生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中及應(yīng)用

1、生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用*謝 宇第一作者：謝 宇，男，1975年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境生物技術(shù)和生物傳感器。*江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.0620071）。 尚曉嫻 楊 莉（南昌航空工業(yè)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330063）摘要 簡要介紹了生物傳感器的基本工作原理。綜述了測定BOD、酚、農(nóng)藥殘留和NO3-的水環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器；測定SO2和NOX的大氣環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器；測定土壤重金屬的生物傳感器以及檢測內(nèi)分泌干擾物、持久性有機(jī)污染物和監(jiān)測水體富營養(yǎng)化的其他環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用。并對生物傳感器的未來發(fā)展方向做了展望。關(guān)鍵詞 生物傳感器 環(huán)境監(jiān)測 污

2、染物Application of biosensor in environmental monitoring Xie Yu, Shang Xiaoxian, Yang Li. (College of Environment and Chemistry Engineering, Nanchang Institute of Aeronautical Technology，Nanchang Jiangxi 330063)Abstract: The basic working principle of biosensor briefly was introduced in this paper. Th

3、e water environment monitoring biosensor determining BOD, phenol, pesticide residues and NO3-, the atmospheric environmental monitoring biosensor determining SO2 and NOX and biosensors determining heavy metals in soil were summaried. Moreover, the other environmental monitoring aspect applications o

4、f biosensors such as determining endocrine disruptors, persistent organic pollutants and monitoring eutrophication were also introduced. At last, the development of biosensors in the future was forecasted.Keywords: Biosensor Environmental monitoring Pollutant隨著各國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染問題逐漸凸現(xiàn)出來，并成為制約經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的因素。因

5、此，保護(hù)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展逐漸成為當(dāng)今的熱門話題。在環(huán)境監(jiān)測中有許多生化指標(biāo)需要簡便、快速、自動(dòng)化的測定，生物傳感器因其滿足了上述要求而在近十幾年中得到了迅速發(fā)展1，2。國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）對生物傳感器的定義為：1種由生物或者與生物相關(guān)的敏感元件和物理化學(xué)傳感器（換能器）相結(jié)合構(gòu)成的小型分析儀器。其中分子識(shí)別部分（敏感元件）用于識(shí)別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件，是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)；信號轉(zhuǎn)換部分（換能器）是將分子識(shí)別部分所引起的變化轉(zhuǎn)換成電信號的功能部件3。生物傳感器的工作原理如下：待測物生物識(shí)別元件信息信號轉(zhuǎn)換電信號或光信號信號放大信息

6、處理信號輸出生物傳感器的研究開端于20世紀(jì)60年代。1962年CLARK4報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測葡萄糖的結(jié)果，可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器（酶傳感器）的原理。生物傳感器按敏感元件的不同可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、DNA傳感器等。按轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換對象的不同可分為pH轉(zhuǎn)換器、O2轉(zhuǎn)換器、CO2轉(zhuǎn)換器、NH3轉(zhuǎn)換器等5；按測量信號的不同又可分為電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、測熱型傳感器、半導(dǎo)體傳感器等6。1 用于水環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器目前生活污水和工業(yè)廢水的排放量不斷增加，其中絕大部分污水經(jīng)過生物法處理后排入水體，其各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。對于大多數(shù)污水處理廠來說，實(shí)現(xiàn)

7、水質(zhì)的在線檢測仍是一個(gè)難題。生物傳感器的應(yīng)用，使得廢水的生物處理過程的在線檢測成為可能。1.1 BOD生物傳感器普通的BOD傳感器一般是將微生物夾膜固定在溶解氧探頭上7，8，溶解氧隨緩沖溶液進(jìn)入到生物膜層，部分的溶解氧被微生物消耗。剩余的溶解氧通過可透氣的Teflon膜而被氧電極所檢測到。當(dāng)樣品溶液通過檢測系統(tǒng)時(shí)，可降解的有機(jī)物通過多孔滲透膜滲透到微生物層而被微生物氧化、吸收，從而引起膜周圍溶解氧的減少，導(dǎo)致了氧電極的電流下降。將測定的電流與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，可測定BOD。用于制作BOD生物傳感器的微生物主要有酵母、假單胞菌、芽孢桿菌、發(fā)光菌和嗜熱菌等。張悅等9研制的BOD測定儀采用聚乙烯醇凝

