生物傳感器在環境監測中的應用實踐研究

董 韻

（重慶市合川區環境監測站，重慶 401520）

生物傳感器是一種現代化的分析設備，由數據處理及顯示系統、識別元件及信號轉換裝置等組成，能夠根據規律轉換可以識別的信號，具有選擇性好、高穩定性的特征，并且響應時間非常短，不需要對樣品進行預處理，方便攜帶，可實時、連續進行監測。

1 生物傳感器的構成

生物傳感器包含放大信號系統、傳輸和轉換信號系統、識別生物元件、處理和顯示數據系統等［1］。現階段，應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據進行處理和分析，其中光纖型為應用硅光片、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）識別目標物質，再由轉換器將生物識別后的響應轉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）監測被分析物的濃度［2］。在識別被檢測的物質時，可根據其中的規律對信號進行識別和轉換，利用轉換設備檢測物質的特異性反應、信息等對電及聲音等容易檢測出來的信號進行轉換，可獲取物質的具體信息。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 生物傳感器在環境監測中的應用實踐

3.1 監測生化需氧量

對常規生化需氧量的監測，一般要有5 d的培養期，具體操作程序較為復雜，特別是在5 d的測樣周期中，不能及時反饋水質情況。盡管可以應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。很多國家已經開始應用生化需氧量生物傳感器，其監測原理為利用微生物吸收有機物時消耗氧而產生的電流變化，對生化需氧量進行測定。

3.2 監測酚類化合物

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，是環境監測中非常關鍵的指標。監測酚類化合物的生物傳感設備是由氧電極及透氣膜表面產生的微生物膜共同組成的。其原理是在氧氣與一些酚物質同時進入微生物膜的過程中，因為微生物在與對酚產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下降的情況，輸出的電流也會逐步減少，在短時間中實現穩態。

3.3 監測表面活性劑

對水體造成污染的物質非常多，其中陰離子表面活性劑能夠造成非常嚴重的污染，可在水體表面產生泡沫，不易消失，消耗大量的溶解氧［4］。應用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 監測二氧化碳

當前，產生溫室效應的重要原因為二氧化碳含量超標。在以往應用的電位傳感器中，常會有各種離子等產生的干擾。國外研究人員應用氧電極及自氧微生物制作了新一代的電位傳感器，對于揮發性酸及各種離子產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，可連續不間斷地進行分析，靈敏程度非常高。

3.5 監測NH3

以往，應用最多的NH3測定傳感器為常規的電位傳感器，由復合玻璃電極和氣體滲透膜構成，為氨氣體電極。在堿性條件下測定NH3，易受揮發性物質如胺類的干擾。在國外應用的生物傳感器中，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進行監測，而且能監測廢水中的NH3。

3.6 監測二氧化硫

產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?，F在，應用氧電極及肝微粒體制作而成的傳感設備，能夠利用對空氣中產生的亞硫酸鹽濃度監測結果，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、穩定、精確地測量酸雨的含量。

4 結語

在環境監測過程中，生物傳感器發揮著重要作用，具有準確、及時及成本低等優勢。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定性，以便更加方便靈活的應用。

［1］曹淑超.生物傳感器在環境監測中的應用［J］.能源環境保護，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境監測中的應用及其研究進展［J］.天津工業大學學報，2015（1）：44-49.

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

［4］鄧天晶.生物傳感器在環境監測上的研究進展［J］.遼寧農業科學，2011（6）：53-56.