传感器在水质监测中的应用探讨

郭发萍 王东来

摘要：近年来传感器在水污染监测方面得到了迅速的发展和应用，主要是由于传感器具有选择性好、灵敏度高、价格低廉、快速、操作简便、在线连续监测等优点。本文主要论述了传感器工作原理，及目前较为常用的几种传感器，以及其存在的一些问题。

关键词：传感器、水质监测、应用

中图分类号：TU991.21 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

水体环境在一定程度上影响着人类的生活水平，水质的好坏直接对人的身体健康产生影响。以往，在研究水体环境有毒物的分析方法过程中，大多还停留在光度法的水平上。光度法所具有的灵敏度普遍较低，并且操作复杂，无法现场进行测定。近年来传感器在水污染监测方面得到了迅速的发展和应用，主要是由于传感器具有选择性好、灵敏度高、价格低廉、快速、操作简便、在线连续监测等优点。

二、传感器的工作原理

传感器主要组成部分有感受器——分子识别元件，以及换能器——转换部分。分子识别部分用来对被测对象进行识别,它是能够引起某种物理或化学变化的主要功能部件。传感器的选择性完全由分子识别元件功能的好坏来决定。在分子识别元件接触到被识别物时,能够发生热变化、光变化、化学变化以及直接诱导电信号。

三、应用于水质监测的几种常见传感器

1、电导率传感器

电导率传感器分为两种：电感式和传导式。电感式测量的电导率传感器由于克服极化及积垢的影响,在造纸、电镀及制浆行业等得到广泛应用。传导式测量的电导率传感器在普通和清洁水体的精确测量中较为适用,通常最大量程范围为(0-2.0×104)LS/cm。

2、pH传感器

电位型聚吡咯(PPy)pH传感器是以铂丝为基体研制的。利用电化学方法在0.1mol/L吡咯单体和0.1mol/L吡咯单体+0.1mol/L磷酸氢钠水溶液中制备了PPy膜,用红外光谱表征未掺杂(Pt/PPy)和掺杂碳酸氢根聚吡咯(Pt/PPy(HCO- 3))的结构,并对聚吡咯膜的电化学阻抗谱特征进行探讨。Pt/PPy在中性(pH=6.85)、酸性(pH=4.01)、碱性(pH=9.14)溶液中的高频和中频区包含2个半圆,低频区表现为半无限扩散W arburg型阻抗(ZW),对应H+从溶液相向电极表面的扩散过程。Pt/PPy(HCO- 3)在相应的溶液中电荷转移电阻和膜电阻明显增大,交流阻抗图谱在相应的pH缓冲溶液中包含2个半圆,而在低频区没出现半无限扩散W anburg阻抗特征。 Pt/PPy表现出良好的电位特性(pH值在3-10范围内,其能斯特斜率为49.32mV/pH),良好的线性(r=-0.9971),以及响应时间较短,并且对常规阳离子(K+、Na+)的选择性系数也较小。而且，人们还研究出一种借助高分子聚合物薄膜作为基底材料的光纤传感器,它是将刚果红燃料固定化到经化学处理过的高聚合物薄膜上制成的。在进行实验时,采取了双臂反射传感方式及流动注射进样法。此类传感器灵敏度较高,具有牢固耐用的优点,特别是响应时间短(低于0.03min)。

3、BOD传感器

对水体被有机物污染状况进行检测最常用指标之一就是生化需氧量(BOD)。以往对BOD进行测定需长达5d的培养期,且难以操作、具有较差重复性、消耗大量时间和精力，而且干扰性强,不适合现场进行监测。因此，迫切需要一种易于操作、精确快速。具有较大自动化程度和适用范围的新方法进行测定。而适应BOD生物传感器能够在10-15min准确检测出BOD含量,能够在线监测水质状况,应用前景相当广阔。

在上世纪七十年代,人们第一次研制相互BOD微生物传感器,它由固定化土壤菌群与氧电极构成,可以在15min内测定污水的BOD值。现阶段，不仅有对天然淡水和城市污水水体进行监测的BOD传感器,还有利用耐渗透压的酵母菌种作为敏感材料做出的专门适用于海洋水体高盐度特点的,能够连续使用超过一个月的快速测定BOD的生物传感器。