8、膠包埋方式固定酵母，并將固定化酵母直接分散懸浮在溶液中，將BOD探頭插入溶液中測量BOD，在0200 mg/L內(nèi)有較好的線性測量關(guān)系，且有較好的準(zhǔn)確性。1.2 測定酚的生物傳感器微生物傳感器是快速準(zhǔn)確測定廢水中酚含量的方法10，是以微生物電極、酶電極和植物電極為傳感器測定的。反應(yīng)機(jī)理見式（1）和式（2）。 苯酚O22H+酪氨酸酶鄰苯二酚 （1） 鄰苯二酚O2酪氨酸酶鄰苯二醌 （2）當(dāng)酚類物質(zhì)與O2一起擴(kuò)散進(jìn)入微生物膜時(shí)，由于微生物對酚的同化作用而耗氧，致使進(jìn)入氧電極的O2速率下降，傳感器輸出電流減小，并在幾分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在一定的濃度范圍內(nèi)，電流降低值I與酚的濃度之間呈線性關(guān)系，由此來測定酚的

9、濃度。由于此反應(yīng)需要酪氨酸酶，穆冬燕等11用麥芽糊精修飾的酪氨酸酶碳糊電極構(gòu)成電流型生物傳感器來測定水中酚類污染物質(zhì)。在外加電壓為100 mV(vs.SCE)、pH為5.40的磷酸鹽緩沖溶液中，在苯酚摩爾濃度為2.010-71.010-5 mol/L內(nèi)電極電壓與苯酚摩爾濃度有良好的線性關(guān)系，其檢測下限為1.010-7 mol/L。1.3 測定農(nóng)藥殘留的生物傳感器用于農(nóng)藥殘留檢測的電化學(xué)傳感器分為電流模式和電位模式，其分子識(shí)別元件大都為乙酰膽堿酯酶（AChE）和丁酰膽堿酯酶（BChE）。AChE催化底物乙酰膽堿的水解反應(yīng)為12：乙酰膽堿H2O膽堿乙酸 （3）酶的活力受到有機(jī)磷(OPs)（如：馬拉

10、硫磷、對硫磷等）和氨基甲酸酯殺蟲劑（如：西維因、涕滅威）的抑制。電流型傳感器測量的是O2、H2O等電活性物質(zhì)濃度13，有兩種類型：第1種類型是基于反應(yīng)(3)中生成的膽堿被膽堿氧化酶(ChOD)氧化，消耗氧而生成H2O2(反應(yīng)4)，從而通過測定溶液中的氧或H2O2來間接測量酶的抑制物；第2種類型是電位傳感器，通過測量H+的濃度來反映抑制物的濃度（反應(yīng)5）。膽堿+2O2 + H2O乙酸三甲銨內(nèi)鹽+ H2O2 （4）2膽堿2膽堿+ 2 H+2e- （5）ALBAREDA SIRVENT等14以1種可以重復(fù)使用的電流型生物傳感器來檢測自來水和果汁中的農(nóng)藥，在標(biāo)準(zhǔn)溶液中對氧磷和呋喃丹的檢測極限分別達(dá)到1

11、0-10和10-11 mol/L。1.4 測定NO3-生物傳感器NO3-是測定水中污染物的重要指標(biāo)之一，目前有多種利用不同的NO3-還原酶作為催化劑的生物傳感器裝置。MARTY等15發(fā)明了用假單細(xì)胞菌固定在小毛細(xì)管中，置于N2O小電化學(xué)傳感器的前端來測定NO3-的小型微生物傳感器，該傳感器在小于400 mol/L下呈線性響應(yīng)。2 用于大氣環(huán)境監(jiān)測的生物傳感器2.1 測定SO2的生物傳感器SO2是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。將亞細(xì)胞類脂類含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，可對SO2形成的酸雨酸霧樣品進(jìn)行檢測16。將固定有類脂質(zhì)的醋酸纖維

