生物传感器在甲醛检测中探究进展

生物传感器在甲醛检测中探究进展摘要：鉴于甲醛含量检测成为目前关系人类健康和环境保护的一项越来越重要的指标，甲醛生物传感器的研究成了甲醛检测领域中热门研究方向。本文综述了现今在甲醛生物传感器研究领域的研究现状、技术应用，同时展望了未来甲醛生物传感器在技术和应用上的发展趋势。关键词：生物传感器；甲醛；研究进展Abstract:Inviewofthedetectionofformaldehydecontentbecomeanincreasinglyimportantindicatorinthehumanhealthandenvironmentalprotection,andtheresearchofformaldehydebiosensorhasbecomeafocusinthefieldofformaldehydedetectionresearch.Thispaperreviewsrecentresearchinthefieldofformaldehydebiosensor,technologyapplication,andprospectthedevelopmenttrendsofthefutureformaldehydebiosensoronthetechnologiesandapplications.Keyword：biosensor,Formaldehyde,AdvancesinResearch中图分类号：TQ326.51文献标识码：A文章编号：6 1前言随着社会经济的发展以及人们生活水平的提高，甲醛已成为当今污染监测的一项重要指标，快速准确地检测甲醛对于人类健康和环境保护具有重要意。甲醛(HCHO)是一种无色、易溶、具有强烈刺激性气味的有机污染物。目前测定甲醛的方法主要有分光光度法、电化学法、荧光法、色谱法、电化学传感器法等[1]。上述方法的主要缺陷在于需要现场采集样品，再到实验室内进行分析，不能满足快速、实时在线检测和连续检测等要求[2]。而传统的电化学传感器虽然制作简单、成本较低、产品性能稳定，但其所受干扰物质多，且电解质易与被测甲醛气体发生不可逆化学反应[3]。甲醛生物传感器是一种生物敏感部件传感器，能对特定的生物活性物质或化学物质具有高选择性和反应的分析装置。按功能区分为酶传感器、组织传感器和微生物传感器。具有特异性好、检测速度快、在线分析能力强、灵敏度高等优点[4]。2甲醛生物传感器原理甲醛生物传感器分为为酶传感器、组织传感器和微生物传感器。目前在酶传感器和为身体微生物传感器方面的研究较为深入。上述的几种传感器方式都基于甲醛脱氢酶对甲醛催化的作用。甲醛脱氢酶(formaldehydedehydrogenase,FADH,EC6 1.2.1.1)是中等锌链醇脱氢酶家族中的一员，存在于绝大多数原核以及所有的真核生物中，对生物体内的甲醛解毒具有重要作用[5]。大部分FADH都需要NAD+和谷胱甘肽(GSH)参与甲醛的氧化作用，而来自恶臭假单胞菌Pseudomonasputida)的甲醛脱氢酶(PADH)是目前发现的唯一一个不依赖GSH参与甲醛氧化的脱氢酶，在有辅因子NAD+存在时PADH可把游离甲醛直接氧化为甲酸。目前研究的甲醛生物传感器中，甲醛脱氢酶的催化机理是关键。如何检测反应过程中的电信号，如何保证能NAD+的循环存在是关键。这里介绍一种利用苯醌为介质的甲醛传感器原理。甲醛在甲醛脱氢酶（FDH）的催化下将NAD+还原为NADH，NADH进而将苯醌还原为对苯二酚，对苯二酚再夺取电极上的电子产生电流。通过对电流的测量即可检测出微量气态甲醛的浓度[6]。图1甲醛酶传感器的反应原理3甲醛生物传感器的研究3.1甲醛微生物传感器微生物传感器分为电化学型微生物传感器和生物发光型微生物传感器，电化学型微生物传感器根据测量信号的不同可分为电流型微生物电极和电位型微生物电极，又可根据微生物与底物作用原理的不同分为测定呼吸活性型微生物电极和测定代谢物质型微生物电极。6 1－塑料管，2－内充液，3－聚四氟乙烯薄膜，4－压帽，5－微生物，6－金电极，7－Ag/AgCl图2微生物电极结构示意图汤鸿雁等[7]研究了将枯草芽孢杆菌制备固定化膜，以极谱型溶解氧电极作为换能器组成微生物传感器，测试了其对甲醛的响应情况。实验表明温度为(33.5±0.5)℃、pH6.76、底液中GGA的浓度为18mg•L-1时枯草芽孢杆菌对甲醛响应最敏感，相对甲醛浓度的线性响应范围为0.005～0.2mg•mL-1。固定化菌膜的保存时间超过60天。微生物传感器技术是甲醛监测的新兴技术。目前仍有许多不足之处有待进一步研究，例如制备固定化膜存在个体差异，甲醛测试微生物传感器不够规范化等缺点，但是，随着固化技术和方法的进一步研究，其特异性和稳定性的优势会更高效的发挥出来。3.2甲醛固定化酶传感器甲醛固定化酶传感器是基于对甲醛脱氢酶作用原理研究的不断深入而出现的。目前的研究表明，甲醛在甲醛脱氢酶(FDH)的催化下生成甲酸和还原型辅酶Ⅰ(NADH)，通过检测甲醛酶催化反应中生成的NADH可以实现对甲醛的检测。利用甲醛脱氢酶催化原理检测甲醛的相关研究在近年取得了重大进展。6 Shimomura等研究了利用电化学生物传感器检测甲醛的新方法。其将甲醛脱氢酶固定化到的介孔氧化硅材料(FSM8.0和P123-M)上、介体为苯醌以及电极，研究表明该传感器检测水溶液中的甲醛低限为1.2mol/L，这种传感器表现出高灵敏度、高选择性、高重复和良好的储存稳定性的优点。YewPeiLing等[将醇氧化酶固定到改性丙烯酸酯微球上制成用于检测甲醛的生物传感器，甲醛传感器的线性范围0.3－316.2mM，灵敏度为59.41±0.66mV/（R2＝0.9776，n＝3），检测下限0.3mM，重现性3.16%。黄积涛等[8]发明了一种检测甲醛气体的酶生物传感器，它利用酶的高催化活性和高度特异性，通过微孔聚四氟乙烯膜采集，用于对痕量气态甲醛浓度的检测。甲醛在甲醛脱氢酶的催化下经NAD+和苯醌传递电极中的电子，通过电流检测可对甲醛气体的浓度进行测量。通过甲醛脱氢酶固化制作的传感器是目前研究的较多的热点，其产品类别也多种多样，目前实验室研究也正在不断的向实用性高的产品转变，随着对其研究的深入，甲醛固定化酶传感器的高特异性、响应速度将会更加快速的转化成产品中。3.3甲醛生物传感器的应用6 目前，甲醛生物传感器仍处于深入研究的阶段，各种制作方式和不同转换器结合的研究较为深入。其应用主要表现在几个方面，固定化微生物/酶――极谱型氧电极、固定化微生物/酶化酶――丝网印刷电极、固定化酶－场效应晶体管、固定化酶－QCM等方式。研究者正在尝试将甲醛生物传感器产品化，并取得了极大的进步。汤鸿雁等制作的以及极谱型氧电极为基础电极的甲醛微生物传感器；黄积涛发明的酶传感器Herschkovitz等制作的丝网印刷方式的电极等等。另外，乌克兰国家科学院生物细胞所也在开展用于甲醛检测的新型生物传感器和分析试剂盒工作，以及废水、药品中用于甲醛检测的生物和化学传感器的研究工作。6