生物傳感器在水質(zhì)監(jiān)測上的應(yīng)用探析

文 軍（德陽市自來水公司 四川德陽 618000）

引言

進(jìn)入21世紀(jì)，傳感器與信號探測技術(shù)可以說為每種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用均提供了支持。不斷激增的信息量和不斷涌現(xiàn)出的新的信息類型，在信號探測中使用的傳感器面臨著很多新的問題與新需求，由此便產(chǎn)生了諸多新型傳感器，包括生物傳感器、光纖傳感器、液晶傳感器等。近年來，在水質(zhì)監(jiān)測中，生物傳感器特別是微生物傳感器被廣泛使用，并發(fā)揮了重要作用。

1 生物傳感器概述

生物傳感器通過對生物分子之間的特異性識別和反應(yīng)予以利用，并在傳感器敏感表面固定生物分子識別元件，從而識別待測物的特異性[1]。生物傳感器的一大特點(diǎn)就是選擇性好、靈敏度高。相較于傳統(tǒng)的生物、化學(xué)物質(zhì)檢測分析儀器，生物傳感器的優(yōu)勢較多，包括體積小、設(shè)備簡單、操作簡便、響應(yīng)快、功耗與成本低等，能夠現(xiàn)場快速檢測生物與化學(xué)物質(zhì)，在諸多領(lǐng)域均擁有廣闊的應(yīng)用前景，如醫(yī)療健康、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等。

2 生物傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 對水體環(huán)境中BOD的監(jiān)測

如今，監(jiān)測水質(zhì)的一個明星傳感器就是BOD微生物傳感器[2]。BOD作為一項(xiàng)綜合指標(biāo)，主要用于對水體受到有機(jī)污染物污染的程度進(jìn)行評價。傳統(tǒng)BOD測定時間大約在5天，在諸多方面均未有理想表現(xiàn)，主要體現(xiàn)在操作不夠規(guī)范，浪費(fèi)了大量時間。BOD微生物傳感器可以將固定化氧電極、微生物等進(jìn)行重組，根據(jù)其在水中耗費(fèi)的溶解氧濃度進(jìn)行測定，最后可獲得BOD值。為形成固定化微生物，可以先通過混合多種菌體，在水中BOD發(fā)生變化后，那么菌株在呼吸方式方面也會隨之產(chǎn)生變化，偶聯(lián)輸出電流將出現(xiàn)變化，其和BOD濃度將在某個范圍中呈線性關(guān)系，從而也能測出水中有機(jī)物含量。當(dāng)前，光學(xué)生物傳感器已經(jīng)被研發(fā)出來，在通過特定光處理之后，BOD生物傳感器所具備的靈敏度會得到顯著的提升，適用于監(jiān)測低濃度BOD水體。其次，由于光纖生物傳感器材料主要是光纖，所以便讓信息在傳遞過程中的消耗大幅減少，得到更精準(zhǔn)與敏感的測量，即使重金屬離子也不會影響到光線傳感器。

2.2 對水體中重金屬的監(jiān)測

2.2.1 水環(huán)境中砷的測定

最近，科學(xué)家們在污染區(qū)分離出了一種新的細(xì)菌，其可發(fā)出熒光，這一細(xì)菌中有熒光基因存在，受到污染源刺激時可產(chǎn)生熒光蛋白，進(jìn)而發(fā)出熒光，人們可借助遺傳工程的方法在合適的細(xì)菌內(nèi)導(dǎo)入這種基因，制成微生物傳感器，在水質(zhì)監(jiān)測中使用。如今，國外諸多國家已在大腸桿菌中導(dǎo)入熒光素酶，用于對的有毒化合物進(jìn)行檢測。例如，將砷誘導(dǎo)型啟動子作為起始材料，并結(jié)合DNA重組技術(shù)以及PCR技術(shù)來將啟動子突變文庫獲取到。運(yùn)用將流式細(xì)胞儀作為基礎(chǔ)的熒光激活細(xì)胞分選 (FACS)篩選手段，這樣就可以通過定向凈化獲取到高效、靈敏以及專一的砷誘導(dǎo)型啟動子，以此來構(gòu)建出靈敏性更強(qiáng)的砷細(xì)菌生物傳感器。

2.2.2 鋅的測定

現(xiàn)階段，已成功研制出對污水中鋅濃度進(jìn)行測量的生物傳感器，其利用嗜堿性細(xì)菌，測量污水中鋅的濃度與生物有效性，具有很好的效果。另外，也應(yīng)重視污水中重金屬離子濃度的測定。如今，已成功設(shè)計(jì)了一個完整的，以固定化微生物與生物體發(fā)光測量技術(shù)為基礎(chǔ)，測定重金屬離子生物有效性的監(jiān)測與分析系統(tǒng)。通過一個銅誘導(dǎo)啟動子把弧菌屬細(xì)菌體內(nèi)的一個操縱子導(dǎo)入到產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌中，在銅離子的誘導(dǎo)下，細(xì)菌發(fā)光，發(fā)光程度越高，離子濃度越高。在聚合物基質(zhì)中共同埋入微生物和光纖，能夠?qū)⒏呙舾卸?、好選擇性、廣測量范圍與強(qiáng)儲藏穩(wěn)定性的生物傳感器獲得。

2.3 對水體環(huán)境中苯酚類化合物的監(jiān)測

在水體環(huán)境監(jiān)測中也可以用到生物敏感元件，通過測定獲得水體內(nèi)苯酚類化合物含量。借助酪氨酸酶（TYR）制備生物敏感元件構(gòu)成的生物傳感器對水體中苯酚類化合物進(jìn)行監(jiān)測最為常見，其原理為：在含分子氧環(huán)境之中，TYR可通過氧化的方式將單酚類物質(zhì)轉(zhuǎn)換為二酚，之后進(jìn)一步氧化形成的二酚，最后可以得到苯醌類物質(zhì)，在其吸收電子后能夠形成鄰苯二酚。在監(jiān)測苯醌類物質(zhì)物質(zhì)的過程中，通過獲得的其耗氧量數(shù)值，能夠?qū)λw中苯酚類物質(zhì)濃度作出準(zhǔn)確測量。以伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳感器為例，通過用于監(jiān)測體環(huán)境中苯酚類化合物，來讓測定下限能夠達(dá)到，其在測定周期方面為0.5h。利用菌懸液抽濾可以獲得細(xì)菌阻留膜，在無菌罩修飾電極上使用，在濾膜定位裝置作用下，在彈性電解池底部設(shè)置電極和起濾膜，并根據(jù)獲得的伏安掃描曲線，分析峰電流值及其樣品校正工作曲線，最后得出細(xì)菌數(shù)量。對大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、啤酒酵母菌等監(jiān)測中，分別得到線性響應(yīng)范圍為是。

結(jié)語

總之，生物傳感器如今被廣泛運(yùn)用于水質(zhì)監(jiān)測上，雖然現(xiàn)階段其還在不斷發(fā)展中，急需提高穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟(jì)成本，但相較于傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法，已展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在測量精度與下限等方面。所以，今后，生物傳感器的發(fā)展方向未微型化、智能化與集成化，相信在生物傳感器商品化的推進(jìn)下，通過生物傳感器監(jiān)測水質(zhì)勢必會更加簡單，也更加高效。