夏善紅 邊 超 孫楫舟 謝 勇,2 韓明杰,2 熊晨雨,2

1 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 北京 100190

2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

面向水環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器研究*

夏善紅1邊 超1孫楫舟1謝 勇1,2韓明杰1,2熊晨雨1,2

1 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室 北京 100190

2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

生物傳感器利用生物分子之間的特異性識別作用，實現(xiàn)對生物、化學(xué)靶標的檢測，在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。文章面向水環(huán)境監(jiān)測需求，調(diào)研總結(jié)了生物傳感器的研究與發(fā)展，主要闡述了酶、免疫、DNA、組織、微生物等生物傳感器及其在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

生物傳感器，水污染監(jiān)測，酶，免疫， 脫氧核糖核酸，組織，微生物

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.007

隨著工農(nóng)業(yè)和社會的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)廢水以及生活污水大量排放，水污染事件頻發(fā)，嚴重破壞了人類賴以生存的水資源環(huán)境，水污染防治工作迫在眉睫。開展水污染監(jiān)測、及時有效地掌握水質(zhì)污染的各項指標是水污染防治的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測分析方法操作步驟繁瑣、測試周期長，分析儀器體積大、價格高，難以滿足廣域水環(huán)境現(xiàn)場實時檢測以及分布式組網(wǎng)在線監(jiān)測的需求。亟待開發(fā)小型化、低成本、操作簡單、響應(yīng)快速的水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測儀器。同時，一些痕量、高毒性、難降解的污染物，如重金屬離子和持久性有機污染物等，需要檢測方法和檢測技術(shù)具有超高的靈敏度。

生物傳感器利用生物分子之間的特異性識別與反應(yīng)，通過將生物分子識別元件固定在傳感器敏感表面，實現(xiàn)對待測物的特異性識別。生物分子識別元件通常是生物體成分（如酶、抗原、抗體、DNA 等）或生物體本身（如細胞、組織等）。生物傳感器的換能器進一步將變化的化學(xué)或物理信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號，實現(xiàn)對待測物濃度的檢測。換能器可以是電化學(xué)的、光學(xué)的、熱學(xué)的、壓電的或磁學(xué)的[1]。生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的生物、化學(xué)物質(zhì)檢測分析儀器相比，生物傳感器具有體積小、設(shè)備簡單、操作簡便、響應(yīng)快、功耗低、成本低等優(yōu)勢，有利于實現(xiàn)生物、化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場及快速檢測，在醫(yī)療健康、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

按照識別元件分類，生物傳感器可以分為酶傳感器、免疫傳感器、DNA 傳感器、組織傳感器、微生物傳感器等。本文面向水環(huán)境監(jiān)測需求，對若干不同類型的生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究進行綜述。

1 生物傳感器及其水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用

生物傳感器多種多樣[1]。本節(jié)面向水環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用需求，主要調(diào)研歸納了酶、免疫、DNA、組織、微生物等生物傳感器的研究與發(fā)展。

1.1 酶傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

酶是具有生物活性且能起特異性催化作用的一類蛋白質(zhì)，具有反應(yīng)速度快、催化效率高、反應(yīng)條件溫和以及高選擇性和高特異性等特點，被廣泛用于制備酶生物傳感器。酶傳感器能對生化物質(zhì)實現(xiàn)原位、準確、靈敏、快速的檢測。在水環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域，酶傳感器常用于有機磷農(nóng)藥、酚類物質(zhì)、硝酸鹽和重金屬離子等的檢測。

