生物传感器在环境监测中的应用研究

【摘要】现代工业、农业等产业的快速发展，促进了我国经济的实力，其在发展的过程中极为注重经济效益的追求，消耗了大量的资源，且对环境造成了严重的污染，也使得人们生活的环境给更加恶劣。近年来的雾霾则是典型的表现之一，人们也逐步认识到了环境保护的重要意义，各项环保活动正在进行中。本文简单的分析了生物传感器的基本原理、主要特点、不同类型等，并阐述了生物传感器在大气污染环境监测、水环境污染监测中的应用，包括对二氧化硫的监测、二氧化氮的监测、生物化学需氧量监测、苯酚类化合物的监测等，为开展环境监测的人员提供一定的参考与借鉴。

【关键词】生物传感器；原理；特点；分类；大气环境监测；水环境监测；应用；分析

前言

社会的进步，人类的生产活动越来越频繁，为了达到一定的经济利益，人们对于资源的消耗、利用及浪费也极大，使得资源被破坏，也严重的污染的环境，对于人们生活的环境质量、身体健康等均带来了严重的影响，需要对环境进行严厉的监控。各项技术的发展，人们对于环境监测的方式进行了深入的研究，生物传感器则是较为理想的监测方式，其是一种小型化，专一的对某种化合物及离子具有应答反应，最终形成与该化合物或者离子浓度形成一定比例的分析信号传感器，其属于特殊的化学传感器，具有诸多的有点，包括成本低、灵敏、适应性强稳定性良好等，发展潜力巨大，对其进行深入的研究与探讨也是十分有必要的。

1.生物传感器的作用原理及主要类型

生物传感器由分子识别元件及转换器构成，二者的功能、作用、特点等均有较大的区别。其中分子识别元件是感受器，其构成部分主要是生物活性物质，如蛋白质、抗体、酶、DNA、抗原、生物膜等，或者细胞、微生物、组织等生物体本身，感受器会直接监测到检测对象的各类物质，其分子识别性能较强。信号转换器本质是换能器，其是电化学或者光学检测构件，其主要作用是把生物识别事件转化为能够被检测的信号。检测对象中具有特异性的待测物和分子识别元件相遇后，会形成复合物，并产生光、热等信号，转换器则将其转化为电信号或者光信号输出，最终对其进行显示处理，便于后期的各项分析监测实验。生物传感器的的类型十分丰富，其信号检测器上的敏感物质各不一样，可以将其分为免疫传感器、基因传感器、酶传感器、组织传感器、微生物传感器、细胞器传感器等；如果按照其信号转换器的不同，则可以将其分为半导体传感器、电化学传感器、测光型传感器、测热型传感器、测声型传感器等不同类型[1]。

2.主要特点

生物传感器相较一般的环境监测手段具有较多的优势，首先其不需要对样品实施预处理，监测十分方便，简单快捷，可以进行自动分析。生物传感器一般体积较小，响应迅速，使用较少的物质即能达到检测的目的，可以实现连续在线检测。由于其敏感材料一般为固定化的生物构件，可以重复利用，节约资源。生物反应具有特异性、多样性等特点，可以制作出运用于各种物质的传感器，应用范围较为广阔，且其准确度较为理想，相对误差一般不超过1%。另外一般的环境检测仪器成本较高，而传感器和测定仪成本则较低，经济性良好，便于大规模的推广应用。

3.生物传感器在环境监测中的应用

传统的环境监测的方法主要是进行液相、气相层析，超临界流体层析等，并且于传统质谱分析法相结合，但这些方法其技术费用较高，而且对于样品的要求较高。相较而言，生物传感器法其价钱较低，而且其进行检测的速度较快，而其敏感性也使得其在不同的行业中应用较广。

