生物传感器在水质监测上的应用探析

文 军（德阳市自来水公司 四川德阳 618000）

引言

进入21世纪，传感器与信号探测技术可以说为每种科学技术的发展与应用均提供了支持。不断激增的信息量和不断涌现出的新的信息类型，在信号探测中使用的传感器面临着很多新的问题与新需求，由此便产生了诸多新型传感器，包括生物传感器、光纤传感器、液晶传感器等。近年来，在水质监测中，生物传感器特别是微生物传感器被广泛使用，并发挥了重要作用。

1 生物传感器概述

生物传感器通过对生物分子之间的特异性识别和反应予以利用，并在传感器敏感表面固定生物分子识别元件，从而识别待测物的特异性[1]。生物传感器的一大特点就是选择性好、灵敏度高。相较于传统的生物、化学物质检测分析仪器，生物传感器的优势较多，包括体积小、设备简单、操作简便、响应快、功耗与成本低等，能够现场快速检测生物与化学物质，在诸多领域均拥有广阔的应用前景，如医疗健康、食品安全、环境监测等。

2 生物传感器在水质监测中的应用

2.1 对水体环境中BOD的监测

如今，监测水质的一个明星传感器就是BOD微生物传感器[2]。BOD作为一项综合指标，主要用于对水体受到有机污染物污染的程度进行评价。传统BOD测定时间大约在5天，在诸多方面均未有理想表现，主要体现在操作不够规范，浪费了大量时间。BOD微生物传感器可以将固定化氧电极、微生物等进行重组，根据其在水中耗费的溶解氧浓度进行测定，最后可获得BOD值。为形成固定化微生物，可以先通过混合多种菌体，在水中BOD发生变化后，那么菌株在呼吸方式方面也会随之产生变化，偶联输出电流将出现变化，其和BOD浓度将在某个范围中呈线性关系，从而也能测出水中有机物含量。当前，光学生物传感器已经被研发出来，在通过特定光处理之后，BOD生物传感器所具备的灵敏度会得到显著的提升，适用于监测低浓度BOD水体。其次，由于光纤生物传感器材料主要是光纤，所以便让信息在传递过程中的消耗大幅减少，得到更精准与敏感的测量，即使重金属离子也不会影响到光线传感器。

2.2 对水体中重金属的监测

2.2.1 水环境中砷的测定

最近，科学家们在污染区分离出了一种新的细菌，其可发出荧光，这一细菌中有荧光基因存在，受到污染源刺激时可产生荧光蛋白，进而发出荧光，人们可借助遗传工程的方法在合适的细菌内导入这种基因，制成微生物传感器，在水质监测中使用。如今，国外诸多国家已在大肠杆菌中导入荧光素酶，用于对的有毒化合物进行检测。例如，将砷诱导型启动子作为起始材料，并结合DNA重组技术以及PCR技术来将启动子突变文库获取到。运用将流式细胞仪作为基础的荧光激活细胞分选 (FACS)筛选手段，这样就可以通过定向净化获取到高效、灵敏以及专一的砷诱导型启动子，以此来构建出灵敏性更强的砷细菌生物传感器。

2.2.2 锌的测定

现阶段，已成功研制出对污水中锌浓度进行测量的生物传感器，其利用嗜碱性细菌，测量污水中锌的浓度与生物有效性，具有很好的效果。另外，也应重视污水中重金属离子浓度的测定。如今，已成功设计了一个完整的，以固定化微生物与生物体发光测量技术为基础，测定重金属离子生物有效性的监测与分析系统。通过一个铜诱导启动子把弧菌属细菌体内的一个操纵子导入到产碱杆菌属细菌中，在铜离子的诱导下，细菌发光，发光程度越高，离子浓度越高。在聚合物基质中共同埋入微生物和光纤，能够将高敏感度、好选择性、广测量范围与强储藏稳定性的生物传感器获得。

2.3 对水体环境中苯酚类化合物的监测

在水体环境监测中也可以用到生物敏感元件，通过测定获得水体内苯酚类化合物含量。借助酪氨酸酶（TYR）制备生物敏感元件构成的生物传感器对水体中苯酚类化合物进行监测最为常见，其原理为：在含分子氧环境之中，TYR可通过氧化的方式将单酚类物质转换为二酚，之后进一步氧化形成的二酚，最后可以得到苯醌类物质，在其吸收电子后能够形成邻苯二酚。在监测苯醌类物质物质的过程中，通过获得的其耗氧量数值，能够对水体中苯酚类物质浓度作出准确测量。以伏安型细菌总数生物传感器为例，通过用于监测体环境中苯酚类化合物，来让测定下限能够达到，其在测定周期方面为0.5h。利用菌悬液抽滤可以获得细菌阻留膜，在无菌罩修饰电极上使用，在滤膜定位装置作用下，在弹性电解池底部设置电极和起滤膜，并根据获得的伏安扫描曲线，分析峰电流值及其样品校正工作曲线，最后得出细菌数量。对大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、啤酒酵母菌等监测中，分别得到线性响应范围为是。

结语

总之，生物传感器如今被广泛运用于水质监测上，虽然现阶段其还在不断发展中，急需提高稳定性，降低经济成本，但相较于传统的水质监测方法，已展现出了一定的优势，主要表现在测量精度与下限等方面。所以，今后，生物传感器的发展方向未微型化、智能化与集成化，相信在生物传感器商品化的推进下，通过生物传感器监测水质势必会更加简单，也更加高效。