生物傳感器在水質(zhì)分析監(jiān)測中的應(yīng)用
生物傳感器是由固定化并具有化學(xué)分子識別功能的生物材料、換能器件及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng),。
1 生物傳感器基本原理
1.1 反應(yīng)基礎(chǔ)
生物傳感器反應(yīng)基礎(chǔ)基于常見的四類生物反應(yīng):即酶促反應(yīng),、免疫學(xué)反應(yīng),、微生物反應(yīng)和生物反應(yīng)中伴隨著發(fā)生的物理量變化。
1.2 工作原理
生物傳感器的組成見圖1,。生物傳感器選擇性的好壞完全取決于它的分子識別元件,，而其他性能則和它的整體組成有關(guān)。生物反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的,，選擇不同的轉(zhuǎn)換器對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換對生物傳感器的設(shè)計十分重要,，常見的生物傳感器的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換器有電化學(xué)式、光學(xué)式等,。
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2 生物傳感器在水監(jiān)測中的應(yīng)用
應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)控的生物傳感器所使用的分子識別元件主要有酶,、微生物、細(xì)胞器,。在水質(zhì)監(jiān)控中的主要應(yīng)用有BOD,、細(xì)菌總數(shù)、硫化物,、有機(jī)農(nóng)藥,、酚和水體富氧的測定等。
2.1 用于監(jiān)測BOD的生物傳感器
BOD是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo),。測定BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時間長,、操作繁瑣、準(zhǔn)確度差,。BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測的要求,，并且有快速、靈敏的特點(diǎn),。BOD傳感器的工作原理〔,，〕:以微生物的單一菌種或混合種群作為BOD微生物電極，由于水體中BOD物質(zhì)的加人或降解代謝的發(fā)生,，導(dǎo)致水中的微生物內(nèi)外源呼吸方式的變化或轉(zhuǎn)化,，藕聯(lián)著電流強(qiáng)弱信號的改變，一定條件下傳感器輸出的電流值與BOD的濃度呈線性關(guān)系,。用于制作BOD生物傳感器的微生物主要有酵母,、假單胞菌、芽抱桿菌,、發(fā)光菌和嗜熱菌等,。
張悅等研制的BOD測定儀采用聚乙烯醇凝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DO探頭插人溶液中測量BOD，實(shí)驗(yàn)表明,，最佳測量條件為溫度30‘C,pH 5.0,、固定化細(xì)胞15g,，可在20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)BOD的快速測定。在BOD為,。- 200 mg/L的范圍內(nèi)有較好的線性測量關(guān)系,，且有較好的準(zhǔn)確性。但離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)距離,，需做進(jìn)一步的研究,。
國外，兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2被分離出來并且被固定在玻璃碳極上,，以構(gòu)成用于測量BOD的微生物傳感器,。其誤差為土10%。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD濃度,，其最小值可達(dá)到2m g/L,，所用的時間僅為5m in（3） 。
2.2 用于快速測定細(xì)菌總數(shù)的生物傳感器
細(xì)菌總數(shù)是水質(zhì)樣品中的重要污染指標(biāo)之一,。目前普遍采用平板菌落記數(shù)法,，測定周期長，準(zhǔn)確度不高,，主觀誤差大,。生物傳感器的快速測定引起了人們極大的興趣。韓樹波等（4）研制成功一種新的伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳感器（見圖2）,，通過對電極及其輔助測定裝置的設(shè)計,，可使測定下限達(dá)3x104 cells，測定周期在0.5 h左右,。用菌懸液抽濾制成細(xì)菌阻留膜,，立即把此膜附著在無菌罩中的修飾電極上，用濾膜定位裝置將電極及起濾膜固定于彈性電解池底部,，記錄伏安掃描曲線,，所得峰電流值與相應(yīng)樣品的校正工作曲線相對照，計算細(xì)菌總數(shù),。大腸桿菌,、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌,、沙門氏菌,、啤酒酵母菌的線性響應(yīng)范圍依次是2x 104一4.8x107,2x104一4.60x 1 07,3x 1 04一9.16x107, 2 x 104一9.60x 107,2x 104一9.60x 107 cells。
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2.3 用于監(jiān)測硫化物的生物傳感器
硫化物的測定在環(huán)境監(jiān)測中居重要地位,。目前常用的測定方法有亞甲基藍(lán)比色法,、碘量滴定法和電位滴定法等（5）。這些方法往往需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理,，不但藥品消耗量大,，而且易造成測定誤差,。白志輝等用硫化物桿菌制成硫化物傳感器，用于對生活污水,、工業(yè)廢水,、含HZS氣體等基體復(fù)雜的樣品中的硫化物的測定（6）。該方法是從硫鐵礦的酸性土壤中分離,、篩選出氧化硫硫桿菌,，將其固定化，制備成微生物膜,，再與氧電極組裝成微生物傳感器,，用于樣品中微量硫化物的測定。實(shí)驗(yàn)研究表明:該傳感器響應(yīng)S2-質(zhì)量濃度線性范圍為0.06一1.50 mg/L,，響應(yīng)時間為3- 6 m in,30 d 內(nèi)測定500余次,，靈敏度保持不變。