3.1水环境的监测。3.1.1生物化学需氧量的检测。水体有机污染情况的程度可以在生物化学需氧量的指标上反映出来，因此需要对该项指标进行检测，传统的检测方法为5d生化需氧量标准稀释测定法，其测量的程序较多，十分复杂，需要较多的时间，且准确度不理想。1977年，Karube等人在废水处理厂污泥中的微生物进行处理并培养，研究出了胶原膜，将其与氧电极有机，从而构成生物传感器，其作用原理是生物传感器元件是微生物混合菌种或者单一的菌类，如果生物需氧量的物质出现代谢、降解或者加入等情况，微生物内外源呼吸方式即会被改变，且耦联输出的电流也会出现波动，因此传感器的输出电流值所处的环境与生物需氧量构成线性关系，能够有效的检测出生物化学需氧量，且灵敏度高，准确性好，反应迅速，能够实现水质的在线分析，适用范围广阔[2]。3.1.2苯酚类化合物的监测。近年来，人们对于电化学传感器的研究较为深入，传感器的生物敏感材料也十分丰富，包括漆酶、苯酚羟化酶、酪氨酸酶、过氧化物酶等，其中较为常见的传感器其敏感材料为酪氨酸酶。其作用是需要有分子氧作为基本条件，其可以利用酪氨酸酶对单酚类物质实施氧化处理，形成二酚，最终将其转变为苯醌类物。苯醌能可以通过电化学的方式，吸收电子，并将其转变为邻苯二酚，因此对已对苯醌类物质的形成、氧气的消耗量等进行严密的监测，从而发挥出其检测测苯酚类物质的基本功能。该类监测方式的具有较高的灵敏度，且选择性良好，是较为理想的水体监测方式[3]。

3.2大气环境的监测。3.2.1二氧化氮的监测。针对大气中二氧化氮的监测，可以将氧电极和固定化硝化细菌、多孔气体渗透膜就、有机结合起来，制作出相应的生物传感器，能够达到监测大气中二氧化氮含量的目标。其基本原理是采用亚硝酸盐作为消化细菌的能源，亚硝酸盐的量的提高，则传感器的呼吸活性也会随之提高，其在呼吸中，溶解氧浓度会有所下降，利用氧电极监测出其减少的量，而亚硝酸盐则能够简直的反映出该变化，从而表现出大气二氧化氮的含量状态，但是其也有一定的限制，大气中的二氧化氮含量需要超过0.01mmol/L才能被检测出来。如果亚硝酸盐浓度保持在0.058mmol/L以内，传感器的电流则会随着亚硝酸盐浓度的提高而增加。该类传感器的优势在于选择性良好，且能够抵抗各项干扰因素[4]。2.2.2二氧化硫的监测。对于大气中二氧化硫含量的监测可以利用氧电极与含有亚硝酸盐的肝微粒体结合形成的生物传感器。其首先测定雨水中亚硫酸盐的含量，即能够准确的反应出空气中二氧化硫的含量。传感器中的微粒体能够氧化亚硫酸盐，氧化过程还需要消耗一定量的氧气，减少了电极周边溶解氧的含量，使得传感器电流出现相应的波动，表现出亚硫酸盐的浓度情况，重现性良好，且准确度高[5]。

Cai等将乙酰胆碱酯酶固定在碳纳米管交联醋酸纤维复合材料修饰的丝网印刷电极上制得西维因传感器。所得抑制率与农药质量浓度呈线性关系，线性范围分别为0.01～0.5mg·L-1和2～20mg·L-1，检出限按抑制率为10%时的农药质量浓度计为0.004mg·L-1。Viswanathan等]将乙酰胆碱酯酶固定在聚苯胺矩阵上，再与用单链DNA包裹的碳纳米管交联制成生物传感器测定甲基对硫磷和毒死蜱。它们的线性范围为1.0×10-11～1.0×10-6mol·L-1，检出限为1.0×10-12mol·L-1。方法的稳定性和灵敏度良好。

4.总结

环境污染问题越来越严重，对人们生活产生了较大的影响，该问题也逐步成为了社会各界广泛关注话题，对于环境的监测措施在加紧开展。生物传感器是现代环境监测中常用方式之一，其能够连续、实时对环境进行准确监测，许多优势均是其他方式无法比拟的，具有较大发展潜力，但是其自身性质也决定了其存在一定的缺陷，需要深入的研究。

参考文献

[1]邹琴，李刘冬，陈培基，王霞.生物传感器在贝类毒素快速检测中的应用[J].食品科学，2009（07）：295-298.

[2]马莉萍，毛斌，刘斌，李工农，韩根亮，刘国汉.生物传感器的应用现状与发展趋势[J].传感器与微系统，2009，28（04）：1-4.

[3]严智燕，周立群.生物传感器在农药残留检测中的应用[J].农药研究与应用，2010，14（03）：6-10.

[4]庞伟，祝艳涛，蒋雯菁.传感器在大气环境监测中的应用探讨[J].资源开发与市场，2012，28（07）：583-585.

[5]许文娟，焦晨旭.生物传感器的发展应用及前景[J].化工中间体，2010（11）：15-16.

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