生物傳感器在環境監測中的應用分析

董政 沈中心 李生

（周口市大慶路中段環境監測站 河南周口 466000）

環境監測可以為環境規劃、評價、環境管理以及污染控制等提供第一手的信息資料。近年來，隨著生物技術的快速發展，特異性好、靈敏度高、分析速度快等優點使得生物傳感器技術被廣泛的應用到環境監測中。

1 生物傳感器基本原理及特點

生物傳感器是把生物感應元件與能夠產生和待測物濃度成比例的信號傳感器結合起來的一種分析裝置。生物傳感器工作原理取決于生物敏感器元件與待測物之間的相互作用。其基本原理（見圖1）是將生物敏感元件與被測物發生的特異性反應及信號經物理元件——轉換器，轉變為光、電、聲等檢測信號，從而間接地獲知待測物的有關信息[1]。使用生物傳感器進行環境監測具有準確度高、便于推廣普及、可以連續在線檢測、敏感材料可以反復多次使用，實現自動分析，而且使用范圍非常廣泛。

2 生物傳感器在環境監測中的應用

2.1 大氣環境監測

大氣環境中較為常見的污染因子有 NOX、SO2、CH4、CO2等，傳統的監測方法對于其中的NOX、SO2監測方法較為復雜，監測的結果重現性也較差。采用生物傳感器就可以克服這些不足：NOX傳感器：使用多孔氣體滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的生物傳感器可以測定樣品中的亞硝酸鹽含量，進而推算出空氣中的NOX濃度；SO2傳感器：其原理就是把含有亞硫酸鹽氧化酶（sulfite oxidase,SO）的氧電極和肝微粒體制成生物傳感器，這種傳感器可以實現對酸雨和酸霧樣品溶液中SO2進行準確的檢測。該傳感器通過測定雨水中的亞硫酸鹽濃度來反映SO2含量，具有準確度和重現性好的優點；CO2傳感器：Hiroaki[2]利用自氧微生物和氧電極制成的電位傳感器，可抗各種離子和揮發性酸的干擾，線性響應范圍為3%-12%之間，可以進行連續自動在線分析，而且靈敏度也較高；甲烷傳感器：該種傳感器是采用固定化CH4氧化菌與氧電極組合而成，用以測定CH4的微生物傳感器。該種傳感器廣泛用于大氣中CH4含量的連續快速監測。

2.2 水環境監測

生物傳感器應用到環境監測中最廣的是水質分析，具有操作簡便、成本低等特點。生物傳感器特別是微生物傳感器目前在水環境監測中應用發展較快，尤其是隨著生活污水和工業廢水排放量的不斷增加，水環境監測日益顯得尤為重要。目前水環境監測中運用到的生物傳感器主要有BOD生物傳感器、硝酸鹽生物傳感器、測定酚的生物傳感器、測定農藥殘留的生物傳感器等等。具體而言：BOD生物傳感器：將微生物膜固定在溶解氧探頭上，以微生物的單一菌種或混合菌種作為生物敏感元件,當水中BOD物質的加入或降解代謝的發生,引起微生物內外源呼吸方式的變化或轉化,耦聯輸出電流強弱的變化在一定條件下傳感器輸出的電流值與BOD的濃度呈線性關系。硝酸鹽生物傳感器：以假單胞菌為工作菌株（以為呼吸氧源），固定成膜并緊貼在二氧化碳電極端部制成微生物傳感器，微生物代謝產生與樣品濃度相對應的CO2，測定濃度[3]。

總之，生物傳感器可以做到對水體富營養化的在線監測功能，其原理就是通過氰基細菌中細胞體內的藻青蛋白，所顯示出的熒光光譜不同于其他微生物，利用這種熒光敏感的生物傳感器檢測浮游生物或氰基細胞特殊的熒光光譜來監測其濃度，從而預報處藻類急劇繁殖情況[4]。

2.3 其他環境監測

生物傳感器除了在水、大氣監測中被廣泛應用，還被應用于殘留有毒有害物的檢測，如采用監測PCP（五氯酚）、有機磷和氨基酸脂類殺蟲劑；污染物的急性毒性檢測、細菌總數的測定等等領域。

3 展望

生物傳感器與生物電子技術、微電子技術等領域的最新成果應用密不可分，在未來生物傳感器監測在環境監測中的發展大體會有這樣幾方面特點：一是應用的功能更加多樣性，將會被應用到環境各個領域中；二是基因重組微生物傳感器可以極大地提高微生物傳感器的靈敏度；三是生物傳感器的穩定性在今后的實踐和科研研究中有待進一步采取相關措施加以提升；四是半導體或壓電晶體技術等傳導技術在環境監測中的應用將會極大地提升生物傳感器實用化和簡易化；五是與計算機芯片技術聯系更緊密，未來會朝著智能化和一體化和集成化方向發展。

[1]孫平昊，騰志坤.淺議生物傳感器在環境監測中的應用[J].環境科學與管理，2010,35(5):132-133.

[2]Hiroaki S，Tamiya E and Karube I.Anal Chem Acta，1987，199：85.

[3]（日）引馬基彥.環境監測技術[M].北京：化學工業出版社，1989.

[4]Lee T,Tsusuki M.Quantitative Determination of Cyanobacteria in Mixed Phyto-planton Assemblages by an In vivo Fluorimetric Method[J]Anal Chem Acta,1995,302(1):811-819.