基于发光细菌的微流控型生物传感器研究进展

金孝伟 李哲煜 徐翩翩 张笑颜 任南琪 库里连科·维塔利 孙凯

摘 要 发光细菌能够发出波长为450～490 nm的可见光，其发光强度随待测溶液中毒性物质浓度增加而减弱。发光细菌法具有简单、快速和高稳定性等特点，被广泛应用于水质急性毒性分析。近年来，随着微流控技术微型化、集成化和自动化的不断发展，基于微流控技术的发光细菌毒性分析装置的研究越来越多。与传统方法相比，微流控型生物传感器所需菌液少，可以有效地避免人为误差和外界条件干扰等，灵敏度更高。本文结合发光细菌的特点和发光机制，对微流控型生物发光传感器及其在环境监测中的应用进展进行了评述。

关键词 发光细菌; 急性毒性; 环境污染物; 微流控; 生物传感器; 评述

1 引 言

随着环境污染的日益严重，当今社会对环境污染物的监测需求不断增加。环境中的毒性物质种类繁多，化学、物理以及生物检测方法被逐步建立，其中建立较早的是化学方法，检测体系相对完善，可实现大多数污染物的定性和定量检测，但该方法只能获得所测污染物的成分及浓度，无法直观反映该污染物对生物体的毒性效应。物理方法过程复杂，设备昂贵，多用于大气和大面积水域污染的遥感监测。生物分析方法利用生物体如微生物、植物、无脊椎动物和鱼类等对环境中的毒性物质变化进行评价，其中， 基于微生物的生物分析方法因其简便快速、重现性高等优点被广泛应用于水质毒性检测。

发光细菌是一种在暗室中能发出肉眼可见的蓝绿光的细菌，常用于水质毒性检测。发光细菌的生物毒性检测依赖于其对环境中污染物的反应，能够体现污染物对生命个体的影响[1]及毒性效应[2]，具有简便快速、操作简单、重现性好等优点。因此，发光细菌的生物毒性检测被用于各种环境污染物的毒性分析。Westlund等[3]研究了十余种农药对费氏弧菌的急性和慢性毒性，发现部分农药15 min和30 min的EC50值相差几十倍，说明仅考虑15 min的EC50值容易低估某些污染物的毒性。Liu等[4]以青海弧菌为受试生物， 研究了6种农药的单一及二元联合毒性，发现二元联合毒性是否高于单一物质毒性主要取决于两种物质间的相互作用，如拮抗效应使联合毒性下降，协同效应使联合毒性增强等。Ding等[5]研究了6种邻苯二甲酸酯及二价镉对青海弧菌的毒性作用，指出这6种邻苯二甲酸酯与镉的二元联合毒性均表现为相加效应。发光细菌也常被用于评价新型材料的生物毒性。Rossetto等[6]利用费氏弧菌测试了纳米CuO颗粒与微米CuO颗粒的急慢性毒性，研究结果表明，纳米颗粒的毒性高于微米颗粒的毒性，为纳米毒理学研究提供了一种方法和便利工具。Costa等[7]通过一种全自动流动注射分析系统研究了7种离子液体对费氏弧菌的毒性作用，指出离子液体的毒性作用与其结构和组成有关，若阳离子含有苯环，其毒性大于不含苯环的结构，而阴离子中含氟结构的毒性大于不含氟结构。

近年来，基于发光细菌的生物毒性检测方法与微流控技术结合，使发光细菌的生物测试方法不断向便携化、集成化和智能化方向发展。微流控技术是在较小的芯片上完成进样、反应、检测于一体的分析装置，具有快速、高效以及耗能低等优点。研究人员将基于发光细菌的生物测试方法与微流控技术相结合，构建出新的生物发光微分析系统，主要由三部分组成：（1）微流控芯片，含有微室阵列和微通道; （2）微室内的活细胞，用于感知目标物质并反馈为生物发光信号的变化; （3）转换器，将生物发光信号转换为电信号。基于发光细菌的发光原理以及微流控的技术思想，本文对基于发光细菌的微流控型生物传感器的原理及应用的研究进展进行了评述。

2 发光细菌及其发光机制

发光细菌分布广泛，主要存在于海洋中，是一种能够发出微弱蓝绿可见光的细菌，其最大发射波长在450～490 nm之间[8]，属革兰氏阴性、兼性好氧型细菌[9]。目前，已知发光细菌分为4个属：弧菌属（Vibrio）、发光杆菌属（Photobacterium）、希瓦氏菌属（Shewanella）和光杆菌属（Photorhabdus）[10]，其中典型菌，如明亮发光杆菌、费氏弧菌和青海弧菌等被广泛应用于毒性分析。

