大肠杆菌全细胞荧光生物传感器对Pb2 离子的响应特征(文献综述)
- 环境中的铅污染
铅是一种金属化学元素，其化学符号是Pb，原子序数为82，是原子量最大的非放射性元素。铅是柔软和延展性强的弱金属，有毒，也是重金属。铅原本的颜色为青白色，在空气中表面很快被一层暗灰色的氧化物覆盖。可用于建筑、铅酸蓄电池、弹头、炮弹、焊接物料、钓鱼用具、渔业用具、防辐射物料、奖杯和部份合金。金属铅在空气中受到氧、水和二氧化碳作用，其表面会很快氧化生成保护薄膜；在加热下，铅能很快与氧、硫、卤素化合；铅与冷盐酸、冷硫酸几乎不起作用，能与热或浓盐酸、硫酸反应；铅与稀硝酸反应，但与浓硝酸不反应；铅能缓慢溶于强碱性溶液。
铅为人类带来了许多的便利和好处，同时也带来了许多的问题。常见的问题就是铅污染。铅污染是指以铅为主要污染物对环境造成破坏的现象。胃疼，头痛，颤抖，神经性烦躁，在最严重的情况下，可能人事不醒，直至死亡。在很低的浓度下，铅的慢性长期健康效应表现为：影响大脑和神经系统，这些都是铅对人类的危害。铅的精确检测对控制环境污染和减少对健康的危害有着重要意义。在所有已知毒性物质中，书上记载最多的是铅。古书上就有记录认为用铅管输送饮用水有危险性。公众接触铅有许多途径。公众主要关心石油产品中含铅问题。颜料含铅，特别是一些老牌号的颜料含铅较高，已经造成许多死亡事件，因此有的国家特别制定了环境标准规定颜料中铅的含量应控制在600PPM之内。有的国家还没有制定出标准，但是市场出售高铅含量颜料时贴出标签警示用户。食品中也发现铅的残留，或是空气中的铅降下污染食物，或是罐头皮的铅污染罐头食品。铅的另外一个重要来源是铅管。几十年以前建筑住宅时用铅管或铅衬里管道，夏天的天然冰箱也用铅衬里，这些年已经禁用，改用塑料或其它材料。一般饮用水中铅含量的安全界限是100微克/升，而最高可接受水平是50微克/升。后来又进一步规定自来水中可接受的铅最大浓度为50微克/升（0.05毫克/升）。此外，为了研究铅对人体健康的影响，科学家着手检测人体血样的铅浓度，作为是否铅中毒的先期指标。数据表明：如果饮用水接近50微克/升，那么该病人血样的铅浓度约在30微克/升以上[1]。吃奶的婴儿要求应该更为严格，平均血铅浓度要不超过10--15微克/升。水厂处理水过程中可能加入钙和重碳酸盐以保持水呈碱性，继而减少水对输水管道的腐蚀，这个过程会带来新的风险。但是腐蚀问题很复杂，不是如此这般所能解决的，应该总体净化，但又价格昂贵。许多化学品在环境中滞留一段时间后可能降解为无害的最终化合物，但是铅无法再降解，一旦排入环境，很长时间仍然保持其毒性。由于铅在环境中的长期持久性，又对许多生命组织有较强的潜在性毒性，所以铅一直被列入强污染物范围。
- 化学传感器
化学传感器(Chemical Sensor)是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。类比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官。但并不是单纯的人体器官的模拟，还能感受人的器官不能感受的某些物质，如H2、CO。化学传感器用于化学测量，常用于生产流程分析和环境污染监测，并在矿产资源的探测、气象观测和遥测、工业自动化、医学上远距离诊断和实时监测、农业上生鲜保存和鱼群探测、防盗、安全报警和节能等各方面都有重要的应用[2]。
最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作[3]。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。
气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。
- 生物传感器
生物传感器，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统[4]。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
全细胞生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器[5]。
- 环境中Pb2 的检测
多年的研究开发出了各种检测铅的常规技术手段及装置，并且具有很好的灵敏性，如原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法等[6]，但是这些检测手段和装置的使用有很大的局限性并花费昂贵，不能测定铅污染物的生物可利用浓度，同时需要培训专业人员来操作相关仪器设备。全细胞生物传感器是以完整活细胞作为生物材料来专一性识别待分析物并产生相应的生物信号。利用微生物传感器对环境中铅毒性检测的方法，具有成本低、易操作、结果直观等优点。特异微生物全细胞传感器的微生物细胞含有一个由特异调控蛋白基因和报告基因组成的重组质粒． 当重金属离子进入到胞内后，重组质粒或宿主染色体 DNA 编码的转录调控蛋白通过正调控或负调控被重金属离子特异激活，从而与启动子绑定或从启动子上脱落激活(“turn on”)启动子，进而调控下游报告基因表达，产生可检测的信号． 这种信号的变化强度和重金属诱导物的浓是相关的，转录调控蛋白对重金属离子的识别能力和绑定能力决定着微生物全细胞传感器的检测特异性和灵敏度[7]。
- 全细胞生物传感器检测重金属离子
目前已经报道的砷检测微生物传感器，大都是利用细菌体内本身的砷耐受操纵子，如转录调控因子ArsR 来控制报告基因的表达来响应亚砷酸盐。Stocker 等构建了带有两个启动子的位点的检测元件，降低了报告基因的本底表达，改善砷反应生物传感器的灵敏度.[8] 目前检测水体重金属污染物主要为物理化学方法，如：原子吸收分光光度法 (AAS)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 等，这些方法虽然具备高灵敏度、高精确度、低检测限，但是均需要用仪器设备、专业操作人员，操作复杂、样品分析周期长、不易在基层和现场应用，难以实现便捷、快速等要求。20 世纪70 年代以来，微生物传感器为环境中重金属的检测提供诸多便利，但是特异性差、灵敏度不高一直是限制其广泛应用的瓶颈问题，也是研究人
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