馬超 朱國(guó)飛 劉麗萍

[摘 要]本文圍繞生物傳感器技術(shù)在環(huán)境污染物檢測(cè)和分析中的應(yīng)用入手，介紹了生物傳感器，特別是電化學(xué)DNA傳感器的原理、特點(diǎn)及其在重金屬離子、有機(jī)污染、病原性微生物和生物污染物檢測(cè)方面的應(yīng)用，闡述了生物傳感器技術(shù)作為一種新型的環(huán)境污染物分析和檢測(cè)手段，在環(huán)境工程方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為解決現(xiàn)代環(huán)境分析中，污染物的檢測(cè)方法提供了參考。

[關(guān)鍵詞]生物傳感器；環(huán)境分析；環(huán)境污染物；檢測(cè)技術(shù)

[中圖分類號(hào)]X835.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)的興起，環(huán)境污染物種類和數(shù)量越來(lái)越多，環(huán)境問(wèn)題日趨越重，環(huán)保問(wèn)題面臨空前挑戰(zhàn)。對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行檢測(cè)、分析、研究、控制的技術(shù)越來(lái)越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和重視。環(huán)境污染物檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)方法不斷創(chuàng)新，正朝著經(jīng)濟(jì)、高效、方便、快速的方向發(fā)展。常見(jiàn)的環(huán)境污染物種類有，重金屬污染物、煙氣及大氣污染物、顆粒物、有機(jī)物污染物、生物污染等多個(gè)種類，對(duì)污染物進(jìn)行有效檢測(cè)和定性、定量分析是對(duì)其進(jìn)行科學(xué)研究和有效治理的基礎(chǔ)。因此，污染物的檢測(cè)和分析技術(shù)顯得尤為重要。對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行檢測(cè)的方法通常需要結(jié)合各種污染物的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，借助現(xiàn)代科學(xué)儀器，利用其物理化學(xué)性質(zhì)、生物活性、光學(xué)成像等技術(shù)原理和手段來(lái)完成。

現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)常用的儀器設(shè)備有多種，但是每種儀器設(shè)備對(duì)污染物的檢測(cè)有不同的側(cè)重點(diǎn)，有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，總體來(lái)說(shuō)，對(duì)樣品、使用環(huán)境、操作技能等都有很高要求，很多設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)智能、高效、方便、快捷地對(duì)污染物進(jìn)行分析和檢測(cè)。

近年來(lái)，隨著生物傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，為現(xiàn)代環(huán)境分析和檢測(cè)開(kāi)辟了新的技術(shù)手段。生物傳感器（Biosensor）是指用生物功能物質(zhì)作識(shí)別元件制成的傳感器，通過(guò)生物功能體與被檢對(duì)象的特異性接觸和反應(yīng)，產(chǎn)生聲、光、電等生物學(xué)信號(hào)，并通過(guò)換能器將信號(hào)轉(zhuǎn)化和放大達(dá)到檢測(cè)的目的，通常有酶生物傳感器、免疫生物傳感器、核酸生物傳感器、微生物生物傳感器等。生物傳感器通常具有特異性強(qiáng)、專一性強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)快速、操作方便等諸多特點(diǎn)，目前已廣泛運(yùn)用于生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、食品安全、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

1 生物傳感器在重金屬污染物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

重金屬離子是在水、土壤、農(nóng)產(chǎn)品、副食品中廣泛存在的環(huán)境污染物，由于重金屬污染通常具有富集性、長(zhǎng)久性、難以去除性等特點(diǎn)，大多數(shù)重金屬離子通常是有毒、有害，容易引起有機(jī)體中毒，甚至?xí)兄掳?、致突變、致畸變等情況產(chǎn)生，容易危害公眾身體健康和生命安全。因此重金屬污染的嚴(yán)重性和控制的嚴(yán)格性需要重點(diǎn)關(guān)注。

