生物传感器在环境监测中的应用实践研究

董 韵

（重庆市合川区环境监测站，重庆 401520）

生物传感器是一种现代化的分析设备，由数据处理及显示系统、识别元件及信号转换装置等组成，能够根据规律转换可以识别的信号，具有选择性好、高稳定性的特征，并且响应时间非常短，不需要对样品进行预处理，方便携带，可实时、连续进行监测。

1 生物传感器的构成

生物传感器包含放大信号系统、传输和转换信号系统、识别生物元件、处理和显示数据系统等［1］。现阶段，应用最为广泛的生物传感器为光纤型及电化学型。传感器是利用电子计算机对采集的数据进行处理和分析，其中光纤型为应用硅光片、光电倍增管等作为交换器，利用光电倍增管可将能量的效率提升至最大。电化学型生物传感器使用敏场应管作为交换器。

核酸、受体以及抗体、酶、细菌菌体等是非常常用的制作元件材料，当前应用最多的传感器为微生物细胞和酶。识别生物元件利用固定化酶，可以提升敏感性及专一性，并且具有非常短的响应时间。但纯化酶的难度非常大，保存酶的时间比较短，活性容易消失。因此，要选择合适的条件，才能将酶的作用发挥出来。

2 生物传感器的原理

生物传感器的工作原理是由生物敏感材料作识别元件（包括微生物、酶、细胞、核酸和抗体等生物活性物质）识别目标物质，再由转换器将生物识别后的响应转换成一个可测量的信号，最后利用测量方法（包括电化学法、物理法、光学法、声学法等）监测被分析物的浓度［2］。在识别被检测的物质时，可根据其中的规律对信号进行识别和转换，利用转换设备检测物质的特异性反应、信息等对电及声音等容易检测出来的信号进行转换，可获取物质的具体信息。其中，酶及酶组分、细胞及细胞膜等都是生物敏感的元件。转换器的主要类型涵盖了光强、电热及声强测量式等。

3 生物传感器在环境监测中的应用实践

3.1 监测生化需氧量

对常规生化需氧量的监测，一般要有5 d的培养期，具体操作程序较为复杂，特别是在5 d的测样周期中，不能及时反馈水质情况。尽管可以应用库伦滴定法及差压的方式进行计算，但是并不能从根本上解决问题。所以，快速对生物需氧量进行测定的方式得到了越来越高的重视。很多国家已经开始应用生化需氧量生物传感器，其监测原理为利用微生物吸收有机物时消耗氧而产生的电流变化，对生化需氧量进行测定。

3.2 监测酚类化合物

炼油、炼焦、造纸、木材防腐和化工等废水中常含有酚类化合物［3］。酚类化合物含有的毒性非常大，影响范围广，是环境监测中非常关键的指标。监测酚类化合物的生物传感设备是由氧电极及透气膜表面产生的微生物膜共同组成的。其原理是在氧气与一些酚物质同时进入微生物膜的过程中，因为微生物在与对酚产生同化作用时会消耗一定量的氧气，所以，氧电极中的氧分子速率会出现下降的情况，输出的电流也会逐步减少，在短时间中实现稳态。

3.3 监测表面活性剂

对水体造成污染的物质非常多，其中阴离子表面活性剂能够造成非常严重的污染，可在水体表面产生泡沫，不易消失，消耗大量的溶解氧［4］。应用LAS降解菌制作的生物传感器，可对水体中含有的阴离子表面活性剂浓度进行检测，非常适用于对地表水的检测。

3.4 监测二氧化碳

当前，产生温室效应的重要原因为二氧化碳含量超标。在以往应用的电位传感器中，常会有各种离子等产生的干扰。国外研究人员应用氧电极及自氧微生物制作了新一代的电位传感器，对于挥发性酸及各种离子产生的干扰有非常强的抵抗能力。传感器对浓度在3%～12%的二氧化碳有线性响应，可连续不间断地进行分析，灵敏程度非常高。

3.5 监测NH3

以往，应用最多的NH3测定传感器为常规的电位传感器，由复合玻璃电极和气体渗透膜构成，为氨气体电极。在碱性条件下测定NH3，易受挥发性物质如胺类的干扰。在国外应用的生物传感器中，有一种是由氧电极和两种硝化菌属制成的，即为新型安培型氨传感器。该传感器测量的线性范围为0.10～42.00 mg/L，存在的误差为±4%，测量的整个过程只需短短几分钟。该传感器不仅可对大气当中的NH3进行监测，而且能监测废水中的NH3。

3.6 监测二氧化硫

产生酸雨的主要原因为二氧化硫，以往二氧化硫的检测方式非常复杂。现在，应用氧电极及肝微粒体制作而成的传感设备，能够利用对空气中产生的亚硫酸盐浓度监测结果，明确大气中含有的二氧化硫含量。具体来看，传感器中的微颗粒对亚硫酸盐的氧化过程会消耗大量的氧气，可降低电极周围氧的浓度，使传感器的电流产生变化，并间接地将亚硫酸盐的浓度反映出来，具有非常高的精度。另外，将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对酸雨酸雾样品溶液进行检测。同时，对于该生物传感器的研究仍在不断深入，如以噬硫杆菌和氧电极制作的生物传感器可以简单、稳定、精确地测量酸雨的含量。

4 结语

在环境监测过程中，生物传感器发挥着重要作用，具有准确、及时及成本低等优势。未来，对于生物器的研究还需进一步深入，使其具有更高的灵敏性，并提升其使用寿命及稳定性，以便更加方便灵活的应用。

［1］曹淑超.生物传感器在环境监测中的应用［J］.能源环境保护，2015（2）：59-62.

［2］张宏伟，郑雅文，王捷，等.微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用及其研究进展［J］.天津工业大学学报，2015（1）：44-49.

［3］陶格日勒.生物传感器在环境监测中的应用研究［J］.科技与企业，2015（2）：113.

［4］邓天晶.生物传感器在环境监测上的研究进展［J］.辽宁农业科学，2011（6）：53-56.