生物传感器在现代环境污染检测中的应用研究进展

马超 朱国飞 刘丽萍

[摘 要]本文围绕生物传感器技术在环境污染物检测和分析中的应用入手，介绍了生物传感器，特别是电化学DNA传感器的原理、特点及其在重金属离子、有机污染、病原性微生物和生物污染物检测方面的应用，阐述了生物传感器技术作为一种新型的环境污染物分析和检测手段，在环境工程方面具有广阔的应用前景，为解决现代环境分析中，污染物的检测方法提供了参考。

[关键词]生物传感器；环境分析；环境污染物；检测技术

[中图分类号]X835.5 [文献标识码]A

随着经济社会的快速发展和现代工业的兴起，环境污染物种类和数量越来越多，环境问题日趋越重，环保问题面临空前挑战。对环境污染物进行检测、分析、研究、控制的技术越来越受到社会各界的广泛关注和重视。环境污染物检测技术和检测方法不断创新，正朝着经济、高效、方便、快速的方向发展。常见的环境污染物种类有，重金属污染物、烟气及大气污染物、颗粒物、有机物污染物、生物污染等多个种类，对污染物进行有效检测和定性、定量分析是对其进行科学研究和有效治理的基础。因此，污染物的检测和分析技术显得尤为重要。对环境污染物进行检测的方法通常需要结合各种污染物的物理、化学、生物性质，借助现代科学仪器，利用其物理化学性质、生物活性、光学成像等技术原理和手段来完成。

现代环境分析技术常用的仪器设备有多种，但是每种仪器设备对污染物的检测有不同的侧重点，有不同的应用领域，总体来说，对样品、使用环境、操作技能等都有很高要求，很多设备难以实现智能、高效、方便、快捷地对污染物进行分析和检测。

近年来，随着生物传感器技术不断进步，为现代环境分析和检测开辟了新的技术手段。生物传感器（Biosensor）是指用生物功能物质作识别元件制成的传感器，通过生物功能体与被检对象的特异性接触和反应，产生声、光、电等生物学信号，并通过换能器将信号转化和放大达到检测的目的，通常有酶生物传感器、免疫生物传感器、核酸生物传感器、微生物生物传感器等。生物传感器通常具有特异性强、专一性强、灵敏度高、检测快速、操作方便等诸多特点，目前已广泛运用于生物医药、环境保护、食品安全、工业生产等领域。

1 生物传感器在重金属污染物检测领域的应用

重金属离子是在水、土壤、农产品、副食品中广泛存在的环境污染物，由于重金属污染通常具有富集性、长久性、难以去除性等特点，大多数重金属离子通常是有毒、有害，容易引起有机体中毒，甚至会有致癌、致突变、致畸变等情况产生，容易危害公众身体健康和生命安全。因此重金属污染的严重性和控制的严格性需要重点关注。

生物传感器在重金属离子污染物检测中往往具有及时、准确、高灵敏、高选择性等特点，因此利用修飾的生物传感器技术对农田、土壤、水和农产品中重金属离子进行分析和检测的技术成为很多学者和环境工作者普遍关注的热点。在已有的研究成果中，浙江大学周洁等设计出一种基于电化学配位和碳纳米管修饰的高通量细胞阻抗传感器和DNA生物传感器，实现了对Hg2+、Cd2+、Pb2+等重金属离子无标记实时检测，同时还就Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等重金属离子对肝细胞毒理作用进行研究，揭示了Zn2+对Cd2+吸收抑制作用的细胞毒性机理。高中锋综述了电化学DNA生物传感器的原理、设计方案、制备方法等要点，并成功制备了PEP-FODs荧光生物标记DNA传感器，利用荧光猝灭原理检测出Fe2+、Fe3+、Cu2+等重金属离子，具有较好的细胞成像效果。王志强利用纳米技术和电化学传感器相结合，成功研制电化学生物传感器，实现了对农田土壤以及灌溉用水中铅、镉、汞等重金属离子快速检测，具有便捷、高效、低成本等特点，适合于乡镇农技站使用。崔琳等研究人员，基于电化学检测方法，利用多种纳米材料与DNA探针设计出不同的生物传感器，成功实现了Cd2+、Pb2+、Bi3+ 、Hg2+、As3+、Cu2+等六种重金属离子的检测，可进行定量分析， 具有灵敏、快速、简单、选择性好等特点。