生物傳感器在重金屬離子污染物檢測(cè)中往往具有及時(shí)、準(zhǔn)確、高靈敏、高選擇性等特點(diǎn)，因此利用修飾的生物傳感器技術(shù)對(duì)農(nóng)田、土壤、水和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬離子進(jìn)行分析和檢測(cè)的技術(shù)成為很多學(xué)者和環(huán)境工作者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。在已有的研究成果中，浙江大學(xué)周潔等設(shè)計(jì)出一種基于電化學(xué)配位和碳納米管修飾的高通量細(xì)胞阻抗傳感器和DNA生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hg2+、Cd2+、Pb2+等重金屬離子無(wú)標(biāo)記實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)還就Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等重金屬離子對(duì)肝細(xì)胞毒理作用進(jìn)行研究，揭示了Zn2+對(duì)Cd2+吸收抑制作用的細(xì)胞毒性機(jī)理。高中鋒綜述了電化學(xué)DNA生物傳感器的原理、設(shè)計(jì)方案、制備方法等要點(diǎn)，并成功制備了PEP-FODs熒光生物標(biāo)記DNA傳感器，利用熒光猝滅原理檢測(cè)出Fe2+、Fe3+、Cu2+等重金屬離子，具有較好的細(xì)胞成像效果。王志強(qiáng)利用納米技術(shù)和電化學(xué)傳感器相結(jié)合，成功研制電化學(xué)生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田土壤以及灌溉用水中鉛、鎘、汞等重金屬離子快速檢測(cè)，具有便捷、高效、低成本等特點(diǎn)，適合于鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站使用。崔琳等研究人員，基于電化學(xué)檢測(cè)方法，利用多種納米材料與DNA探針設(shè)計(jì)出不同的生物傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了Cd2+、Pb2+、Bi3+ 、Hg2+、As3+、Cu2+等六種重金屬離子的檢測(cè)，可進(jìn)行定量分析， 具有靈敏、快速、簡(jiǎn)單、選擇性好等特點(diǎn)。

2 生物傳感器在有機(jī)污染檢測(cè)分析領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)量，通常需要施用大量化肥，大規(guī)模使用農(nóng)藥、殺蟲劑等，對(duì)食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也造成大量的環(huán)境污染?；省⑥r(nóng)藥中殘留成分是有機(jī)污染物的重要來(lái)源。利用生物傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤、農(nóng)牧產(chǎn)品中有機(jī)污染的快速、便捷、低成本檢測(cè)，成為當(dāng)下各農(nóng)學(xué)和環(huán)境專業(yè)研究的熱點(diǎn)。王輝、段玉瑤等人利用Fe3O4納米顆粒、石墨烯納米材料、殼聚糖等復(fù)合修飾乙酰膽堿酯酶（ACh E），研制出一種生物傳感器，成功測(cè)定農(nóng)藥中毒死蜱，具有檢測(cè)結(jié)果線性相關(guān)好、檢測(cè)精度高、檢出限低等特點(diǎn)，適用于蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留物毒死蜱快速檢測(cè)。和建萍、潘學(xué)軍等基于全內(nèi)反射熒光技術(shù)原理，利用免疫分析方法，成功設(shè)計(jì)出一種高靈敏度的平面波導(dǎo)型熒光免疫傳感器（PWFI），對(duì)農(nóng)藥類中殘留的小分子污染物2，4-D進(jìn)行檢測(cè)。熊岳等通過(guò)層層吸附自組裝的方法，將PDDA和DNA固定到玻碳電極表面，設(shè)計(jì)了一種基于探針?lè)肿覽Ru（bpy）2（dppz）]2+，固態(tài)電化學(xué)發(fā)光DNA傳感器，用于雜環(huán)芳烴農(nóng)業(yè)的檢測(cè)研究，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氯喹啉酸、喹硫磷、多菌靈等農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)。