針對有機磷農(nóng)藥檢測的酶傳感器，通常利用有機磷農(nóng)藥對乙酰膽堿酯酶活性的抑制作用，通過檢測電流實現(xiàn)對有機磷農(nóng)藥的檢測。近年來涌現(xiàn)出了許多用于乙酰膽堿酯酶固定的新型材料，如金納米顆粒[2]、銀納米線[3]等納米材料，以及微凝膠[4]等聚合物材料。同時也出現(xiàn)了許多新的方法，如基于錐形光纖酶傳感器的有機磷檢測方法[5]。Wei 和 Feng[6]研究了一種基于乙酰膽堿酯酶/氮摻雜多孔碳/硼摻雜金剛石電極的電化學(xué)生物傳感器，氮摻雜多孔碳的孔狀結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性為乙酰膽堿酯酶的固定提供了大量的反應(yīng)位點，有效維持了乙酰膽堿酯酶的活性；同時氮的引入提高了電極表面的電導(dǎo)率、加速了電子傳遞速率。測試結(jié)果表明，敵敵畏和殺螟松的檢測范圍均為 0.1—10 000 ng/L， 檢測限分別低至 1.50 pg/L 和 4.40 pg/L。為了降低酶固定化的難度，充分利用酶的特異性作用，Caballero-Díaz 等[7]利用氮摻雜石墨烯量子點和乙酰膽堿酯酶作為生物識別元件，開發(fā)了熒光納米傳感器，用于河水中殺蟲劑苯氧威的測定。該傳感器利用酶的產(chǎn)物對氮摻雜石墨烯量子點熒光的淬滅作用實現(xiàn)檢測，傳感器無需固定化酶。測試結(jié)果表明，研制傳感器對苯氧威的檢測線性范圍為 6—70 μmol/L，檢出限為 3.15 μmol/L，并具有較好的重現(xiàn)性。

酚類物質(zhì)是水環(huán)境中常見的高毒污染物，對酚類物質(zhì)進行檢測具有重要的意義。Sethuraman 等[8]基于聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-還原氧化石墨烯-三氧化二鐵-多酚氧化酶（PEDOT-rGO-Fe2O3-PPO）復(fù)合改性玻碳電極，對鄰苯二酚進行了特異性檢測。所制備的復(fù)合電極酶的負載能力高、電子轉(zhuǎn)移速率快，對鄰苯二酚的檢測線性范圍為 4×10-8—6.20×10-5mol/L，檢測下限為 7×10-9mol/L。當儲存在約 4℃ 的緩沖液中時，該生物傳感器的穩(wěn)定性可長達 75 天。

水中過量的硝酸鹽會對人體產(chǎn)生危害，硝酸鹽的檢測在水質(zhì)監(jiān)測中也占有重要的地位[9]。Minami 等[10]首次報道了一種基于延長柵型的有機場效應(yīng)晶體管（OFET）酶生物傳感器（圖 1），對硝酸鹽檢測的下限低至 45 μg/L，靈敏度可以與一些傳統(tǒng)的檢測方法相媲美。由于 OFET 具有可印刷性、機械靈活性、拉伸性和可拋棄等特點，該研究為水中低成本、現(xiàn)場檢測的硝酸鹽傳感器的研制開辟了一條新途徑。Ali 等[11]基于氧化石墨烯（GO）納米片和 PEDOT 納米纖維（PEDOT-NF）設(shè)計了一種微流體阻抗型硝酸鹽傳感器，其中 PEDOT-NFs-GO 復(fù)合物用于固定硝酸還原，研究表明 GO 和 PEDOTNF 之間存在協(xié)同作用。該傳感器在 0.44—442 mg/L 的硝酸鹽離子濃度范圍內(nèi)，靈敏度為 61.15 Ω·L·mg-1·cm-2，檢測限為 0.135 mg/L，并具有良好的特異性、可靠性和重現(xiàn)性。

圖1 基于延長柵型有機場效應(yīng)晶體管的硝酸鹽生物傳感器[10]

