电化学检测在环境监测及分析中的运用

(广东省测试分析研究所/中国广州分析测试中心/ 广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州 510070)

电化学检测在环境监测及分析中的运用

梁迪思郭杰煌陈啸天侯军沛

(广东省测试分析研究所/中国广州分析测试中心/ 广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州 510070)

随着当前社会经济的不断发展，人们在追求物质生活的同时更加需要精神上的满足，生活环境的质量决定了人们的生活质量，而当前各方面存在的污染源也在一定程度上威胁着人们的生活健康。因此，环境监测的力度和效果越来越被人们重视。电化学检测在近年来经过大量的研究后获得了人们的认可。本文介绍了生物电化学的研究，其中主要有生物体系、生物界面模拟、生物分子电化学等，并阐述了当前电化学检测的应用现状，其中包括生物电化学传感器、生物芯片、生物电化学反应器，分析当前的发展情况，探索如何实现环境的在线检测；阐述基因技术的使用，对生物传感器以及生物芯片检测能力的提升作用，并分析未来的发展。

电化学检测；环境监测；应用；分析

目前我国工业和农业正处于迅速发展的趋势，在提升了我国整体经济的同时也产生了一定的有机和无机污染物，对生态环境造成了不同程度的危害。从当前来看，环境保护问题已经成为一个国家发展的重要问题，是我国以及全世界均重点关注的问题，对环境监测的目标和要求也越来越高，如何实时、准确、原位监测环境污染物，并强化分析测试方法的有效性、灵敏性以及便携性，是环境监测的重要所在。对于污染物的分析以及监测中，常用的方法主要有液相色谱法、气-质连用法、气相色谱法以及理化分析法等，这些监测方式的操作过程较为复杂，使用的试剂量较大，无法实现环境现场的监测。

电化学检测在近年来经过大量的研究后获得了人们的认可。本文拟从生物体系、生物界面模拟、生物分子电化学等方面介绍生物电化学的研究，并阐述当前电化学检测的应用现状，其中包括生物电化学传感器、生物芯片、生物电化学反应器，分析当前发展情况，探索如何实现环境的在线检测；最后分析基因技术的使用，对生物传感器以及生物芯片检测能力的提升作用以及生物电化学检测的未来发展前景。

1 生物电化学的研究领域分析

有些研究学者提出，生物电化学的研究领略主要是由于生物系统的荷电粒子过程，产生的电化学现象，也就是采用电化学的理论、原理以及相关技术来讲述生物学情况。从世界生物电化学的众多研究分析，其研究领域可以分为一下几点：①生物体系和生物界面模拟：如SAM膜模拟生物膜电化学研究，主要是研究生物体系、生物界面的电位来源以及定量描述，可比较深入的分析生物界的结构、性质以及生命活动等过程，包括生物分析的电位、生物膜的跨膜电位、生物分析界面结构以及界面电位；②生物分子的电化学研究：如细胞色素C的电化学研究，是对生物分子的生活活动的作用、变化进行模拟研究，包括NDA在电极上的固定化和电化学标记，电脉冲基因的导入；③生物电催化：如酶的固定化，主要则是研究酶对生物体系中电化学反应中的催化反应，包括酶固定化的方法，酶的结构以及性能，酶促反应同电化学的关联，以及酶电催化；④光合作用模拟：如细菌和光合作用、叶绿素的电化学，对光合作用的模拟主要使用的则是电化学系统，包括光合氧的来源、二氧化碳的合并以及还原方式，初级电荷的分离等；⑤活组织电化学：如细胞电泳检测肿瘤细胞，同样是采用电化学技术，同时还应用于点打孔基因摄取以及细胞电融合等方面；⑥电化学生物传感器：主要则是参与电化学生物传感器的研制以及使用，其特点主要表现为速度快、操作方便、选择性高，不仅可运用与环境监测以及分析，同时可在食品工业、临床监测、生物医学等方面运用。

2 生物电化学在环境监测和分析中的运用

2.1 生物传感器

随着近年来的研究，电化学检测方法不断深入，电化学生物传感器的使用也越来越广泛，作为一种结合多种学科的现代化技术，电化学生物传感器在使用中会充分发挥生物分析的特异性，具有较高的灵敏度以及稳定性、选择性，且能够有效重现，成本使用较低，是目前环境监测中的有效方式。生物传感器的组成有生物敏感元件、物理元件，其原理主要是生物敏感元件会产生特异性反应和信号，之后通过物理元件出现声、电、光等容易进行检测的信号，获得检测物的相关资料。从当前严峻的环境污染问题来看，需要对污染物进行及时、连续、快速的检测，而相关仪器的有效和运用非常重要。生物传感器的使用实现了自动化、连续化的环境监测，同时很大程度上节省了环境监测的成本。截止到目前为止，免疫传感器、酶传感器在环境监测以及分析中也得到了有效运用。

