電化學檢測在環境監測及分析中的運用

(廣東省測試分析研究所/中國廣州分析測試中心/ 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東 廣州 510070)

電化學檢測在環境監測及分析中的運用

梁迪思郭杰煌陳嘯天侯軍沛

(廣東省測試分析研究所/中國廣州分析測試中心/ 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室，廣東 廣州 510070)

隨著當前社會經濟的不斷發展，人們在追求物質生活的同時更加需要精神上的滿足，生活環境的質量決定了人們的生活質量，而當前各方面存在的污染源也在一定程度上威脅著人們的生活健康。因此，環境監測的力度和效果越來越被人們重視。電化學檢測在近年來經過大量的研究后獲得了人們的認可。本文介紹了生物電化學的研究，其中主要有生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學等，并闡述了當前電化學檢測的應用現狀，其中包括生物電化學傳感器、生物芯片、生物電化學反應器，分析當前的發展情況，探索如何實現環境的在線檢測；闡述基因技術的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用，并分析未來的發展。

電化學檢測；環境監測；應用；分析

目前我國工業和農業正處于迅速發展的趨勢，在提升了我國整體經濟的同時也產生了一定的有機和無機污染物，對生態環境造成了不同程度的危害。從當前來看，環境保護問題已經成為一個國家發展的重要問題，是我國以及全世界均重點關注的問題，對環境監測的目標和要求也越來越高，如何實時、準確、原位監測環境污染物，并強化分析測試方法的有效性、靈敏性以及便攜性，是環境監測的重要所在。對于污染物的分析以及監測中，常用的方法主要有液相色譜法、氣-質連用法、氣相色譜法以及理化分析法等，這些監測方式的操作過程較為復雜，使用的試劑量較大，無法實現環境現場的監測。

電化學檢測在近年來經過大量的研究后獲得了人們的認可。本文擬從生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學等方面介紹生物電化學的研究，并闡述當前電化學檢測的應用現狀，其中包括生物電化學傳感器、生物芯片、生物電化學反應器，分析當前發展情況，探索如何實現環境的在線檢測；最后分析基因技術的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用以及生物電化學檢測的未來發展前景。

1 生物電化學的研究領域分析

有些研究學者提出，生物電化學的研究領略主要是由于生物系統的荷電粒子過程，產生的電化學現象，也就是采用電化學的理論、原理以及相關技術來講述生物學情況。從世界生物電化學的眾多研究分析，其研究領域可以分為一下幾點：①生物體系和生物界面模擬：如SAM膜模擬生物膜電化學研究，主要是研究生物體系、生物界面的電位來源以及定量描述，可比較深入的分析生物界的結構、性質以及生命活動等過程，包括生物分析的電位、生物膜的跨膜電位、生物分析界面結構以及界面電位；②生物分子的電化學研究：如細胞色素C的電化學研究，是對生物分子的生活活動的作用、變化進行模擬研究，包括NDA在電極上的固定化和電化學標記，電脈沖基因的導入；③生物電催化：如酶的固定化，主要則是研究酶對生物體系中電化學反應中的催化反應，包括酶固定化的方法，酶的結構以及性能，酶促反應同電化學的關聯，以及酶電催化；④光合作用模擬：如細菌和光合作用、葉綠素的電化學，對光合作用的模擬主要使用的則是電化學系統，包括光合氧的來源、二氧化碳的合并以及還原方式，初級電荷的分離等；⑤活組織電化學：如細胞電泳檢測腫瘤細胞，同樣是采用電化學技術，同時還應用于點打孔基因攝取以及細胞電融合等方面；⑥電化學生物傳感器：主要則是參與電化學生物傳感器的研制以及使用，其特點主要表現為速度快、操作方便、選擇性高，不僅可運用與環境監測以及分析，同時可在食品工業、臨床監測、生物醫學等方面運用。