伴隨著工業(yè)化進程，含有重金屬離子（Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+、Hg2+等）的污水大量排放，嚴重危害著水環(huán)境及水生生物。利用重金屬離子對酶的抑制作用，采用如辣根過氧化酶[12]、乳酸脫氫酶[13]、脲酶[14]、葡萄糖氧化酶[15]等可以研制用于重金屬檢測的酶傳感器。水環(huán)境中痕量汞離子的原位、準確、快速和靈敏檢測是人們尤為關(guān)注的問題。Elsebai 等[16]以戊二醛和牛血清白蛋白為交聯(lián)劑，將過氧化氫酶固定在玻碳電極表面，研制用于汞離子檢測的酶傳感器（圖 2），實現(xiàn)了對痕量汞離子的檢測，檢測限為 1.8×10-11mol/L，檢測線性范圍 5×10-11—5×10-10mol/L。將該傳感器應(yīng)用于不同類型水樣中汞離子的測定，結(jié)果表明該傳感器對汞離子有很好的選擇性。

圖2 用于汞離子檢測的酶傳感器[16]

1.2 免疫傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

免疫傳感器是基于抗原抗體之間的特異性親和反應(yīng)而實現(xiàn)檢測的一類生物傳感器?；诳贵w的免疫分析技術(shù)，因具有操作簡便、攜帶方便、成本低廉、反應(yīng)迅速等特點而用于環(huán)境監(jiān)測傳感器的研制，目前多應(yīng)用于農(nóng)藥以及重金屬離子等污染物的檢測[17-19]。

Guo 等[20]基于抗三唑磷的單克隆抗體設(shè)計了 SPR 生物傳感器，該傳感器對于殺蟲劑三唑磷具有較好的特異性和較低的檢測下限（0.096 ng/mL），線性檢測范圍為0.98—8.29 ng/mL，該傳感器芯片可重復(fù)使用 160 次。Belkhamssa 等[21]將莠去津抗體修飾在多壁碳納米管場效應(yīng)管上，基于免疫反應(yīng)實現(xiàn)對有機農(nóng)藥莠去津的檢測，其檢測下限為 0.001 ng/mL，線性檢測范圍為 0.001—10 ng/mL。Monerris 等[22]通過在玻碳電極表面固定抗雌激素酮的單克隆抗體，制備電化學(xué)免疫傳感器用于測定水樣中的痕量雌激素酮。

在重金屬離子檢測中，抗體通常與 EDTA 螯合的金屬離子結(jié)合來實現(xiàn)特異性識別[19]。Shu 等[23]利用小鼠抗Cu2+-EDTA 單克隆抗體來捕獲 Cu2+-EDTA 螯合物，然后利用紫外線輻射降解免疫復(fù)合物以釋放游離的 Cu2+，基于 Cu2+對 CdSe/ZnS 量子點的熒光猝滅效應(yīng)，實現(xiàn)對于Cu2+的高特異性和高靈敏度檢測。該免疫傳感器的檢測下限為 0.33 ng/mL。由于采用抗體捕獲 Cu2+，避免了其他重金屬離子對量子點熒光淬滅效應(yīng)的干擾，提高了傳感器的選擇性。López 等[24]基于抗 Cd2+-EDTA 單克隆抗體對Cd2+免疫傳感器進行了設(shè)計，該傳感器具有較寬的檢測范圍 0.4—2 000 μg/L，檢測下限為 0.1 μg/L。

Xing 等[25]基于免疫層析技術(shù)研制了能夠?qū)崿F(xiàn)水中重金屬、藻毒素、抗生素、激素和殺蟲劑等 5 種污染物同時檢測的紙基免疫傳感器。以鉛（II）、微囊藻毒素-亮氨酸-精氨酸（MC-LR）、氯霉素（CAP）、睪酮（T）和百菌清（CTN）作為代表物，5 種不同的抗原被分別固定在硝化纖維素膜上，樣本中的待測物和固定的抗原競爭結(jié)合單克隆金標抗體，5 種物質(zhì)的檢測下限分別為 4 ng/mL、1 ng/mL、0.1 ng/mL、5 ng/mL 和 5 ng/mL，檢測時間 20 分鐘。該紙基傳感器為水中污染物的現(xiàn)場半定量檢測提供了一種有效的方法。

1.3 DNA 傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

DNA 具有與抗原抗體結(jié)合類似的高親和力，并具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性、低毒性，以及易于合成和修飾等特點，成為生物和化學(xué)物質(zhì)檢測中的常用識別元件。目前，DNA 常被用來檢測水中的重金屬離子以及農(nóng)藥、抗生素等有機污染物。

