生物传感器技术在水质监测中的应用

范玉国 李婉琳 杨升洪 饶健

摘要：日趋加剧的水污染，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。对水质进行实时高通量监测以避免污染扩大是当前防治水污染的重要课题，近几十年来，生物传感器以其便捷，快速，灵敏成为最具潜力的水质监测技术。而未來，生物传感器技术还将向着微型化，集成化发展，以实现一套传感系统多种污染物指标同时监测，将真正实现水质监测实时高通量的目标。

关键词：水污染;水质监测;应用

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）12-00-01

Abstract：Increasing water pollution has become a major obstacle to human health，economic and social sustainable development.Real-time high-throughput monitoring of water quality to avoid the expansion of pollution is an important issue for the prevention and control of water pollution.In recent decades，biosensors have become the most potential water quality monitoring technology for its convenience，speed， and sensitivity.In the future，biosensor technology will continue to be miniaturized and integrated to achieve the simultaneous monitoring of multiple pollutant indicators in a sensing system，which will truly achieve the goal of real-time high-throughput water quality monitoring.

Keywords：Water pollution;Water quality monitoring;Application

水污染现已成为人类健康的最大威胁，据世界卫生组织调查，水污染造成疾病十分普遍，特别是在发展中国家，因为饮用水质问题引起的疾病占所有疾病的4/5。我国因为人口基数大，废污水排放总量巨大，到目前已超过500亿立方米，且污染正由浅层向深层扩散速度较快，目前已监测到人活动区域下层水和沿海城市近海海水已经受到不同程度的污染。对于污水的处理，我国已经出台了很多政策，每年也在新增污水处理厂，而更重要的是及时有效地掌握水质污染的各项指标，防止水污染进一步扩散以至于到无法控制的地步。传统的水污染监测分析方法存在操作步骤多、使用分析仪器不但贵重，体积巨大，难以携带，还有测试周期长，不能及时得到检测结果的问题，在广域水环境现场很难做到实时检测以及在线监测。而传统检测方法对于一些特殊污染物具有局限性，如难降解，毒性较高，含量较少的有机重金属污染物，这类污染物需要更灵敏的检测手段。

生物传感器作为环境监测的新型技术在近几十年来成为研究的热点，它由生物敏感元件和转换元件等多组分构成。其作用原理为，生物分子是敏感元件，直接利用生物分子和待检测物之间的相互作用来产生响应信号，响应信号因敏感元件性质不同而可以是化学信号、光信号、热信号，通过转化元件可以将这些信号转换为电信号，信号经收集、处理和输出，最终实现对待检测物的分析检测。自Updike和 Hicks 在 1967 年利用葡萄糖氧化酶作为感应元件，聚丙烯酰胺膜和有氧电极作为转化器，制造了第一个检测葡萄糖的传感器，成为了第一代的生物传感器，尽管第一代传感器灵敏度低，抗干扰能力弱，稳定性差，但而后的诞生的光生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器和电化学生物传感器都是在第一代传感器的基础上发展出来的[1]。

1 电化学生物传感器

电化学生物传感器是目前最广泛应用的，特别是应用于水质检测，以达到实时现场微量检测的目的。因为不同待测物的电化学性质不同，用特定的生物识别元件进行偶联，可以将待测物的化学剂量转化为电信号。电化学生物传感器优于传统的检测方法的方面在于，可现场完成检测过程，极大的避免了采样造成的主观因素影响，且灵敏度高，特异性强，而其实现成本较低，普通接受程度较高，优于传统检测方法。但其也有使用上的缺陷，因为其识别元件具有生物活性，做成试剂盒也很难避免变质和生物降解的问题，从根本上造成了其稳定性、重现性较差，不适合长期、重复使用，而随着新一代的电化学生物传感器的研究深入，该状况正得到改善。如已有研究报道将肌红蛋白固定在，利用1，3，6，8-芘四磺酸四钠盐非共价修饰石墨烯制备的水溶性石墨烯上，该传感器对亚硝酸钠有良好的敏感性，最低检测浓度可达到0.01mM，且具有良好的稳定性[2]。电化学生物传感器正向着多功能、稳定、便携、智能、高灵敏度、特异性等方向发展，新型的纳米级电化学生物传感器将有可能成为未来关注的热点。

