生物传感器综述

生物传感器课程论文生物传感器课程论文 论文题目 论文题目 生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展 专专 业 业 分 析 化 学 姓姓 名 名 雷 杰 学学 号 号 12015130529 指导教师 指导教师 晋 晓 勇 时时 间 间 2015 年 10 月 23 日 生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要摘要 生物传感器作为一类新兴传感器 它是以生物分子敏感元件 将化学信号 热信号 光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出 从而得到检测 结果 文章综述了生物传感器在环境监测 包括水环境 大气环境等领域的应用 和最新进展 并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向 关键词 关键词 生物传感器技术 环境分析检测 0 前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科 它涉及到生 物化学 电化学等多个基础学科 就目前生物传感器研究的历史阶段 它仍然 处于十分活跃的研究阶段 生物传感器的研究逐渐变得专业化 微型化 集成 化 也有一些生物相容的生物传感器 生物可控和智能化的传感器制成 1 基 于生物传感器的基本结构和性能 从它的选择性 稳定性 灵敏度和传感器系 统的集成化发展的特点和趋势 科研人员主要研究生物传感器在医疗 食品工业 和环境监测等方面 它的发展对生产生活都有极大影响 尤其是生物传感器专 一性好 易操作 设备简单 可现场检测 便携式 测量快速准确 适用范围 广 从而深受研究者的青睐 本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析 与检测方面的应用研究 从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴 1 生物传感器技术 1 1 生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成 生物识别部分是由 具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成 包括细胞 生物素 酶 抗体及 核酸 信号分析部分通常叫换能器 它们的工作原理一般是根据物质电化学 光学 质量 热量 磁性等 物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反 应的信号转变成易检测 量化的另一种信号 比如电信号 焚光信号等 再经 过信号读取设备的转换过程 最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数 据 2 生物传感器识别和检测待测物的工作原理 首先 待测物分子与识别元素 接触 然后 识别元素把待测物分子从样品中分离出来 接着 转换器将识别 反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号 最后 使用现代分析仪器对 输出的信号进行相应的转换 将输出信号转化为可识别的信号 生物传感器的 各个部分包括分析装置 仪器和系统也由此构成 生物传感器中的识别元素决 定了传感器的特异性 是生物定性识别的决定因素 识别元素与待测分子的亲 合力 以及换能器和检测仪表的精密度 在很大程度上决定了传感器的灵敏度 和响应速度 1 2 生物传感器的分类 生物传感器的分类方法有很多种 按照其感受器中所采用的生命物质分为 微生物传感器 免疫传感器 组织传感器 细胞传感器 酶传感器 DNA 传感 器等 按照传感器器件检测的原理分为 热敏生物传感器 场效应管生物传感器 压电生物传感器 光学生物传感器声 波道生物传感器 酶电极生物传感器 介体生物传感器等 按照生物敏感物质相互作用类型分为 亲和型和代谢型两 种 目前 国内外在环境监测中常用的传感器主要有酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 DNA 传感器这 4 种生物传感器 3 2 生物传感器技术在环境检测中的应用 近年来 工 农业的快速发展使环境中有害物质的含量大大增加 这些有 害物质大致可分为有毒气体 工业废水 重金属污染等 而这些毒物会大大影 响人类的生存环境 还有很大一部分环境毒物的产生是由于环境污染间接造成 的 比如人类大量污水的排放使海水中氮 磷等营养物质的含量突然增加 造 成海水 富营养化 浮游藻类就会在短时间内迅速繁殖 有些浮游藻类是产毒 藻 被海洋中的贝类食用后在贝类的消化腺中累积 最后被人类食用 这些毒 素会对人类的健康造成严重的威胁 因此对环境毒物的快速 便携 高灵敏度 检测是我们所要关注环境监测的重点之一 国家标准中环境毒物的分析检测方 法一般有液相质谱联用法 气相色谱法 液相质谱联用法 分光分度计法 但 这些方法操作复杂 设备庞大 不适用于现场检测 4 而生物传感器结合了生 物分子的特异性 选择性以及电化学分析的高灵敏度 