利用 Hg2+引起富含胸腺嘧啶（T）的 DNA 單鏈折疊，形成 T-Hg2+-T 特異性結(jié)構(gòu)，抑制 DNA 雜交反應(yīng)的性質(zhì)，能夠研制用于Hg2+檢測的 DNA 傳感器。Jia 等[26]研制了局域等離子體共振（LSPR）光纖 DNA 傳感器用于水中 Hg2+的檢測。該傳感器以 DNA 雜交雙鏈為聯(lián)接，構(gòu)建納米金顆粒 Core-satellites 結(jié)構(gòu)并激發(fā)等離子體耦合增強效應(yīng)；通過檢測 Hg2+抑制 DNA 雜交反應(yīng)過程中，對等離子體耦合強度以及 LSPR 諧振波長的影響，實現(xiàn)對 Hg2+的檢測，檢測線性范圍 5—150 nmol/L，檢測下限為 3.4 nmol/L。

Zuo 等[27]提出一種基于 WS2納米片的雙色熒光生物傳感器，用于檢測 Hg2+和 Ag+。該傳感器利用 WS2納米片的熒光猝滅能力和 WS2納米片與 DNA 分子之間的相互作用而實現(xiàn)檢測。通過監(jiān)測 525 nm 和 583 nm 處的熒光強度的變化，可以實現(xiàn)對 Hg2+和 Ag+的同時檢測。Hg2+和 Ag+的線性檢測范圍分別為 6.0—650.0 nmol/L 和 5.0—1 000.0 nmol/L，檢測下限分別為 3.3 nmol/L 和 1.2 nmol/L。

利用核酸切割酶識別特定 DNA 雙鏈并切割其中某條單鏈的性質(zhì)，以及重金屬能夠激活核酸酶水解產(chǎn)生并釋放出單鏈，游離出的單鏈又能夠與其他的分子信標重新雜交，觸發(fā)下一輪酶切引起信號的循環(huán)放大的性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對重金屬離子的檢測。趙永席等[28]研制了基于核酸切割酶與脫氧核酶的熒光循環(huán)放大系統(tǒng)，實現(xiàn) Pb2+的檢測，檢測下限 0.1 nmol/L，并具有好的選擇性。Hong 等[29]基于這一原理研制了電化學(xué)生物傳感器，對 Hg2+的線性范圍 10—50 000 pmol/L，檢測下限低至 1.6 pmol/L。

Arvand 和 Mirroshandel 等[30]基于石墨烯/適配體-量子點（GO/aptamer-QDs）復(fù)合物設(shè)計了一種能夠檢測克瘟散殺菌劑（EDI）的熒光增強型適配體傳感器。該傳感器利用從量子點到石墨烯片的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)致使量子點熒光淬滅的性質(zhì)，以及 EDI 對 GO 的取代作用，實現(xiàn)對 EDI 的熒光增強型檢測。該傳感器的線性檢測范圍為 5×10-4—6×10-3mg/L，檢出限為 1.3×10-4mg/L，重現(xiàn)性（RSD=3.9%，n=10）良好，對其他化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的農(nóng)藥具有很好的選擇性。Zourob 等[31]篩選出高親和力、特異性強的多菌靈 DNA 適配體，并采用自組裝單層膜法將 DNA 適配體修飾在金電極表面，實現(xiàn)對多菌靈的特異性檢測，檢測范圍 10—10 000 ng/L，檢測限 8.2 ng/L，而其他常用農(nóng)藥如異丙隆、阿特拉津、利谷隆、氟樂靈、西維因和甲基對硫磷等不會對該傳感器的檢測造成干擾。

1.4 組織傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

近些年來，動植物組織也被作為生物傳感器的識別元件來進行相應(yīng)的識別檢測[17]，尤其是水生植物已經(jīng)成為環(huán)境研究的重要研究工具。研究人員可以通過控制外部環(huán)境條件（例如光、熱或者除草劑、重金屬及有機污染物等），對植物的生命活動進行檢測，從而對環(huán)境條件進行評估[32]。

