生物傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

范玉國(guó) 李婉琳 楊升洪 饒健

摘要：日趨加劇的水污染，成為人類健康、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)高通量監(jiān)測(cè)以避免污染擴(kuò)大是當(dāng)前防治水污染的重要課題，近幾十年來(lái)，生物傳感器以其便捷，快速，靈敏成為最具潛力的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)。而未來(lái)，生物傳感器技術(shù)還將向著微型化，集成化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)一套傳感系統(tǒng)多種污染物指標(biāo)同時(shí)監(jiān)測(cè)，將真正實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)高通量的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：水污染;水質(zhì)監(jiān)測(cè);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）12-00-01

Abstract：Increasing water pollution has become a major obstacle to human health，economic and social sustainable development.Real-time high-throughput monitoring of water quality to avoid the expansion of pollution is an important issue for the prevention and control of water pollution.In recent decades，biosensors have become the most potential water quality monitoring technology for its convenience，speed， and sensitivity.In the future，biosensor technology will continue to be miniaturized and integrated to achieve the simultaneous monitoring of multiple pollutant indicators in a sensing system，which will truly achieve the goal of real-time high-throughput water quality monitoring.

Keywords：Water pollution;Water quality monitoring;Application

水污染現(xiàn)已成為人類健康的最大威脅，據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，水污染造成疾病十分普遍，特別是在發(fā)展中國(guó)家，因?yàn)轱嬘盟|(zhì)問(wèn)題引起的疾病占所有疾病的4/5。我國(guó)因?yàn)槿丝诨鶖?shù)大，廢污水排放總量巨大，到目前已超過(guò)500億立方米，且污染正由淺層向深層擴(kuò)散速度較快，目前已監(jiān)測(cè)到人活動(dòng)區(qū)域下層水和沿海城市近海海水已經(jīng)受到不同程度的污染。對(duì)于污水的處理，我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)了很多政策，每年也在新增污水處理廠，而更重要的是及時(shí)有效地掌握水質(zhì)污染的各項(xiàng)指標(biāo)，防止水污染進(jìn)一步擴(kuò)散以至于到無(wú)法控制的地步。傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測(cè)分析方法存在操作步驟多、使用分析儀器不但貴重，體積巨大，難以攜帶，還有測(cè)試周期長(zhǎng)，不能及時(shí)得到檢測(cè)結(jié)果的問(wèn)題，在廣域水環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)很難做到實(shí)時(shí)檢測(cè)以及在線監(jiān)測(cè)。而傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)于一些特殊污染物具有局限性，如難降解，毒性較高，含量較少的有機(jī)重金屬污染物，這類污染物需要更靈敏的檢測(cè)手段。

生物傳感器作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的新型技術(shù)在近幾十年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)，它由生物敏感元件和轉(zhuǎn)換元件等多組分構(gòu)成。其作用原理為，生物分子是敏感元件，直接利用生物分子和待檢測(cè)物之間的相互作用來(lái)產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)因敏感元件性質(zhì)不同而可以是化學(xué)信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)化元件可以將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)收集、處理和輸出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢測(cè)物的分析檢測(cè)。自Updike和 Hicks 在 1967 年利用葡萄糖氧化酶作為感應(yīng)元件，聚丙烯酰胺膜和有氧電極作為轉(zhuǎn)化器，制造了第一個(gè)檢測(cè)葡萄糖的傳感器，成為了第一代的生物傳感器，盡管第一代傳感器靈敏度低，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，但而后的誕生的光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和電化學(xué)生物傳感器都是在第一代傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的[1]。

1 電化學(xué)生物傳感器

電化學(xué)生物傳感器是目前最廣泛應(yīng)用的，特別是應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)，以達(dá)到實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)微量檢測(cè)的目的。因?yàn)椴煌郎y(cè)物的電化學(xué)性質(zhì)不同，用特定的生物識(shí)別元件進(jìn)行偶聯(lián)，可以將待測(cè)物的化學(xué)劑量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電化學(xué)生物傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法的方面在于，可現(xiàn)場(chǎng)完成檢測(cè)過(guò)程，極大的避免了采樣造成的主觀因素影響，且靈敏度高，特異性強(qiáng)，而其實(shí)現(xiàn)成本較低，普通接受程度較高，優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法。但其也有使用上的缺陷，因?yàn)槠渥R(shí)別元件具有生物活性，做成試劑盒也很難避免變質(zhì)和生物降解的問(wèn)題，從根本上造成了其穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較差，不適合長(zhǎng)期、重復(fù)使用，而隨著新一代的電化學(xué)生物傳感器的研究深入，該狀況正得到改善。如已有研究報(bào)道將肌紅蛋白固定在，利用1，3，6，8-芘四磺酸四鈉鹽非共價(jià)修飾石墨烯制備的水溶性石墨烯上，該傳感器對(duì)亞硝酸鈉有良好的敏感性，最低檢測(cè)濃度可達(dá)到0.01mM，且具有良好的穩(wěn)定性[2]。電化學(xué)生物傳感器正向著多功能、穩(wěn)定、便攜、智能、高靈敏度、特異性等方向發(fā)展，新型的納米級(jí)電化學(xué)生物傳感器將有可能成為未來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)。

