生物传感器应用

生物传感器在环境监测中的应用

摘要：

生物传感器以其方便快捷、灵敏度高、选择性好等优点，已然成为了各个学科中不可或缺的测试仪器。其广泛应用于食品工业、发酵工业、医学、环境监测等各个领域。在环境领域，生物传感器以又应用于水质、大气等介质中的各种污染物的检测，已经是日常监测中不可替代的分析仪器。本文对生物传感器在环境监测的应用进行综述。未来，生物传感器会越来越灵敏、越来越方便快捷，将会大大提高环境监测人员的工作效率。

关键词：生物传感器，污染物监测，环境监测。

1.生物传感器简介：

生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转化为电信号进行监测的仪器。一般由需要以下几个部位组成：识别元件、理化换能器、信号放大器以及分析系统等。识别元件一般由固定化的生物敏感材料制成，这些材料可以是酶、抗体、抗原、细胞、核酸、组织、微生物等物质；适当的理化换能器，如氧电极、光敏管等可以制成换能器，这是将一些物质浓度转化为电信号的关键；而信号放大装置的作用就是将电信号放大，然后方便信号接收进而给分析系统进行分析。生物传感器是一种将信息学、生物芯片、计算机等学科融合交叉的科学产物，是科技发展的过程必不可少的先进的检测装置。从第一支生物酶传感器的研制后，生物传感器以其高选择性、体积小、方便携带、实时监测、环境污染小、高灵敏度和连续测定等优点，在生物科学、环境科学、食品科学等领域皆有十分广阔的探索价值和应用前景[1]。

生物传感器有许多种分类方式:根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、组织传感器和微生物传感器等；根据检测原理，生物传感器可分光学生物传感器、电化学生物传感器及压电生物

传感器等；按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型2种；此外，还可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等[2]。

2.生物传感器在环境领域的应用

传统的监测方法一般都是采用离线的检测方法，这些方法一般都不能在线分析，且操作复杂，仪器昂贵。所以随着检测要求的提高和科技的进步，生物传感器应运而生，尤其是该仪器能提供在线、快速的现场监测能力而发挥着重要的作用。一般，生物传感器能对以下指标进行测定：

2.1水质监测

生化需氧量（BOD）作为衡量水体中能被生物所降解的有机物含量，在环境监测中起着关键的作用。BOD 的传统测定方法不仅耗时长、方法还比较复杂，操作比较繁琐，准确度还不能满足实际检测的要求，并且不能在线检测。而BOD传感器具有快速、灵敏、可在线监测的特点，能满足实际监测的要求。1977年Karube等人[3]首次将丝孢酵母菌固定在纤维素膜上，利用BOD传感器测定水中BOD以来，这个技术就开始了他的发展，并且十分迅速。现在，研究人员已经制成了可以对BOD在线监测的传感器，不仅方便携带，还能快速测定。

当然，生物传感器还广泛的用于水中酚、三氯乙烯、硝酸盐等污染物的测定。对三氯乙烯的测定一般采用固定在氯离子电极上的假单胞菌来实时监测水中的三氯乙烯，这种方法同样有着测定时间短、实时监测等优点。而在检测水中NO2-时，根据微生物所制成的传感器，能在3min的时间内完成监测，检测灵敏度在1μmol/L。

张慧珠[4]以水相中2,4-二氯酚为目标污染物，采用装载有固定化漆酶的酶柱作为反应器的量热式生物传感器（ET）对其进行检测。分别考察了可控多孔玻璃珠（CPG）、介孔分子筛SBA-15和硅胶作为漆酶固定化载体的检测效果，结果表明CPG 为三者之中效果最好的酶固定化载体；色谱测定得到的结果与ET所得结果基本一致，量热式生物传感器可较好的用于水中2,4-二氯酚的检测。

硝酸根离子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。一种整体化酶功能场效应管装置检测硝酸根离子的方法。该装置对硝

酸根离子的检测极限为7x10的负5次方mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。

苯酚是一种重要的环境污染物质。在习霞等人的研究[5]中，他们用壳聚糖/SiO2杂化膜对络氨酸酶进行固定，从而制备一种苯酚传感器，研究该传感器对苯酚的响应，并针对pH进行优化。结果表明该仪器对苯酚的检出限为4.0×10-9mol/L。使用3周后仍有75%的活性。8次测样的标准偏差为3.2%。表明该团队制作的酶传感器完全可以用于测定实际水样中的苯酚。

2.2大气监测

生物传感器同样可以用来监测大气中的一些气体污染物，像CO2, NO x, NH3及CH4等等气体的监测都有研究。用地衣组织研制了一种传感器，有望针对大气、水和油等物质中苯的浓度进行实时监测。而用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器，可测定样品中亚硝酸盐的含量，以此推知空气中NO x的含量，其检测极限可以达到为1 ×10 -8 mol/L。

二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。而针对二氧化硫设计的传感器则是将亚细胞类脂类（含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体）固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，10min可以得到稳定的测试结果。

2.3垃圾渗滤液毒性监测

王学江[6]基于CellSense生物传感器对垃圾渗滤液毒性进行了监测。这种传感器的工作原理是固定在传感器工作电极表面微生物额呼吸作用产生的电子通过电子氧化还原作用实现在微生物细胞额电机表面的传递。从而形成电流。当毒性污染物存在时，微生物呼吸作用受到抑制，从而引起电流的变化，故可以根据电流的变化来反应毒性的大小。其制备的E.coli型传感器能有效地反应水质的综合毒性变化。

2.4有机农药的监测

在高慧丽等人的研究[7]中，他们的研究团队用溶胶-凝胶法固定乙酰胆碱脂酶生物传感器。这种传感器的原理主要是利用乙酰胆碱酯酶能选择性的催化底物，且这种催化的活性能被有机磷农药所抑制。故而这种传感器能有效的测定有机磷农药的含量。这种方法会受到pH等因素的影响。

出于同样的目的，孙春燕等人的研究[8]用AuNPs/Sol-gel复合膜固定乙酰胆碱酯酶来制备生物传感器用于有机磷农药的测定。可以看出，这种方法与高慧丽等人的研究主要差别在固定乙酰胆碱酯酶方法。这种方法的检测检出限为0.02μg/ml。