生物傳感器在水質監測上的應用探析

文 軍（德陽市自來水公司 四川德陽 618000）

引言

進入21世紀，傳感器與信號探測技術可以說為每種科學技術的發展與應用均提供了支持。不斷激增的信息量和不斷涌現出的新的信息類型，在信號探測中使用的傳感器面臨著很多新的問題與新需求，由此便產生了諸多新型傳感器，包括生物傳感器、光纖傳感器、液晶傳感器等。近年來，在水質監測中，生物傳感器特別是微生物傳感器被廣泛使用，并發揮了重要作用。

1 生物傳感器概述

生物傳感器通過對生物分子之間的特異性識別和反應予以利用，并在傳感器敏感表面固定生物分子識別元件，從而識別待測物的特異性[1]。生物傳感器的一大特點就是選擇性好、靈敏度高。相較于傳統的生物、化學物質檢測分析儀器，生物傳感器的優勢較多，包括體積小、設備簡單、操作簡便、響應快、功耗與成本低等，能夠現場快速檢測生物與化學物質，在諸多領域均擁有廣闊的應用前景，如醫療健康、食品安全、環境監測等。

2 生物傳感器在水質監測中的應用

2.1 對水體環境中BOD的監測

如今，監測水質的一個明星傳感器就是BOD微生物傳感器[2]。BOD作為一項綜合指標，主要用于對水體受到有機污染物污染的程度進行評價。傳統BOD測定時間大約在5天，在諸多方面均未有理想表現，主要體現在操作不夠規范，浪費了大量時間。BOD微生物傳感器可以將固定化氧電極、微生物等進行重組，根據其在水中耗費的溶解氧濃度進行測定，最后可獲得BOD值。為形成固定化微生物，可以先通過混合多種菌體，在水中BOD發生變化后，那么菌株在呼吸方式方面也會隨之產生變化，偶聯輸出電流將出現變化，其和BOD濃度將在某個范圍中呈線性關系，從而也能測出水中有機物含量。當前，光學生物傳感器已經被研發出來，在通過特定光處理之后，BOD生物傳感器所具備的靈敏度會得到顯著的提升，適用于監測低濃度BOD水體。其次，由于光纖生物傳感器材料主要是光纖，所以便讓信息在傳遞過程中的消耗大幅減少，得到更精準與敏感的測量，即使重金屬離子也不會影響到光線傳感器。

2.2 對水體中重金屬的監測

2.2.1 水環境中砷的測定

最近，科學家們在污染區分離出了一種新的細菌，其可發出熒光，這一細菌中有熒光基因存在，受到污染源刺激時可產生熒光蛋白，進而發出熒光，人們可借助遺傳工程的方法在合適的細菌內導入這種基因，制成微生物傳感器，在水質監測中使用。如今，國外諸多國家已在大腸桿菌中導入熒光素酶，用于對的有毒化合物進行檢測。例如，將砷誘導型啟動子作為起始材料，并結合DNA重組技術以及PCR技術來將啟動子突變文庫獲取到。運用將流式細胞儀作為基礎的熒光激活細胞分選 (FACS)篩選手段，這樣就可以通過定向凈化獲取到高效、靈敏以及專一的砷誘導型啟動子，以此來構建出靈敏性更強的砷細菌生物傳感器。

2.2.2 鋅的測定

現階段，已成功研制出對污水中鋅濃度進行測量的生物傳感器，其利用嗜堿性細菌，測量污水中鋅的濃度與生物有效性，具有很好的效果。另外，也應重視污水中重金屬離子濃度的測定。如今，已成功設計了一個完整的，以固定化微生物與生物體發光測量技術為基礎，測定重金屬離子生物有效性的監測與分析系統。通過一個銅誘導啟動子把弧菌屬細菌體內的一個操縱子導入到產堿桿菌屬細菌中，在銅離子的誘導下，細菌發光，發光程度越高，離子濃度越高。在聚合物基質中共同埋入微生物和光纖，能夠將高敏感度、好選擇性、廣測量范圍與強儲藏穩定性的生物傳感器獲得。

2.3 對水體環境中苯酚類化合物的監測

在水體環境監測中也可以用到生物敏感元件，通過測定獲得水體內苯酚類化合物含量。借助酪氨酸酶（TYR）制備生物敏感元件構成的生物傳感器對水體中苯酚類化合物進行監測最為常見，其原理為：在含分子氧環境之中，TYR可通過氧化的方式將單酚類物質轉換為二酚，之后進一步氧化形成的二酚，最后可以得到苯醌類物質，在其吸收電子后能夠形成鄰苯二酚。在監測苯醌類物質物質的過程中，通過獲得的其耗氧量數值，能夠對水體中苯酚類物質濃度作出準確測量。以伏安型細菌總數生物傳感器為例，通過用于監測體環境中苯酚類化合物，來讓測定下限能夠達到，其在測定周期方面為0.5h。利用菌懸液抽濾可以獲得細菌阻留膜，在無菌罩修飾電極上使用，在濾膜定位裝置作用下，在彈性電解池底部設置電極和起濾膜，并根據獲得的伏安掃描曲線，分析峰電流值及其樣品校正工作曲線，最后得出細菌數量。對大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、啤酒酵母菌等監測中，分別得到線性響應范圍為是。

結語

總之，生物傳感器如今被廣泛運用于水質監測上，雖然現階段其還在不斷發展中，急需提高穩定性，降低經濟成本，但相較于傳統的水質監測方法，已展現出了一定的優勢，主要表現在測量精度與下限等方面。所以，今后，生物傳感器的發展方向未微型化、智能化與集成化，相信在生物傳感器商品化的推進下，通過生物傳感器監測水質勢必會更加簡單，也更加高效。