仪器便携和成本低等优 点 被广泛应用于环境监测领域 本文主要综述生物传感器技术在不同环境检 测研究对象中所应用的技术方法及原理 为以后从事改善环境污染的研究人员 提供相关参考资料 2 1 生物传感器技术针对大气污染方面的研究进展 根据查阅相关文献 目前研究者主要采用的是从大量的废气 烟尘排入大 气中 利用生物传感技术来测定大气中的 CO2 NOx SO2等的含量及浓度等 Suzuki 等研究出一种 CO2生物传感器主要是利用半导体技术 使用更加方便 5 鲁中明等研究开发了一种 CO2光纤化学传感器 具有体积小能耗低的特点 适宜现场长期自动监测 在 0 194 ppm 的 CO2浓度范围内 其最佳精度为 1 21 ppm 响应时间 99 约为 2min 6 氮氧化物是空气污染物的重要成 份 主要有 NO 和 NO2 NO2反应最强 是光化学烟雾的主要造成因素 Charlesp 等用固定化硝化细菌 多孔渗透膜 氧电极组成微生物传感器 能够 间接测定空气中 NOx 的浓度 其检出限为 1 10 8mol L 7 SO2是酸雨 酸雾形成的主要因素 传统的检测方法较为复杂 Carballor 等制备的传感器 使用了制作方法简单 制备成本低的聚卟啉合镍配合物修饰玻碳电极 与流动 注射分析技术结合使用 对 SO2含量的检测快速而有效 可使检出限达 0 15 mg L 8 甲醛也是一种大气污染物 特别是装饰材料的使用 直接影响到我们的 居住环境 对健康的危害更为隐性 祝艳涛等综合分析了国内外甲醛气体传感 器的研究现状的基础 综述了测定甲醛的金属氧化物传感器 声表面波传感器 电化学传感器 基于化学发光的传感器的特性 并指出了甲醛气体传感器存在 的问题 对其发展趋势进行了预测 9 2 2 生物传感器技术针对工业废水监测方面的研究进展 生化需氧量 BOD 是监测水体中有机物污染程度的最常用测定指标 传统 的测定方法要在实验室进行 5d 的培养期 费时费力 重复性差 而 BOD 生 物传感器可在 10 15min 检测出 BOD 值 可对水质状况在线监测 3 S Jouanneau 等综述了测定 BOD 多种方法 认为生物传感器测定是耗时最少的方 式 但市场化使用少 10 生物传感器国外已有商品化的生物传感器快速 BOD 测定仪 产品较为昂贵 并且性能不够稳定 需要进一步提高仪器的准确性和 稳定性 Ju 等使用生物传感器分析检测水体中的微囊藻毒素 该研究小组将微囊藻毒素 固定于碳纳米突簇制备成的电极表面 抗体与微囊藻毒素之间发生免疫反应导 致抗体结合到电极表面引起电化学信号发生改变 以此实现微囊藻毒素的检测 生物传感器还用来测定水体中酚类和表面活性剂的浓度 有研究人员将探针和 可潜水的生物传感器上的灵敏电流计相连 并将镉氨酸酶和漆酶固定在碳纤维 传导器上 通过对电流计输出读数的分析 而对酶产物进行分析 这种生物传 感器可用于测定大规模的酚类化合物浓度 11 白志辉等用硫化物杆菌制成的 硫化物传感器 可用于对工业废水 生活污水等基体复杂样品中的硫化物进行 测定 Heitzer 等人研制成了一种光学全细胞生物传感器 以对废水中含有的 萘和水杨酸盐的生物利用率以及微生物分解活力进行连续的在线监控 主要利 用了一种经基因工程改造的荧光假单胞菌指示菌 它在一定条件下暴露于萘和 水杨酸盐中将导致生物发光剧增 于萘和水杨酸盐的浓度决定了指示菌的响应 强度和时间 此外 生物传感器还可以用于水处理设备的一部分 提高监测效 率 研究人员研制的一种新型 pH 生物传感器 已发展起来用于监测生活污水 的卫生状况 主要是基于细菌对葡萄糖的新陈代谢作用 在 37 的温度下 利用肠细菌的生长状况来监测 pH 值 该传感器可以作为水处理装置的终端 适用于在线检测 完整的预警系统 对于水污染的监测具有重要意义 这样的 系统可以对水中的污染物进行检测 分析 信号传输 报警 生物传感器结合 报警系统可以实现实时 连续 快速的预警 Shi H 等人研制的全自动在线光 生物传感器系统 AOBS 可实现对微囊藻毒素 L MC L 的持续 实 时监测 并具有高度敏感和特异性 并应用于太湖 MC L 含量的长期 持 续测定和预警 12 生物传感细胞 ADp1 pwhlux 在水环境急性毒性检测中的应用针对天然发光菌和以模式微生物为宿主构建的 生物传感细胞在急性毒性检测应用中对测试条件要求苛刻等适用性问题 ADp1 pwhlux 株基因工程构建的生物传感细胞不动杆菌 ADp1 pwhlux 应用于急性毒性 检测 结果表明 ADp1 pwhlux 发光受急性毒物的抑制袁毒物剂量与发光抑制存在 剂量效应关系 13 2 3 生物传感器技术针对重金属污染方面的研究进展 重金属离子作为一个总体 从原则上讲 可以被任何具有 SH 催化基团的 酶加以检测 重金属离子和硫醇基的结合会使酶的催化活性降低 Gayet 等筛 选出了许多适合对金属离子进行检测的氧化酶 这些酶用戊二醛固定在膜的表 面 然后将膜放置在溶解氧传感器上面做成探头 可以用来测定重金属离子的 浓度 研究发现用这种探头可以测定 Hg 和 Ag 以用丙酮酸氧化酶制成的 生物传感器 为例 当溶液中 HgCl2的浓度为 1 0 m 或者 Ag2NO3的浓度为 0 1 m 时 响 应基线会降低 50 