生物传感器技术在环境污染监测中的应用

・９４・　价值工程　

微生物传感器在环境监测中的应用进展　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　金静Ｊｉｎ　Ｊｉｎｇ　（河北绿环室内环境检测有限公司，石家庄０５００００）　（Ｈｅｂｅｉ　Ｌｖｈｕａｎ　Ｉｎｄｏｏｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００００，Ｃｈｉｎａ）　摘要：近年来，随着微生物固定化和生物传感技术的不断发展，微生物传感器技术也显示出广阔的应用前景。本文综述了微生物传感器的基　本工作原理以及在水质、大气监测和生物毒性测试等方面的应用进展，并对其前景进行了展望。　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ　ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｉｃｒｏ－ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｓｈｏｗｎ　ｂｗａｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ，ａｉｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｔｏｘｉｃｉｔｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃａｒｒｙｓ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ．　关键词：微生物传感器；监测；应用进展　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　ｓｅｎｓｏｒ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　中图分类号：Ｘ８３　文献标识码：Ａ　０引言　近些年来，工业化进程和新技术开发日新月异，使人类文明发　生了翻天覆地的变化。与此同时，自然环境也遭到了极大冲击，污染　问题日益严重，引起了世界各地人民的广泛关注，因此对环境污染　物进行有效监测意义重大。微生物传感器由于快速、灵敏、响应快，　样品用量少等特点非常适用于环境样品的监测。同时更由于体积　小，易于实现连续在线监测，成本远低于大型的分析仪器，便于推广　普及而得到迅速发展。１９７５年Ｄｉｖｉｅｓ制成了第一支微生物传感器，　由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。与最早问世的酶电极相　比较，微生物传感器的稳定性较好，使用寿命也较长，且价廉。微生　物细胞中的酶因为仍处于它的自然环境中，这就增加了稳定性和活　性，还免除了花费昂贵的酶纯化和辅助因素再生的步骤。　１在环境监测中的应用　１．１生物需氧量（ＢＯＤ）的监测ＢＯＤ是废水监测中最重要的参　数之一，传统的监测方法是采用五日生化法测定，费时、费力且不易　实现在线监测。而采用生物传感器测定ＢＯＤ值能将测定时间缩短　至１５分钟，而且重现性大大提高，具有广阔的市场，许多种ＢＯＤ传　感器被应用开发。商业上可行的、最早的微生物传感器也是用于监　控废水和污水处理厂中的可被生物降解的有机化合物。１９７７－年　Ｋａｒｕｂｅ　ｒｌ１等开发出能够测定水质的ＢＯＤ微生物传感器，宣告了人类　第一台ＢＯＤ微生物传感器的问世。我国于２００２年由国家环境保护　总局颁布了水质中污染物生化需氧量测定微生物传感器快速测定　法环境保护行业标准，该方法适用于地表水、生活污水和不含对微　生物有明显毒害作用的工业废水中ＢＯＤ的测定。　为了监测低ＢＯＤ的废水水样（小于Ｓｍｇ／Ｌ）例如污水处理厂的　二级废水或河水等，Ｃｈｅｅ［２１使用一种恶臭假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ｐｕｔｉｄａ）￥１Ｊ成了高灵敏度的ＢＯＤ传感器。这种从污水处理厂分离筛　选得到的细菌能够降解许多难降解有机化合物如腐殖酸、木质素、　单宁酸、表面活性剂等河水及污水中的化合物。这种高灵敏度的　ＢＯＤ传感器不久将投入生产，在日本广泛用于河水及污水ＢＯＤ监　测，并有望替代传统的ＢＯＤ　监测方法。　