生物传感器在环境监测中的应用

姜钧 董树美

摘 要：本文对生物传感器在环境监测中的发展和生物传感器的分类作了概述，然后就生物传感器在水环境监测和大气环境监测中的应用作了论述。

关键词：生物传感器；环境监测；水环境监测；大气环境监测

中图分类号：X83文献标识码： A

随着我国工业化的迅猛发展，环境污染成为了社会和经济发展的突出问题，而作为环境保护的重要一环，环境监测的重要性不言而喻。环境监测能够有效的将环境污染准确、定量的展现出来，进而为环境保护决策提供可靠的数据。但是由于传统的环境监测方式存在数据生成较慢、仪器昂贵、操作难度较高等问题，因此发展监测速度更快、成本更低廉、更易操作的环境监测方式成为环境监测发展的方向。生物传感器恰恰能有效处理了传统环境监测方式的缺点，由于生物传感器相对于传统的监测方式具有监测速度更快、成本更低廉、更易操作等优势，因此，生物传感器在环境监测中现在已经得到了越来越多的关注，并且其在环境监测中所取得的成就已经得到国际和国内专家的认可。生物传感器是以固定化细胞核和固定化酶技术，用生物学元件作为识别元件，感知被测物并将其转变成可识别的信号的装置。其基本原理是通过生物元件感受到目标信息，生物元件感受到目标信息后，再将目标信息转变为电等识别信息，进而获得目标信息的状况。生物元件通常可以使用细胞和酶及其组成部分来充当，目标信息转化器件通常有电导率式、热传感式等。

生物传感器最初产生于上世纪六十年代，当时，Clark等科研人员用酶作为电极，并将其应用到检测中[1]。至此以后，各种酶电极相继出现。继Clark等人研究出酶电极以后，Updike等人将铂电极应用到酶中。此项应用标志着生物传感器的诞生。进入七十年代以后，随着微生物学的发展，产生了与微生物相关的电极，微生物电极在八十年代获得了突飞猛进的发展。九十年代随着计算机和互联网技术的发展，使得生物传感器的发展进入一个新的台阶。

一、生物传感器的分类

生物传感器按其接受信息的生物体可分为酶传感器、微生物传感器、组织器官传感器、细胞器传感器、免疫传感器、DNA传感器。

酶传感器是将生物酶嵌在感应装置上，通过采集酶电流的变化，进而获得被测物的信息；微生物传感器是利用微生物的代谢活动的变化获得被测物的信息，当下，微生物传感器技术已经应用到BOD和二氧化碳等方面的监测中；组织器官传感器是用动植物的有机体组织来获取被测信息，比如Kungolos A利用淤泥里的生物对废水进行了监测；细胞器传感器是利用细胞来获取被测信息；免疫传感器是指利用抗体与抗原之间关系进行监测的传感器，免疫传感器可对食物中的非法添加剂进行监测；DNA传感器是指通过核酸的相互作用来获取被测信息的传感器。

二、生物传感器在环境监测中的应用

生物传感器具有快速、准确、稳定、简便等优点，因此在我国的环境监测工作中有着很大的应用潜能。下面分别就生物传感器在水环境监测和大气环境监测中的应用进行介绍。

（一）水环境监测

1. BOD监测

在环境监测中BOD（Biochemical Oxygen Demand）即生化需氧量的分析是反映污染物中有机物含量的重要指标。与现行的监测方法相比，用生物传感器对生化需氧量进行监测的优点具有：操作简单，监测时间较短，对于相关人员的技能要求较低，更适宜于进行现场分析，监测结果更精准的优点[2]。

在生化需氧量的监测中，微生物传感器的基本工作原理是：用一种或多种细菌来获取被测（水样）信息，由于水样的生化需氧量不同，导致了细菌的代谢不同，将这种细菌代谢的快慢转化为电流的变化，然后将电流转化为可识别的信号变化，通过电路再对信号的变化进行转换，进而获得相应的生化需氧量。比如，我国有的生物传感器生使用酵母作为生物电极，当被测水样的酸碱度为五，温度为二十五度，固化酵母含量为十五克时，设备能够在十五秒内监测出水样的生化需氧量结果，且监测结果准确稳定。另外，国际上将SPT1，2酵母菌分开作为生物电极，这种传感器用于生化需氧量的监测误差非常小。用此类生物传感器进行造纸行业的生化需氧量监测，仅用时五秒钟就能监测出较高污染浓度水样的结果。国外学者将耐盐性微生物通过特定的工艺固定在电极上，该生物传感器能够有效的适应海水的生化需氧量的监测，并能实现连续监测[3]。综上所述，由于生物传感器在生化需氧量的监测中较现行的监测方法具有较多的优势，因此其代表了未来生化需氧量监测的发展方向。

