生物傳感器技術在水質監(jiān)測中的應用

1、    生物傳感器技術在水質監(jiān)測中的應用    范玉國 李婉琳 楊升洪 饒健摘要：日趨加劇的水污染，成為人類健康、經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。對水質進行實時高通量監(jiān)測以避免污染擴大是當前防治水污染的重要課題，近幾十年來，生物傳感器以其便捷，快速，靈敏成為最具潛力的水質監(jiān)測技術。而未來，生物傳感器技術還將向著微型化，集成化發(fā)展，以實現(xiàn)一套傳感系統(tǒng)多種污染物指標同時監(jiān)測，將真正實現(xiàn)水質監(jiān)測實時高通量的目標。關鍵詞：水污染;水質監(jiān)測;應用：x832 ：a ：2095-672x（2019）12-00-01abstract：increasing water p

2、ollution has become a major obstacle to human health，economic and social sustainable development.real-time high-throughput monitoring of water quality to avoid the expansion of pollution is an important issue for the prevention and control of water pollution.in recent decades，biosensors have become

3、the most potential water quality monitoring technology for its convenience，speed， and sensitivity.in the future，biosensor technology will continue to be miniaturized and integrated to achieve the simultaneous monitoring of multiple pollutant indicators in a sensing system，which will truly achieve th

4、e goal of real-time high-throughput water quality monitoring.keywords：water pollution;water quality monitoring;application水污染現(xiàn)已成為人類健康的最大威脅，據(jù)世界衛(wèi)生組織調查，水污染造成疾病十分普遍，特別是在發(fā)展中國家，因為飲用水質問題引起的疾病占所有疾病的4/5。我國因為人口基數(shù)大，廢污水排放總量巨大，到目前已超過500億立方米，且污染正由淺層向深層擴散速度較快，目前已監(jiān)測到人活動區(qū)域下層水和沿海城市近海海水已經受到不同程度的污染。對于污水的處理，我國已經出臺了很多政策，

5、每年也在新增污水處理廠，而更重要的是及時有效地掌握水質污染的各項指標，防止水污染進一步擴散以至于到無法控制的地步。傳統(tǒng)的水污染監(jiān)測分析方法存在操作步驟多、使用分析儀器不但貴重，體積巨大，難以攜帶，還有測試周期長，不能及時得到檢測結果的問題，在廣域水環(huán)境現(xiàn)場很難做到實時檢測以及在線監(jiān)測。而傳統(tǒng)檢測方法對于一些特殊污染物具有局限性，如難降解，毒性較高，含量較少的有機重金屬污染物，這類污染物需要更靈敏的檢測手段。生物傳感器作為環(huán)境監(jiān)測的新型技術在近幾十年來成為研究的熱點，它由生物敏感元件和轉換元件等多組分構成。其作用原理為，生物分子是敏感元件，直接利用生物分子和待檢測物之間的相互作用來產生響應信號，

6、響應信號因敏感元件性質不同而可以是化學信號、光信號、熱信號，通過轉化元件可以將這些信號轉換為電信號，信號經收集、處理和輸出，最終實現(xiàn)對待檢測物的分析檢測。自updike和 hicks 在 1967 年利用葡萄糖氧化酶作為感應元件，聚丙烯酰胺膜和有氧電極作為轉化器，制造了第一個檢測葡萄糖的傳感器，成為了第一代的生物傳感器，盡管第一代傳感器靈敏度低，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，但而后的誕生的光生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器和電化學生物傳感器都是在第一代傳感器的基礎上發(fā)展出來的1。1 電化學生物傳感器電化學生物傳感器是目前最廣泛應用的，特別是應用于水質檢測，以達到實時現(xiàn)場微量檢測的目的。因

7、為不同待測物的電化學性質不同，用特定的生物識別元件進行偶聯(lián)，可以將待測物的化學劑量轉化為電信號。電化學生物傳感器優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測方法的方面在于，可現(xiàn)場完成檢測過程，極大的避免了采樣造成的主觀因素影響，且靈敏度高，特異性強，而其實現(xiàn)成本較低，普通接受程度較高，優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法。但其也有使用上的缺陷，因為其識別元件具有生物活性，做成試劑盒也很難避免變質和生物降解的問題，從根本上造成了其穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較差，不適合長期、重復使用，而隨著新一代的電化學生物傳感器的研究深入，該狀況正得到改善。如已有研究報道將肌紅蛋白固定在，利用1，3，6，8-芘四磺酸四鈉鹽非共價修飾石墨烯制備的水溶性石墨烯上，該傳感器對亞