以藻類為例， Tsopela 等[33]基于藻類設(shè)計了一種由電化學(xué)三電極微流控平臺組成的便攜式除草劑現(xiàn)場檢測裝置。利用敵草隆除草劑的存在會引起藻類光合作用的代謝活動發(fā)生紊亂，從而導(dǎo)致其產(chǎn)氧速率受到影響的特點，實現(xiàn)對除草劑的檢測。

Harguinteguy 等[34]利用狐尾藻對河流中的重金屬離子濃度進行連續(xù) 4 個月的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)狐尾藻植物體可以實現(xiàn)對重金屬離子的積累，從而提出利用該種水生植物能實現(xiàn)重金屬水體污染的早期監(jiān)測的方案；同時該課題組發(fā)現(xiàn)小眼子菜也可以用于重金屬離子的監(jiān)測[35]。

Védrine 等[36]利用小球藻設(shè)計了一種用于水中污染物檢測的光學(xué)生物傳感器。他們將小球藻微藻包裹在石英微纖維過濾器表面，通過研究除草劑對于葉綠素熒光的影響，檢測水體中甲酚、阿特拉津、西瑪津、異丙隆和敵草隆等 5 種農(nóng)藥的濃度。結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn) ＞1 μg/mL 濃度下的檢測，5 種農(nóng)藥的檢測下限分別為 5 μg/L、0.255 μg/L、0.5 μg/L、0.025 μg/L 和 0.025 μg/L。

Merko?i 等[37]以鉍作為前驅(qū)體，利用組織與鉍的結(jié)合作用，在電化學(xué)沉積鉍的過程中將蘑菇組織固定到修飾有多壁碳納米管的絲網(wǎng)印刷電極表面，得到一種苯酚傳感器。該傳感器的線性響應(yīng)范圍為 2—200 μmol/L，檢測限為 1.17 μmol/L。

1.5 微生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

微生物傳感器以微生物為識別元件，利用其在待測物下的代謝過程實現(xiàn)對待測物的檢測。微生物可以是單一菌種、菌群或者死細胞。

結(jié)合微生物實現(xiàn)水中生化需氧量（BOD）的檢測，是微生物傳感器在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的一個重要的應(yīng)用方向。生活污水與工業(yè)廢水中含有的大量有機污染物，可經(jīng)好氣菌的生物化學(xué)作用而分解，并消耗大量的溶解氧，破壞水體中氧的平衡，造成魚類及其他水生生物的缺氧死亡。由于水體中所含的有機物成分復(fù)雜，通常利用水中有機物在一定條件下所消耗的氧來間接表示水體中有機物的含量。BOD 能相對表示出可被微生物分解的有機污染物含量，符合水體自凈化的實際情況，因而在水質(zhì)評價方面更具有實際意義。國內(nèi)外采用的 BOD 檢測方法主要包括五天培養(yǎng)法、測壓法[38]、活性污泥曝氣降解法[39]、檢壓庫侖法[40]和較高溫度法[38]等，但這些方法存在測定周期長、操作復(fù)雜、不適用于現(xiàn)場監(jiān)控、無法及時反映水質(zhì)情況等缺點。

1977 年，Karube 等[41]首次將土壤中的微生物修飾在電極上測量污水中的 BOD，實現(xiàn)了 BOD 的在線快速檢測。微生物 BOD 傳感器通常由微生物菌膜和氧電極構(gòu)成，利用溶解氧電極直接檢測微生物在生物降解有機物時引起氧濃度的變化，并具有簡單、易于微型化、集成化和方便使用等優(yōu)點。此后，利用微生物檢測生化需氧量的文章被大量報道。