12、膜附著在氧電極兩層Telflon氣體滲透層之間，當(dāng)樣品溶液經(jīng)過氧電極表面時(shí)，微粒體氧化樣品，消耗氧，使氧電極電流隨時(shí)間延長而減小，10 min達(dá)到穩(wěn)定。在SO32-小于3.410-4 mol/L時(shí)，電流與SO32-濃度呈線性關(guān)系，檢測限為0.610-4 mol/L。新的生物傳感器以噬硫桿菌和氧電極制作17，將噬硫桿菌固定在兩片硝化纖維膜之間，使微生物新陳代謝增加，溶解氧濃度下降，氧電極響應(yīng)改變，從而測出亞硫酸物含量。2.2 測定NOX的生物傳感器NOX是引起光化學(xué)煙霧的最主要原因，利用硝化細(xì)菌以硝酸鹽為唯一能源這一特點(diǎn)，用多孔氣體滲透膜，固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成微生物傳感器18，能有效測定樣

13、品中亞硝酸鹽的含量。此傳感器選擇性很高，不易受乙酸、乙醇等揮發(fā)物質(zhì)的干擾。當(dāng)亞硝酸鹽低于0.59 mmol/L時(shí)，通過氧電極的電流與硝化細(xì)菌的好氧量之間有良好的線性關(guān)系，檢測限為0.01 mmol/L。除了能對以上兩種大氣中的主要污染物進(jìn)行檢測外，對其他空氣污染物的監(jiān)測也有報(bào)道。GIL等19采用埃希氏菌屬作為基質(zhì)，用瓊脂固定與傳導(dǎo)器組成生物傳感器，對工廠周圍的大氣進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，能檢測出空氣中的苯和甲苯等有毒物質(zhì)的濃度變化。3 測定土壤重金屬的生物傳感器生物傳感器用于土壤中污染物的檢測目前報(bào)道較少?；谝种谱饔玫拿干飩鞲衅鳒y定環(huán)境樣品中的抑制劑的研究近年來備受關(guān)注，該法可應(yīng)用于檢測土壤中的污染

14、物。湯琳等20提出了一種基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶生物傳感器用于測定土壤樣品中的二價(jià)汞離子。該法克服了傳統(tǒng)的冷原子吸收分光光度法、高錳酸鉀-過硫酸鉀消解雙硫腙分光光度法等方法中預(yù)處理過程復(fù)雜、費(fèi)用高、不能實(shí)地檢測的缺點(diǎn)。二價(jià)汞離子可作為葡萄糖氧化酶的一種抑制劑，在pH較低的酸性環(huán)境中，能與酶活性中心的某些位點(diǎn)結(jié)合而抑制酶的活性，從而引起響應(yīng)電流的下降，產(chǎn)生可測定信號。該傳感器對汞離子的檢出限為0.49 ng/mL，抑制率和汞離子濃度的自然對數(shù)值在0.49783.21 ng/mL和783.21 ng/mL25.55 g/mL內(nèi)分別呈良好的線性關(guān)系，酶電極在抑制后可以完全恢復(fù)活性。4 生物傳感

