電化學(xué)檢測在環(huán)境監(jiān)測及分析中的運(yùn)用

(廣東省測試分析研究所/中國廣州分析測試中心/ 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070)

電化學(xué)檢測在環(huán)境監(jiān)測及分析中的運(yùn)用

梁迪思郭杰煌陳嘯天侯軍沛

(廣東省測試分析研究所/中國廣州分析測試中心/ 廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070)

隨著當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們在追求物質(zhì)生活的同時更加需要精神上的滿足，生活環(huán)境的質(zhì)量決定了人們的生活質(zhì)量，而當(dāng)前各方面存在的污染源也在一定程度上威脅著人們的生活健康。因此，環(huán)境監(jiān)測的力度和效果越來越被人們重視。電化學(xué)檢測在近年來經(jīng)過大量的研究后獲得了人們的認(rèn)可。本文介紹了生物電化學(xué)的研究，其中主要有生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學(xué)等，并闡述了當(dāng)前電化學(xué)檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀，其中包括生物電化學(xué)傳感器、生物芯片、生物電化學(xué)反應(yīng)器，分析當(dāng)前的發(fā)展情況，探索如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境的在線檢測；闡述基因技術(shù)的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用，并分析未來的發(fā)展。

電化學(xué)檢測；環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用；分析

目前我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)正處于迅速發(fā)展的趨勢，在提升了我國整體經(jīng)濟(jì)的同時也產(chǎn)生了一定的有機(jī)和無機(jī)污染物，對生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的危害。從當(dāng)前來看，環(huán)境保護(hù)問題已經(jīng)成為一個國家發(fā)展的重要問題，是我國以及全世界均重點(diǎn)關(guān)注的問題，對環(huán)境監(jiān)測的目標(biāo)和要求也越來越高，如何實(shí)時、準(zhǔn)確、原位監(jiān)測環(huán)境污染物，并強(qiáng)化分析測試方法的有效性、靈敏性以及便攜性，是環(huán)境監(jiān)測的重要所在。對于污染物的分析以及監(jiān)測中，常用的方法主要有液相色譜法、氣-質(zhì)連用法、氣相色譜法以及理化分析法等，這些監(jiān)測方式的操作過程較為復(fù)雜，使用的試劑量較大，無法實(shí)現(xiàn)環(huán)境現(xiàn)場的監(jiān)測。

電化學(xué)檢測在近年來經(jīng)過大量的研究后獲得了人們的認(rèn)可。本文擬從生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學(xué)等方面介紹生物電化學(xué)的研究，并闡述當(dāng)前電化學(xué)檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀，其中包括生物電化學(xué)傳感器、生物芯片、生物電化學(xué)反應(yīng)器，分析當(dāng)前發(fā)展情況，探索如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境的在線檢測；最后分析基因技術(shù)的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用以及生物電化學(xué)檢測的未來發(fā)展前景。

1 生物電化學(xué)的研究領(lǐng)域分析

有些研究學(xué)者提出，生物電化學(xué)的研究領(lǐng)略主要是由于生物系統(tǒng)的荷電粒子過程，產(chǎn)生的電化學(xué)現(xiàn)象，也就是采用電化學(xué)的理論、原理以及相關(guān)技術(shù)來講述生物學(xué)情況。從世界生物電化學(xué)的眾多研究分析，其研究領(lǐng)域可以分為一下幾點(diǎn)：①生物體系和生物界面模擬：如SAM膜模擬生物膜電化學(xué)研究，主要是研究生物體系、生物界面的電位來源以及定量描述，可比較深入的分析生物界的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及生命活動等過程，包括生物分析的電位、生物膜的跨膜電位、生物分析界面結(jié)構(gòu)以及界面電位；②生物分子的電化學(xué)研究：如細(xì)胞色素C的電化學(xué)研究，是對生物分子的生活活動的作用、變化進(jìn)行模擬研究，包括NDA在電極上的固定化和電化學(xué)標(biāo)記，電脈沖基因的導(dǎo)入；③生物電催化：如酶的固定化，主要則是研究酶對生物體系中電化學(xué)反應(yīng)中的催化反應(yīng)，包括酶固定化的方法，酶的結(jié)構(gòu)以及性能，酶促反應(yīng)同電化學(xué)的關(guān)聯(lián)，以及酶電催化；④光合作用模擬：如細(xì)菌和光合作用、葉綠素的電化學(xué)，對光合作用的模擬主要使用的則是電化學(xué)系統(tǒng)，包括光合氧的來源、二氧化碳的合并以及還原方式，初級電荷的分離等；⑤活組織電化學(xué)：如細(xì)胞電泳檢測腫瘤細(xì)胞，同樣是采用電化學(xué)技術(shù)，同時還應(yīng)用于點(diǎn)打孔基因攝取以及細(xì)胞電融合等方面；⑥電化學(xué)生物傳感器：主要則是參與電化學(xué)生物傳感器的研制以及使用，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為速度快、操作方便、選擇性高，不僅可運(yùn)用與環(huán)境監(jiān)測以及分析，同時可在食品工業(yè)、臨床監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等方面運(yùn)用。