中科院武漢病毒所環(huán)境微生物室是我國最早從事BOD 微生物傳感器研究的機構(gòu)，張先恩等[42]于 1986 年篩選獲得了具有廣泛代謝譜和降解能力的假單胞菌作為 BOD 微生物傳感器的工作菌株，可在 15 分鐘內(nèi)完成一個樣品BOD 的測定，并適合于有毒工業(yè)污水中 BOD 的測定。該團隊 1987 年研制的智能化 BOD 儀器，可在石油化工廢水處理廠等現(xiàn)場應(yīng)用，該項目1989 年獲中科院科技進步獎三等獎，從而對 BOD 微生物傳感器的研究開發(fā)起到了重要的推動作用。

中科院長春應(yīng)化所董紹俊團隊在 BOD 微生物傳感器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面均有重要貢獻，2003 年以來該團隊發(fā)表了 20 余篇 BOD 微生物傳感器相關(guān)的論文，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了 BOD 測定儀，在長春市環(huán)境監(jiān)測中心站等地現(xiàn)場應(yīng)用。BOD 微生物傳感器的研究涉及用于微生物固定的材料和方法，如溶膠-凝膠材料[43]、有機無機雜化材料[44]、納米管[45]和石墨烯[46]等材料，同時也涉及快速檢測方法與傳感器[47]以及在線監(jiān)測系統(tǒng)[48,49]等。實現(xiàn)微生物的有效固定，提高 BOD 傳感器的穩(wěn)定性和壽命，同時縮短檢測的時間，實現(xiàn) BOD 的快速檢測和在線監(jiān)測是研究者關(guān)注的方向。

Wang 等[50]采用固定微生物細胞（IMC）珠作為識別元件測量 BOD，其與傳統(tǒng) BOD 檢測的生物敏感膜相比有效減小了傳質(zhì)阻力，提高了靈敏度和穩(wěn)定性。IMC 珠在每天 8 次檢測頻率下可保持約 70 天的生物活性，可實現(xiàn) BOD 快速測量。Liu 等[49]以鐵氰化鉀作為媒介，以碳纖維氈作為微生物固定化材料，構(gòu)建 BOD 流動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在 30 分鐘內(nèi)檢測 BOD，穩(wěn)定性達 2 個月。Hooi 等[51]利用海藻酸鈣固定微生物在超微電極上研制 BOD 檢測微生物傳感器。該傳感器利用超微電極擴散傳質(zhì)快的特點，有效縮短了響應(yīng)時間，實現(xiàn)了對 BOD 的快速檢測。Kashem 等[52]通過將酵母植入被聚乙烯-聚丙烯（PE-PP）包裹的氧敏感膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了光學(xué) BOD 生物傳感器。PE-PP 膜能夠消除環(huán)境樣品的干擾，并具有試劑用量少，測試時間短（5 分鐘）的優(yōu)點。Wang 等[53]基于磁性修飾微生物的技術(shù)制備無膜式 BOD 微生物傳感器（圖 3）。研究以枯草芽孢桿菌為代謝有機物的微生物，將四氧化三鐵納米顆粒（帶正電）吸附在枯草芽孢桿菌（帶負電）表面形成磁性微生物。利用超微電極陣列和納米鈀/還原羧基石墨烯修飾的超微電極陣列為換能器，在超微電極陣列底部設(shè)計一個磁性基底，通過磁場將磁性微生物固定在超微電極陣列表面作為敏感膜，并能通過調(diào)控外部磁場實現(xiàn)敏感膜的更新。該傳感器具有制備簡單、易更新等特點，有利于實現(xiàn) BOD 的現(xiàn)場快速檢測。

2 水質(zhì)生物傳感器的若干關(guān)鍵技術(shù)

圖3 基于磁性微生物的無膜式的生化需氧量微傳感器[53]（a）BOD 微傳感器設(shè)計圖；（b）超微電極陣列結(jié)構(gòu)與照片；（c）枯草芽孢桿菌功能化四氧化三鐵的結(jié)構(gòu)示意圖與SEM 圖；（d）特氟龍基底設(shè)計圖與實物圖；（e）BOD 微傳感器實物圖

