生物传感器在环境监测中的应用.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date生物传感器在环境监测中的应用生物传感器在环境监测中的应用生物传感器在环境监测中的应用摘要：本文简要介绍了生物传感器的原理、分类和发展概况，着重讲述了其在环境监测方面的应用。综述了测定双酚A、Hg2+、Pb2+、农药残留，卤代烃污染物的水环境监测的生物传感器。关键词：生物传感器污染物环境监测1 生物传感器发展概况 生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。生物传感器的工作原理如下：待测物生物识别元件信息信号转换电信号或光信号信号放大信息处理信号输出近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。2 生物传感器在环境监测中的应用2.1 酶生物传感器 近年来，食品工业和环境和医疗卫生领域酚类化合物的监测有重大的意义。传统的这些化合物的检测和定量的方法有分光光度法和色谱法，但是耗时和昂贵。然而，漆酶的生物传感器是一种快速的方法，能在线监测这些化合物。我们讨论的主要传导原则。我们根据电化学原理分为电流型、伏安法、电位、电导传感器。我们将光学传感器分为荧光和吸收。安培传感器的方法是最广泛的研究和应用酶生物传感器。光学生物传感器比其他生物传感器具有更高的灵敏度。漆酶的生产由少数菌属为主：栓菌，曲霉，和灵芝。 图1 适宜底物酶氧化的简化反应机理。在一般情况下，根据不同的糖基化，真菌漆酶具有的分子量为6080 kDa和等电点为4-7。漆酶是由一个集群的四个铜原子（型铜，型铜和2个型铜原子），形成的酶的活性位点。根据紫外/可见光谱和电子顺磁共振（EPR）光谱获得的特征，这些铜原子被分为三组。I型铜（T1，连接至少一个半胱氨酸（Cys）和两个组氨酸(His)）负责该酶的强烈的蓝色，在600nm有强烈的电子吸收和EPR检测。II型铜（T2，连接两个组氨酸（His）显示在可见光谱中没有吸收（无色）但揭示了检测的EPR特性。III型铜由一对反铁磁耦合的铜原子组成（T3，每个连接三个组氨酸（His）光谱特征的弱吸附在330 nm（氧化型）和EPR信号的缺失。检测单，双，和聚酚类、氨基酸、甲氧基、芳胺和抗坏血酸，随之而来的四电子还原氧水。漆酶的催化机制开始于T1铜给电子给底物，随后从减少T1内部电子转移到T2和T3铜。T3铜功就像在好氧氧化过程中两电子受体，其中T2铜的存在是必要的。氧还原成水发生在T2和T3集群，通过过氧化物中间体。漆酶是不能氧化直接非酚类底物或具有高氧化还原电位的大分子。在这样的背景下，介体物质作为漆酶中间基板，产生高氧化还原电位中间能够间接氧化非酚类底物。 漆酶生物检测器对于检测和量化的酚类化合物使用漆酶的生物传感器显示出巨大的潜力。传统的检测方法，如分光光度法、气相色谱法、液相色谱法和毛细管电泳法，都是耗时和昂贵的。漆酶生物传感器的主要信号转导的方法是电化学（安培法，伏安法，电位、电导），光和热。最广泛的研究和应用的方法对是漆酶生物安培传感器，而温度和电导原理较少研究和应用。光学生物传感器提供了更高的灵敏度，可用于食品工业或生物医学领域，高质量是必需的。为了扩大其使用的工业过程，需要解决的问题，这可以通过集成廉价的支持和固定技术，以避免酶的泄漏，提高了活性回收过程中的固定化过程中，或通过将纳米材料。漆酶生物传感器是一种快速在线监测和原位酚类化合物的方法，具有较高的灵敏度和重现性，可用于食品、环境和医疗行业的标准化。 2.2 用于检测环境污染物的酵母生物传感器酵母生物传感器已成为合适的工具用来筛选和检测环境污染物，因为相比其他传感技术它具有各种优势。另一方面，在一些情况下许多限制仍然是关于它们的最佳性能和适用性，如低浓度样品和现场测试。酵母生物传感器，特别侧重于筛选和评估环境污染物的影响。（1） 化学或环境样本的制备（例如，提取或预浓缩的样品的样品）和酵母细胞的曝光（曝光时间变化取决于酵母）。