2.4 用于測定酚的生物傳感器
酚是水系“五毒”之一,，對其實(shí)施有效的監(jiān)測具有重要意義,。測定酚的生物傳感器有酶電極、微生物電極和植物組織電極,，它們都基于以下反應(yīng):
苯酚 十 O2+ 2 H++酪氨酸酶一鄰苯二酚
鄰苯 二 酚 十O2+酪氨酸酶一鄰苯二醌
兩步 反 應(yīng) 均需要大量的氧,，據(jù)此可將酪氨酸酶或富含酪氨酸酶的新鮮蘑菇、土豆,、香蕉等植物組織切片與溶氧電極結(jié)合制成測定酚的生物傳感器,。穆冬燕等研究了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測水中酚類污染物質(zhì)的方法，在外加電壓為一100m V（v s.SCE）,p H 為5.40的磷酸鹽緩沖溶液中,，苯酚濃度為2.0 x 10-7——1.0 x 10-5 mol/L的范圍內(nèi)電極電壓與苯酚的濃度有良好的線性關(guān)系,。檢出下限為1.0 x 10-7moUL，響應(yīng)時間為2 min,。此電極對其他酚類物質(zhì)如鄰苯二酚,、對氯苯酚、鄰甲酚等都有良好的響應(yīng),?？梢岳么穗姌O檢測工業(yè)廢水中的酚類物質(zhì)的濃度[7]。
馮治平等〔8〕從蘑菇組織中提取鄰苯二酚粗酶,，利用絲素蛋白在甲醇作用下,，其分子結(jié)構(gòu)由可溶性任意卷曲結(jié)構(gòu)向不可溶性刀- sheet發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而將鄰苯二酚粗酶固定在絲素蛋白膜中,，制得鄰苯二酚酶傳感器,，該傳感器在pH為6.0的KH2PO4,-Na2HPO4,工作介質(zhì)中具有良好的響應(yīng)特性，工作線性范圍為1.0x 1 0-5- 2 .5x 1 0-4m ol/L,，檢測限5.0x 10-6mol/L,，響應(yīng)時間2 min,酶經(jīng)絲素蛋白的固定后具有較強(qiáng)的耐熱性能,，并能較長時間保持酶的活性,。該傳感器在KH2PO4,- N a2HPO4,緩沖溶液中保存,，其使用壽命高達(dá)兩個月。
2.5 用于測定有機(jī)農(nóng)藥的生物傳感器
隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,，在許多國家,，除草劑的使用量已超過了殺蟲劑和殺菌劑（9）。李建平等利用除草劑對植物類囊體束縛酶分解過氧化氫的作用,，研制了一種快速檢測痕量除草劑的電化學(xué)生物傳感器叫,，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測。
2.6 其他的生物傳感器
T. C ha rle sP aul等〔11）研究了一種用多孔氣體滲透膜,、固定化反硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器,，可以測定樣品中硝酸鹽濃度。由于反硝化細(xì)菌以硝酸鹽作為唯一能源,，故其選擇性和抗干擾性相當(dāng)高,，不受揮發(fā)性物質(zhì)（如乙酸、乙醇,、胺類）或不揮發(fā)性物質(zhì)（如葡萄糖,、氨基酸、K+,Na+）的影響,，通過氧電極電流與反硝化細(xì)菌耗氧之間的線性關(guān)系來推知硝酸鹽的濃度,。繆惺 清 等 〔12〕利用N3-[（3一二甲氨基）]- N‘一乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC ）和經(jīng)基唬拍酸酞亞胺（NHS）對經(jīng)11一硫醇十一烷酸單分子層修飾的石英晶體電極表面活化,，將多私菌素（PMB）共價結(jié)合到電極的表面,，建立了一種可用于檢測細(xì)菌內(nèi)毒素的石英晶體微天平生物傳感器。李 百祥 等 研制了一種快速,、靈敏,、簡便的檢測水中急性毒物的生物傳感器〔13）。該傳感器采用細(xì)胞固定化技術(shù)將發(fā)光菌固定化成膜作為敏感元件,，與高靈敏度的硅光二極管緊密結(jié)合,，利用明亮發(fā)光桿菌的細(xì)胞發(fā)光作用作為毒性的判斷指標(biāo)。將細(xì)胞固定化技術(shù),、生物傳感器技術(shù)和發(fā)光細(xì)菌毒性檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合,，構(gòu)建成一種流通式急性毒物快速測定儀。
目前有一種光學(xué)生物傳感器可用于水樣中營養(yǎng)物濃度的測定（143,。該傳感器是基于固定在可控毛細(xì)玻璃上的細(xì)胞色素亞硝酸鹽還原酶,。其工作原理是當(dāng)亞硝酸鹽存在時將酶氧化，測量亞硝酸鹽還原酶的分光度的變化就可測得營養(yǎng)物的濃度,。
3 存在的不足
（1） 再生性問題,。一些傳感器在工作的過程中,，往往出現(xiàn)識別元件與待測物質(zhì)發(fā)生不可逆性化學(xué)反應(yīng)等情況，這必然降低識別元件的識別能力,，從而影響傳感器的靈敏度,。
（2） 小型化問題。儀器小型化將降低樣品體積,、試劑消耗和生產(chǎn)費(fèi)用,。
4 展望
生物傳感器在水質(zhì)檢測中的發(fā)展趨勢主要包括:從實(shí)驗(yàn)室走向商品化的進(jìn)程加速;在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用將會進(jìn)一步拓寬;由單一功能的生物傳感器向多功能生物傳感器發(fā)展;和其他精密儀器相結(jié)合，取長補(bǔ)短;生物傳感器向微型化,、集成化,、智能化方向發(fā)展。
綜上所述 ,，生物傳感器經(jīng)過幾十年的研究積累,、技術(shù)改進(jìn)，已進(jìn)人開發(fā)應(yīng)用的新時代,，目前各種新的生物傳感器不斷開發(fā)出來,，令人目不暇接。此外由于生物傳感器具有快速,、低成本,、高選擇性、高靈敏度,、操作簡便,、可在線或現(xiàn)場檢測等優(yōu)點(diǎn)，在水的監(jiān)測中的應(yīng)用前景將不可限量,。(
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