生物传感器在环境监测中，能够检测50种左右的污染物质以及多种酶的活性，同时有利于降解废水中的有机物，并对其中存在的毒性进行有效评价。总的来说，生物传感器在环境监测中的使用主要在于两个方面。首先是现场测试工具，主要在现场重金属离子的测量、微量水、农药、细菌总数以及其他分析物的测量方面运用。铁蛋白在通过化学修饰改造后，可用于多种微量重金属离子的储存，而重金属离子的测量同样可以使用具有发光基因的重组质粒的受体，主要是由于此受体经过重金属离子的诱导，可产生荧光素酶，使得发光强度出现一定的改变，同时重金属离子的浓度与发光强度之间存在线性关系。目前，有些研究者逐渐研究出新型伏安型细菌总数生物传感器，主要目的是实现更迅速、准确的对细菌数目进行测量，在使用这种仪器时，设计好电极以及辅助测定装置，能够将测定细胞的下限达3×104，并且其测定的周期为30分钟。同时酶电极也可测量非流质的微量水。在基于免疫分析原理的情况下，生物传感器能够对各种农药和除草剂进行检测。当前已经有了对百草枯、异丙基类除草剂等物质的检测。其次则是在线测试工具。这类工具主要有pH生物传感器、生物耗氧量(BOD)生物传感器、诱变剂传感器、大气生物传感器以及光纤生物传感器等。当前，对于多种微生物BOD传感器的研制较多，且在国内外的环境监测中均获得了好评。另外的生物传感器大多数还在探索阶段，如pH生物传感器，其研制主要是基于细菌对葡萄糖具有新陈代谢作用，一般情况下可在37℃环境中，通过对肠细菌的生长情况进行检测，运用与在线监测中，可将其看为水处理装置的终端。

另外，对于我国这一农业大国来说，若农药使用不当，产生的危害无疑是重大的。在长期使用农药的情况下，所产生的农药残留问题已经使人们产生的一定的恐慌。我国传统的检测方式如气相色谱、质谱、高效液相色谱的使用，虽然能够将农药含量有效监测并分析，但是新型检测传感器相较于传统检测方式来说更加有效、迅速，且成本低，同时能够实现现场分析。在检测农业残留的过程中，研究较多的是乙酰胆碱酶(AChE)类传感器，有机磷农药的使用能够有效杀虫，因此在实际中较为常见，能够结合AChE活性中心丝氨酸上的羟基，从而对其活性产生抑制作用，使其不具备对乙酰胆碱的水解作用；乙酰胆碱则会受到AChE的催化，产生水解后生成胆碱和乙酸，其中胆碱作为电活性的物质，可形成循环伏安峰，对AChE的抑制程度进行检测

2.2 生物芯片

生物芯片是结合生物信息学、计算机技术、生物技术，通过将生命材料与玻片或者硅片进行结合所制成，属于高通量的DNA分析技术，可在2cm2左右的芯片上，集成几十万的探针或者是基因，实验结果也非常高效，且实验的数据具有较高的均一性。生物芯片用于环境监测和分析中，能够较快的将对环境、动植物、人体产生危害的微生物、有机化合物进行检测，同时也能够针对保护基因进行筛选，制备对污染源产生有效的治理或者能够有效防治危害的基因工程药品的基因产品。生物芯片自被研制以来，具有较高的灵敏度，能够对多种生物大分子进行检测，同时对于环境中存在的污染物进行监测，具有可靠、稳定性高、专一性强、耐用的特点，且能够转化为光学信号，不会轻易受到其他因素的影响，便于操作。随着生物芯片的价值被不断发掘，在环境监测方面的运用价值也越来越高，对于环境保护具有重大使用意义。