2 生物传感器在有机污染检测分析领域的应用

现在农业生产追求经济效益和产量，通常需要施用大量化肥，大规模使用农药、杀虫剂等，对食品安全构成严重威胁，同时也造成大量的环境污染。化肥、农药中残留成分是有机污染物的重要来源。利用生物传感器技术实现对土壤、农牧产品中有机污染的快速、便捷、低成本检测，成为当下各农学和环境专业研究的热点。王辉、段玉瑶等人利用Fe3O4纳米颗粒、石墨烯纳米材料、壳聚糖等复合修饰乙酰胆碱酯酶（ACh E），研制出一种生物传感器，成功测定农药中毒死蜱，具有检测结果线性相关好、检测精度高、检出限低等特点，适用于蔬菜等农产品中农药残留物毒死蜱快速检测。和建萍、潘学军等基于全内反射荧光技术原理，利用免疫分析方法，成功设计出一种高灵敏度的平面波导型荧光免疫传感器（PWFI），对农药类中残留的小分子污染物2，4-D进行检测。熊岳等通过层层吸附自组装的方法，将PDDA和DNA固定到玻碳电极表面，设计了一种基于探针分子[Ru（bpy）2（dppz）]2+，固态电化学发光DNA传感器，用于杂环芳烃农业的检测研究，成功实现了对二氯喹啉酸、喹硫磷、多菌灵等农药进行检测。

3 生物传感器在病原微生物、生物污染的检测和研究领域的应用

病原微生物广泛存在于如牛奶等乳制品中，和传统的检测方法相比，生物传感器用于病原微生物的检测具有检测灵敏度高、时间短、成本低、方便快捷等诸多优点。生污染物广泛存在于我们的生活中，特别是医疗卫生机构和疾病预防控制场所，因此生物传感器用于生物污染物的检测和毒理研究也越来越受到广泛关注。章毅博士研究团队基于免疫分析和DNA杂交技术，利用生物荧光标记等技术，成功设计了免疫传感器、DNA传感器、酶传感器等生物传感器，用于城市生活垃圾堆中污染物的检测，成功检测出了病原性微生物、重金属离子（Hg2+）和毒莠、对苯二酚等有机污染物，为开发可应用于复杂环境中污染物的高效在线检测系统奠定基础。苗庆庆博士利用生物标志物的检测成像技术，设计了自组装放射性纳米粒子生物传感器，用于肿瘤细胞生长机理的研究，在20种氨基酸中成功区分检测出生物硫醇，并在活细胞中成功地区分和检出Cys和GSH。同时，他还成功设计了快速选择性和可视化检测Cd2+ 、Fe2+离子的纳米荧光探针。张浩博士利用生物标记、荧光成像技术、紫外可见吸收光谱、圆二色谱及ELISA法等多种光谱学手段、ITC技术及分子对接模拟方法，从铅毒性与氧化应激的相关性这一科学问题入手，以分子和细胞毒理学、仪器分析化学为背景，联合动物、细胞和分子三个水平研究了铅诱发机体氧化损伤和细胞凋亡的毒性效应及作用机理。谢乐、许雨乔等人利用实时荧光定量PCR直接检测粪便标本艰难梭菌tcdB基因，可用于艰难梭菌相关腹泻的快速诊断。孙文超、解长占等人，利用实时荧光定量PCR技术，建立犬圆环病毒（DogCV）检测方法，检测率为12.50%。丽牧等利用荧光定量PCR法，设计引物与探针，准确、快速地检测出新城疫病毒，并且检测具有特异性、灵敏度、稳定性，能够满足实际工作中的检测要求。程永婷、贾晓晖等人针对Cpn0308基因建立检测肺炎衣原体的Taqman探针实时荧光定量PCR（FQ-PCR）方法，应用于临床肺炎衣原体核酸检测。佘轩、姚云清等人探讨实时荧光定量PCR对HIV阴性免疫力低下合并肺孢子肺炎（PCP）患者的诊断价值。

4 结语

綜上所述，生物传感器技术作为一门新兴的现代环境分析方法和手段，在环境污染物分析和检测中应用越来越广泛，成为重要的技术手段和研究方法。由于环境污染物种类繁多，性质各异，污染物的作用机理通常是一个非常复杂和系统的过程，因此在对重金属离子、有机污染物、病原性微生物和生物污染物的检测和分析中，还需要综合运用分析化学、现代仪器、分子生物学、细胞生物学等多学科背景，综合应用各种理化、生化分析的方法手段，才能更好地实现对各种污染物的分析和检测。

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