染物進(jìn)行檢測(cè)、分析、信號(hào)傳輸、報(bào)警，生物傳感器結(jié)合報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、快速的預(yù)警。Shi H 等人研制的全自動(dòng)在線光生物傳感器系統(tǒng) ( AOBS) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)微囊藻毒素 L ( MC L) 的持續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具有高度敏感和特異性，并應(yīng)用于太湖 MC L含量的長(zhǎng)期、持續(xù)測(cè)定和預(yù)警12。生物傳感細(xì)胞 ADp1-pwhlux在水環(huán)境急性毒性檢測(cè)中的應(yīng)用針對(duì)天然發(fā)光菌和以模式微生物為宿主構(gòu)建的生物傳感細(xì)胞在急性毒性檢測(cè)應(yīng)用中對(duì)測(cè)試條件要求苛刻等適用性問題ADp1-pwhlux株基因工程構(gòu)建的生物傳感細(xì)胞不動(dòng)桿菌ADp1-pwhlux應(yīng)用于急性毒性檢測(cè),結(jié)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(yīng)關(guān)系13。2.3生物傳感器技術(shù)針對(duì)重金屬污染方面的研究進(jìn)展重金屬離子作為一個(gè)總體 ，從原則上講，可以被任何具有-SH 催化基團(tuán)的酶加以檢測(cè)。重金屬離子和硫醇基的結(jié)合會(huì)使酶的催化活性降低。Gayet 等篩選出了許多適合對(duì)金屬離子進(jìn)行檢測(cè)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(cè)定重金屬離子的濃度。 研究發(fā)現(xiàn)用這種探頭可以測(cè)定 Hg+和 Ag+。 以用丙酮酸氧化酶制成的生物傳感器為例，當(dāng)溶液中 HgCl2的濃度為 1.0m 或者 Ag2NO3的濃度為 0.1m 時(shí)，響應(yīng)基線會(huì)降低 50

14、%（酶活性降低 50%）。 當(dāng)這種酶生物傳感器的酶失活時(shí)，可以用 10mm的 EDTA 進(jìn)行清洗再生，從而實(shí)現(xiàn)這種傳感器的重復(fù)使用14。并且重金屬污染能通過生物富集作用對(duì)動(dòng)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(cè)試中研究最多，最受關(guān)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(duì)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(duì)硝基酚（4-NP）、四環(huán)素、十二烷基苯磺酸鈉（LAS）等有機(jī)物的生物急性毒性

15、進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(guān)文獻(xiàn)報(bào)到重金屬離子與DNA之間都會(huì)發(fā)生相互作用，從而對(duì)DNA造成損傷，影響DNA的正常復(fù)制和表達(dá)?；谥亟饘匐x子與DNA相互作用，研究者開發(fā)了很多用于重金屬檢測(cè)的電化學(xué)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(cè)Cd2+的含量17 Oliveira利用鉛離子導(dǎo)致DNA交聯(lián)的特性設(shè)計(jì)了電化學(xué)DNA傳感器實(shí)現(xiàn)了環(huán)境中鉛離子含量的檢測(cè)1819。鉛離子介導(dǎo)的DNA交聯(lián)影響了電化學(xué)信號(hào)的傳導(dǎo)，使信號(hào)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(cè)展望未來一段時(shí)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(zhuǎn)變，一個(gè)傳感器集合多種污染物的檢測(cè)功能; 利用基因工程技術(shù)構(gòu)建高效的目標(biāo)菌株，以提高效率和穩(wěn)定性; 解決生物響應(yīng)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(hào)檢測(cè)器的使用壽命，選擇活性強(qiáng)、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(hào)終端的集成化，建立高效的生物傳感系統(tǒng)，提高預(yù)警效率。此外，應(yīng)用生物傳感器得到的檢測(cè)結(jié)果必須得到權(quán)威的認(rèn)可，才可能大規(guī)模的應(yīng)用實(shí)際中20。通過這些努力，最終逐步市場(chǎng)化和商品化。隨著環(huán)境保護(hù)和其他相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器技術(shù)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(shì)的生物傳感器將在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，將發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn)1于兆林.生物傳感器M.1版.上海.上海遠(yuǎn)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(cè)中的應(yīng)用J.污染防治技術(shù),2014,02:66-68+72.4曹淑超.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用J.能源環(huán)

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