2 生物電化學(xué)在環(huán)境監(jiān)測和分析中的運(yùn)用

2.1 生物傳感器

隨著近年來的研究，電化學(xué)檢測方法不斷深入，電化學(xué)生物傳感器的使用也越來越廣泛，作為一種結(jié)合多種學(xué)科的現(xiàn)代化技術(shù)，電化學(xué)生物傳感器在使用中會充分發(fā)揮生物分析的特異性，具有較高的靈敏度以及穩(wěn)定性、選擇性，且能夠有效重現(xiàn)，成本使用較低，是目前環(huán)境監(jiān)測中的有效方式。生物傳感器的組成有生物敏感元件、物理元件，其原理主要是生物敏感元件會產(chǎn)生特異性反應(yīng)和信號，之后通過物理元件出現(xiàn)聲、電、光等容易進(jìn)行檢測的信號，獲得檢測物的相關(guān)資料。從當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題來看，需要對污染物進(jìn)行及時、連續(xù)、快速的檢測，而相關(guān)儀器的有效和運(yùn)用非常重要。生物傳感器的使用實(shí)現(xiàn)了自動化、連續(xù)化的環(huán)境監(jiān)測，同時很大程度上節(jié)省了環(huán)境監(jiān)測的成本。截止到目前為止，免疫傳感器、酶傳感器在環(huán)境監(jiān)測以及分析中也得到了有效運(yùn)用。

生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中，能夠檢測50種左右的污染物質(zhì)以及多種酶的活性，同時有利于降解廢水中的有機(jī)物，并對其中存在的毒性進(jìn)行有效評價(jià)?？偟膩碚f，生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的使用主要在于兩個方面。首先是現(xiàn)場測試工具，主要在現(xiàn)場重金屬離子的測量、微量水、農(nóng)藥、細(xì)菌總數(shù)以及其他分析物的測量方面運(yùn)用。鐵蛋白在通過化學(xué)修飾改造后，可用于多種微量重金屬離子的儲存，而重金屬離子的測量同樣可以使用具有發(fā)光基因的重組質(zhì)粒的受體，主要是由于此受體經(jīng)過重金屬離子的誘導(dǎo)，可產(chǎn)生熒光素酶，使得發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)一定的改變，同時重金屬離子的濃度與發(fā)光強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系。目前，有些研究者逐漸研究出新型伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳感器，主要目的是實(shí)現(xiàn)更迅速、準(zhǔn)確的對細(xì)菌數(shù)目進(jìn)行測量，在使用這種儀器時，設(shè)計(jì)好電極以及輔助測定裝置，能夠?qū)y定細(xì)胞的下限達(dá)3×104，并且其測定的周期為30分鐘。同時酶電極也可測量非流質(zhì)的微量水。在基于免疫分析原理的情況下，生物傳感器能夠?qū)Ω鞣N農(nóng)藥和除草劑進(jìn)行檢測。當(dāng)前已經(jīng)有了對百草枯、異丙基類除草劑等物質(zhì)的檢測。其次則是在線測試工具。這類工具主要有pH生物傳感器、生物耗氧量(BOD)生物傳感器、誘變劑傳感器、大氣生物傳感器以及光纖生物傳感器等。當(dāng)前，對于多種微生物BOD傳感器的研制較多，且在國內(nèi)外的環(huán)境監(jiān)測中均獲得了好評。另外的生物傳感器大多數(shù)還在探索階段，如pH生物傳感器，其研制主要是基于細(xì)菌對葡萄糖具有新陳代謝作用，一般情況下可在37℃環(huán)境中，通過對腸細(xì)菌的生長情況進(jìn)行檢測，運(yùn)用與在線監(jiān)測中，可將其看為水處理裝置的終端。