2.硝酸盐监测

在对水样硝酸盐的监测中，生物传感器的基本工作原理是通过监测硝酸根转化为亚硝酸根的过程中所产生的电流变化来监测硝酸盐的含量。

国外学者用单细胞菌来监测硝酸盐的变化，此种生物传感器是将亚硝酸根控制在特定范围内，然后对其进行监测[4]。Kija对此生物传感器进行了改进，让被测水样直接进入生物传感器，使得硝酸根更接近生物传感器[5]。当下，有的生物传感器能分别在阴暗和明亮的监测条件下分别对硝酸盐进行监测,由于此生物传感器能够在盐性的状况下进行监测，因此能够有效的避免氮类氧化物的干预，此生物传感器可有效的对河流的硝酸盐进行监测。

3.硫化物监测

硫化物是环境监测的重点，在环境监测工作中占有较大的比例。当下现行的监测方法由于精确性差、分析试剂产生污染、操作相对要求较高等缺点，因此发展克服这些缺点的生物传感器成为当务之急。

我国学者用杆菌作为生物传感器对硫化物进行监测，监测结果显示该传感器在污染浓度较高的状况下仍具有较高的精准度[6]。此种生物传感器和现行的监测方法相比，具有精准度更高、操作更方便、采样频次更高、采样成本更低廉等优点，因此，此种生物传感器在硫化物的监测中有广阔的应用前景。

4.酚类物质监测

相对于其它水环境污染物而言，酚类物质具有毒性较大的特点，因此，用生物传感器对酚类物质进行监测是生物传感器在环境监测中应用的一个重要方面。

用生物传感器对酚类物质进行监测多使用酶电极，用酶电极所做的传感器具有简便、准确、稳定的优点。

（二）大气环境监测

大气环境监测的主要对象是氮氧化物、二氧化硫和总悬浮颗粒物（total suspended particulate）等，这里面氮氧化物和二氧化硫对环境的危害最重，因为这两种物质能够在大气中和水分结合在一起污染空气。现行的分光光度监测法的操作步骤较多，分析试剂的配制较复杂、监测结果随着分析试剂本身的配制误差而导致结果不准确，并随着监测分析试剂的老化影响监测结果。生物传感器能有效的克服上述现行监测方法的缺点，因此其在大气环境监测中有广阔的应用前景。

1.二氧化硫监测

国外学者用硫杆菌体作为电极传感器，对空气中二氧化硫方面的污染进行监测，该生物传感器在执行监测工作期间能够使得感应电极的氧含量产生变化，从而反映出二氧化硫的变化量。该传感器能够在十秒内获得监测数据，完成监测任务，并且监测结果准确稳定。

2.氮氧化物监测

生物传感器对氮氧化物的监测是通过将硝化细菌作为电极传感器来实现监测的，[33]该生物传感器在氮氧化物监测过程中，通过硝化细菌在氮氧化物内的呼吸状态不同而反映氮氧化物的浓度,该传感器具有较强的稳定性，能够在复杂的监测条件下得出稳定的监测结果。

三、未来生物传感器在环境监测领域的发展

在环境监测中，生物传感器能够在得到精确监测结果的同时，兼顾到稳定性、快速性、简易操作性、现场性、低成本性等优点，并通过国内外学者不断研究创新，不断的与其它学科交叉，其在环境监测领域获得了长足的发展。

我们可以预见，在环境监测领域生物传感器的发展是将纳米技术应用到生物传感器当中，此传感器需要将纳米技术和生物技术相互交叉，此传感器具有易操作、精准度高、小巧轻便、构造简单等优点，代表了生物传感器未来的发展方向。

参考文献：

[1]CLARK L C, LYONS C. Ann N Y Acad Sci[J]. 1962(102):29-45.

[2]李彦文. 生物传感器及其在环境监测方面的应用[J]. 环境保护科学, 2004,30(1).

[3]PENNEBERG T, KWAN R C H. Microchim Acta[J], 2004(148):235-240.

[4]DAMGAARD L R, LARSEN L H, REVSBECH N P. Microscale biosensors for environmental monitoring[J]. Trends in Analytical Chemistry, 1995,14(7):300-303.

[5]KJAR T, LARSEN L H, REVSBECH N P, et al. Sensitivity control of ion-selective biosensor by electrophoretically mediated analyte transport[J] Anal Chim Acta, 1999,91:57-63.

[6]白志辉, 王晓辉, 罗湘南. 硫化物微生物传感器的研究[J]河北科技大学学报[ J ],1999, 20(1): 1 0-1 3.