生物傳感器在水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
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1 生物傳感器基本原理
1.1 反應(yīng)基礎(chǔ)
生物傳感器反應(yīng)基礎(chǔ)基于常見(jiàn)的四類生物反應(yīng):即酶促反應(yīng)、免疫學(xué)反應(yīng)、微生物反應(yīng)和生物反應(yīng)中伴隨著發(fā)生的物理量變化。
1.2 工作原理
生物傳感器的組成見(jiàn)圖1。生物傳感器選擇性的好壞完全取決于它的分子識(shí)別元件，而其他性能則和它的整體組成有關(guān)。生物反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的信息是多元化的，選擇不同的轉(zhuǎn)換器對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換對(duì)生物傳感器的設(shè)計(jì)十分重要，常見(jiàn)的生物傳感器的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換器有電化學(xué)式、光學(xué)式等。
應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)控的生物傳感器所使用的分子識(shí)別元件主要有酶、微生物、細(xì)胞器。在水質(zhì)監(jiān)控中的主要應(yīng)用有BOD、細(xì)菌總數(shù)、硫化物、有機(jī)農(nóng)藥、酚和水體富氧的測(cè)定等。
2.1 用于監(jiān)測(cè)BOD的生物傳感器
BOD是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)。測(cè)定BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時(shí)間長(zhǎng)、操作繁瑣、準(zhǔn)確度差。BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的要求，并且有快速、靈敏的特點(diǎn)。BOD傳感器的工作原理〔，〕:以微生物的單一菌種或混合種群作為BOD微生物電極，由于水體中BOD物質(zhì)的加人或降解代謝的發(fā)生，導(dǎo)致水中的微生物內(nèi)外源呼吸方式的變化或轉(zhuǎn)化，藕聯(lián)著電流強(qiáng)弱信號(hào)的改變，一定條件下傳感器輸出的電流值與BOD的濃度呈線性關(guān)系。用于制作BOD生物傳感器的微生物主要有酵母、假單胞菌、芽抱桿菌、發(fā)光菌和嗜熱菌等。
張悅等研制的BOD測(cè)定儀采用聚乙烯醇凝膠包埋方式固定酵母，并將固定化酵母直接分散懸浮在溶液中，將DO探頭插人溶液中測(cè)量BOD，實(shí)驗(yàn)表明，最佳測(cè)量條件為溫度30‘C,pH 5.0、固定化細(xì)胞15g，可在20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)BOD的快速測(cè)定。在BOD為。- 200 mg/L的范圍內(nèi)有較好的線性測(cè)量關(guān)系，且有較好的準(zhǔn)確性。但離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)距離，需做進(jìn)一步的研究。
國(guó)外，兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2被分離出來(lái)并且被固定在玻璃碳極上，以構(gòu)成用于測(cè)量BOD的微生物傳感器。其誤差為土10%。將該傳感器用于測(cè)量紙漿廠污水中BOD濃度，其最小值可達(dá)到2m g/L，所用的時(shí)間僅為5m in（3） 。
2.2 用于快速測(cè)定細(xì)菌總數(shù)的生物傳感器
