生物傳感器在環境監測中的應用

亓秀麗，孫 華

（萊蕪市環境保護科學研究所有限公司，濟南 萊蕪 271100）

隨著各國經濟的迅速發展，環境污染問題逐漸凸顯出來，并成為制約經濟快速發展的因素。因此，保護環境成為各界關注的問題。而環境監測正好為環境改善、污染管控以及環境質量評估等重要工作，提供了更為精確且完善的信息與參考數據。傳統環境監測方法在分析速度方面并不理想，且操作相對復雜，無法在復雜環境下實現在線持續監測，所以亟待開發一種全新的監測技術。近些年來，隨著我國生物科學技術的快速發展，用以監測的生物傳感技術也在不斷創新，在環境監測中發揮了重要的作用[1]。因此，如何將生物傳感技術應用在環境監測之中，也成為環境相關部門與學者關注的熱點。

1 生物傳感器的工作原理及分類

1.1 工作原理

生物傳感器是以固定化酶以及固定化細胞技術作為核心，通過生物學元件開展功能性識別，分辨與感知目標物品并結合預設的規則轉化為能夠識別信號的一種設備。生物傳感器的工作原理是把生物的敏感元件以及目標物品所產生的特異性反應或信號通過轉換設備轉化為電、聲音等容易感知的信號，以此完成目標物質相關信息數據的傳輸。一般情況下，生物敏感元件包括：組織、細胞膜、酶、抗體等許多類型。轉換設備轉換可采用電熱測量方式、電導測量方式以及光強測量方式等諸多方法。

1.2 類型劃分

根據生物傳感器選用的生物分子識別元件，可將其分為不同類型：如酶傳感器、組織傳感器以及微生物傳感器等。就目前而言，國外環境監測中運用較為頻繁的傳感器有：微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器以及酶傳感器等四種傳感器。

2 環境監測中生物傳感器的運用措施

2.1 大氣環境監測中的運用

生物傳感器在大氣環境監測中的應用較為頻繁。如今，大氣環境中的主要污染因子包括SO2、CO2以及NOx等，其中又以CO2和NOx為核心，兩者均為構成酸雨的核心組分。不僅如此，NOx同時是引發光化學污染的主要原因[2]。用傳統監測方式監測以上兩種物質，不僅過程復雜，而且容易產生重現性不佳的檢驗結果。所以，大氣環境監測工作開始引入生物傳感器作為主要的監測手段。具體方式如下：

2.1.1 可以監測SO2

對于SO2的監測普遍運用基于氧電極以及肝微粒體制作而成的傳感器。該傳感器可以通過測量雨水內亞硫酸鹽的濃度，來反映當前大氣當中SO2的占比。在實際工作中，傳感器內的微粒體會與亞硫酸鹽實現氧化反應，以此來損耗附近的氧，減少氧電極附近溶解氧的占比，從而引發傳感器電流產生變化，最后反映出當前亞硫酸鹽的濃度。這種檢驗方式的精確度以及重現性都十分理想。

2.1.2 可以檢驗NO2

對于NO2的檢驗普遍運用氧電極和固定化硝化細菌以及多孔氣體滲透膜聯合制作而成的傳感設備。在實際工作中，將亞硝酸鹽視為單一的硝化細菌能源，當亞硝酸鹽含量增加，則傳感器的呼吸活性也隨之加強。在傳感器呼吸期間，通過氧電極開展溶解氧濃度降低量的檢驗，借此反映亞硝酸鹽的濃度，進而判斷大氣當中NO2的占比。其中，0.01 mmol/ L為檢測的最低值，若亞硝酸鹽濃度不高于0.59 mmol/L，就說明亞硝酸鹽濃度與傳感設備電流之間形成正比關系，即傳感設備擁有十分理想的抗干擾能力，選擇性相對理想[3]。

2.1.3 可以檢驗CO2

溫室效應便是因CO2含量升高而引發的環境危害。傳統監測方式以電位傳感器為主，往往會受到各種離子以及揮發性酸的影響。對此，在實際工作中可以嘗試采用基于自養微生物與氧電極制作而成的電位傳感設備進行監測，可以避免各類離子以及揮發性酸所產生的干擾。當傳感器檢驗CO2的含量處于3%——12%之間時存在線性響應，說明靈敏度更為理想。

