生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用實踐研究

董 韻

（重慶市合川區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 401520）

生物傳感器是一種現(xiàn)代化的分析設(shè)備，由數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)、識別元件及信號轉(zhuǎn)換裝置等組成，能夠根據(jù)規(guī)律轉(zhuǎn)換可以識別的信號，具有選擇性好、高穩(wěn)定性的特征，并且響應(yīng)時間非常短，不需要對樣品進行預(yù)處理，方便攜帶，可實時、連續(xù)進行監(jiān)測。

1 生物傳感器的構(gòu)成

生物傳感器包含放大信號系統(tǒng)、傳輸和轉(zhuǎn)換信號系統(tǒng)、識別生物元件、處理和顯示數(shù)據(jù)系統(tǒng)等［1］?，F(xiàn)階段，應(yīng)用最為廣泛的生物傳感器為光纖型及電化學型。傳感器是利用電子計算機對采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，其中光纖型為應(yīng)用硅光片、光電倍增管等作為交換器，利用光電倍增管可將能量的效率提升至最大。電化學型生物傳感器使用敏場應(yīng)管作為交換器。

核酸、受體以及抗體、酶、細菌菌體等是非常常用的制作元件材料，當前應(yīng)用最多的傳感器為微生物細胞和酶。識別生物元件利用固定化酶，可以提升敏感性及專一性，并且具有非常短的響應(yīng)時間。但純化酶的難度非常大，保存酶的時間比較短，活性容易消失。因此，要選擇合適的條件，才能將酶的作用發(fā)揮出來。

2 生物傳感器的原理

生物傳感器的工作原理是由生物敏感材料作識別元件（包括微生物、酶、細胞、核酸和抗體等生物活性物質(zhì)）識別目標物質(zhì)，再由轉(zhuǎn)換器將生物識別后的響應(yīng)轉(zhuǎn)換成一個可測量的信號，最后利用測量方法（包括電化學法、物理法、光學法、聲學法等）監(jiān)測被分析物的濃度［2］。在識別被檢測的物質(zhì)時，可根據(jù)其中的規(guī)律對信號進行識別和轉(zhuǎn)換，利用轉(zhuǎn)換設(shè)備檢測物質(zhì)的特異性反應(yīng)、信息等對電及聲音等容易檢測出來的信號進行轉(zhuǎn)換，可獲取物質(zhì)的具體信息。其中，酶及酶組分、細胞及細胞膜等都是生物敏感的元件。轉(zhuǎn)換器的主要類型涵蓋了光強、電熱及聲強測量式等。

3 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用實踐

3.1 監(jiān)測生化需氧量

對常規(guī)生化需氧量的監(jiān)測，一般要有5 d的培養(yǎng)期，具體操作程序較為復雜，特別是在5 d的測樣周期中，不能及時反饋水質(zhì)情況。盡管可以應(yīng)用庫倫滴定法及差壓的方式進行計算，但是并不能從根本上解決問題。所以，快速對生物需氧量進行測定的方式得到了越來越高的重視。很多國家已經(jīng)開始應(yīng)用生化需氧量生物傳感器，其監(jiān)測原理為利用微生物吸收有機物時消耗氧而產(chǎn)生的電流變化，對生化需氧量進行測定。

3.2 監(jiān)測酚類化合物

煉油、煉焦、造紙、木材防腐和化工等廢水中常含有酚類化合物［3］。酚類化合物含有的毒性非常大，影響范圍廣，是環(huán)境監(jiān)測中非常關(guān)鍵的指標。監(jiān)測酚類化合物的生物傳感設(shè)備是由氧電極及透氣膜表面產(chǎn)生的微生物膜共同組成的。其原理是在氧氣與一些酚物質(zhì)同時進入微生物膜的過程中，因為微生物在與對酚產(chǎn)生同化作用時會消耗一定量的氧氣，所以，氧電極中的氧分子速率會出現(xiàn)下降的情況，輸出的電流也會逐步減少，在短時間中實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。

3.3 監(jiān)測表面活性劑

對水體造成污染的物質(zhì)非常多，其中陰離子表面活性劑能夠造成非常嚴重的污染，可在水體表面產(chǎn)生泡沫，不易消失，消耗大量的溶解氧［4］。應(yīng)用LAS降解菌制作的生物傳感器，可對水體中含有的陰離子表面活性劑濃度進行檢測，非常適用于對地表水的檢測。

3.4 監(jiān)測二氧化碳

當前，產(chǎn)生溫室效應(yīng)的重要原因為二氧化碳含量超標。在以往應(yīng)用的電位傳感器中，常會有各種離子等產(chǎn)生的干擾。國外研究人員應(yīng)用氧電極及自氧微生物制作了新一代的電位傳感器，對于揮發(fā)性酸及各種離子產(chǎn)生的干擾有非常強的抵抗能力。傳感器對濃度在3%～12%的二氧化碳有線性響應(yīng)，可連續(xù)不間斷地進行分析，靈敏程度非常高。

3.5 監(jiān)測NH3

以往，應(yīng)用最多的NH3測定傳感器為常規(guī)的電位傳感器，由復合玻璃電極和氣體滲透膜構(gòu)成，為氨氣體電極。在堿性條件下測定NH3，易受揮發(fā)性物質(zhì)如胺類的干擾。在國外應(yīng)用的生物傳感器中，有一種是由氧電極和兩種硝化菌屬制成的，即為新型安培型氨傳感器。該傳感器測量的線性范圍為0.10～42.00 mg/L，存在的誤差為±4%，測量的整個過程只需短短幾分鐘。該傳感器不僅可對大氣當中的NH3進行監(jiān)測，而且能監(jiān)測廢水中的NH3。

3.6 監(jiān)測二氧化硫

產(chǎn)生酸雨的主要原因為二氧化硫，以往二氧化硫的檢測方式非常復雜。現(xiàn)在，應(yīng)用氧電極及肝微粒體制作而成的傳感設(shè)備，能夠利用對空氣中產(chǎn)生的亞硫酸鹽濃度監(jiān)測結(jié)果，明確大氣中含有的二氧化硫含量。具體來看，傳感器中的微顆粒對亞硫酸鹽的氧化過程會消耗大量的氧氣，可降低電極周圍氧的濃度，使傳感器的電流產(chǎn)生變化，并間接地將亞硫酸鹽的濃度反映出來，具有非常高的精度。另外，將亞細胞類脂類固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對酸雨酸霧樣品溶液進行檢測。同時，對于該生物傳感器的研究仍在不斷深入，如以噬硫桿菌和氧電極制作的生物傳感器可以簡單、穩(wěn)定、精確地測量酸雨的含量。

4 結(jié)語

在環(huán)境監(jiān)測過程中，生物傳感器發(fā)揮著重要作用，具有準確、及時及成本低等優(yōu)勢。未來，對于生物器的研究還需進一步深入，使其具有更高的靈敏性，并提升其使用壽命及穩(wěn)定性，以便更加方便靈活的應(yīng)用。

［1］曹淑超.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.能源環(huán)境保護，2015（2）：59-62.

［2］張宏偉，鄭雅文，王捷，等.微生物燃料電池生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用及其研究進展［J］.天津工業(yè)大學學報，2015（1）：44-49.

［3］陶格日勒.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.科技與企業(yè)，2015（2）：113.

［4］鄧天晶.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測上的研究進展［J］.遼寧農(nóng)業(yè)科學，2011（6）：53-56.