发光细菌中存在由NAD（P）H：FMN氧化还原酶和荧光素酶组成的酶系统，当黄素酸（FMN）、辅酶Ⅱ[NAD（P）H]、八碳以上的长链脂肪醛（RCHO）和分子氧（O2）存在时，酶系统发出约490 nm的光，反应方程式如下：

细菌荧光素酶是一种单加氧酶，能将分子氧（O2）中的一个氧原子转移到还原型黄素单核苷酸（FMNH2）上，使其氧化成黄素单核苷酸（FMN），另一个氧原子加到长链脂肪醛（RCHO）結合生成相应的长链脂肪酸。荧光素酶自身无法催化黄素的还原，因此需要借助辅酶Ⅱ[NAD（P）H]催化，完成生物发光过程。由于FMNH2/ FMN也作为细菌呼吸代谢的重要参与物质，所以细菌的发光反应可看作是呼吸作用中电子转移到氧分子的一个代谢旁路，可以调节还原型黄素单核苷酸的水平。在能量代谢或分解代谢的脱H反应中，辅酶Ⅰ（NAD）接受H之后必须将H转给FMN，将其还原为FMNH2后方能进入呼吸产能阶段。此时，细菌荧光素酶类似一个黄素单加氧酶，或是一种平衡功能的氧化酶，能减少还原型黄素单核苷酸的生成，增加电子代谢通路的还原功能，因此对细胞代谢是有利的[11]。分子氧与还原型黄素单核苷酸生成荧光素酶-黄素过氧化物，该过氧化物降解产生的能量生成单线态的激发分子，并在退激时发射光子。通常， 过氧键断裂后被两个更强的化学键取代，并伴随着能量的产生，部分能量用于生物发光。

3 基于发光细菌的微流控系统

发光细菌接触污染物后，酶系统受到破坏或者细胞死亡都会导致其发光强度下降。部分污染物能够与发光细菌的荧光素酶结合，从而干扰细菌的生物发光过程; 有的污染物则是通过破坏细胞表面的感受器，扰乱细胞膜功能，甚至与细胞组分发生化学反应，导致细胞失活从而降低发光强度。因此，根据污染物对发光细菌发光强度抑制作用的不同，发光细菌可以用于评估污染物的毒性效应[12]。

自Karube提出生物传感器的概念[13]，生物传感器在环境污染物检测方面得到快速发展，尤其是微流控型生物传感器备受关注。基于发光细菌的微流控型生物传感器中，细菌所处状态有多种形式[14]，包括处于液体中的悬浮态、被制作成冻干粉的冻干态和固定在一次性样品池、光纤或生物芯片上的固定态，其中常用的是悬浮态和固定态。

3.1 细菌固定型微流控生物传感器

细菌固定型微流控生物传感器根据细菌固定方式的不同可分为藻酸钙固定、琼脂固定以及海藻酸钠薄片固定等，以下分别对上述几种固定方式的生物传感器进行介绍。

Eltzov等[18]研发了一种检测水中有毒污染物的在线光纤监测系统。将分别携帶recA（DNA损伤）和grpE（热休克）启动因子的两株细菌悬浮液与2%海藻酸钠溶液按体积比1：1混合均匀后，涂布在光纤头部，随后涂布0.5 mol/L CaCl2溶液，使其反应形成藻酸钙，将细菌固定在光纤头部。作者首先对系统连续运行24 h所需的条件进行优化，并在流动状态下检测自来水和地表水中的污染物。初步实验表明，添加7.5%的LB培养基是保证设备在流动水体中长时间（>1 h）运行的必要条件。在对自来水的水质监测中，该系统能够稳定运行24 h，但在地表河流的水质监测中，由于流体不断冲击光纤头部，使其固定的发光细菌逐渐减少，系统在运行20 h后很难对污染物继续产生响应。随后，作者对该系统进行深入优化[20]，首先调整培养基成分和浓度，然后通过在流体出口增加蠕动泵的方式研究不同流速对测试结果的影响，并为光纤探针增设水流缓冲保护罩以降低流体剪切力。优化后的监测系统不仅能快速检测到水质变化，而且将最大流速从3 L/h提高到10 L/h，在相同的时间内完成了更大体积量的水样检测。同时，该设备实现了对流动水体中的污染物毒性的实时监测，可为水源地取水口或饮用水管网等重要节点的水质安全提供早期预警功能。