2.2 在殺蟲劑類物質監測中的運用

殺蟲劑類物質包括脫葉劑、除草劑以及各類殺昆蟲劑等。各類殺蟲劑中普遍含有許多對人體健康不利的物質，例如，殺真菌劑內含有硫化合物、銅化合物等，除草劑內含有有機化合物等。上述物質都會對人體健康產生嚴重的危害，例如，破壞機體造血功能、損害呼吸道、誘發神經系統病癥等，其部分成分甚至有致癌性。

現在，應用較為頻繁的檢驗方式是氣相色譜法。然而部分殺蟲劑物質具備低揮發性以及對熱不穩定等特征，并不適用于氣相色譜法監測。而生物傳感器可以有效解決上述問題。以有機磷農藥為例，該農藥可能在特定低濃度下實現對部分指定酶活性的限制，限制效果往往與有機磷農藥濃度成正比關系。因此，可以通過酶傳感設備實現對有機磷農藥占比的監測。如制作乙酰膽堿酯酶傳感器，乙酰膽堿本身為神經遞質，處于紅細胞以及生物神經組織內，可加速物質水解反應，形成含有乙酸的物質，引發反應相pH改變。因為乙酰膽堿酯酶對有機磷農藥的敏感度較高，所以通過檢驗反應相pH的改變便可以了解酶活性受到的抑制程度，進而分析有機磷農藥當前的含量占比。

2.3 水環境監測中的運用

生物傳感器在水環境監測工作中的運用。

2.3.1 用于BOD的檢驗

水體當中污染物的類型及含量的監測可以依賴生物化學需氧量檢驗結果進行判斷。傳統監測手段以5 d生化需氧量標準稀釋檢驗方式為主，該方式操作較為復雜，且耗時較長，檢驗結果的精確度也并不理想。部分學者嘗試從廢水中提煉微生物，并經過培養制作為膠原膜，聯合氧電極制作成傳感器，用以檢驗BOD。許多學者對此展開研究，明確了該生物傳感器的工作原理：在實驗中，生物敏感元件運用了微生物多菌種或是某一菌種，如果BOD物質出現參與、降解代謝情況，便會轉變生物內外源的呼吸方法，進而影響電流產生強弱的改變，傳感器輸出的電流數值在特定環境下與BOD含量占比之間形成線性關系。該檢驗方式精確度較高，且具有理想的靈敏性，耗時短，所以在水質在線持續性監測中的運用十分頻繁[4]。

2.3.2 用于苯酚類化合物的檢驗

含苯化合物是當前污染環境的主要物質之一，大部分芳香類化合物都具有致癌性。近幾年來，電化學傳感設備不斷進步，出現了將漆酶、過氧化物酶等作為敏感材料的傳感設備，其中又以酪氨酸酶傳感設備應用最為頻繁。酪氨酸酶傳感設備工作原理是：傳感器以分子氧存在為基礎，依賴酪氨酸酶對單酚類物質予以氧化，令其形成二酚，進而轉變為苯醌類物質。因為苯醌可以借助電化學渠道吸收電子并轉變為鄰苯二酚，因此會對苯醌類物質的形成狀況以及氧氣損耗狀況進行監測，以此達到及時監測苯酚類物質的效果[5]。酪氨酸酶傳感設備監測方式在精確度、靈敏度以及選擇性方面表現都十分理想。此外，苯酚生物傳感設備將微生物菌體制作為識別材料，實現對苯酚類物質的檢驗，由于細菌往往包含降解質粒，因此假單胞菌屬逐漸得到有關學者的重視。

2.3.3 用于硝酸鹽的檢驗

生物傳感器運用在水環境內監測NO-3，主要是檢驗NO-3還原為NO-2期間所產生的還原電流，通過判斷電流的大小，以確認當前NO-3的含量。這一傳感設備在監測0.400 μmol/L的NO-2時可以達到較為理想的效果。部分學者對傳感設備電泳原理予以優化，在培養基池和受監測液內置入電極，促進NO-3與敏感元件更為靠近，會獲得更為理想的監測效果。

3 結論

生物傳感器的產生為環境監測向自動化、智能化方向發展提供了機會，減少了環境監測需要投入的成本，提高了環境監測的整體質量。所以，有關部門需明確生物傳感器的原理及分類，以便在大氣環境、水環境的監測過程中，能夠選擇更為合適的生物傳感器，從而提高監測質量，保證生態環境的安全。