水環(huán)境監(jiān)測傳感器的檢測對象及檢測環(huán)境復(fù)雜。發(fā)展用于現(xiàn)場、實時、在線檢測的水質(zhì)生物傳感器面臨諸多科學(xué)問題和技術(shù)難點，重點需要解決傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性，以及器件和系統(tǒng)的微小型化、低功耗、長期自治工作等關(guān)鍵問題。筆者在即將出版的著作中對相關(guān)問題作了一些具體分析①夏善紅, 周宜開, 等. 生物化學(xué)微傳感器系統(tǒng)及應(yīng)用. 北京: 科學(xué)出版社, 待出版，這里重點闡述 3 個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 基于生物材料的富集技術(shù)

對于某些毒性大、標準限值較低的污染物，直接檢測難度較大，可以采用預(yù)富集的方法，實現(xiàn)痕量檢測。常見的液相富集方法包括萃取法[54]、吸附法[55]、離子交換法[56]、膜分離法[57]和生物化學(xué)法[58]等，這些方法普遍存在設(shè)備試劑昂貴、環(huán)境不夠友好等問題[59]。近年來，隨著生物學(xué)以及生物學(xué)表征、研究方法的快速發(fā)展，以微生物吸附富集為代表的生物化學(xué)富集方法受到了廣泛關(guān)注。利用生物材料與金屬離子之間的絡(luò)合、離子交換以及物理吸附等作用，可以將生物材料作為一種吸附富集材料用于傳感器中[60-63]，例如 Fiol 等[64]將育亨樹莖和葡萄莖混合于 PVC 膜中作為生物吸附材料預(yù)富集 Hg2+。

2.2 生物傳感器的微型化

隨著微納加工技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及面向水環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的需求，水質(zhì)監(jiān)測傳感器的微型化和小型化成為發(fā)展趨勢。微納加工技術(shù)能夠促進傳感器的微型化和批量制造，有助于提升傳感器的一致性；而納米技術(shù)能夠在傳感芯片微型化的同時有效保障以及提升傳感器的靈敏度、選擇性等性能。

生物傳感器的微型化具有以下優(yōu)點[65-67]：（1）減少價格昂貴的生物功能性材料的消耗，有效降低研發(fā)成本；（2）能實現(xiàn)微量分析，檢測過程中所需配套試劑量減少，檢測過程產(chǎn)生的廢液量也隨之減少；（3）便于系統(tǒng)集成，有利于形成可用于水環(huán)境無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的生物傳感器系統(tǒng)。然而生物傳感器在微型化過程中仍然存在著諸多技術(shù)難題，包括敏感元件的集成、生物材料的固定和保持活性、待測水樣的預(yù)處理等問題。

2.3 生物敏感材料的可更新固定化方法

制備生物敏感膜所選用生物功能性材料的種類、數(shù)量、固定化方法以及代謝活性對于傳感器的性能具有重要影響。性能優(yōu)異的生物傳感器既要求將生物敏感材料限制在一定的空間且不流失，又要求保持生物的固有活性。現(xiàn)有生物傳感器中的生物敏感材料固定技術(shù)包括包埋法、吸附法、交聯(lián)法等，上述方法均在一定程度上存在降低活性、造成交聯(lián)負效應(yīng)及敏感膜不易更新等問題。

近年來出現(xiàn)了一些關(guān)于生物敏感材料可更新固定化方法的研究。筆者團隊研究了磁性功能化細胞技術(shù)用于生物傳感器的構(gòu)建[53]。磁性功能化的細胞可以富集在磁鐵溝道的周圍，通過對磁鐵溝道區(qū)域的設(shè)計實現(xiàn)細胞固定區(qū)域的圖形化，實現(xiàn)細胞在敏感表面的固定數(shù)量和質(zhì)量的提高。而當磁鐵移除后，通過適當?shù)臎_洗操作后可以進行重新固定，有效地保障了敏感膜的活性，開辟了可更新傳感器敏感膜的新方法。酵母菌和海藻等都可被四氧化三鐵納米顆粒磁性功能化，基于多中心的吸附作用，聚合物修飾的納米顆粒（帶正電）吸附在生物體（帶負電）表面，然后再將磁化酵母菌或海藻細胞固定于傳感界面上形成敏感膜，整個過程耗時短，比傳統(tǒng)方法省時、高效[68]。