（2）该化合物在酵母细胞中引发生物反应，如报告基因的诱导活性损害或代谢反应。（3） 与生物反应有关的信号（4） 测量、放大和用一个电子换能器转化成可量化的值进行分析，以评估化学物质的影响或环境样品。 酵母生物传感器是用于化合物的检测的合适的筛选工具，在某些情况下，他们用于环境监测的具有一定的局限性，如比哺乳动物细胞具有较低的灵敏度。然而，随着检测系统的改进，和新的特定的生物传感器的发展，最近已经实现。结果表明，酵母生物传感器现在可以替代的其他分析工具，并正在被标准化作为环境监测。然而，目前覆盖的酵母生物化合物的数量限制了生物降解有机物（BOD测定）、内分泌干扰物、金属、细胞毒素和抗生素。只能检测少部分的环境污染物。因为监测所有潜在的有毒化合物是不可能的。发展的合理的优先级方案是未来的筛选程序的一个主要挑战。进一步发展酵母生物传感器的新类别和提高灵敏度，检测低浓度的分子。2.3 氧化石墨烯氧化物生物传感器检测双酚A 双酚A（BPA）是聚碳酸酯（PC），环氧树脂和塑料行业的一种重要的工业化学品，作者基于氧化石墨烯和防BPA适配体设计了一种检测双酚A的新方法。氧化石墨烯可以特异性地吸附和淬灭荧光修饰的单链DNA探针。同时，BPA可以结合抗双酚A 适配体并防止核酸适体吸附在氧化石墨烯（GO）表面。不同浓度的双酚A下，基于目标诱导抗BPA适体和相互作用的荧光修饰抗BPA适体之间的构象变化,实验结果表明，荧光信号的强度改变。在范围0.110毫微克/毫升内，获得了检出限为0.05 ng / mL。在实际水样的回收率添加BPA可以96%到104.5%。该方法已成功地用于确定实际水样中BPA。利用石墨烯氧化物（GO）以及使用羧基荧光素标记的抗双酚A适配体（FAM-ssDNA）构建了用于检测双酚A的传感器。检测原理如图4所示，在无BPA存在的情况下，GO会与适配体产生吸附作用，从而会使FAM的荧光发生淬灭。在BPA存在的情况下，BPA会与适配体结合，从而改变了适配体的构型，并且阻止了适配体在GO表面的吸附，从而降低了荧光猝灭作用，荧光强度增强。不同浓度的BPA，荧光的强度不同，这也是定量检测BPA的依据。2.4 倏逝波光纤生物传感器 传统的检测Hg2+、Pb2+方法，如原子吸收光谱法（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），可在非常低的浓度下检测Hg2+、Pb2+，但是他们很难用于现场应用。因其可移植性差、成本高。所以探索一种新的简单、快速、廉价、实时的重金属检测技术是重要的。倏逝波光纤生物传感器基于功能核酸测定Hg2+、Pb2+环境水样中的现场检测。采用两步方案旨在利用TT与Hg2+错配和817脱氧核酶与Pb2+溶液中底物裂解的快速结合，以及基于倏逝波液固界面敏感的DNA检测。该传感器表现出高的灵敏度和选择性没有任何信号的放大、检测快速（13分钟内每测试），成本低（1020元人民币每样），和多循环再生（至少18次）。该方法也被成功地应用于汞和实际环境水样中铅的检测 铅，汞的检测示意图最初TB和AF链杂交（标有BHQ2淬火）和AF应变（用Cy3荧光）在缓冲液中检测Hg2+。在添加汞离子后，AF展开和T-A对形成自由的AF和THg2+T.上述混合物形成随后被传递到光纤的探针链TS，而自由AF被俘，固定于纤维表面，随后通过倏逝波激发产生荧光信号的检测。检测完成后，通过清洗探针，就可用于下一轮的检测。在第一步中，富含的DNA与DNA或817脱氧核酶与底物链缓冲溶液中，然后加入与重金属离子反应杂交DNA 8分钟，第二步，上述混合物被泵入反应室，在那里捕获的DNA是稳定的自由用荧光标记的DNA杂交的光纤，其次是激励通过倏逝波产生可检测的荧光信号 2.5 荧光生物传感器 一种先进的光学生物传感器是基于卤代脂肪烃的酶促反应，伴随着pH指示剂的荧光变化。本装置适在pH范围从4到10，温度范围从5到60°C时检测水中卤代烃污染物。传感器主要优点是体积小，便于携带，测量时间短，是环境监测分析的常规技术。