酶活性降低 50 当这种酶生物传感器的酶失活时 可 以用 10mm 的 EDTA 进行清洗再生 从而实现这种传感器的重复使用 14 并且 重金属污染能通过生物富集作用对动植物及人类产生危害 发光微生物传感器 是近年来生物毒性测试中研究最多 最受关注的微生物传感器之一 Wang 等 15 采用嗜冷杆菌 Psychrobacter sp 微生物传感器毒性分析系统 对环境中 Hg2 Cu2 Zn2 Cr6 Cd2 Pb2 Co2 等重金属和邻氯苯酚 2 CP 2 4 二氯酚 2 4 DCP 邻硝基酚 2 NP 对硝基酚 4 NP 四环素 十二烷基 苯磺酸钠 LAS 等有机物的生物急性毒性进行分析 试验结果表明 基于对数 生长后期和稳定期的嗜冷杆菌微生物传感器具有良好的毒性分析性能 有关文 献报到重金属离子与 DNA 之间都会发生相互作用 从而对 DNA 造成损伤 影响 DNA 的正常复制和表达 基于重金属离子与 DNA 相互作用 研究者开发了很多 用于重金属检测的电化学 DNA 传感器 Wong 将一段寡核昔酸链固定在金电极上 溶液中的 Cd2 富集在 DNA 链上 最后通过欠电位沉积法检测 Cd2 的含量 17 Oliveira 利用铅离子导致 DNA 交联的特性设计了电化学 DNA 传感器实现了环境 中铅离子含量的检测 18 19 铅离子介导的 DNA 交联影响了电化学信号的传导 使信号下降 变化的程度与铅离子浓度成比例 3 生物传感器在环境中的检测展望 未来一段时期 生物传感器的研究工作将主要围绕 生物传感器要由单一 功能向多功能转变 一个传感器集合多种污染物的检测功能 利用基因工程技 术构建高效的目标菌株 以提高效率和稳定性 解决生物响应的稳定性和生物 传感器的微型化 便携式等问题 提高信号检测器的使用寿命 选择活性强 选择性高的生物传感元件 微型化生物传感器与其它分析仪器 信号终端的集 成化 建立高效的生物传感系统 提高预警效率 此外 应用生物传感器得到 的检测结果必须得到权威的认可 才可能大规模的应用实际中 20 通过这些努 力 最终逐步市场化和商品化 随着环境保护和其他相关学科技术的发展 生 物传感器技术也将发展的更加成熟 不用多久 新一代高灵敏度 低成本 高 稳定性等众多优势的生物传感器将在环境监测领域 将发挥更大的作用 参考文献 1 于兆林 生物传感器 M 1 版 上海 上海远东出版社 1992 1 2 2 Depagne C Roux C Coradin T How to design cell based biosensors using thesol gel process J Anal Bioanal Chem 2011 400 4 965 976 3 俞卫忠 陈建 生物传感器及其在环境监测中的应用 J 污染防治技术 2014 02 66 68 72 4 曹淑超 生物传感器在环境监测中的应用 J 能源环境保护 2015 02 59 62 5 罗鸿斌 生物传感器在环境监测中的应用进展 J 东莞理工学院学报 2014 05 78 82 6 鲁中明 戴民汉 许昆明 等 一种光纤化学二氧化碳传感器的研制 J 高 技术通讯 2003 11 B38 43 7 Charles P T Gauger P Patterson Jr C H et al On site Immunoanalysis of Nitrate and Nitroaromatic Compounds in Groundwater J Environ Sci Technol 2000 34 21 464 4650 8 Carballor Dall V C Balbo A L et al Sensors and Actuatprs B J Chemical 2003 88 155 161 9 祝艳涛 方正 罗建波 等 中国测试技术 J 2008 34 1 100 104 10 S Jouanneau a L ecoules b c M J Durand a et al Thouand Methods for assessing biochemical oxygen demand BOD A review J Water es 2014 1 49 62 82 11 Shi H Song B Long F et al Automated online optical biosensing system for continuous real time determination of microcystin L withhigh sensitivity and specificity Early warning for cyanotoxin risk in drinking water sources J Environ Sci Technol 2013 47 4434 4441 12 罗鸿斌 生物传感器在环境监测中的应用进展 J 东莞理工学院学报 2014 05 78 82 13 周慧 生物传感细胞 ADp1 pwhlux 在水环境急性毒性检测 J 环境科学 2015 9 14 李青 丁世刚 生物传感器在环境监测中的应用 J 能源与环境 2015 02 78 79 81 15 X Tang T Zhang B