【摘要】現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，其在發(fā)展的過程中極為注重經(jīng)濟(jì)效益的追求，消耗了大量的資源，且對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，也使得人們生活的環(huán)境給更加惡劣。近年來的霧霾則是典型的表現(xiàn)之一，人們也逐步認(rèn)識到了環(huán)境保護(hù)的重要意義，各項環(huán)保活動正在進(jìn)行中。本文簡單的分析了生物傳感器的基本原理、主要特點(diǎn)、不同類型等，并闡述了生物傳感器在大氣污染環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境污染監(jiān)測中的應(yīng)用，包括對二氧化硫的監(jiān)測、二氧化氮的監(jiān)測、生物化學(xué)需氧量監(jiān)測、苯酚類化合物的監(jiān)測等，為開展環(huán)境監(jiān)測的人員提供一定的參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】生物傳感器；原理；特點(diǎn)；分類；大氣環(huán)境監(jiān)測；水環(huán)境監(jiān)測；應(yīng)用；分析

前言

社會的進(jìn)步，人類的生產(chǎn)活動越來越頻繁，為了達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)利益，人們對于資源的消耗、利用及浪費(fèi)也極大，使得資源被破壞，也嚴(yán)重的污染的環(huán)境，對于人們生活的環(huán)境質(zhì)量、身體健康等均帶來了嚴(yán)重的影響，需要對環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)厲的監(jiān)控。各項技術(shù)的發(fā)展，人們對于環(huán)境監(jiān)測的方式進(jìn)行了深入的研究，生物傳感器則是較為理想的監(jiān)測方式，其是一種小型化，專一的對某種化合物及離子具有應(yīng)答反應(yīng)，最終形成與該化合物或者離子濃度形成一定比例的分析信號傳感器，其屬于特殊的化學(xué)傳感器，具有諸多的有點(diǎn)，包括成本低、靈敏、適應(yīng)性強(qiáng)穩(wěn)定性良好等，發(fā)展?jié)摿薮?，對其進(jìn)行深入的研究與探討也是十分有必要的。

1.生物傳感器的作用原理及主要類型

生物傳感器由分子識別元件及轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，二者的功能、作用、特點(diǎn)等均有較大的區(qū)別。其中分子識別元件是感受器，其構(gòu)成部分主要是生物活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、抗體、酶、DNA、抗原、生物膜等，或者細(xì)胞、微生物、組織等生物體本身，感受器會直接監(jiān)測到檢測對象的各類物質(zhì)，其分子識別性能較強(qiáng)。信號轉(zhuǎn)換器本質(zhì)是換能器，其是電化學(xué)或者光學(xué)檢測構(gòu)件，其主要作用是把生物識別事件轉(zhuǎn)化為能夠被檢測的信號。檢測對象中具有特異性的待測物和分子識別元件相遇后，會形成復(fù)合物，并產(chǎn)生光、熱等信號，轉(zhuǎn)換器則將其轉(zhuǎn)化為電信號或者光信號輸出，最終對其進(jìn)行顯示處理，便于后期的各項分析監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。生物傳感器的的類型十分豐富，其信號檢測器上的敏感物質(zhì)各不一樣，可以將其分為免疫傳感器、基因傳感器、酶傳感器、組織傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞器傳感器等；如果按照其信號轉(zhuǎn)換器的不同，則可以將其分為半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、測光型傳感器、測熱型傳感器、測聲型傳感器等不同類型[1]。

2.主要特點(diǎn)

生物傳感器相較一般的環(huán)境監(jiān)測手段具有較多的優(yōu)勢，首先其不需要對樣品實(shí)施預(yù)處理，監(jiān)測十分方便，簡單快捷，可以進(jìn)行自動分析。生物傳感器一般體積較小，響應(yīng)迅速，使用較少的物質(zhì)即能達(dá)到檢測的目的，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測。由于其敏感材料一般為固定化的生物構(gòu)件，可以重復(fù)利用，節(jié)約資源。生物反應(yīng)具有特異性、多樣性等特點(diǎn)，可以制作出運(yùn)用于各種物質(zhì)的傳感器，應(yīng)用范圍較為廣闊，且其準(zhǔn)確度較為理想，相對誤差一般不超過1%。另外一般的環(huán)境檢測儀器成本較高，而傳感器和測定儀成本則較低，經(jīng)濟(jì)性良好，便于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

3.生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測的方法主要是進(jìn)行液相、氣相層析，超臨界流體層析等，并且于傳統(tǒng)質(zhì)譜分析法相結(jié)合，但這些方法其技術(shù)費(fèi)用較高，而且對于樣品的要求較高。相較而言，生物傳感器法其價錢較低，而且其進(jìn)行檢測的速度較快，而其敏感性也使得其在不同的行業(yè)中應(yīng)用較廣。

