组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
苯扎氯铵（benzalkonium chloride, BAC）、氯贝特酸（clofibric acid）、双氯芬酸（diclofenac）、硝酸汞（mercury nitrate, Hg(NO3)2）、氧氟沙星（ofloxacin）、十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulphate, SDS）；样品基质：含待测化学物质的等渗葡萄糖-HEPES缓冲液（0.30 M葡萄糖、0.01 M HEPES，pH 7.4），讨论中按mg/kg基质折算
检测原理
固定化人U-937细胞暴露于待测化学物质1 h后，毒物作用于细胞膜、线粒体呼吸链或代谢酶，抑制细胞有氧呼吸。细胞以葡萄糖为底物进行糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化，消耗溶解氧。在开放恒温系统中，O2经琼脂糖盘和气透Teflon膜扩散至Clark氧电极Pt阴极，发生O2+2H2O+4e-→4OH-，产生与O2浓度线性相关的安培电流。空白与暴露细胞的ΔppmO2之差用于计算呼吸抑制率δ%=[1-(Δppmexp/Δppmblk)]×100。δ%随毒物浓度升高而增大，据此绘制剂量-反应曲线并提取δ50%和斜率。无HCR/RCA等放大，信号增强来自全细胞代谢耗氧与氧电极电流读出。
检测灵敏度
剂量-反应斜率（y=δ%, x=mmol/L）及R^2：氧氟沙星 y=(75.0±3.6)x-(3.1±2.7), R^2=0.995；十二烷基硫酸钠 y=(104.9±11.3)x+(2.1±4.6), R^2=0.977；氯贝特酸 y=(58.0±3.8)x+(33.3±1.2), R^2=0.991；硝酸汞 y=(252.0±9.1)x-(1.8±2.0), R^2=0.977；苯扎氯铵 y=(900.3±196.0)x+(19.1±9.6), R^2=0.914；双氯芬酸 y=(37.7±4.9)x+(49.0±3.3), R^2=0.983
效应效果
该传感器对6种环境相关化学物质均产生显著剂量依赖性呼吸抑制，暴露1 h后获得剂量-反应曲线，R^2为0.91–0.99；各剂量5次独立重复RSD<8%。未报告选择性、抗干扰和实际样品加标回收率。基于δ50%和曲线斜率的毒性排序与酵母细胞模型及LD50总体一致，但汞离子相对苯扎氯铵/双氯芬酸的排序出现反转。作者指出，氧氟沙星、氯贝特酸、双氯芬酸分别约256、62、8 ppm（mg/kg基质）即可抑制人细胞呼吸50%，硝酸汞约71 ppm达到50%抑制，提示该全细胞呼吸终点可用于环境化学物快速毒性筛查和风险评估，减少动物实验。
传感器的构成
- 换能器电极：Clark型氧电极（Pt阴极、Ag/AgCl参比阳极、环氧绝缘树脂），将O2还原电流转换为电信号
- 气体扩散膜：气透Teflon（聚四氟乙烯）膜，允许O2扩散并承载细胞盘
- 固定化细胞层：琼脂糖（agarose）圆盘包埋人U-937细胞（约20×10^6 cells/mL），作为全细胞识别与效应元件
- 细胞培养基质：RPMI 1640培养基、0.30 M葡萄糖、0.01 M HEPES缓冲液（pH 7.4），维持细胞存活并提供呼吸底物
- 机械固定件：尼龙网（nylon net）和O形圈（O-ring），将细胞盘约束在Teflon膜上
- 代谢底物：葡萄糖（glucose, 0.30 M），细胞有氧代谢底物，其氧化消耗O2并驱动信号变化
中文摘要
针对环境污染物效应生物标志物的需求，作者开发了一种基于固定化人U-937细胞的快速生物传感器，并将其应用于苯扎氯铵、氯贝特酸、双氯芬酸、硝酸汞、氧氟沙星和十二烷基硫酸钠等结构及毒理途径不同的环境相关化学物质。该传感器以细胞呼吸作为综合生化效应终点，用于毒性筛查。暴露1 h后，以分析参数ΔppmO2和毒理学指数（呼吸抑制率δ%）构建剂量-反应关系。基于δ50%和曲线陡度的毒性分级结果，与此前在酿酒酵母上优化的同类方法以及现有体内急性毒性指标进行比较。结果表明，基于人线粒体和细胞代谢活性的生物标志物所获得的毒性分级与酵母细胞结果及急性毒性指数吻合良好，证实呼吸是该生物传感器可可靠测量的毒理学终点。
英文摘要
Several functional and biochemical parameters have been proposed as biomarkers of effect of environmental pollutants. A rapid biosensor working with immobilized human U-937 cells was developed and applied to environmentally relevant chemicals with different structures and toxicological pathways, i.e. benzalkonium chloride, clofibric acid, diclofenac, mercury nitrate, ofloxacin, and sodium dodecyl sulphate. Respiration of cells was relied upon as a comprehensive biochemical effect for screening purposes. Analytical parameter (DeltappmO(2)) and toxicological index (respiratory inhibition, delta%) measured after 1h of exposure were utilized for dose-response relationship study. Results (toxicity rating scales based on delta(50)% and steepness) were compared with those obtained by the same approach previously optimized on Saccharomyces cerevisiae. The toxicity rating scale obtained by the biomarker based on human mitochondrial and cell metabolic activities compared well with previous scale obtained on yeast cells and with available in-vivo acute toxicity indexes; respiration was confirmed as toxicological endpoint reliably measurable by the biosensor.