摘要：随着工业、农业迅速发展，环境污染问题已经越来越严重，人们已经逐渐认识到环境保护的重要性。生物传感器在环境监测中的应用也越来越广泛，其不但具有选择性好、稳定性高、响应时间短的优点，同时还不需要对样品实时预处理，携带方便，可进行连续、实时、原位监测。本文就对生物传感器技术在环境监测中的应用进行研究。
关键词：环境监测；生物传感器；应用研究
中图分类号：X835文献标识码：A文章编号：1007-0370（2013）03-0094-02
伴随工业、农业迅速发展，环境污染问题越来越严重，人们已经逐渐认识到环境保护的重要性。日益严重的环境问题要求构建快速、连续、实时、在线的污染物指标监测体系，其中生物传感器不但具有选择性好、稳定性高、响应时间短的优点，同时还不需要对样品实时预处理，携带方便，可进行连续、实时、原位监测[1]。下面本文就对生物传感器技术在环境检测中的应用进行研究。
1生物传感器概述及其原理
生物传感器的研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶（GOD）固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。
生物传感器是利用生物要素与物理化学检测要素组合在一起对被分析物进行检测的仪器，对生物物质敏感并能将其浓度转换为电信号以进行进行检测。由产生信号的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能结构器（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。以分子识别部分去识别被测目标，生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等，这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合，被分析物进入固化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经检测放大器放大输出，便可知道待测物浓度。生物化学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。
2大气环境监测中对生物传感器的应用
2.1对SO2的监测
采用氧电极和肝微粒体（需含有亚硫酸盐氧化酶）制成的生物传感器应用于SO2的监测。通过对雨水中的亚硫酸盐浓度进行测定来体现SO2的的含量。依靠传感器里面的微粒体对亚硫酸盐进行氧化，与此同时还消耗一定的氧，降低氧电极周围溶解氧浓度，引起传感器电流的相同变化从而间接反应亚硫酸盐浓度，具有很高的准确度以及很好的重现性。
2.2对NO2的监测
采用氧电极与固定化硝化细菌、多孔气体渗透膜组合制成的生物传感器应用于NO2的监测。利用亚硝酸盐做唯一的硝化细菌能源，亚硝酸盐增加就会增加传感器的呼吸活性。呼吸过程中采用氧电极进行溶解氧浓度降低量的检测，以此间接将亚硝酸盐含量反应出来，体现大气所含的NO2含量。0.01mmol/L是最低检测限[2]，如果亚硝酸盐浓度<0.59mmol/L时，亚硝酸盐浓度和传感器电流成正比关系，具有较强的抗干扰能力，选择性较好。
3水环境监测中对生物传感器的应用
3.1对BOD的监测
水体有机污染程度的衡量可以依据生物化学需氧量（BOD）检测。传统采用5d生化需氧量标准稀释测定法进行BOD的检测，不但操作繁琐、需很长时间，而且准确度相对较差[3]。Karube等人于1977年从废水处理厂污泥中提取出微生物，经培养制成胶原膜，结合氧电极组成了一种微生物传感器，主要用于BOD的测定。后经过完善和发展，研究出其工作原理：生物敏感元件采用微生物混合菌种或单一菌种，一旦BOD物质发生加入、降解代谢现象，就会转化微生物内外源呼吸方式，耦联输出电流发生强弱变化，传感器输出电流值处于某种条件下和BOD浓度呈线性关系[4]。它不但满足了实际监测对于精度的要求，而且灵敏、快速，因此应用在水质在线分析方面前景广阔。目前不但有应用于天然淡水、城市污水的BOD监测传感器，还有能适应海洋高盐度水体特点的传感器。
3. 2对苯酚类化合物的监测
近些年电化学传感器先后产生了以漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶和苯酚羟化酶做生物敏感材料的传感器，最常应用的是以酪氨酸酶为生物敏感材料的传感器，其原理为：基于分子氧存在基础下，依靠酪氨酸酶将单酚类物质进行氧化，使其生成二酚，从而将其氧化成为苯醌类物。由于苯醌能利用电化学途径将电子吸收转换成邻苯二酚，所以对苯醌类物质生成情况及氧的消耗程度进行监测，就可以实现苯酚类物质监测目的。这种监测方法具有较高的灵敏度和较强的选择性[5]。
4杀虫剂等物质监测中对生物传感器的应用
除草剂、杀真菌剂、杀昆虫剂、脱叶剂、植物生长调节剂等均属于杀虫剂类物质。除草剂不但含有有机化合物，也含有无机物；杀真菌剂含有有机化合物、含硫化合物及含铜化合物；杀昆虫剂含有马拉硫磷、对氧磷等有机磷化合物，这些都会造成人体的危害。目前常用的杀虫剂监测方法为气相色谱法，但某些杀虫剂具有高极性、低挥发性以及对热不稳定性，很难采用气相色谱法进行监测。有机磷农药会在低浓度下进行一些特定酶活性的抑制，抑制程度受到有机磷农药浓度的影响，所以设计了酶传感器进行有机磷农药浓度的间接测定。乙酰胆碱酯酶作为神经递质，存在于红细胞和生物神经组织中，可通过催化其水解反应生成带有乙酸的产物，导致反应相pH产生变化。由于乙酰胆碱酯酶高度敏感有机磷农药，所以测定反应相pH变化就能得到酶活受抑情况，间接可将有机磷农药浓度推算出来。敏感材料采用固定化丁酰胆碱酯酶、乙酰胆碱酯酶的生物传感器可以有效进行杀虫剂的监测。
5结语
生物传感器具有鲜明的特点，可以实现环境监测原位、连续、实时性，所以应用市场潜力巨大，但它自身也存在了一定的的缺陷，有待我们进一步完善。例如，利用遗传工程技术，可以实现细胞表面表达活性蛋白目的，能有效解决上述问题；采用基因工程技术，可以使细菌荧光索酶基因形成重组菌能实现专一性强的重金属监测。
参考文献
[1] 宋玉磊. 生物传感器在环境监测中的应用[J]. 安徽农业科学. 2011，39（21）：13098-13099，13102.
[2] 孙平昊， 滕志坤. 浅议生物传感器在环境监测中的应用[J]. 环境科学与管理. 2010，35（5）：132-133.
[3] 李彦文. 生物传感器及其在环境监测方面的应用[J]. 环境保护科学. 2004，30（1）：35-38.
[4] 李章， 秦立平， 李瑞显. 生物传感器在环境监测中的应用进展[J]. 山西建筑. 2010，36（18）：169-171.
[5] 刘春英， 王维. 生物传感器在环境监测中的应用及发展前景[J]. 现代企业文化. 2010（9）：103-104.