综述：用于环境监测的纳米材料基生物传感器：功能材料与新兴传感技术的进展

《Microchemical Journal》：Nanomaterial-based biosensors for environmental monitoring: Advances in functional materials and emerging sensing technologies

　　

纳米材料能够实现化学和微生物污染物超灵敏检测。结构-性能关系决定生物传感器的灵敏度和选择性。新兴的MXene、MOF、纳米酶和混合材料推动环境监测发展。多联检平台实现重金属和病原体的一体化监测。便携式纳米生物传感器弥合实验室分析与实时水质监测之间的鸿沟。

**引言**

淡水生态系统正承受来自快速工业化、城市化、集约化农业、采矿活动和随意废物排放的日益加剧的人为压力，导致有害污染物在水环境中持续累积[1]。环境污染物监测传统上依赖于实验室固定式仪器设备，如气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、电感耦合等离子体光谱仪和高效液相色谱仪[2]。这些技术虽然精度较高，但需要样品转运、专业操作人员以及较长的周转时间，限制了其在实时或现场决策中的适用性。基于纳米材料的生物传感器作为一种互补性替代方案应运而生，因为金纳米粒子、碳纳米材料、半导体和二维材料可在分子层面进行工程化设计，以选择性结合目标污染物，并将该结合事件转化为光信号或电信号[3]。

尽管具有高比表面积和增强的分析性能，纳米传感器在复杂环境样品中部署时仍容易受到生物污染和基质干扰的影响[4]。蛋白质、腐殖质、微生物及其他有机成分可吸附到纳米结构表面，堵塞活性传感位点，并降低固定化生物识别元件的可及性。这些基质成分还可能引发非特异性相互作用，损害分析选择性。因此，抗污染表面工程、适当的样品前处理以及在代表性环境基质中的验证，是将纳米传感器技术转化为可靠的现场可部署监测系统的必要条件[5]。图1展示了从第一代葡萄糖生物传感器到现代纳米赋能微流控平台的生物传感技术主要发展里程碑。

重金属离子如汞、铅、镉和铬即使在微量浓度下仍具有毒性，鉴于其在水生食物链中的持久性和生物累积性，它们是纳米传感器开发者最常优先针对的分析物[6]。农药残留，特别是氯吡磷和毒死蜱等有机磷类农药，具有急性神经毒性风险，推动了基于酶抑制的电化学纳米传感器设计[7]。饮用水中的病原菌、工业染料废水以及二氧化氮等气态污染物代表了纳米材料平台目前正在工程化检测的另外三大类环境危害[8]。

联合国可持续发展目标6涉及清洁水获取[9]，然而仍有超过6亿印度人每天暴露于受污染的饮用和娱乐水源中。恒河、亚穆纳河、布拉马普特拉河、克里希纳河和卡维里河等水系流域面积近300万平方公里，接收未经处理的市政污水、含重金属的工业废水、农业用地农药径流以及电站的热排放[10]。化学毒物与致病微生物的共存形成了一种复杂的多危害污染格局，使用传统分析方法难以对其进行表征[11]。

传统水质评估依赖于实验室技术，如原子吸收光谱法（AAS）[12]、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[13]以及培养依赖性微生物检测。尽管这些方法分析效率高，但它们对基础设施要求较高，耗时长，且考虑到印度广阔且水文多样的河网的高空间密度，每样品的处理成本非常高[14]。使用点或原位监测需要一种根本不同的技术途径，即将分析灵敏度与快速响应、便携性和经济性整合在一起。

纳米材料提供了弥合这一差距所需的物理化学特性。其高比表面积-体积比和易于生物偶联的特性使其成为构建能够在复杂环境基质中运行的生物传感器的理想骨架[15]。在过去十年中，印度及国际各地的研究团队报道了基于纳米材料的生物传感器，其对砷[16]和铅[17]等毒性金属实现了亚纳摩尔级的检测限，对大肠杆菌实现了单细胞灵敏度[18]，并利用紧凑型传感平台实现了多分析物同步检测。

此前的综述主要集中在个别纳米材料类别上，如金纳米粒子、MXene或金属-有机框架，而未系统地将材料选择与所针对的具体环境污染物联系起来。然而，对于检测同一环境污染物的竞争性材料平台之间的明确对比理解仍然缺乏。缺乏关注在印度这样的发展中国家部署这些传感器实际性的调查，在这些国家中，砷、农药和未经处理的污水等一组污染物同时存在且监测程度最低。本综述通过印度水生环境健康的特定背景评估了基于纳米材料的生物传感技术进展。从环境毒理学角度审视印度水体的污染格局，清晰地定义了化学和致病性污染物如何使水质恶化。调研主要纳米材料类别及其生物传感器增强机制，展示了该技术如何被整合并用于环境监测。

**章节摘要**

**已确立的生物识别元件**

化学污染物和微生物病原体的检测需要高度特异和灵敏的生物识别元件，这些元件能够选择性地结合目标分析物并在生物传感平台上引发可测量的信号[19]。传统生物识别分子，特别是抗体，数十年来主导着诊断应用；然而，它们存在若干局限性，包括生产成本高、批次间变异、在非生理条件下稳定性有限等。

**功能纳米材料**

生物传感器是一种紧凑的分析装置，利用酶、抗体、适体或核酸等生物识别元件以及物理化学转换器，将分子结合事件转化为可测量的信号[62]。自1962年Leland Clark和Champ Lyons开发葡萄糖生物传感器以来，生物传感技术领域已发展为一个价值数十亿美元的产业，涵盖临床诊断、食品安全乃至环境等领域。