2 量热生物传感器和光学生物传感器

利用其他生物物理学原理也可以设计传感器，如量热生物传感器，其工作原理是酶作用于底物后会释放一些热量，而运用酶柱，以及热导体及一定的量热元件可以测量酶催化的化学反应生成的热，通过计算生成热量和底物浓度之间的关系可以得到间接得到底物的量。简单系统仅在反应前使用一个精度很低的恒温槽，没有反应前后的温度比较，因此基准漂移大、精度不高、难以定量分析。有研究报道水体中的2，4-二氯酚可以利用量热生物传感器来检测，其原理是将酶组装在多孔玻璃珠上形成酶柱，因为玻璃珠的表面积可以有效提高检测效率，得到的线性检测区间为0.5～10mg/L，此结果与高效液相色谱结果一致性较高[3]。光学生物传感器是近年来兴起的新型传感器，其原理是先使识别待测物与感受器特异性结合，然后通过反应后激发的光信号来监测待测物的含量，感受器通常是含有生物活性并能发出光信号的物质。如间接竞争免疫光学生物传感器—Triple XTM波导传感芯片，被用于监测水体中的双酚A（BPA）、微囊藻毒素-LR（MC-LR）和2，4-二氯苯氧乙酸（2，4，-D）。光学生物传感器尽管灵敏度提高了很多，但是其扰动因素也增加了很多，且发光基团可能因为底物与传感器的结合方式问题造成发光效率受到影响，在一些情况下无法满足研究需要。因此杂合型系统设计成为了最有潜力的发展方向，杂合型系统将量热生物传感器与电化学、光学及其他种类的生物传感器相结合，提高结果精度和测量效率。如谢斌等人结合了量热和电化学生物传感器，设计了用于检测儿茶酚的杂合型系统，使用的酶柱既用作酶反应器、导热元件，又可以作为电传感器[4]。如何更有效的集成传感原件，获得具有特异性、高效性、灵敏性的传感器将是未来研究的方向。

3 其他生物传感器

除此之外还有一些无法根据其原理進行客观分类的生物传感器，如监测水质的一个明星传感器就是 BOD 微生物传感器。传统 BOD 测定时间约需要至少5天，在损耗时间的同时，待测样品中的BOD也发生了变化，致使最终结果不能完全反应水体的真实情况。而BOD 微生物传感器是将固定化氧电极、微生物等进行集成，以微生物在水中耗费的溶氧量作为指标，整个技术的关键为固定化微生物，一般采用混合菌体，当微生物呼吸作用偶联电流和 BOD 浓度将在某个范围中呈线性关系，便可测出水体的BOD的含量。如研究人员发现一细菌中有荧光基因存在，受到污染源刺激时可诱导产生荧光蛋白，将荧光素酶基因借助基因抢整合进感应微生物的基因组，可以制成荧光微生物传感器，用于对的有毒化合物进行检测。对于重金属的检测，目前生物传感器检测法也是最为推崇的方式，例如，将砷诱导型启动子作为起始材料，为获得突变材料，可以运用流式细胞仪进行荧光激活细胞分选 （FACS），以此来构建出灵敏性更强的砷细菌生物传感器。

4 结语

可以预见生物传感器将会向着微型化，集成化发展，以实现一套传感系统同时监测多种污染物指标，而随着材料学，化学等相关学科的发展，生物传感器的不稳定性也可以得到极大的规避，其必将成为水质监测技术的未来最重要的发展方向。

参考文献

[1]张先恩.生物传感发展50年及展望[J].中国科学院院刊，2017，32（12）：1271-1280.

[2]陈霞，杨天枫，张东东.石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学生物传感应用研究进展[J].《延安大学学报（自然科学版）》，2017，36（3）：17-25.

[3]漆红兰.纳米粒子组装电化学生物传感器和电化学发光免疫分析法的研究[D].陕西师范大学，2005.

[4]周莹，孙汉洲，谢斌，等.四溴双酚A的合成及其复合阻燃效应[J].化学与生物工程，2005，22（2）：24-26.

[5]赵磊，金若芸，何利，等.胶原纤维固定酿酒酵母BOD传感器性能及应用[J].环境工程学报，2015，9（7）：3558-3564.

收稿日期：2019-12-13

作者简介：范玉国（1989-），男，汉族，本科，助理工程师，研究方向为环境监测。