2 生物電化學在環境監測和分析中的運用

2.1 生物傳感器

隨著近年來的研究，電化學檢測方法不斷深入，電化學生物傳感器的使用也越來越廣泛，作為一種結合多種學科的現代化技術，電化學生物傳感器在使用中會充分發揮生物分析的特異性，具有較高的靈敏度以及穩定性、選擇性，且能夠有效重現，成本使用較低，是目前環境監測中的有效方式。生物傳感器的組成有生物敏感元件、物理元件，其原理主要是生物敏感元件會產生特異性反應和信號，之后通過物理元件出現聲、電、光等容易進行檢測的信號，獲得檢測物的相關資料。從當前嚴峻的環境污染問題來看，需要對污染物進行及時、連續、快速的檢測，而相關儀器的有效和運用非常重要。生物傳感器的使用實現了自動化、連續化的環境監測，同時很大程度上節省了環境監測的成本。截止到目前為止，免疫傳感器、酶傳感器在環境監測以及分析中也得到了有效運用。

生物傳感器在環境監測中，能夠檢測50種左右的污染物質以及多種酶的活性，同時有利于降解廢水中的有機物，并對其中存在的毒性進行有效評價。總的來說，生物傳感器在環境監測中的使用主要在于兩個方面。首先是現場測試工具，主要在現場重金屬離子的測量、微量水、農藥、細菌總數以及其他分析物的測量方面運用。鐵蛋白在通過化學修飾改造后，可用于多種微量重金屬離子的儲存，而重金屬離子的測量同樣可以使用具有發光基因的重組質粒的受體，主要是由于此受體經過重金屬離子的誘導，可產生熒光素酶，使得發光強度出現一定的改變，同時重金屬離子的濃度與發光強度之間存在線性關系。目前，有些研究者逐漸研究出新型伏安型細菌總數生物傳感器，主要目的是實現更迅速、準確的對細菌數目進行測量，在使用這種儀器時，設計好電極以及輔助測定裝置，能夠將測定細胞的下限達3×104，并且其測定的周期為30分鐘。同時酶電極也可測量非流質的微量水。在基于免疫分析原理的情況下，生物傳感器能夠對各種農藥和除草劑進行檢測。當前已經有了對百草枯、異丙基類除草劑等物質的檢測。其次則是在線測試工具。這類工具主要有pH生物傳感器、生物耗氧量(BOD)生物傳感器、誘變劑傳感器、大氣生物傳感器以及光纖生物傳感器等。當前，對于多種微生物BOD傳感器的研制較多，且在國內外的環境監測中均獲得了好評。另外的生物傳感器大多數還在探索階段，如pH生物傳感器，其研制主要是基于細菌對葡萄糖具有新陳代謝作用，一般情況下可在37℃環境中，通過對腸細菌的生長情況進行檢測，運用與在線監測中，可將其看為水處理裝置的終端。

另外，對于我國這一農業大國來說，若農藥使用不當，產生的危害無疑是重大的。在長期使用農藥的情況下，所產生的農藥殘留問題已經使人們產生的一定的恐慌。我國傳統的檢測方式如氣相色譜、質譜、高效液相色譜的使用，雖然能夠將農藥含量有效監測并分析，但是新型檢測傳感器相較于傳統檢測方式來說更加有效、迅速，且成本低，同時能夠實現現場分析。在檢測農業殘留的過程中，研究較多的是乙酰膽堿酶(AChE)類傳感器，有機磷農藥的使用能夠有效殺蟲，因此在實際中較為常見，能夠結合AChE活性中心絲氨酸上的羥基，從而對其活性產生抑制作用，使其不具備對乙酰膽堿的水解作用；乙酰膽堿則會受到AChE的催化，產生水解后生成膽堿和乙酸，其中膽堿作為電活性的物質，可形成循環伏安峰，對AChE的抑制程度進行檢測

2.2 生物芯片

生物芯片是結合生物信息學、計算機技術、生物技術，通過將生命材料與玻片或者硅片進行結合所制成，屬于高通量的DNA分析技術，可在2cm2左右的芯片上，集成幾十萬的探針或者是基因，實驗結果也非常高效，且實驗的數據具有較高的均一性。生物芯片用于環境監測和分析中，能夠較快的將對環境、動植物、人體產生危害的微生物、有機化合物進行檢測，同時也能夠針對保護基因進行篩選，制備對污染源產生有效的治理或者能夠有效防治危害的基因工程藥品的基因產品。生物芯片自被研制以來，具有較高的靈敏度，能夠對多種生物大分子進行檢測，同時對于環境中存在的污染物進行監測，具有可靠、穩定性高、專一性強、耐用的特點，且能夠轉化為光學信號，不會輕易受到其他因素的影響，便于操作。隨著生物芯片的價值被不斷發掘，在環境監測方面的運用價值也越來越高，對于環境保護具有重大使用意義。

