生物传感器在环境监测中的应用

作者：张馨予

随着各国经济的迅速发展，环境污染问题逐渐凸显出来，并成为制约经济快速发展的因素。因此，保护环境成为各界关注的问题。而环境监测正好为环境改善、污染管控以及环境质量评估等重要工作，提供了更为精确且完善的信息与参考数据。传统环境监测方法在分析速度方面并不理想，且操作相对复杂，无法在复杂环境下实现在线持续监测，所以亟待开发一种全新的监测技术。近些年来，随着我国生物科学技术的快速发展，用以监测的生物传感技术也在不断创新，在环境监测中发挥了重要的作用[1]。因此，如何将生物传感技术应用在环境监测之中，也成为环境相关部门与学者关注的热点。

1 生物传感器的工作原理及分类

1.1 工作原理

生物传感器是以固定化酶以及固定化细胞技术作为核心，通过生物学元件开展功能性识别，分辨与感知目标物品并结合预设的规则转化为能够识别信号的一种设备。生物传感器的工作原理是把生物的敏感元件以及目标物品所产生的特异性反应或信号通过转换设备转化为电、声音等容易感知的信号，以此完成目标物质相关信息数据的传输。一般情况下，生物敏感元件包括：组织、细胞膜、酶、抗体等许多类型。转换设备转换可采用电热测量方式、电导测量方式以及光强测量方式等诸多方法。

1.2 类型划分

根据生物传感器选用的生物分子识别元件，可将其分为不同类型：如酶传感器、组织传感器以及微生物传感器等。就目前而言，国外环境监测中运用较为频繁的传感器有：微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器以及酶传感器等四种传感器。

2 环境监测中生物传感器的运用措施

2.1 大气环境监测中的运用

生物传感器在大气环境监测中的应用较为频繁。如今，大气环境中的主要污染因子包括SO2、CO2以及NOx等，其中又以CO2和NOx为核心，两者均为构成酸雨的核心组分。不仅如此，NOx同时是引发光化学污染的主要原因[2]。用传统监测方式监测以上两种物质，不仅过程复杂，而且容易产生重现性不佳的检验结果。所以，大气环境监测工作开始引入生物传感器作为主要的监测手段。具体方式如下：

2.1.1 可以监测SO2

对于SO2的监测普遍运用基于氧电极以及肝微粒体制作而成的传感器。该传感器可以通过测量雨水内亚硫酸盐的浓度，来反映当前大气当中SO2的占比。在实际工作中，传感器内的微粒体会与亚硫酸盐实现氧化反应，以此来损耗附近的氧，减少氧电极附近溶解氧的占比，从而引发传感器电流产生变化，最后反映出当前亚硫酸盐的浓度。这种检验方式的精确度以及重现性都十分理想。

2.1.2 可以检验NO2

对于NO2的检验普遍运用氧电极和固定化硝化细菌以及多孔气体渗透膜联合制作而成的传感设备。在实际工作中，将亚硝酸盐视为单一的硝化细菌能源，当亚硝酸盐含量增加，则传感器的呼吸活性也随之加强。在传感器呼吸期间，通过氧电极开展溶解氧浓度降低量的检验，借此反映亚硝酸盐的浓度，进而判断大气当中NO2的占比。其中，0.01 mmol/L为检测的最低值，若亚硝酸盐浓度不高于0.59 mmol/L，就说明亚硝酸盐浓度与传感设备电流之间形成正比关系，即传感设备拥有十分理想的抗干扰能力，选择性相对理想[3]。

2.1.3 可以检验CO2

温室效应便是因CO2含量升高而引发的环境危害。传统监测方式以电位传感器为主，往往会受到各种离子以及挥发性酸的影响。对此，在实际工作中可以尝试采用基于自养微生物与氧电极制作而成的电位传感设备进行监测，可以避免各类离子以及挥发性酸所产生的干扰。当传感器检验CO2的含量处于3%—12%之间时存在线性响应，说明灵敏度更为理想。

生物传感器在环境监测中的应用

2.2 在杀虫剂类物质监测中的运用

杀虫剂类物质包括脱叶剂、除草剂以及各类杀昆虫剂等。各类杀虫剂中普遍含有许多对人体健康不利的物质，例如，杀真菌剂内含有硫化合物、铜化合物等，除草剂内含有有机化合物等。上述物质都会对人体健康产生严重的危害，例如，破坏机体造血功能、损害呼吸道、诱发神经系统病症等，其部分成分甚至有致癌性。

现在，应用较为频繁的检验方式是气相色谱法。然而部分杀虫剂物质具备低挥发性以及对热不稳定等特征，并不适用于气相色谱法监测。而生物传感器可以有效解决上述问题。以有机磷农药为例，该农药可能在特定低浓度下实现对部分指定酶活性的限制，限制效果往往与有机磷农药浓度成正比关系。因此，可以通过酶传感设备实现对有机磷农药占比的监测。如制作乙酰胆碱酯酶传感器，乙酰胆碱本身为神经递质，处于红细胞以及生物神经组织内，可加速物质水解反应，形成含有乙酸的物质，引发反应相p H改变。因为乙酰胆碱酯酶对有机磷农药的敏感度较高，所以通过检验反应相p H的改变便可以了解酶活性受到的抑制程度，进而分析有机磷农药当前的含量占比。

2.3 水环境监测中的运用

生物传感器在水环境监测工作中的运用。

2.3.1 用于BOD的检验