夏善紅 邊超 孫楫舟 謝勇 韓明杰 熊晨雨

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。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。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、銀納米線等納米材料，以及微凝膠等聚合物材料。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。Wei和Feng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0.1～10000 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 d。

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。Minami等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，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。

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、乳酸脫氫酶、脲酶、葡萄糖氧化酶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，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。

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。基于抗體的免疫分析技術(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。

Guo等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。Shu等利用小鼠抗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0.4～2000 μg/L，檢測下限為0.1 μg/L。

Xing等基于免疫層析技術(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 min。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5.0～1000.0 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10～50000 pmol/L，檢測下限低至1.6 pmol/L。

Arvand和Mirroshandel等基于石墨烯/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10～10000 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，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。

以藻類為例，Tsopela等基于藻類設(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。

Védrine等利用小球藻設(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?等以鉍作為前驅(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5天培養(yǎng)法、測壓法、活性污泥曝氣降解法、檢壓庫侖法和較高溫度法等，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。

中國科學(xué)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年獲中國科學(xué)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。

中國科學(xué)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、有機無機雜化材料、納米管和石墨烯等材料，同時也涉及快速檢測方法與傳感器以及在線監(jiān)測系統(tǒng)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 d的生物活性，可實現(xiàn)BOD快速測量。Liu等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 min內(nèi)檢測BOD，穩(wěn)定性達2個月。Hooi等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 min）的優(yōu)點。Wang等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。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)

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，這里重點闡述3個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 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、吸附法、離子交換法、膜分離法和生物化學(xué)法等，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。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，例如Fiol等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：（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?，F(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。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。

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。