另外，對于我國這一農(nóng)業(yè)大國來說，若農(nóng)藥使用不當(dāng)，產(chǎn)生的危害無疑是重大的。在長期使用農(nóng)藥的情況下，所產(chǎn)生的農(nóng)藥殘留問題已經(jīng)使人們產(chǎn)生的一定的恐慌。我國傳統(tǒng)的檢測方式如氣相色譜、質(zhì)譜、高效液相色譜的使用，雖然能夠?qū)⑥r(nóng)藥含量有效監(jiān)測并分析，但是新型檢測傳感器相較于傳統(tǒng)檢測方式來說更加有效、迅速，且成本低，同時能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場分析。在檢測農(nóng)業(yè)殘留的過程中，研究較多的是乙酰膽堿酶(AChE)類傳感器，有機(jī)磷農(nóng)藥的使用能夠有效殺蟲，因此在實(shí)際中較為常見，能夠結(jié)合AChE活性中心絲氨酸上的羥基，從而對其活性產(chǎn)生抑制作用，使其不具備對乙酰膽堿的水解作用；乙酰膽堿則會受到AChE的催化，產(chǎn)生水解后生成膽堿和乙酸，其中膽堿作為電活性的物質(zhì)，可形成循環(huán)伏安峰，對AChE的抑制程度進(jìn)行檢測

2.2 生物芯片

生物芯片是結(jié)合生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)，通過將生命材料與玻片或者硅片進(jìn)行結(jié)合所制成，屬于高通量的DNA分析技術(shù)，可在2cm2左右的芯片上，集成幾十萬的探針或者是基因，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也非常高效，且實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有較高的均一性。生物芯片用于環(huán)境監(jiān)測和分析中，能夠較快的將對環(huán)境、動植物、人體產(chǎn)生危害的微生物、有機(jī)化合物進(jìn)行檢測，同時也能夠針對保護(hù)基因進(jìn)行篩選，制備對污染源產(chǎn)生有效的治理或者能夠有效防治危害的基因工程藥品的基因產(chǎn)品。生物芯片自被研制以來，具有較高的靈敏度，能夠?qū)Χ喾N生物大分子進(jìn)行檢測，同時對于環(huán)境中存在的污染物進(jìn)行監(jiān)測，具有可靠、穩(wěn)定性高、專一性強(qiáng)、耐用的特點(diǎn)，且能夠轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號，不會輕易受到其他因素的影響，便于操作。隨著生物芯片的價(jià)值被不斷發(fā)掘，在環(huán)境監(jiān)測方面的運(yùn)用價(jià)值也越來越高，對于環(huán)境保護(hù)具有重大使用意義。

2.3 生物電化學(xué)反應(yīng)器

將生物傳感器、生物芯片、電化學(xué)系統(tǒng)以及輔助儀器進(jìn)行結(jié)合，形成的化學(xué)反應(yīng)器即為生物電化學(xué)反應(yīng)器，能夠進(jìn)行生化反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)一些目標(biāo)。例如，將電化學(xué)系統(tǒng)與透析袋、恒流泵、鐵蛋白、硒、電導(dǎo)儀等進(jìn)行結(jié)合，能夠得到硒-鐵蛋白電化學(xué)反應(yīng)器，能夠運(yùn)用在流動水體的含磷化合物遞增速率的檢測中，同時對污染的程度進(jìn)行評價(jià)，并分析赤潮的原因所在。有些學(xué)者指出了利用掛膜培養(yǎng)和PVA包埋的方式，在ACF電極的表面固定異養(yǎng)反硝化菌，形成ACF涂層電極。PVA凝膠在包埋反硝化菌之后，可在活性炭纖維表面黏附的較為牢固，從而形成PVA凝膠涂層電極。生物電化學(xué)反應(yīng)器中，經(jīng)過訓(xùn)話培養(yǎng)的涂層電極中的異養(yǎng)反硝化菌，可通過氫這一電子供體，產(chǎn)生反硝化作用，將地下水中存在的硝酸鹽氮去除。隨著相關(guān)研究的進(jìn)展，有些研究學(xué)者設(shè)計(jì)了生物電化學(xué)裝置，用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可使得水樣達(dá)到安全、健康的使用標(biāo)準(zhǔn)。在此裝置中，存在能夠自行選擇的傳感器，通常情況下是需要依照檢測的水樣來選擇檢測儀器。另外，一些學(xué)者也完成了較多酵母細(xì)胞的生物電化學(xué)裝置設(shè)計(jì)，可運(yùn)用在降低環(huán)境毒素中。