2.3 生物电化学反应器

将生物传感器、生物芯片、电化学系统以及辅助仪器进行结合，形成的化学反应器即为生物电化学反应器，能够进行生化反应，从而实现一些目标。例如，将电化学系统与透析袋、恒流泵、铁蛋白、硒、电导仪等进行结合，能够得到硒-铁蛋白电化学反应器，能够运用在流动水体的含磷化合物递增速率的检测中，同时对污染的程度进行评价，并分析赤潮的原因所在。有些学者指出了利用挂膜培养和PVA包埋的方式，在ACF电极的表面固定异养反硝化菌，形成ACF涂层电极。PVA凝胶在包埋反硝化菌之后，可在活性炭纤维表面黏附的较为牢固，从而形成PVA凝胶涂层电极。生物电化学反应器中，经过训话培养的涂层电极中的异养反硝化菌，可通过氢这一电子供体，产生反硝化作用，将地下水中存在的硝酸盐氮去除。随着相关研究的进展，有些研究学者设计了生物电化学装置，用于环境监测系统，可使得水样达到安全、健康的使用标准。在此装置中，存在能够自行选择的传感器，通常情况下是需要依照检测的水样来选择检测仪器。另外，一些学者也完成了较多酵母细胞的生物电化学装置设计，可运用在降低环境毒素中。

3 发展趋势以及前景展望

当前环境保护问题已成为重要的民生问题，对环境监测的目标和要求也越来越高，如何实时、准确、原位监测环境污染物，并强化分析测试方法的有效性、灵敏性以及便携性，是环境监测的重要所在。对于污染物的分析以及监测中，常用的方法主要有液相色谱法、气-质连用法、气相色谱法以及理化分析法等，这些监测方式的操作过程较为复杂，使用的试剂量较大，无法实现环境现场的监测。电化学检测在近年来经过大量的研究后获得了人们的认可。本文从生物体系、生物界面模拟、生物分子电化学等方面介绍生物电化学的研究，阐述当前电化学检测的应用现状，其中包括生物电化学传感器、生物芯片、生物电化学反应器，分析当前发展情况，探索如何实现环境的在线检测；最后分析基因技术的使用，对生物传感器以及生物芯片检测能力的提升作用以及生物电化学检测的未来发展前景。

综上所述，随着当前科学技术的不断提升，电化学检测的方式在不断多样化发展，目前来看，生物传感器、生物芯片以及生物电化学反应器的使用得到了推广，而且产生的效果也十分可观。在当前的科学发展背景下，未来电化学检测具有非常广阔的使用前景，必将实现环境污染物的在线检测，并研制出灵敏度和效率更高的环境监测仪器，不断向着自动化、集成化的方向发展。

[1]卫寿平，董中朝，李吉刚，等.电化学传感器在环境监测中的应用[C]// 中国化学会全国无机化学学术会议，2015.

[2]王琼.新型电化学传感器检测环境有机污染物的应用研究[D].辽宁大学，2016.

[3]韩丽丽.基于纳米复合材料的合成用于检测环境污染物的电化学传感[D].安徽理工大学，2015.

[4]杨平.探究传感技术在环境检测中的应用[J].工程技术：文摘版，2016(10)：00097-00097.

[5]陈俊.电化学传感器用于检测水体中重金属的研究[D].湖南大学，2015.

[6]刘文文.基于导电碳黑糊电极的电化学传感器对渔业环境中残留药物的检测应用[D].中国海洋大学，2015.

ApplicationonElectrochemicalDetectioninEnvironmentalMonitoringandAnalysis

LIANG Disi GUO Jiehuang CHEN Xiaotian HOU Junpei

(Guangdong provincial test and Analysis Institute/Guangzhou analysis and testing center of China/Guangdong Key Laboratory of chemical hazards emergency detection technology，Guangdong，Guangzhou 510070)

With the continuous development of the social economy，people need more spiritual satisfaction in the pursuit of material life at the same time，the quality of the living environment determines the quality of people's lives，pollution sources exist in all aspects of the current to a certain extent，threatening people's life and health. Therefore，more and more attention has been paid to the intensity and effect of environmental monitoring. Electrochemical detection has been recognized by many researchers in recent years. This paper introduces the research mainly including Bio electrochemical，biological systems，biological interface simulation，biomolecular electrochemistry，and expounds the current application of electrochemical detection，including electrochemical biosensor，biochip，bio electrochemical reactor，analysis of the current development situation，to explore how to realize the online detection of the environment；the use of paper to enhance the role of gene technology，biosensor and biochip detection capabilities，and analyze the future development.

electrochemical detection；environmental monitoring；application；analysis

梁迪思，工程硕士，助理研究员，主要从事环境分析检测工作

文献格式：梁迪思 等.电化学检测在环境监测及分析中的运用[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：111-113.

X21

A

1673-288X(2017)06-0111-03