该传感器已成功地用于在实验室条件下，对几种重要的卤代烃污染物的检测，1,2-二氯乙烷、1,2,3-三氯丙烷。最低检出限分别为2.7、1.4mg/L。通过重复注射卤代化合物于测量溶液证明能够连续监测。浓度由传感器结合气相色谱-质谱仪测定，具有高效的相关系数0.92，为生物传感器系统在现场筛查和日常监测提供了一个良好的技术。 温度和pH对1,2-二溴乙烷的生物传感器响应的影响。1,2-二溴乙烷的浓度为64 mg /L。测量是在22°。在1mM的4-羟乙基哌嗪乙磺酸缓冲溶液下测量。3 未来发展趋势由于生物传感器具有快速、在线、连续监测的优点，越来越受到人们的重视。经过近30年的研究，生物传感器已获得了很大发展。但是真正应用于环境监测领域的实例并不太多，这主要是由于目前的生物传感器还存在诸多不足之处，如稳定性差、对许多有毒物质缺乏抵抗性、使用寿命短、维护较为复杂等。未来生物传感器发展的方向主要集中在两个方面：换能器的发展和检测元件的改进。信号转换是生物传感器的关键问题，如何在传感元件的氧化还原中心与电极换能器之间建立电子传递仍是一个技术难点。生物传感器在工作过程中，往往会出现识别元件与待测物发生化学反应等不可逆的情况，这必然会影响传感器的检测能力，降低其灵敏度。因此，如何提高元件的使用寿命，选择灵活性强、选择性高的传感元件也是一个主要的研究方向。活性物质的固定化技术在研究生物传感器的稳定性时占有重要位置，因此这个问题如果能得到很好的解决，必将极大推动生物传感器的发展，提高其实用性。此外，便携式微型生物传感器的研究也是未来的一个发展方向，新生物材料的合成、纳米技术的应用等都将进一步推进生物传感器在环境监测领域的应用。参考文献：1 Rodríguez-Delgado M M, Alemán-Nava G S, Rodríguez-Delgado J M, et al. Laccase-based biosensors for detection of phenolic compoundsJ. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2015, 74: 21-45.2 Rodríguez-Delgado M M, Alemán-Nava G S, Rodríguez-Delgado J M, et al. Laccase-based biosensors for detection of phenolic compoundsJ. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2015, 74: 21-45.3 Wang R, Xiang Y, Zhou X, et al. A reusable aptamer-based evanescent wave all-fiber biosensor for highly sensitive detection of Ochratoxin AJ. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 66: 11-18.4 Han S, Zhou X, Tang Y, et al. Practical, highly sensitive, and regenerable evanescent-wave biosensor for detection of Hg 2+ and Pb 2+ in waterJ. Biosensors and Bioelectronics, 2016, 80: 265-272.5 Bidmanova S, Kotlanova M, Rataj T, et al. Fluorescence-based biosensor for monitoring of environmental pollutants: From concept to field applicationJ. Biosensors and Bioelectronics, 2015.-