**金属纳米粒子在生物传感中的应用**

金纳米粒子（AuNPs）由于其生物相容性、合成简便、表面化学多样性和光学特性，被广泛应用于生物传感技术[122]。当特定波长的辐射照射到金纳米粒子上时，其导带电子会发生振荡，这种现象称为局域表面等离子体共振（LSPR）[123]。金纳米粒子的LSPR特性取决于纳米粒子的尺寸、形状、组成以及周围环境。

**用于生物传感的碳基纳米材料**

碳纳米管，无论是单壁（SWCNTs）还是多壁（MWCNTs），都是直径约0.4-2 nm（单壁情况）或2-100 nm（多壁情况）的圆柱形石墨烯片[139][140]。具有高纵横比（定义为纳米管长度与直径之比）的碳纳米管在较低填料浓度下即可形成互联的导电通路，从而降低渗流阈值[141]。这一降低的阈值使连续的电子导电网络得以实现。

**用于生物传感的碳和半导体量子点**

碳和石墨烯量子点是尺寸可调的小（<10 nm）碳纳米粒子，具有光致发光特性[159]。与半导体量子点不同，它们无毒且可溶于水，使其在含水环境基质中的生物传感中具有很大的吸引力[160]。在特定分析物存在时，光致发光强度被淬灭或增强，从而实现具有单分子灵敏度的开-关型荧光传感器[161]。通过调节，带隙能量可以增大。

**纳米酶在生物传感中的应用**

纳米酶是能够模拟天然酶催化功能的纳米材料，最常见的包括过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性，同时避免了牛胃蛋白酶等生物酶所具有的脆弱性、成本和纯化负担[180]。除研究具有内在过氧化物酶样活性的Fe3O4纳米粒子外，该领域已扩展到包括金属、金属氧化物、碳基和金属-有机框架纳米酶。

**用于环境监测的纳米材料功能化生物传感器**

在饮用水中以等于或低于世界卫生组织10 μg L?1指南值检测无机砷，构成了一个独特的分析挑战[208]。传统阳极溶出伏安法受到As(III)氧化峰与干扰物种（特别是Cu2?和Hg2?）之间电位重叠的复杂影响[209]。纳米材料增强电极通过多种策略试图克服这些困难[210]。金纳米粒子修饰的石墨电极已实现了低检测限。

**用于一体化化学和微生物监测的多联检微流控平台**

印度水体中化学和微生物污染物的同时存在推动了多联检测平台的发展，该平台能够在单次检测中同时检测多种分析物类别[238]。通过蜡印技术在层析纸上制造的微流控纸基分析装置（μPADs）被设计为具有离散检测区域，其中装载针对多种分析物的特定生物识别元件，通过智能手机摄像头和自定义软件进行比色读出。

**用于印度环境监测的纳米材料生物传感器**

国家恒河清洁任务（NMCG）催化了多个将基于传感器的监测与实时监测相结合的试点项目[244]。便携式传感平台比传统的固定站监测提供更精细的空间分辨率，能够识别局部污染[245]。比哈尔邦印度-恒河平原的砷病流行地下水为使用点生物传感器的部署提供了一个引人注目的应用领域，可由卫生工作者和社区。

**决定生物传感器性能的结构-性能关系**

基于纳米材料的生物传感器的分析性能不仅由传感材料的化学成分决定，还取决于其结构和物理化学特性。结晶度、晶格缺陷、晶界、粒径、纵横比、暴露的晶面、Zeta电位、表面能、电导率和带隙等参数共同调节电子传输、催化活性、生物分子固定化和信号。

**下一代生物传感器的未来材料**

近期纳米材料-生物传感器研究越来越多地强调人工智能辅助数据分析和物联网连接，通常与成熟的传感材料并行。同样重要的前沿领域在于下一代功能材料的开发，包括自愈合复合材料、可生物降解和瞬态电子器件、可打印和柔性纳米复合材料、MXene异质结构、单原子纳米酶、量子材料、混合二维。

**将纳米生物传感器从实验室研究推进到现实世界水质监测**

尽管实验室性能取得了显著进步，但在纳米材料生物传感器能够被广泛用于常规水生环境监测之前，仍必须克服若干技术挑战[319]。样品复杂性是最大障碍，自然水样中天然有机物的共存、高离子强度、悬浮沉积物以及多种竞争分析物物种可能导致非特异性结合、电极污染和光学干扰。

**纳米材料在生物传感器开发中的挑战与局限**

前述讨论强调了纳米材料为生物传感性能带来的优势，尤其是在环境监测方面。这些优势被一组局限性所制衡，包括氧化、毒性、团聚、可重复性差、表面污染、长期稳定性有限以及制造差异，这些局限性在不同材料类别中严重程度和机制各异。

银纳米粒子在化学活性方面比金纳米粒子显著更高。

**结论**

基于纳米材料的生物传感器已发展成为环境监控中有前景的分析平台，它将超常的灵敏度、选择性、快速响应和便携性整合于紧凑型传感装置中。碳纳米材料、金属纳米粒子、量子点、MXene、纳米酶和混合纳米结构各自提供了独特的物理化学优势，增强了电化学、光学和压电生物传感性能。这些材料共同实现了。

**AI使用声明**

在本文撰写过程中，作者使用ChatGPT协助进行语言编辑、语法校正和文本清晰度改善。所有科学内容均由作者审阅、修订和验证，作者对最终稿件内容承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Prerna Sutar：初稿撰写。Divya Tripathi：可视化、指导、项目管理。Dipak Maity：审阅与编辑、指导。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

作者感谢UPES（德哈拉敦分校）为PS提供博士奖学金。

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