Jouanneau等[17]设计了两种基于发光细菌不同保存方式的生物传感器（“Lumisens Ⅲ”和“Lumisens Ⅳ”），用于在线检测环境样品中的重金属。其中，Lumisens Ⅲ系统中的细菌悬浮液与4%的琼脂糖溶液混匀后，固定在有连续流驱动的微井中，生物活性较高; 而Lumisens Ⅳ系统中使用的细菌在96孔微板中进行冷冻干燥，活性相对较低。两套系统均封闭于暗箱中，利用CCD相机对细菌发出的光信号进行图像捕捉并记录。在10 d 内，作者分别利用两种生物传感器连续检测蒸馏水或环境样品中的汞（Hg），每天将系统中的发光细菌暴露于含有500 nmol/L Hg的样品中100 min，其余时间持续通入细菌培养液。结果表明，Lumisens Ⅲ系统自启动6 h后产生响应信号，在测试的10 d内生物发光水平不稳定，变化率达40%，固定化细菌在第3～6 d处于稳定生长阶段，生物发光信号的重现性和重复性接近5%。Lumisens Ⅳ系统启动1.5 h后便可获得响应信号，生物发光信号的重现性达3%，在10 d内可达到Hg的稳定检测; 在Lumisens Ⅲ系统中，细菌易受到暴露的污染物的影响，导致后续实验中的细菌活性降低，影响实验结果的一致性; 在Lumisens Ⅳ系统中，细菌被限定在微孔板中的各个微孔中，执行独立地单次分析，但操作相对繁琐，重复性较低。

Elad等[21]开发了一种在线连续监测水质毒性的流通式生物传感器。琼脂固定化重组发光细菌的模块化生物芯片是该装置的核心部分，单光子雪崩二极管探测器（SPAD）为响应信号探测装置。作者配备了诱导型和组成型两种菌株，并在连续的水流中持续放置10 d，这段时间里分别连续通入萘啶酸、百草枯、As和上述3种物质的混合液以及一个工业废水水样2 h。通过比较固定态和悬浮态下细菌对同种浓度污染物的响应强度，发现悬浮态的细菌对污染物的灵敏度更高，但稳定性略低于固定态，且重复性接近20%。该传感器对6和0.01 mg/L的As以及0.02和0.005 mg/L的Sb具有很好的识别作用，且检测浓度满足美国和欧盟饮用水水质安全标准的检出限要求。该生物传感器能够在0.5～2.5 h内检测到所有的模拟污染事件，并根据污染性质反馈特定的响应信号，可用于防止有毒化学品意外泄露或水源地有毒物质故意投放等预警系统，并与相关物化方法互补，构成水质安全保障网络。

近年来，基于发光细菌的生物传感器对于水质毒性检测的研究较多，用于气体毒性检测的相关报道较少。Eltzov等[22]设计的空气毒性检测传感器在室内空气毒性监测方面表现优异，该系统的核心部分主要包括：（1）光电倍增管，用于检测细菌的响应; （2）液体光导管，用于光信号传输; （3）海藻酸钠薄片，用于固定细菌。作者将grpE启动因子改造后的大肠杆菌培养液与过滤灭菌的2%（w/V）低粘度海藻酸钠溶液以体积比1∶1混合，在直径为0.6 mm的圆柱体中滴入0.5 mmol/L CaCl2溶液30 μL及海藻酸钠与发光细菌的混合液50 μL，制成固定薄片。作者首先对细菌固定薄片进行优化，将细菌固定薄片放入20 mL管中并在其附近滴加1 μL氯仿，通过研究细菌固定薄片的不同朝向位置、环境温度以及暴露时间对传感器灵敏度的影响，发现正面朝向可以提高化学物质扩散到基质中的扩散速率，表明升高环境温度或延长暴露时间可以提高细胞的响应强度。随后，研究人员在一间办公室里放入集成好的装置，将几种空气中常见的污染物，如香烟的烟雾、丙酮和油漆（含有三氯甲烷）等释放进房间，记录生物传感器对各种污染物的响应程度。研究表明，生物传感器对几种污染物的响应结果显示了其对室内环境中有毒物质的响应能力，其中对丙酮的响应最为强烈，对油漆中的三氯甲烷次之。

