生物传感器在环境监测中的应用*
摘要简要介绍了生物传感器的基本工作原理。综述了测定BOD、酚、农药残留和NO3-的水环境监测的生物传感器；测定SO2和NO X的大气环境监测的生物传感器；测定土壤重金属的生物传感器以及检测内分泌干扰物、持久性有机污染物和监测水体富营养化的其他环境监测方面的应用。并对生物传感器的未来发展方向做了展望。
关键词生物传感器环境监测污染物
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. The water environment monitoring biosensor determining BOD, phenol, pesticide residues and NO3-, the atmospheric environmental monitoring biosensor determining SO2 and NO X and biosensors determining heavy metals in soil were summaried. Moreover, the other environmental monitoring aspect applications of 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
随着各国经济的迅速发展，环境污染问题逐渐凸现出来，并成为制约经济快速发展的因素。因此，保护环境并实现可持续发展逐渐成为当今的热门话题。在环境监测中有许多生化指标需要简便、快速、自动化的测定，生物传感器因其满足了上述要求而在近十几年中得到了迅速发展[1，2]。
国际理论和应用化学联合会（IUPAC）对生物传感器的定义为：1种由生物或者与生物相关的敏感元件和物理化学传感器（换能器）相结合构成的小型分析仪器。其中分子识别部分（敏感元件）用于识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件，是生物传感器选择性测定的基础；信号转换部分（换能器）是将分子识别部分所引起的变化转换成电信号的功能部件[3]。
生物传感器的工作原理如下：
生物传感器的研究开端于20世纪60年代。1962年CLARK[4]报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器（酶传感器）的原理。生物传感器按敏感元件的不同可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器等。按转换器转换对象的不同可分为pH转换器、O2转换器、CO2转换器、NH3转换器等[5]；按测量信号的不同又可分为电化学传感器、光学传感器、测热型传感器、半导体传感器等[6]。
1 用于水环境监测的生物传感器
目前生活污水和工业废水的排放量不断增加，其中绝大部分污水经过生物法处理后排入水体，其各项指标的监测需要在实验室中进行。对于大多数污水处理厂来说，实现水质的在线检测仍是一个难题。生物传感器的应用，使得废水的生物处理过程的在线检测成为可能。
1.1 BOD生物传感器
普通的BOD传感器一般是将微生物夹膜固定在溶解氧探头上[7，8]，溶解氧随缓冲溶液进入到生物膜层，部分的溶解氧被微生物消耗。剩余的溶解氧通过可透气的Teflon膜而被氧电极所检测到。当样品溶液通过检测系统时，可降解的有机物通过多孔渗透膜渗透到微生物层而被微生物氧化、吸收，从而引起膜周围溶解氧的减少，导致了氧电极的电流下降。将测定的电流与标准曲线进行对比，可测定BOD。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、发光菌和嗜热菌等。
张悦等[9]研制的BOD测定仪采用聚乙烯醇凝胶包埋方式固定酵母，并将固定化酵母直接分散悬浮在溶液中，将BOD探头插入溶液中测量BOD，在0～200 mg/L内有较好的线性测量关系，且有较好的准确性。
1.2 测定酚的生物传感器
微生物传感器是快速准确测定废水中酚含量的方法[10]，是以微生物电极、酶电极和植物电极为传感器测定的。反应机理见式（1）和式（2）。
苯酚＋O2＋2H+＋酪氨酸酶→邻苯二酚（1）
邻苯二酚＋O2＋酪氨酸酶→邻苯二醌（2）当酚类物质与O2一起扩散进入微生物膜时，由于微生物对酚的同化作用而耗氧，致使进入氧电极的O2速率下降，传感器输出电流减小，并在几分钟内达到稳态。在一定的浓度范围内，电流降低值△I与酚的浓度之间呈线性关系，由此来测定酚的浓度。由于此反应需要酪氨酸酶，穆冬燕等[11]用麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极构成电流型生物传感器来测定水中酚类污染物质。在外加电压为－100 mV(vs.SCE)、pH为5.40的磷酸盐缓冲溶液中，在苯酚摩尔浓度为2.0×10-7～1.0×10-5 mol/L内电极电压与苯酚摩尔浓度有良好的线性关系，其检测下限为1.0×10-7 mol/L。
1.3 测定农药残留的生物传感器
用于农药残留检测的电化学传感器分为电流模式和电位模式，其分子识别元件大都为乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）。AChE催化底物乙酰胆碱的水解反应为[12]：
乙酰胆碱＋H2O→胆碱＋乙酸（3）酶的活力受到有机磷(OPs)（如：马拉硫磷、对硫磷等）和氨基甲酸酯杀虫剂（如：西维因、涕灭威）的抑制。