3 結(jié)語

面向水環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器研究正在不斷拓展和深入，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。目前，由于生物功能材料的活性尚存在穩(wěn)定性、一致性等問題，大部分生物傳感器還難以適應(yīng)長期在線監(jiān)測的應(yīng)用需求，有待于原理、方法和技術(shù)上的進一步研究與突破。

期待生物傳感器結(jié)合微納米技術(shù)、微流控技術(shù)等新興技術(shù)有更大的創(chuàng)新發(fā)展，以實現(xiàn)體積小、響應(yīng)迅速、靈敏度高、抗干擾性強、使用壽命長的水環(huán)境監(jiān)測生物傳感器。這將對水環(huán)境和水資源的監(jiān)測和保護具有重要的意義。

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Biosensors for Water Pollution Monitoring

Xia Shanhong1Bian Chao1Sun Jizhou1Xie Yong1,2Han Mingjie1,2Xiong Chenyu1,2
（1 State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Biosensors have many applications. Biological and chemical samples can be detected by utilizing the specific recognition between biomolecules. This paper investigates and reviews the research and development of biosensors for water environment monitoring. Biosensors with different sensing mechanisms and materials, such as enzyme, immune, DNA, tissue, microorganism biosensors, as well as their applications for detecting various water pollution parameters are described.

biosensor, water pollution monitoring, enzyme, immuno, DNA, tissue, microorganism

夏善紅 中科院電子所研究員，博士生導(dǎo)師。1994 年于英國劍橋大學(xué)工程系獲得電子工程博士學(xué)位。1995 年至今，在中科院電子所工作，曾任副所長、傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室主任等職。多年從事傳感器與微系統(tǒng)技術(shù)研究。作為負責人，先后主持 20 余項國家級科研項目/課題；作為首席科學(xué)家，先后主持國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”）項目 2 項。發(fā)表論文 300 余篇，作為第一發(fā)明人獲授權(quán)發(fā)明專利 30 余項。近年來主要研究方向包括：電場傳感器、水環(huán)境監(jiān)測傳感器、微傳感集成芯片系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳感器、微納制造技術(shù)等。在電場傳感器、生物化學(xué)微傳感器系統(tǒng)等研究方向取得創(chuàng)新研究成果。E-mail: shxia@mail.ie.ac.cn

her B.Sc. degree from the Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing, China in 1983, her M.Sc. degree from the Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences (IECAS) in 1986, and her Ph.D. degree in Electrical Engineering from Cambridge University, UK, in 1994. She joined the IECAS in 1986 and worked there till 1990 when she

a Royal Fellowship from the Royal Society and went to the Engineering Department of Cambridge University, UK. Following her Ph.D. she carried out postdoctoral work at Cambridge, and returned to the IECAS in 1995. She received a Berkeley Scholarship (2002—2004) from the University of California at Berkeley, and worked as a visiting scholar at the Berkeley Sensor and Actuator Center (BSAC) for several short periods. She is now a professor at IECAS, as well as a fellow and council member of the Chinese Institute of Electronics, vice-president of the Sensor Society and council member of the China Instrument and Control Society, a member of the Standing Committee of China Micro-Nano Technology Society.She served as the General Chair and the International Steering Committee Chair at the 16th International Conference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems (Transducers’ 2011). She is a member of editorial board of several journals such as the IEEE Sensors Journal,Microsystems and Nanoengineering, etc. Her research interests include sensors and microsystems, system-on-chip, wireless sensor network,micro/nano fabrications, etc. Her recent research work mainly focuses on electric field microsensors, and integrated microsensor systems for water quality monitoring. E-mail: shxia@mail.ie.ac.cn

*資助項目：“973”計劃項目（2015CB352100）

修改稿收到日期：2017年12月2日