8、硝酸鈉有良好的敏感性，最低檢測濃度可達到0.01mm，且具有良好的穩(wěn)定性2。電化學生物傳感器正向著多功能、穩(wěn)定、便攜、智能、高靈敏度、特異性等方向發(fā)展，新型的納米級電化學生物傳感器將有可能成為未來關注的熱點。2 量熱生物傳感器和光學生物傳感器利用其他生物物理學原理也可以設計傳感器，如量熱生物傳感器，其工作原理是酶作用于底物后會釋放一些熱量，而運用酶柱，以及熱導體及一定的量熱元件可以測量酶催化的化學反應生成的熱，通過計算生成熱量和底物濃度之間的關系可以得到間接得到底物的量。簡單系統(tǒng)僅在反應前使用一個精度很低的恒溫槽，沒有反應前后的溫度比較，因此基準漂移大、精度不高、難以定量分析。有研究報道水體中

9、的2，4-二氯酚可以利用量熱生物傳感器來檢測，其原理是將酶組裝在多孔玻璃珠上形成酶柱，因為玻璃珠的表面積可以有效提高檢測效率，得到的線性檢測區(qū)間為0.510mg/l，此結果與高效液相色譜結果一致性較高3。光學生物傳感器是近年來興起的新型傳感器，其原理是先使識別待測物與感受器特異性結合，然后通過反應后激發(fā)的光信號來監(jiān)測待測物的含量，感受器通常是含有生物活性并能發(fā)出光信號的物質。如間接競爭免疫光學生物傳感器triple xtm波導傳感芯片，被用于監(jiān)測水體中的雙酚a（bpa）、微囊藻毒素-lr（mc-lr）和2，4-二氯苯氧乙酸（2，4，-d）。光學生物傳感器盡管靈敏度提高了很多，但是其擾動因素也增

10、加了很多，且發(fā)光基團可能因為底物與傳感器的結合方式問題造成發(fā)光效率受到影響，在一些情況下無法滿足研究需要。因此雜合型系統(tǒng)設計成為了最有潛力的發(fā)展方向，雜合型系統(tǒng)將量熱生物傳感器與電化學、光學及其他種類的生物傳感器相結合，提高結果精度和測量效率。如謝斌等人結合了量熱和電化學生物傳感器，設計了用于檢測兒茶酚的雜合型系統(tǒng)，使用的酶柱既用作酶反應器、導熱元件，又可以作為電傳感器4。如何更有效的集成傳感原件，獲得具有特異性、高效性、靈敏性的傳感器將是未來研究的方向。3 其他生物傳感器除此之外還有一些無法根據(jù)其原理進行客觀分類的生物傳感器，如監(jiān)測水質的一個明星傳感器就是 bod 微生物傳感器。傳統(tǒng) bod

11、 測定時間約需要至少5天，在損耗時間的同時，待測樣品中的bod也發(fā)生了變化，致使最終結果不能完全反應水體的真實情況。而bod 微生物傳感器是將固定化氧電極、微生物等進行集成，以微生物在水中耗費的溶氧量作為指標，整個技術的關鍵為固定化微生物，一般采用混合菌體，當微生物呼吸作用偶聯(lián)電流和 bod 濃度將在某個范圍中呈線性關系，便可測出水體的bod的含量。如研究人員發(fā)現(xiàn)一細菌中有熒光基因存在，受到污染源刺激時可誘導產生熒光蛋白，將熒光素酶基因借助基因搶整合進感應微生物的基因組，可以制成熒光微生物傳感器，用于對的有毒化合物進行檢測。對于重金屬的檢測，目前生物傳感器檢測法也是最為推崇的方式，例如，將砷誘導型啟動子作為起始材料，為獲得突變材料，可以運用流式細胞儀進行熒光激活細胞分選 （facs），以此來構建出靈敏性更強的砷細菌生物傳感器。4 結語可以預見生物傳感器將會向著微型化，集成化發(fā)展，以實現(xiàn)一套傳感系統(tǒng)同時監(jiān)測多種污染物指標，而隨著材料學，化學等相關學科的發(fā)展，生物傳感器的不穩(wěn)定性也可以得到極大的規(guī)避，其必將成為水質監(jiān)測技術的未來最重要的發(fā)展方向。參考文獻1張先恩.生物傳感發(fā)展50年及展望j.中國科學院院刊，2017，32（12）：1271-1280.2陳霞，楊天楓，張東東.石墨烯納米復合材料的制備及其電化學生物傳感應用研究進展j.延安大學學報（自然科學版），2017，3