虽然生物传感器和传统的分析方法都能够定性分析空气样品中的污染物类型，但传统方法仍然存在价格昂贵、需要特殊的实验室设备以及不适于实时监测等问题，且所需操作人员技术要求严格是阻碍传统方法在毒性监测中广泛应用的最大问题。与之相反，生物传感器操作简单、灵敏便捷，对构建新型空气质量监测装置具有重要的指导意义。

细菌固定化虽然可以限制细菌向周围环境中扩散，且可以在污染物移除后继续重复利用某些生物元素，提高生物传感器的使用寿命。但这种方法在原位应用中存在一些问题，如固定的细菌会随着时间的推移发生变化，影响对污染物的响应; 由于细菌的扩散和游动受到限制，使其与污染物的接触不够充分，从而导致实际应用过程中的检测信号较低; 用于固定细菌的一次性芯片需要频繁更换，因而在快速检测大量污染物时消耗量较大。因此，对于短时间内的连续快速检测而言，悬浮型的生物传感器更具优势。

3.2 细菌悬浮型微流控生物传感器

1996年，Gu等[23]最先制作出一种用于测试细胞对有毒物质响应的连续流微型生物反应器，该微型反应器类似一个没有探针控制的简化生物培養反应器。在连续流的培养状态下，重组生物发光大肠杆菌可以保持最佳的生理状态。这种微型生物反应器的容积约58 mL，可以长期连续操作，具有较高的稳定性和可靠性。作者研究了在连续流状态下重组生物发光大肠杆菌对乙醇的响应，发现连续培养的细菌发光水平取决于菌液的最终稀释倍数。高稀释倍率下的发光细菌处于非常活跃的代谢状态，对环境的刺激响应较为迅速，菌液的稀释倍数越高，反应器的灵敏度越高，响应越快。1999年，多通道形式的微型反应器得以进一步开发制作，其主要包括两个反应器：一个用于维持细菌处于稳定状态，并向另一个反应器持续供应新鲜细菌; 另一个用于发光细菌与待测物质的接触混合，完成检测分析[24]。但是由于该系统细菌未被固定，因此无法保证检测的稳定性。

2003年，Thouand等[25]开发了一种基于三甲基锡诱导发光的基因工程发光细菌生物传感器。细菌在一个容积约100 mL的专用生物反应器中培养，反应器顶部设有培养基和待测物质的出入口，并插入传感器实时测量反应器内的pH值、温度、溶解氧和细胞密度，实时监测反应器内细菌的生长状态。为了筛选用于传感器的最佳培养基，作者分别利用肉汤培养基和葡萄糖培养基培养细菌，在培养进入指数期后，均加入0.001～10.0 μmol/L三甲基锡进行诱导。结果表明，采用葡萄糖培养基，且三甲基锡达到1.5 μmol/L时，细菌的发光最强，随着样品浓度增加，毒性增大，发光强度降低; 在采用肉汤培养基过程中，三甲基锡浓度为10 μmol/L时，发光强度最大，并且其发光强度只有前者的1/4。该系统主要特点在于： （1）光纤被固定于反应器盖子上，不与细菌和样品接触，避免了生物膜形成可能导致的光输出损失; （2）引入多个微探针以评估细菌连续生长过程中的活性; （3）设备具有自动化、集成化、便携等优点。但该生物传感器检测时间较长，通量低。

Zhao等[26]研发了一种基于发光细菌的饮用水中毒物检测的微流控装置，该装置以费氏弧菌为受试生物，监测水中潜在的重金属离子和苯酚等细胞毒性物质，且配有独立的细菌连续培养系统。其芯片包括两个逆流混合器和一个T型液滴生成器，以及6个螺旋微通道，此设计可实现系统的连续检测。将细胞悬浮液和水样引入微混合器中充分混合，随后分散到气流中生成气包水液滴，保证传感器内的发光细菌可以获得充足的养分供应。作者选择Cu2+、Zn2+、重铬酸钾以及3，5-二氯苯酚作为典型毒物进行测试，以验证系统灵敏度。在测试过程中，Zn2+的浓度与相对发光单位之间存在非线性关系。初步测试表明，该系统只能对水中简单有毒化学物质的浓度进行粗略估计，不能识别或量化特定污染物，但可在大量待测样品中快速筛选有毒物质，其作为一种有效的急性毒性毒物筛选工具，具有良好的应用前景。