2 量熱生物傳感器和光學(xué)生物傳感器

利用其他生物物理學(xué)原理也可以設(shè)計(jì)傳感器，如量熱生物傳感器，其工作原理是酶作用于底物后會(huì)釋放一些熱量，而運(yùn)用酶柱，以及熱導(dǎo)體及一定的量熱元件可以測(cè)量酶催化的化學(xué)反應(yīng)生成的熱，通過(guò)計(jì)算生成熱量和底物濃度之間的關(guān)系可以得到間接得到底物的量。簡(jiǎn)單系統(tǒng)僅在反應(yīng)前使用一個(gè)精度很低的恒溫槽，沒(méi)有反應(yīng)前后的溫度比較，因此基準(zhǔn)漂移大、精度不高、難以定量分析。有研究報(bào)道水體中的2，4-二氯酚可以利用量熱生物傳感器來(lái)檢測(cè)，其原理是將酶組裝在多孔玻璃珠上形成酶柱，因?yàn)椴Ａе榈谋砻娣e可以有效提高檢測(cè)效率，得到的線性檢測(cè)區(qū)間為0.5～10mg/L，此結(jié)果與高效液相色譜結(jié)果一致性較高[3]。光學(xué)生物傳感器是近年來(lái)興起的新型傳感器，其原理是先使識(shí)別待測(cè)物與感受器特異性結(jié)合，然后通過(guò)反應(yīng)后激發(fā)的光信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)待測(cè)物的含量，感受器通常是含有生物活性并能發(fā)出光信號(hào)的物質(zhì)。如間接競(jìng)爭(zhēng)免疫光學(xué)生物傳感器—Triple XTM波導(dǎo)傳感芯片，被用于監(jiān)測(cè)水體中的雙酚A（BPA）、微囊藻毒素-LR（MC-LR）和2，4-二氯苯氧乙酸（2，4，-D）。光學(xué)生物傳感器盡管靈敏度提高了很多，但是其擾動(dòng)因素也增加了很多，且發(fā)光基團(tuán)可能因?yàn)榈孜锱c傳感器的結(jié)合方式問(wèn)題造成發(fā)光效率受到影響，在一些情況下無(wú)法滿足研究需要。因此雜合型系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為了最有潛力的發(fā)展方向，雜合型系統(tǒng)將量熱生物傳感器與電化學(xué)、光學(xué)及其他種類的生物傳感器相結(jié)合，提高結(jié)果精度和測(cè)量效率。如謝斌等人結(jié)合了量熱和電化學(xué)生物傳感器，設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)兒茶酚的雜合型系統(tǒng)，使用的酶柱既用作酶反應(yīng)器、導(dǎo)熱元件，又可以作為電傳感器[4]。如何更有效的集成傳感原件，獲得具有特異性、高效性、靈敏性的傳感器將是未來(lái)研究的方向。

3 其他生物傳感器

除此之外還有一些無(wú)法根據(jù)其原理進(jìn)行客觀分類的生物傳感器，如監(jiān)測(cè)水質(zhì)的一個(gè)明星傳感器就是 BOD 微生物傳感器。傳統(tǒng) BOD 測(cè)定時(shí)間約需要至少5天，在損耗時(shí)間的同時(shí)，待測(cè)樣品中的BOD也發(fā)生了變化，致使最終結(jié)果不能完全反應(yīng)水體的真實(shí)情況。而B(niǎo)OD 微生物傳感器是將固定化氧電極、微生物等進(jìn)行集成，以微生物在水中耗費(fèi)的溶氧量作為指標(biāo)，整個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵為固定化微生物，一般采用混合菌體，當(dāng)微生物呼吸作用偶聯(lián)電流和 BOD 濃度將在某個(gè)范圍中呈線性關(guān)系，便可測(cè)出水體的BOD的含量。如研究人員發(fā)現(xiàn)一細(xì)菌中有熒光基因存在，受到污染源刺激時(shí)可誘導(dǎo)產(chǎn)生熒光蛋白，將熒光素酶基因借助基因搶整合進(jìn)感應(yīng)微生物的基因組，可以制成熒光微生物傳感器，用于對(duì)的有毒化合物進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于重金屬的檢測(cè)，目前生物傳感器檢測(cè)法也是最為推崇的方式，例如，將砷誘導(dǎo)型啟動(dòng)子作為起始材料，為獲得突變材料，可以運(yùn)用流式細(xì)胞儀進(jìn)行熒光激活細(xì)胞分選 （FACS），以此來(lái)構(gòu)建出靈敏性更強(qiáng)的砷細(xì)菌生物傳感器。

4 結(jié)語(yǔ)

可以預(yù)見(jiàn)生物傳感器將會(huì)向著微型化，集成化發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)一套傳感系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多種污染物指標(biāo)，而隨著材料學(xué)，化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，生物傳感器的不穩(wěn)定性也可以得到極大的規(guī)避，其必將成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的未來(lái)最重要的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-12-13

作者簡(jiǎn)介：范玉國(guó)（1989-），男，漢族，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。