細(xì)菌總數(shù)是水質(zhì)樣品中的重要污染指標(biāo)之一。目前普遍采用平板菌落記數(shù)法，測(cè)定周期長(zhǎng)，準(zhǔn)確度不高，主觀誤差大。生物傳感器的快速測(cè)定引起了人們極大的興趣。韓樹(shù)波等（4）研制成功一種新的伏安型細(xì)菌總數(shù)生物傳感器（見(jiàn)圖2），通過(guò)對(duì)電極及其輔助測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)，可使測(cè)定下限達(dá)3x104 cells，測(cè)定周期在0.5 h左右。用菌懸液抽濾制成細(xì)菌阻留膜，立即把此膜附著在無(wú)菌罩中的修飾電極上，用濾膜定位裝置將電極及起濾膜固定于彈性電解池底部，記錄伏安掃描曲線，所得峰電流值與相應(yīng)樣品的校正工作曲線相對(duì)照，計(jì)算細(xì)菌總數(shù)。大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌、啤酒酵母菌的線性響應(yīng)范圍依次是2x 104一4.8x107,2x104一4.60x 1 07,3x 1 04一9.16x107, 2 x 104一9.60x 107,2x 104一9.60x 107 cells。
硫化物的測(cè)定在環(huán)境監(jiān)測(cè)中居重要地位。目前常用的測(cè)定方法有亞甲基藍(lán)比色法、碘量滴定法和電位滴定法等（5）。這些方法往往需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，不但藥品消耗量大，而且易造成測(cè)定誤差。白志輝等用硫化物桿菌制成硫化物傳感器，用于對(duì)生活污水、工業(yè)廢水、含HZS氣體等基體復(fù)雜的樣品中的硫化物的測(cè)定（6）。該方法是從硫鐵礦的酸性土壤中分離、篩選出氧化硫硫桿菌，將其固定化，制備成微生物膜，再與氧電極組裝成微生物傳感器，用于樣品中微量硫化物的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)研究表明:該傳感器響應(yīng)S2-質(zhì)量濃度線性范圍為0.06一1.50 mg/L，響應(yīng)時(shí)間為3- 6 m in,30 d 內(nèi)測(cè)定500余次，靈敏度保持不變。
2.4 用于測(cè)定酚的生物傳感器
酚是水系“五毒”之一，對(duì)其實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)具有重要意義。測(cè)定酚的生物傳感器有酶電極、微生物電極和植物組織電極，它們都基于以下反應(yīng):
苯酚 十 O2+ 2 H++酪氨酸酶一鄰苯二酚
鄰苯 二 酚 十O2+酪氨酸酶一鄰苯二醌
兩步 反 應(yīng) 均需要大量的氧，據(jù)此可將酪氨酸酶或富含酪氨酸酶的新鮮蘑菇、土豆、香蕉等植物組織切片與溶氧電極結(jié)合制成測(cè)定酚的生物傳感器。穆冬燕等研究了用麥芽糊精修飾的酪氨酸酶碳糊電極構(gòu)成電流型生物傳感器測(cè)水中酚類污染物質(zhì)的方法，在外加電壓為一100m V（v s.SCE）,p H 為5.40的磷酸鹽緩沖溶液中，苯酚濃度為2.0 x 10-7——1.0 x 10-5 mol/L的范圍內(nèi)電極電壓與苯酚的濃度有良好的線性關(guān)系。檢出下限為1.0 x 10-7moUL，響應(yīng)時(shí)間為2 min。此電極對(duì)其他酚類物質(zhì)如鄰苯二酚、對(duì)氯苯酚、鄰甲酚等都有良好的響應(yīng)?？梢岳么穗姌O檢測(cè)工業(yè)廢水中的酚類物質(zhì)的濃度[7]。
馮治平等〔8〕從蘑菇組織中提取鄰苯二酚粗酶，利用絲素蛋白在甲醇作用下，其分子結(jié)構(gòu)由可溶性任意卷曲結(jié)構(gòu)向不可溶性刀- sheet發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而將鄰苯二酚粗酶固定在絲素蛋白膜中，制得鄰苯二酚酶?jìng)鞲衅?，該傳感器在pH為6.0的KH2PO4,-Na2HPO4,工作介質(zhì)中具有良好的響應(yīng)特性，工作線性范圍為1.0x 1 0-5- 2 .5x 1 0-4m ol/L，檢測(cè)限5.0x 10-6mol/L，響應(yīng)時(shí)間2 min,酶經(jīng)絲素蛋白的固定后具有較強(qiáng)的耐熱性能，并能較長(zhǎng)時(shí)間保持酶的活性。該傳感器在KH2PO4,- N a2HPO4,緩沖溶液中保存，其使用壽命高達(dá)兩個(gè)月。
2.5 用于測(cè)定有機(jī)農(nóng)藥的生物傳感器
隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在許多國(guó)家，除草劑的使用量已超過(guò)了殺蟲(chóng)劑和殺菌劑（9）。李建平等利用除草劑對(duì)植物類囊體束縛酶分解過(guò)氧化氫的作用，研制了一種快速檢測(cè)痕量除草劑的電化學(xué)生物傳感器叫，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。
2.6 其他的生物傳感器
T. C ha rle sP aul等〔11）研究了一種用多孔氣體滲透膜、固定化反硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器，可以測(cè)定樣品中硝酸鹽濃度。由于反硝化細(xì)菌以硝酸鹽作為唯一能源，故其選擇性和抗干擾性相當(dāng)高，不受揮發(fā)性物質(zhì)（如乙酸、乙醇、胺類）或不揮發(fā)性物質(zhì)（如葡萄糖、氨基酸、K+,Na+）的影響，通過(guò)氧電極電流與反硝化細(xì)菌耗氧之間的線性關(guān)系來(lái)推知硝酸鹽的濃度。繆惺 清 等 〔12〕利用N3-[（3一二甲氨基）]- N‘一乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC ）和經(jīng)基唬拍酸酞亞胺（NHS）對(duì)經(jīng)11一硫醇十一烷酸單分子層修飾的石英晶體電極表面活化，將多私菌素（PMB）共價(jià)結(jié)合到電極的表面，建立了一種可用于檢測(cè)細(xì)菌內(nèi)毒素的石英晶體微天平生物傳感器。李 百祥 等 研制了一種快速、靈敏、簡(jiǎn)便的檢測(cè)水中急性毒物的生物傳感器〔13）。該傳感器采用細(xì)胞固定化技術(shù)將發(fā)光菌固定化成膜作為敏感元件，與高靈敏度的硅光二極管緊密結(jié)合，利用明亮發(fā)光桿菌的細(xì)胞發(fā)光作用作為毒性的判斷指標(biāo)。將細(xì)胞固定化技術(shù)、生物傳感器技術(shù)和發(fā)光細(xì)菌毒性檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建成一種流通式急性毒物快速測(cè)定儀。
目前有一種光學(xué)生物傳感器可用于水樣中營(yíng)養(yǎng)物濃度的測(cè)定（143。該傳感器是基于固定在可控毛細(xì)玻璃上的細(xì)胞色素亞硝酸鹽還原酶。其工作原理是當(dāng)亞硝酸鹽存在時(shí)將酶氧化，測(cè)量亞硝酸鹽還原酶的分光度的變化就可測(cè)得營(yíng)養(yǎng)物的濃度。
3 存在的不足
（1） 再生性問(wèn)題。一些傳感器在工作的過(guò)程中，往往出現(xiàn)識(shí)別元件與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生不可逆性化學(xué)反應(yīng)等情況，這必然降低識(shí)別元件的識(shí)別能力，從而影響傳感器的靈敏度。
（2） 小型化問(wèn)題。儀器小型化將降低樣品體積、試劑消耗和生產(chǎn)費(fèi)用。
4 展望
生物傳感器在水質(zhì)檢測(cè)中的發(fā)展趨勢(shì)主要包括:從實(shí)驗(yàn)室走向商品化的進(jìn)程加速;在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步拓寬;由單一功能的生物傳感器向多功能生物傳感器發(fā)展;和其他精密儀器相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短;生物傳感器向微型化、集成化、智能化方向發(fā)展。
綜上所述 ，生物傳感器經(jīng)過(guò)幾十年的研究積累、技術(shù)改進(jìn)，已進(jìn)人開(kāi)發(fā)應(yīng)用的新時(shí)代，目前各種新的生物傳感器不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)，令人目不暇接。此外由于生物傳感器具有快速、低成本、高選擇性、高靈敏度、操作簡(jiǎn)便、可在線或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在水的監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景將不
評(píng)論