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(shí)別元件及信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置等組成，能夠根據(jù)規(guī)律轉(zhuǎn)換可以識(shí)別的信號(hào)，具有選擇性好、高穩(wěn)定性的特征，并且響應(yīng)時(shí)間非常短，不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，方便攜帶，可實(shí)時(shí)、連續(xù)進(jìn)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(hào)系統(tǒng)、傳輸和轉(zhuǎn)換信號(hào)系統(tǒng)、識(shí)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(xué)型。傳感器是利用電子計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)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(xì)菌菌體等是非常常用的制作元件材料，當(dāng)前應(yīng)用最多的傳感器為微生物細(xì)胞和酶。識(shí)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(shí)間。但純化酶的難度非常大，保存酶的時(shí)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(shí)別元件（包括微生物、酶、細(xì)胞、核酸和抗體等生物活性物質(zhì)）識(shí)別目標(biāo)物質(zhì)，再由轉(zhuǎn)換器將生物識(shí)別后的響應(yīng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測量的信號(hào)，最后利用測量方法（包括電化學(xué)法、物理法、光學(xué)法、聲學(xué)法等）監(jiān)測被分析物的濃度［2］。在識(shí)別被檢測的物質(zhì)時(shí)，可根據(jù)其中的規(guī)律對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)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(duì)電及聲音等容易檢測出來的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可獲取物質(zhì)的具體信息。其中，酶及酶組分、細(xì)胞及細(xì)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(qiáng)、電熱及聲強(qiáng)測量式等。

3 生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 監(jiān)測生化需氧量

對(duì)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(fù)雜，特別是在5 d的測樣周期中，不能及時(shí)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(jìn)行計(jì)算，但是并不能從根本上解決問題。所以，快速對(duì)生物需氧量進(jìn)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(jī)物時(shí)消耗氧而產(chǎn)生的電流變化，對(duì)生化需氧量進(jìn)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(biāo)。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(shí)進(jìn)入微生物膜的過程中，因?yàn)槲⑸镌谂c對(duì)酚產(chǎn)生同化作用時(shí)會(huì)消耗一定量的氧氣，所以，氧電極中的氧分子速率會(huì)出現(xiàn)下降的情況，輸出的電流也會(huì)逐步減少，在短時(shí)間中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。

3.3 監(jiān)測表面活性劑

對(duì)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(yán)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(duì)水體中含有的陰離子表面活性劑濃度進(jìn)行檢測，非常適用于對(duì)地表水的檢測。

3.4 監(jiān)測二氧化碳

當(dāng)前，產(chǎn)生溫室效應(yīng)的重要原因?yàn)槎趸己砍瑯?biāo)。在以往應(yīng)用的電位傳感器中，常會(huì)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(duì)于揮發(fā)性酸及各種離子產(chǎn)生的干擾有非常強(qiáng)的抵抗能力。傳感器對(duì)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(jìn)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(fù)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(gè)過程只需短短幾分鐘。該傳感器不僅可對(duì)大氣當(dāng)中的NH3進(jìn)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?yàn)槎趸?，以往二氧化硫的檢測方式非常復(fù)雜?，F(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(duì)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(duì)亞硫酸鹽的氧化過程會(huì)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(xì)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(duì)酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測。同時(shí)，對(duì)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(zhǔn)確、及時(shí)及成本低等優(yōu)勢。未來，對(duì)于生物器的研究還需進(jìn)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(hù)，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(jìn)展［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jìn)展［J］.遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（6）：53-56.