15、器在環(huán)境監(jiān)測其他方面的應(yīng)用4.1 檢測內(nèi)分泌干擾物環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(EDCs)通過食物、水、大氣和土壤等環(huán)境介質(zhì)與包括人類在內(nèi)的環(huán)境生物體系全方位的接觸，成為迫切需要治理的第3代環(huán)境污染物。ANDREEACU等21發(fā)展了1種以酪氨酸酶為基礎(chǔ)的電化學(xué)生物傳感器(Tyr-CPE)，成功應(yīng)用于檢測酚類EDCs。近年來，以表面等離子體共振(SPR)為原理的高靈敏度轉(zhuǎn)換器被較多的應(yīng)用于生物傳感器中，形成1種新的更為簡單快捷的檢測法。該法通過檢測SPR信號的改變，來反映識(shí)別元件生物分子與受試物分子的相互作用(結(jié)合或解離)，從而定量測定待測物。SHIMOMUM22等使用該法來檢測2,3,7,8-TCDD、P

16、CB和阿特拉津，僅15 min便可完成全部測定過程，3者的檢出限分別為0.1、2.5、5 ng/mL。4.2 檢測持久性有機(jī)污染物常見的持久性有機(jī)污染物是氯化烴類，如三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等。這類物質(zhì)大都具有致癌作用，一旦進(jìn)入地下水或土壤中，將對人體健康構(gòu)成極大危害。HAN等23發(fā)明了1種用假單細(xì)胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜上制成的新型微生物傳感器，將附有假單細(xì)胞菌的薄膜固定于氯離子電極上，再將帶有AgCl/Ag薄膜的氯離子電極和Ag/AgCl參比電極連接到離子計(jì)上，記錄電壓的變化，通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照，測定三氯乙烯的濃度。4.3 監(jiān)測水體富營養(yǎng)化水域中一些浮游生物暴發(fā)性繁

17、殖引起水色異常的現(xiàn)象稱為赤潮。赤潮是水質(zhì)受到污染，水體富營養(yǎng)化的結(jié)果，多發(fā)生在近海海域。葉綠素a是浮游植物進(jìn)行光合作用時(shí)，有機(jī)物生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)24。日本設(shè)計(jì)出葉綠素a的自動(dòng)監(jiān)測儀，通過對水中葉綠素a的檢測來監(jiān)測水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。該儀器體積小，可設(shè)置在表層水下10100 cm處，檢測范圍為020 g/L。5 未來發(fā)展趨勢由于生物傳感器具有快速、在線、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視。經(jīng)過近30年的研究，生物傳感器已獲得了很大發(fā)展。但是真正應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的實(shí)例并不太多，這主要是由于目前的生物傳感器還存在諸多不足之處，如穩(wěn)定性差、對許多有毒物質(zhì)缺乏抵抗性、使用壽命短、維護(hù)較為復(fù)雜等。

18、未來生物傳感器發(fā)展的方向主要集中在兩個(gè)方面25：換能器的發(fā)展和檢測元件的改進(jìn)。信號轉(zhuǎn)換是生物傳感器的關(guān)鍵問題，如何在傳感元件的氧化還原中心與電極換能器之間建立電子傳遞仍是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。生物傳感器在工作過程中，往往會(huì)出現(xiàn)識(shí)別元件與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等不可逆的情況，這必然會(huì)影響傳感器的檢測能力，降低其靈敏度。因此，如何提高元件的使用壽命，選擇靈活性強(qiáng)、選擇性高的傳感元件也是一個(gè)主要的研究方向?；钚晕镔|(zhì)的固定化技術(shù)在研究生物傳感器的穩(wěn)定性時(shí)占有重要位置，因此這個(gè)問題如果能得到很好的解決，必將極大推動(dòng)生物傳感器的發(fā)展，提高其實(shí)用性。此外，便攜式微型生物傳感器的研究也是未來的一個(gè)發(fā)展方向，新生物材料的合

19、成、納米技術(shù)的應(yīng)用等都將進(jìn)一步推進(jìn)生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 吳邦燦，費(fèi)龍.現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)M.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999.2 ISAO K，KAZUYOSHI Y，SATOSHI S. Biosensors for environmental monitoring J. Annals of the New York Academy of Sciences，1998，86：23-36.3 范崇陽.生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用J.傳感器技術(shù)，1995，2：1-5.4 CLARK L C. Biosensor M. Ann. N. Y. Acad / Sci.，1962，102(

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