3 生物傳感器在病原微生物、生物污染的檢測(cè)和研究領(lǐng)域的應(yīng)用

病原微生物廣泛存在于如牛奶等乳制品中，和傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，生物傳感器用于病原微生物的檢測(cè)具有檢測(cè)靈敏度高、時(shí)間短、成本低、方便快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)。生污染物廣泛存在于我們的生活中，特別是醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和疾病預(yù)防控制場(chǎng)所，因此生物傳感器用于生物污染物的檢測(cè)和毒理研究也越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。章毅博士研究團(tuán)隊(duì)基于免疫分析和DNA雜交技術(shù)，利用生物熒光標(biāo)記等技術(shù)，成功設(shè)計(jì)了免疫傳感器、DNA傳感器、酶?jìng)鞲衅鞯壬飩鞲衅?，用于城市生活垃圾堆中污染物的檢測(cè)，成功檢測(cè)出了病原性微生物、重金屬離子（Hg2+）和毒莠、對(duì)苯二酚等有機(jī)污染物，為開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中污染物的高效在線檢測(cè)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。苗慶慶博士利用生物標(biāo)志物的檢測(cè)成像技術(shù)，設(shè)計(jì)了自組裝放射性納米粒子生物傳感器，用于腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)機(jī)理的研究，在20種氨基酸中成功區(qū)分檢測(cè)出生物硫醇，并在活細(xì)胞中成功地區(qū)分和檢出Cys和GSH。同時(shí)，他還成功設(shè)計(jì)了快速選擇性和可視化檢測(cè)Cd2+ 、Fe2+離子的納米熒光探針。張浩博士利用生物標(biāo)記、熒光成像技術(shù)、紫外可見(jiàn)吸收光譜、圓二色譜及ELISA法等多種光譜學(xué)手段、ITC技術(shù)及分子對(duì)接模擬方法，從鉛毒性與氧化應(yīng)激的相關(guān)性這一科學(xué)問(wèn)題入手，以分子和細(xì)胞毒理學(xué)、儀器分析化學(xué)為背景，聯(lián)合動(dòng)物、細(xì)胞和分子三個(gè)水平研究了鉛誘發(fā)機(jī)體氧化損傷和細(xì)胞凋亡的毒性效應(yīng)及作用機(jī)理。謝樂(lè)、許雨喬等人利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR直接檢測(cè)糞便標(biāo)本艱難梭菌tcdB基因，可用于艱難梭菌相關(guān)腹瀉的快速診斷。孫文超、解長(zhǎng)占等人，利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，建立犬圓環(huán)病毒（DogCV）檢測(cè)方法，檢測(cè)率為12.50%。麗牧等利用熒光定量PCR法，設(shè)計(jì)引物與探針，準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)出新城疫病毒，并且檢測(cè)具有特異性、靈敏度、穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)際工作中的檢測(cè)要求。程永婷、賈曉暉等人針對(duì)Cpn0308基因建立檢測(cè)肺炎衣原體的Taqman探針實(shí)時(shí)熒光定量PCR（FQ-PCR）方法，應(yīng)用于臨床肺炎衣原體核酸檢測(cè)。佘軒、姚云清等人探討實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)HIV陰性免疫力低下合并肺孢子肺炎（PCP）患者的診斷價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，生物傳感器技術(shù)作為一門新興的現(xiàn)代環(huán)境分析方法和手段，在環(huán)境污染物分析和檢測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為重要的技術(shù)手段和研究方法。由于環(huán)境污染物種類繁多，性質(zhì)各異，污染物的作用機(jī)理通常是一個(gè)非常復(fù)雜和系統(tǒng)的過(guò)程，因此在對(duì)重金屬離子、有機(jī)污染物、病原性微生物和生物污染物的檢測(cè)和分析中，還需要綜合運(yùn)用分析化學(xué)、現(xiàn)代儀器、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多學(xué)科背景，綜合應(yīng)用各種理化、生化分析的方法手段，才能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種污染物的分析和檢測(cè)。

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