2.3 生物電化學反應器

將生物傳感器、生物芯片、電化學系統以及輔助儀器進行結合，形成的化學反應器即為生物電化學反應器，能夠進行生化反應，從而實現一些目標。例如，將電化學系統與透析袋、恒流泵、鐵蛋白、硒、電導儀等進行結合，能夠得到硒-鐵蛋白電化學反應器，能夠運用在流動水體的含磷化合物遞增速率的檢測中，同時對污染的程度進行評價，并分析赤潮的原因所在。有些學者指出了利用掛膜培養和PVA包埋的方式，在ACF電極的表面固定異養反硝化菌，形成ACF涂層電極。PVA凝膠在包埋反硝化菌之后，可在活性炭纖維表面黏附的較為牢固，從而形成PVA凝膠涂層電極。生物電化學反應器中，經過訓話培養的涂層電極中的異養反硝化菌，可通過氫這一電子供體，產生反硝化作用，將地下水中存在的硝酸鹽氮去除。隨著相關研究的進展，有些研究學者設計了生物電化學裝置，用于環境監測系統，可使得水樣達到安全、健康的使用標準。在此裝置中，存在能夠自行選擇的傳感器，通常情況下是需要依照檢測的水樣來選擇檢測儀器。另外，一些學者也完成了較多酵母細胞的生物電化學裝置設計，可運用在降低環境毒素中。

3 發展趨勢以及前景展望

當前環境保護問題已成為重要的民生問題，對環境監測的目標和要求也越來越高，如何實時、準確、原位監測環境污染物，并強化分析測試方法的有效性、靈敏性以及便攜性，是環境監測的重要所在。對于污染物的分析以及監測中，常用的方法主要有液相色譜法、氣-質連用法、氣相色譜法以及理化分析法等，這些監測方式的操作過程較為復雜，使用的試劑量較大，無法實現環境現場的監測。電化學檢測在近年來經過大量的研究后獲得了人們的認可。本文從生物體系、生物界面模擬、生物分子電化學等方面介紹生物電化學的研究，闡述當前電化學檢測的應用現狀，其中包括生物電化學傳感器、生物芯片、生物電化學反應器，分析當前發展情況，探索如何實現環境的在線檢測；最后分析基因技術的使用，對生物傳感器以及生物芯片檢測能力的提升作用以及生物電化學檢測的未來發展前景。

綜上所述，隨著當前科學技術的不斷提升，電化學檢測的方式在不斷多樣化發展，目前來看，生物傳感器、生物芯片以及生物電化學反應器的使用得到了推廣，而且產生的效果也十分可觀。在當前的科學發展背景下，未來電化學檢測具有非常廣闊的使用前景，必將實現環境污染物的在線檢測，并研制出靈敏度和效率更高的環境監測儀器，不斷向著自動化、集成化的方向發展。

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ApplicationonElectrochemicalDetectioninEnvironmentalMonitoringandAnalysis

LIANG Disi GUO Jiehuang CHEN Xiaotian HOU Junpei

(Guangdong provincial test and Analysis Institute/Guangzhou analysis and testing center of China/Guangdong Key Laboratory of chemical hazards emergency detection technology，Guangdong，Guangzhou 510070)

With the continuous development of the social economy，people need more spiritual satisfaction in the pursuit of material life at the same time，the quality of the living environment determines the quality of people's lives，pollution sources exist in all aspects of the current to a certain extent，threatening people's life and health. Therefore，more and more attention has been paid to the intensity and effect of environmental monitoring. Electrochemical detection has been recognized by many researchers in recent years. This paper introduces the research mainly including Bio electrochemical，biological systems，biological interface simulation，biomolecular electrochemistry，and expounds the current application of electrochemical detection，including electrochemical biosensor，biochip，bio electrochemical reactor，analysis of the current development situation，to explore how to realize the online detection of the environment；the use of paper to enhance the role of gene technology，biosensor and biochip detection capabilities，and analyze the future development.

electrochemical detection；environmental monitoring；application；analysis

梁迪思，工程碩士，助理研究員，主要從事環境分析檢測工作

文獻格式：梁迪思 等.電化學檢測在環境監測及分析中的運用[J].環境與可持續發展，2017，42(6)：111-113.

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1673-288X(2017)06-0111-03