4 基因操控以提高发光细菌生物传感器性能

重组的发光细菌是通过向宿主细胞插入或转染携带启动子和目的基因（lux基因）的质粒构建而成。启动子负责特异性识别，目的基因指导氧化荧光素酶的合成，使重组细菌具有发光性能[27]。启动子是位于编码基因前端的非编码DNA序列，在RNA聚合酶识别后其下游基因的转录得以启动。因此，为提高发光细菌生物传感器的整体分析性能，研究人员通常对启动子区域进行分子改造。

根据待测物质的性质，研究人员已经构建了大量含有不同启动子的工程菌株。不同来源的生物发光基因在导入细菌过程中都必须考虑其具体特性，例如，在费氏弧菌的发光基因植入大肠杆菌的过程中，费氏弧菌中荧光素酶保持活性所需温度低于大肠杆菌（37℃）。而研究发现，明亮发光杆菌则与大肠杆菌保持活性所需温度一致，因此研究人员将其发光基因转染到大肠杆菌中，进而获得了更短的响应时间[28，29]。Yagur-Kroll等[30]提出了4种通过操控启动子来增强发光细菌生物传感器性能的方法： （1）修改包含启动子区域的DNA片段的长度; （2）通过定向进化过程引入一个随机基因突变体; （3）在启动子序列中引入更多特定的位点突变体; （4）复制启动子序列，以增加RNA聚合酶的结合位点。通过这四种方法，可显著提高生物传感器的灵敏度、响应时间以及发射光强度。

发光细菌含有使其发光的lux操纵子luxCDABEG，其中，luxA和luxB基因分别负责细菌荧光素酶中的α亚基和β亚基的编码，而luxC、luxD、luxE基因则负责脂肪酸还原酶中r、s、t多肽的编码，luxG负责黄素还原酶的基因编码[31]。从不同种类发光细菌中分离出的lux基因种类与数量并不完全相同，但以上提到的6个基因中， luxC、luxD、luxA、luxB和luxE存在于已发现的所有发光细菌中，其中luxG基因在发光杆菌属的lux操纵子中没有发现。到目前为止，发光细菌的lux基因常被用于制造重组细菌来进行生物测试，从而提高生物发光强度，降低检测限，并且缩短响应时间。

细菌中lux基因受上游启动子序列的调控，因此，提高生物发光性能除了可以对启动子区域进行分子调控外，还可以通过拆分lux基因来实现[32]。luxCDABE可分成两个较小的基因片段，即luxAB和luxCDE，前者负责荧光素酶的编码，后者负责指导合成生物发光反应所需要的长链脂肪醛。对这两个基因片段进行修饰，使其处于诱导型应激反应启动子或合成的组成型启动子的控制下。研究人员通过对诱导型或组成型的luxAB与诱导型或组成型的luxCDE进行多种组合后，发现诱导型luxAB和组成型luxCDE是最佳组合方式，这种组合方式能够增强细菌的发光强度，加快反应速度。

隨着基因工程技术逐渐成熟，将携带lux基因的质粒转染到非发光细菌中的方法已被广泛使用。研究人员可根据特定污染物选择适合的细菌进行基因改造，获得特异性重组的发光细菌，进而获得更高灵敏度，更宽响应范围的发光细菌生物传感器。但是基因工程菌的生长环境、生长条件和规律是否变化，对污染物毒性检测的灵敏度和稳定性是否有提高，以及需要何种条件的污染物诱导亟待进一步研究。因此，借助微流控技术的微腔室、微混合器与多种多样的原位检测技术带来的微环境梯度形成与高通量等特点，将大大加快优化条件的筛选过程。

5 结 语

发光细菌法因其灵敏度高、反应速度快、操作简便以及容易实现高通量检测等特点在水质急性毒性检测方面发挥着巨大作用，其与光纤技术、传感技术以及微流控技术的结合可以灵活应对各种复杂的检测环境。发光细菌毒性分析方法适用于快速筛选大量样品，将其与其它分析方法相结合， 可对样品进行深度检测以提供全面的风险评估结果。基于发光细菌的各类生物传感器将在防止有毒化学物质故意或意外渗入到地表水或市政水网等系统的应用中发挥着重要作用，为环境安全提供保障。

分子生物学的发展有望使发光细菌针对特定污染物产生特异性响应，扩充发光细菌的应用范围。将发光细菌与先进的材料、设备或技术（如微/纳流体、先进的光学材料等）相结合以提高整个测试系统的效率， 也将成为其发展的一个重要方向。此外，微通道内的高压强与低溶解氧环境对发光细菌发光强度的影响仍然存在，微流控技术中微纳气泡的生成和操控将是解决这一问题的关键。

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