3 發(fā)展趨勢以及前景展望

當(dāng)前環(huán)境保護(hù)問題已成為重要的民生問題，對環(huán)境監(jiān)測的目標(biāo)和要求也越來越高，如何實(shí)時、準(zhǔn)確、原位監(jiān)測環(huán)境污染物，并強(qiáng)化分析測試方法的有效性、靈敏性以及便攜性，是環(huán)境監(jiān)測的重要所在。對于污染物的分析以及監(jiān)測中，常用的方法主要有液相色譜法、氣-質(zhì)連用法、氣相色譜法以及理化分析法等，這些監(jiān)測方式的操作過程較為復(fù)雜，使用的試劑量較大，無法實(shí)現(xiàn)環(huán)境現(xiàn)場的監(jiān)測。電化學(xué)檢測在近年來經(jīng)過大量的研究后獲得了人們的認(rèn)可。本文從生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學(xué)等方面介紹生物電化學(xué)的研究，闡述當(dāng)前電化學(xué)檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀，其中包括生物電化學(xué)傳感器、生物芯片、生物電化學(xué)反應(yīng)器，分析當(dāng)前發(fā)展情況，探索如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境的在線檢測；最后分析基因技術(shù)的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用以及生物電化學(xué)檢測的未來發(fā)展前景。

綜上所述，隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷提升，電化學(xué)檢測的方式在不斷多樣化發(fā)展，目前來看，生物傳感器、生物芯片以及生物電化學(xué)反應(yīng)器的使用得到了推廣，而且產(chǎn)生的效果也十分可觀。在當(dāng)前的科學(xué)發(fā)展背景下，未來電化學(xué)檢測具有非常廣闊的使用前景，必將實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染物的在線檢測，并研制出靈敏度和效率更高的環(huán)境監(jiān)測儀器，不斷向著自動化、集成化的方向發(fā)展。

[1]衛(wèi)壽平，董中朝，李吉剛，等.電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[C]// 中國化學(xué)會全國無機(jī)化學(xué)學(xué)術(shù)會議，2015.

[2]王瓊.新型電化學(xué)傳感器檢測環(huán)境有機(jī)污染物的應(yīng)用研究[D].遼寧大學(xué)，2016.

[3]韓麗麗.基于納米復(fù)合材料的合成用于檢測環(huán)境污染物的電化學(xué)傳感[D].安徽理工大學(xué)，2015.

[4]楊平.探究傳感技術(shù)在環(huán)境檢測中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)：文摘版，2016(10)：00097-00097.

[5]陳俊.電化學(xué)傳感器用于檢測水體中重金屬的研究[D].湖南大學(xué)，2015.

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ApplicationonElectrochemicalDetectioninEnvironmentalMonitoringandAnalysis

LIANG Disi GUO Jiehuang CHEN Xiaotian HOU Junpei

(Guangdong provincial test and Analysis Institute/Guangzhou analysis and testing center of China/Guangdong Key Laboratory of chemical hazards emergency detection technology，Guangdong，Guangzhou 510070)

With the continuous development of the social economy，people need more spiritual satisfaction in the pursuit of material life at the same time，the quality of the living environment determines the quality of people's lives，pollution sources exist in all aspects of the current to a certain extent，threatening people's life and health. Therefore，more and more attention has been paid to the intensity and effect of environmental monitoring. Electrochemical detection has been recognized by many researchers in recent years. This paper introduces the research mainly including Bio electrochemical，biological systems，biological interface simulation，biomolecular electrochemistry，and expounds the current application of electrochemical detection，including electrochemical biosensor，biochip，bio electrochemical reactor，analysis of the current development situation，to explore how to realize the online detection of the environment；the use of paper to enhance the role of gene technology，biosensor and biochip detection capabilities，and analyze the future development.

electrochemical detection；environmental monitoring；application；analysis

梁迪思，工程碩士，助理研究員，主要從事環(huán)境分析檢測工作

文獻(xiàn)格式：梁迪思 等.電化學(xué)檢測在環(huán)境監(jiān)測及分析中的運(yùn)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：111-113.

X21

A

1673-288X(2017)06-0111-03