目前，国外已将生物传感器快速BOD测定仪商品化,然而其价格较为昂贵,而且在使用时性能稳定性不足,仪器的稳定性和准确性尚待提高。此外，国内的BOD测定仪还远远不足以在实际中应用,大部分研究处于实验室阶段,还没有形成商品,所以研发性能优异、适合国情、价格合理的快速BOD测定仪十分迫切。

4、测定重金属离子的传感器

随着人们生活水平的不断提高，有关部门越来越重视测定废水中重金属离子的浓度。现阶段，研发人员已经成功研发了一个以生物体发光测量技术和固定化微生物为基础的较为完整的重金属离子生物有效性测定的监测及分析系统。将弧菌属细菌体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌中,细菌在铜离子的诱导下发光,随离子浓度的增大发光程度也增大。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中,能够得到具有高灵敏度、较强选择性、较大测量范围且具有较强储藏稳定性的生物传感器。现阶段,此类微生物传感器能够达到最低测量浓度 1×10-9mol。

除此之外，还有一种对铜离子浓度进行专门测量的电流型微生物传感器。此类传感器生物元件为酒酿酵母重组菌株,这种菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。该类传感器工作原理如下,第一步是CUP1启动子被Cu2+诱导,然后以乳糖作为底物进行测量。假如溶液中存在Cu2+,这些重组体细菌就能够以乳糖作为碳源,这将改变好氧细胞需氧量。这种生物传感器能够在浓度范围(015-2)×10-3mol内对CuSO4溶液进行测定。现阶段，已经把各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中,使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的溶液中出现发光反应。针对其发光强度就能够对重金属离子的浓度进行测定,其测量范围能够从纳摩尔到微摩尔,需要大约60-100min。

四、传感器存在的问题

现阶段传感器在水质监测方面的应用仍面临着许多困难,如传感器识别元件响应稳定性、传感器的使用寿命、选择性、小型化等都还需要研究和完善。

( 1) 再生性问题。一些传感器在工作的过程中,往往出现识别元件与待测物质发生不可逆性化学反应等情况,这必然降低识别元件的识别能力,从而影响传感器的灵敏度。

( 2) 小型化问题。仪器小型化将降低样品体积、试剂消耗和生产费用,便于携带,利于现场监测。

( 3) 载体材料的选择。选择性识别元件的载体材料是直接影响传感器工作性能的重要组成部分,而且载体材料本身能起到一定的选择性识别功能,例如:在测定溶液中气体浓度时可采用一种高分子渗透膜,只允许气体通过而不允许液体渗透或者相反。

随着新型材料的合成,半导体技术以及压电晶体技术等的应用和发展,传感器的研究正在走向成熟。

五、结语

传感器由于具有连续在线监测的优点,目前在我国尤其具有实用价值。例如:部分排污单位,为追求更大的经济效益,在环保部门进行取样检查过程中,为逃避监督检查，采取临时开动治理设备或者临时将排放物稀释的手段。如果采取生物传感技术开展在线分析,就能够杜绝此类现象；不仅节省了大量人力物力,还能够加强监督力度。未来传感器在水质监测中的发展趋势主要包括:进一步拓宽在水质监测中的应用；加快了从实验室到商品化的进程；结合其他精密仪器、取长补短；多功能生物传感器将渐渐取代单一功能的生物传感器；生物传感器未来的发展方向将是微型化、集成化以及智能化。

传感器具有快速、在线、连续检测的优点,适应现代水质分析监测的需要,在不久的将来, 传感器将在水环境分析监测领域得到广泛使用。

参考文献：

周娜 祝艳涛：《传感器在水质监测中的应用探讨》，《环境科学导刊》， 2009年S1期

吴文杰 蒋梁中：《智能传感器在水质在线监测系统中的应用》，《传感器技术》， 2005年09期

董文宾 胡献丽 郑丹 杨兆艳：《生物传感器在水质分析监测中的应用》，《工业水处理》， 2005年03期

宋立岩 孙勇 赵由才 陆雍森：《BOD生物传感器在水质监测中的应用研究》，《工业水处理》， 2005年11期