环境监测新技术

环境监测新技术

———生物传感器生命科学学院李曼201147880042011-04-18《生物传感器》前言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。国际理论和应用化学联合会（IUPAC）对生物传感器的定义为：一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。2011-04-18《生物传感器》生物传感器WHAT？生物传感器(biosensor)是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化并具有化学分子识别功能的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。生物传感器2011-04-18《生物传感器》WHY？生物传感器的原理生物传感器是将生物感应元件与能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种分析装置，是一类特殊的化学传感器。它以对被测目标具有高度选择性的生物活性单元(如酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸等)作为生物敏感基元，通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然后将生物敏感元件发生的特异性反应及信号经由物理元件——换能器，转变为光、电、声等易检测信号，从而得出被测物的浓度。反应基础

生物传感器反应基础基于常见的四类生物反应:即酶促反应、免疫学反应、微生物反应和生物反应中伴随着发生的物理量变化。2011-04-18《生物传感器》生物传感器的工作原理：待测物→生物识别元件→信息→信号转换→电信号或光信号→信号放大信息处理→信号输出2011-04-18《生物传感器》生物检测技术及其结构图2011-04-18《生物传感器》生物传感器在环境监测中的应用231生物传感器在大气环境监测中的应用生物传感器在水环境监测中的应用生物传感器在其他环境监测方面的应用2011-04-18《生物传感器》生物检测器在水污染监测中的应用1、BOD生物传感器生物传感器测BOD只涉及到初始氧化速率，两者之间的相关性可以通过对标准溶液的测定获得。2、阴离子表面活性剂传感器利用当阴离子表面活性剂存在时，LAS降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，从而氧电极电流变化的原理来测定LAS浓度。【直链烷基苯磺酸钠（LinearAlkylbenzenesulfonate，简称LAS）结构式R—SOaNaR=C12H25分子量M：345具有去污、湿润、发泡、如花、分散等性能】3、水体富营养化监测传感器利用生物传感器检测这种浮游生物或细菌特殊的荧光光谱，来测定其浓度．预报藻类急剧繁殖的情况。4.重金属离子的浓度测定它基于固定化微生物和生物体发光测量技术，将弧菌细菌体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导人产碱杆菌细菌中，其结果可使细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成比例。2011-04-18《生物传感器》BOD生物传感器BOD是衡量水体有机污染程度的重要指标。测定BOD的传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快速、灵敏的特点。BOD传感器的工作原理：以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，由于水体中BOD物质的加人或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，藕联着电流强弱信号的改变，一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、发光菌和嗜热菌等。2011-04-18《生物传感器》BOD生物传感器2011-04-18《生物传感器》监测水体富营养化水域中一些浮游生物暴发性繁殖引起水色异常的现象称为赤潮。赤潮是水质受到污染，水体富营养化的结果，多发生在近海海域。叶绿素a是浮游植物进行光合作用时，有机物生产力的一个重要指标[24]。日本设计出叶绿素a的自动监测仪，通过对水中叶绿素a的检测来监测水体富营养化的发生。该仪器体积小，可设置在表层水下10～100cm处，检测范围为0～20μg/L。2011-04-18《生物传感器》生物传感器的应用生物传感器在大气环境监测中的应用1、CO2传感器2、SO2传感器3、NOx传感器生物传感器在其他环境监测方面的应用1、残留有毒有害物的检测，如用胆碱酯酶一电化学生物传感器检测有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂。2、污染物急性毒性的检测3、细菌总数的测定2011-04-18《生物传感器》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，是以微生物电极、酶电极和植物电极为传感器测定的。反应机理见下式苯酚＋O2＋2H+＋酪氨酸酶→邻苯二酚邻苯二酚＋O2＋酪氨酸酶→邻苯二醌当酚类物质与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－100mV(vs.SCE)、pH为5.40的磷酸盐缓冲溶液中，在苯酚摩尔浓度为2.0×10-7～1.0×10-5mol/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1.0×10-7mol/L。2011-04-18《生物传感器》

测定SO2的生物传感器

SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。将亚细胞类脂类——含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对SO2形成的酸雨酸雾样品进行检测[16]。将固定有类脂质的醋酸纤维膜附着在氧电极两层Telflon气体渗透层之间，当样品溶液经过氧电极表面时，微粒体氧化样品，消耗氧，使氧电极电流随时间延长而减小，10min达到稳定。在SO32-小于3.4×10-4mol/L时，电流与SO32-浓度呈线性关系，检测限为0.6×10-4mol/L。新的生物传感器以噬硫杆菌和氧电极制作[17]，将噬硫杆菌固定在两片硝化纤维膜之间，使微生物新陈代谢增加，溶解氧浓度下降，氧电极响应改变，从而测出亚硫酸物含量。2011-04-18《生物传感器》测定NOX的生物传感器NOX是引起光化学烟雾的最主要原因，利用硝化细菌以硝酸盐为唯一能源这一特点，用多孔气体渗透膜，固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器，能有效测定样品中亚硝酸盐的含量。此传感器选择性很高，不易受乙酸、乙醇等挥发物质的干扰。当亚硝酸盐低于0.59mmol/L时，通过氧电极的电流与硝化细菌的好氧量之间有良好的线性关系，检测限为0.01mmol/L。除了能对以上两种大气中的主要污染物进行检测外，对其他空气污染物的监测也有报道。GIL等采用埃希氏菌属作为基质，用琼脂固定与传导器组成生物传感器，对工厂周围的大气进行连续监测，能检测出空气中的苯和甲苯等有毒物质的浓度变化。2011-04-18《生物传感器》检测持久性有机污染物常见的持久性有机污染物是氯化烃类，如三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等。这类物质大都具有致癌作用，一旦进入地下水或土壤中，将对人体健康构成极大危害。HAN等[23]发明了1种用假单细胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜上制成的新型微生物传感器，将附有假单细胞菌的薄膜固定于氯离子电极上，再将带有AgCl/Ag薄膜的氯离子电极和Ag/AgCl参比电极连接到离子计上，记录电压的变化，通过与标准曲线对照，测定三氯乙烯的浓度。2011-04-18《生物传感器》生物传感器的优点（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。2011-04-18《生物传感器》生物传感器未来的发展方向随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断的微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。未来的生物传感器必定与计