Ｔｏｍ　Ｒｅｎｎｅｂｅｒｇｔ３Ｊ￣０用一种耐盐酵母菌（Ａｒｘｕｌａ　ａｄｅｎｉｎｉｖｏｒａｎｓ）固　定在聚氨基甲酰磺化水凝胶组成微生物传感器，其对盐的高耐受性　可以适应海水盐分对细胞的影响儿应用于海水的ＢＯＤ监测，线性　响应范围能达到５５０ｍｇ／Ｌ，最低检测限２．１ｍｇ／Ｌ，对海水水污染可实　现理想的在线监测。　另外，Ｋｏｅｎｉｇ￣４１等研制成一种基于硝化细菌硝化作用的抑制原　理制成的微生物传感器。这种传感器将硝化细菌固定在微小的氧　电极上，通过测定硝化细菌的呼吸活性可以监测废水的Ｎ—ＢＯＤ，　具有响应时间短、重现性好、灵敏度高等特点，有着很好的商业应　作者简介：金静（１９７４一），女，河北石家庄人，硕士，主要研究方向为室内环境　污染检测与治理。　文章编号：１００６—４３１１（２０１０）２２一ｏｏ９４一Ｏ２　用价值。　１．２环境中污染物的检测表面活性剂是一种广泛使用的有机　化合物，同时也对环境造成了很大的污染。Ｒｅｓｈｅｔｉｌｏｖｒ￣和Ｔａｒａｎｏｖａ　研究了的假单胞菌和无色菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ　ａｎｄ　Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）传　感器的敏感性和选择性，这种细菌能够降解表面活性剂引起溶解氧　的减少，通过氧电极的变化检测表面活性剂的含量，最低检测限能　达到０．２５１ｘｇ／Ｌ。　ＳＯ　是形成酸雨酸雾的主要原因，传统的检测方法很复杂。　Ｓａｓａｋｉｍ￣－种氧化亚铁硫杆菌（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ　ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ）￣ｌＪ成微生物　电极与电位计、记录仪构建成微生物传感器，可以监测酸雨中的硫　酸盐，并讨论了这种微生物传感器的使用寿命、酸雨中其他离子的　影响以及它的应用。王晓辉ｉｓ］等将从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛　选出一株专性、自养、好氧的氧化硫硫杆菌，将此菌体夹于两片醋酸　纤维素膜之间制成夹层式微生物膜制成一种硫化物微生物传感器，　建立了测定硫化物的新方法。　在其他各种污染物监测中Ｐｒｅｓｔｏｎｔ９１等利用荧光假单胞菌实现　了对重金属离子的监测，Ｒｉｐｐ　ｌｌＯ］等利用荧光假单胞菌（Ｐ．　ｆｌｕｏｅｒｅｓｃｅｎｓ）监测多环芳烃，另外监测污染土壤中的多环芳烃还有　矢野口鞘氨醇单胞菌（Ｓｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ　ｙａｎｏｉｋｕｙａｅ　Ｂ１）安培型生物传　感器ｌｌ１１等。　１．３在生物毒性测试中的应用　毒性是一项综合的生物学参数，它是衡量样品对活性生物体所　产生的影响，不能以化学分析的方法进行测定，而其他的生物测试　方法如鱼类试验、浮游动物试验、藻类试验等则较为复杂。微生物传　感器法适用天然微生物，这一方法经研究被证实具有快速、简便的　特点，同时有很好的灵敏度和可靠性。另外，细菌本身没有危害性。　发光微生物传感器是目前生物毒性测试中研究最多的微生物　传感器之一。最常用的生物发光系统是用于水体毒性实验的　Ｍｉｃｒｏｔｏｘ法评价。早在１９９５年国家环境保护总局就颁布了水质急　性毒性的测定发光细菌法行业标准。该标准规定了测定水环境急性　毒性的发光细菌法，适用于工业废水、纳污水体及实验室条件下可　溶性化学物质的水质急性毒性监测。　张金丽【　２１等利用Ｍｉｃｒｏｔｏｘ技术检测５种多环芳烃化合物生物毒　性结果表明，二甲亚砜配制的测试液中萘、菲及荧蒽均对发光细菌　具有一定生物毒性，且随浓度的增大而增强，相同浓度下毒性菲＞　萘；测试液中当萘浓度小于其溶解度时即产生１００％的抑光率，萘　ＥＣ　为４．３２　ｍｇ／Ｌ，而菲及荧蒽浓度近其溶解度时所产生的最大抑　光率分别为＜５０％和１５％．左右；芘及蒽最大浓度时则对发光细菌无　生物毒性显示。表明Ｍｉｃｒｏｔｏｘ技术可有效检测低环化合物萘的生物　毒性，但对高环化合物（／＞３环）的检测因受其低水溶性的限制而灵　敏度降低，利用二甲亚砜获取多环芳烃污染物提取液的生物毒性主　要与低分子化合物萘及菲有关。　宫智勇Ｉ　３１等利用聚乙烯醇（ＰＶＡ）