3.1水環(huán)境的監(jiān)測。3.1.1生物化學(xué)需氧量的檢測。水體有機(jī)污染情況的程度可以在生物化學(xué)需氧量的指標(biāo)上反映出來，因此需要對該項指標(biāo)進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)的檢測方法為5d生化需氧量標(biāo)準(zhǔn)稀釋測定法，其測量的程序較多，十分復(fù)雜，需要較多的時間，且準(zhǔn)確度不理想。1977年，Karube等人在廢水處理廠污泥中的微生物進(jìn)行處理并培養(yǎng)，研究出了膠原膜，將其與氧電極有機(jī)，從而構(gòu)成生物傳感器，其作用原理是生物傳感器元件是微生物混合菌種或者單一的菌類，如果生物需氧量的物質(zhì)出現(xiàn)代謝、降解或者加入等情況，微生物內(nèi)外源呼吸方式即會被改變，且耦聯(lián)輸出的電流也會出現(xiàn)波動，因此傳感器的輸出電流值所處的環(huán)境與生物需氧量構(gòu)成線性關(guān)系，能夠有效的檢測出生物化學(xué)需氧量，且靈敏度高，準(zhǔn)確性好，反應(yīng)迅速，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的在線分析，適用范圍廣闊[2]。3.1.2苯酚類化合物的監(jiān)測。近年來，人們對于電化學(xué)傳感器的研究較為深入，傳感器的生物敏感材料也十分豐富，包括漆酶、苯酚羥化酶、酪氨酸酶、過氧化物酶等，其中較為常見的傳感器其敏感材料為酪氨酸酶。其作用是需要有分子氧作為基本條件，其可以利用酪氨酸酶對單酚類物質(zhì)實(shí)施氧化處理，形成二酚，最終將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸锦愇?。苯醌能可以通過電化學(xué)的方式，吸收電子，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)猷彵蕉?，因此對已對苯醌類物質(zhì)的形成、氧氣的消耗量等進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測，從而發(fā)揮出其檢測測苯酚類物質(zhì)的基本功能。該類監(jiān)測方式的具有較高的靈敏度，且選擇性良好，是較為理想的水體監(jiān)測方式[3]。

3.2大氣環(huán)境的監(jiān)測。3.2.1二氧化氮的監(jiān)測。針對大氣中二氧化氮的監(jiān)測，可以將氧電極和固定化硝化細(xì)菌、多孔氣體滲透膜就、有機(jī)結(jié)合起來，制作出相應(yīng)的生物傳感器，能夠達(dá)到監(jiān)測大氣中二氧化氮含量的目標(biāo)。其基本原理是采用亞硝酸鹽作為消化細(xì)菌的能源，亞硝酸鹽的量的提高，則傳感器的呼吸活性也會隨之提高，其在呼吸中，溶解氧濃度會有所下降，利用氧電極監(jiān)測出其減少的量，而亞硝酸鹽則能夠簡直的反映出該變化，從而表現(xiàn)出大氣二氧化氮的含量狀態(tài)，但是其也有一定的限制，大氣中的二氧化氮含量需要超過0.01mmol/L才能被檢測出來。如果亞硝酸鹽濃度保持在0.058mmol/L以內(nèi)，傳感器的電流則會隨著亞硝酸鹽濃度的提高而增加。該類傳感器的優(yōu)勢在于選擇性良好，且能夠抵抗各項干擾因素[4]。2.2.2二氧化硫的監(jiān)測。對于大氣中二氧化硫含量的監(jiān)測可以利用氧電極與含有亞硝酸鹽的肝微粒體結(jié)合形成的生物傳感器。其首先測定雨水中亞硫酸鹽的含量，即能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出空氣中二氧化硫的含量。傳感器中的微粒體能夠氧化亞硫酸鹽，氧化過程還需要消耗一定量的氧氣，減少了電極周邊溶解氧的含量，使得傳感器電流出現(xiàn)相應(yīng)的波動，表現(xiàn)出亞硫酸鹽的濃度情況，重現(xiàn)性良好，且準(zhǔn)確度高[5]。

Cai等將乙酰膽堿酯酶固定在碳納米管交聯(lián)醋酸纖維復(fù)合材料修飾的絲網(wǎng)印刷電極上制得西維因傳感器。所得抑制率與農(nóng)藥質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，線性范圍分別為0.01～0.5mg·L-1和2～20mg·L-1，檢出限按抑制率為10%時的農(nóng)藥質(zhì)量濃度計為0.004mg·L-1。Viswanathan等]將乙酰膽堿酯酶固定在聚苯胺矩陣上，再與用單鏈DNA包裹的碳納米管交聯(lián)制成生物傳感器測定甲基對硫磷和毒死蜱。它們的線性范圍為1.0×10-11～1.0×10-6mol·L-1，檢出限為1.0×10-12mol·L-1。方法的穩(wěn)定性和靈敏度良好。

4.總結(jié)

環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，對人們生活產(chǎn)生了較大的影響，該問題也逐步成為了社會各界廣泛關(guān)注話題，對于環(huán)境的監(jiān)測措施在加緊開展。生物傳感器是現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測中常用方式之一，其能夠連續(xù)、實(shí)時對環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，許多優(yōu)勢均是其他方式無法比擬的，具有較大發(fā)展?jié)摿?，但是其自身性質(zhì)也決定了其存在一定的缺陷，需要深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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