第２４卷第６期　２０１３年１１月　化学　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　研究　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　中国科技核心期刊　ｈｘｙｊ＠ｈｅｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　

电化学生物传感器在环境监测中的应用及发展前景　

娄童芳，邢欢欢，屈建莹　

（河南大学化学化工学院环境与分析科学研究所，河南开封４７５００４）　

摘　要：简要介绍了电化学生物传感器的工作原理，重点论述了电化学生物传感器在环境监测领域的应用及其　研究进展，主要包括水环境污染物和大气污染物的监测，以及农药残留的监测等．同时，对电化学生物传感器的　发展方向及前景进行了展望．　关键词：电化学生物传感器；环境监测；应用；发展前景　中图分类号：０　６５７．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—１０１１（２０１３）０６—０６４３—０６　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ＬＯＵ　Ｔｏｎｇ—ｆａｎｇ，ＸＩＮＧ　Ｈｕａｎ—ｈｕａｎ，ＱＵ　Ｊｉａｎ—ｙｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ　４７５００４，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｒｅ　ｈｉｇｈ—　ｌｉｇｈｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｓｅｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　

生物传感器的原理和应用

随着生物技术和纳米技术的发展，生物传感器逐渐成为了现代科技发展的一个热门领域。生物传感器是一种能够通过检测微小生物体、生物反应或生物元素来测定生物活性的设备，随着生物传感器应用范围的不断扩大，其体积持续缩小，功能持续增强，越来越多的领域在使用生物传感器来提高生产效率和科技水平，到目前为止，其广泛应用于医学、环境监测、食品安全等领域。

一、 生物传感器的原理

生物传感器是通过生物体与物理和化学学科结合而产生的一种新型传感器，其通过生物体与物理和化学学科的相互作用，能够检测出微小的生物体、生物反应以及生物元素，实现对生物活性的测定。其原理主要有光学测量法、电化学测量法、物理测量法和生物测量法等。

1. 光学测量法

光学测量法是通过感应光学信号来测量生物体的活性，光学测量法广泛应用于荧光、光电能量转换、折射以及散射等领域。在生物体感应光学信号的过程中，需要使用光源来激发或检测生物体发生的光学效应，从而实现测量和识别生物体。

2. 电化学测量法

电化学测量法是通过测量物质与电解液之间的相互作用来测量生物体的活性，电化学测量法主要涉及到电导、电位和电荷等方面，通过对电化学效应的测量，可以实现对生物活性的测定。电化学测量法广泛应用于电分析化学、电分析生物化学、电分析医学等领域。

3. 物理测量法

物理测量法是通过测量生物体生成的物理效应来测量其活性，例如温度、压力、声波、磁场等。物理测量法的测量基于物理学原理，在生物组织、生物胶体颗粒、生物膜等方面具有广泛的应用。

4. 生物测量法

生物测量法是通过测量生物内部的生理和生化过程来测量其活性。生物测量法需要根据生物的不同特征，采用不同的测试方法来测量其活性，例如重金属离子浓度的测定、生物酶迅速检测等。

二、 生物传感器的应用

生物传感器的应用领域主要包括医学、环境监测、生化工程、食品安全等多个领域。

1. 医学领域

生物传感器在医学领域中应用广泛，例如在血糖检测、蛋白质检测等方面都有一定的应用。在血糖检测中，生物传感器应用于感测患者血液中的葡萄糖含量，从而实现对患者的血糖水平进行监测。在蛋白质检测中，生物传感器可以检测蛋白质的存在、浓度和特定结构等信息，从而在众多生物体内监测蛋白质变化，帮助医生进行病情诊断。

新型生物传感技术——纳米传感技术的研究与应用

近年来，随着科技的飞速发展，纳米技术日益成为生物科学领域的热门研究方向。其中，纳米传感技术作为新型生物传感技术之一，引起了科研人员的广泛关注。本文将深入探讨纳米传感技术的研究进展和应用前景。

一、纳米传感技术的基本概念与分类

纳米传感技术，顾名思义，是指将纳米技术与传感技术相结合，用于检测、诊断和监测生物体内外的生物分子以及环境污染物等物质的技术。其优势在于灵敏度高、选择性强、成本低廉等。

按照其结构形式可分为纳米粒子传感器、纳米生物传感器和纳米电化学传感器等类型。其中，纳米粒子传感器的特点是具有表面增强拉曼光谱（Surface Enhance Raman Scattering， SERS）效应，而纳米生物传感器与纳米电化学传感器则是基于生物分子识别和电化学信号变化的。

二、纳米传感技术的研究进展

目前，纳米传感技术的研究主要集中在以下领域：

1、纳米荧光探针的研究

纳米荧光探针的特点是灵敏度高、可重复使用等，可用于监测生物体内外的生物分子。目前，已有研究团队利用纳米量子点、金纳米芯、碳纳米管等纳米材料制备出高灵敏的纳米荧光探针，用于检测肿瘤标志物、重金属离子、细菌、病毒等物质。

2、血液代谢产物的检测

血液代谢产物的检测对于疾病的早期诊断和治疗具有重要的意义。纳米传感技术可用于检测血糖、尿酸等生化指标，并且在与传统技术相比具有更高的灵敏度和选择性。

3、环境污染物的监测

环境污染问题已经成为全球关注的焦点。纳米传感技术可用于检测水中重金属、甲醛等有害物质。同时，也可以用于酸雨、雾霾等环境问题的监测。

三、纳米传感技术的应用前景

纳米传感技术是一项具有巨大应用前景的技术。随着纳米技术在生物领域中的不断应用和发展，纳米传感技术将在以下方面产生重大影响：

1、临床医学

纳米传感技术可用于疾病的早期诊断和治疗。在肿瘤、心血管和神经系统等领域，该技术已经取得了显著的进展。