生物传感器及其在环境监测中的应用
摘要：生物传感器是一类特殊的化学传感器。是利用生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。
关键字：生物传感器 环境监测 应用
生物传感器是一类特殊的化学传感器。是利用生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。与其它传感器不同的是生物传感器是以生物学组件作为主要功能性元件，能够感受规定的被测量，既不是专用于生物领域的传感器(虽然生物医学也是它的应用领域之一)，也不是指被测量必是生物量的传感器(尽管它也能测定生物量)，而是基于它的生物敏感材料来自生物体。生物传感器的工作原理主要决定于生物敏感元件与待测物质之间的相互作用，主要有化学变化转化为电信号、将热变化转化为电信号、将光效应转化为电信号、直接产生电信号方式等方式。随着技术的发展，基于细胞受体和自由振荡等现象的新原理的生物传感器也不断涌现。
依据不同研究角度，生物传感器的可分为以下几类：
根据被测物与分子识别元件相互作用产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲和作用。即二者间能特异地相结合，同时引起敏感材料上生物分子的结构和固定介质发生物理变化，例如电荷、厚度、温度、光学性质(颜色或荧光)等变化。这类传感器称为生物亲和型生物传感器。另一类是被测物与分子识别元件上的敏感物质相作用并产生产物，信号换能器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。
根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类。生物传感器中分子识别元件上所用的敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据所用敏感物质可将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器和ＤＮＡ生物传感器等。
根据生物传感器的信号转换分类 生物传感器的信号换能器有:电化学电报、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电换能器、声学装置等。据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。
生物传感器在环境监测中的应用非常广泛，如：
农药残留检测，农药残留检测目前研究较多的有乙酰胆碱酯酶类传感器。乙酰胆碱是高等动物中神经信号的传递中介，同时又必须迅速地除去，否则连续的刺激会造成兴奋，最后导致传递阻断而引起机体死亡。乙酰胆碱的除去依赖于胆碱酯酶(Ａｃｈｅ)。在胆碱酯酶的催化下，乙酰胆碱水解为乙酸和胆碱:有机磷和氨基甲酸酯类农药与乙酰胆碱类似，能与酶酯基的活性部位发生不可逆的健合从而抑制酶活性，酶反应产生的ｐＨ变化可由电位型生物传感器测出。
测酸雨生物传感器，ＳＯ2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Ｍａ而将亚细胞类脂类———含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体固定在醋酸纤维膜上和氧电极制成安培型生物传感器，可以对ＳＯ2形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，10ｍｉｎ可达稳定。
测ＢＯＤ值的生物传感器生物化学需氧量，(ＢＯＤ)是衡量水体有机污染程度的指标，是水质评价过程中最常用、最重要的指标之一。传统测定ＢＯＤ的5ｄ生化需氧量标准稀释测定法所需时间长、操作繁琐、结果准确度差。而利用从废水处理厂的活性污泥中得到的微生物，经过培养后制成微生物———胶原膜并将其与氧电极组装在一起即可以制成可测定ＢＯＤ的微生物传感器。利用嗜热菌作为敏感元件制成的ＢＯＤ传感器，可在15ｍｉｎ左右测得一个ＢＯＤ数值。
水体富营养化监测，水域中一些浮游生物暴发性繁殖引起水色异常的现象称为赤潮，又叫红潮，主要发生在近海海域。赤潮将使水域的生态系统遭到严重破坏，对引起赤潮的浮游生物的监测已成为一个重要课题。一种名叫查顿埃勒(Ｃｈａｔｔｏｎｅｌｌａ)的浮游生物是引起赤潮的重要物种，国外已研究出监测这种浮游生物的生物传感器，其原理为:检测这种生物或其代谢产物产生的化学发光。此外，探测其它引起的赤潮的澡类生物传感器也得到发展，如监测蓝藻菌的生物传感器。其作用机理是:这样藻类细胞存在一种藻青素，它能发出一种独特的荧光光谱，通过测量这种荧光可进行有效监测。
阴离子表面活性剂传感器，阴离子表面活性剂，如直链烷基苯磺酸钠(ＬＡＳ)可造成严重的水污染，在水面上产生不易消失的泡沫，并消耗溶解氧。用ＬＡＳ降解细菌和氧电极可以制成用来检测阴离子表面活性剂的生物传感器]，利用当阴离子表面活性剂存在时，ＬＡＳ降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，从而氧电极电流变化的原理来测定ＬＡＳ浓度。
污染物急性毒性，检测农药的急性毒性用鱼类以生物鉴定法试验需花费96ｈ，而根据毒性阻碍发光的原理， 以减少发光量50%的浓度作为检测指标用光电倍增管来检测，一次测定需时5ｍｉｎ，30ｍｉｎ可以确定待测物的毒性指标，并且该方法与经典方法的测定值有很好的相关性。 发光细菌急性毒性试验因其检测时间短(15ｍｉｎ)，灵敏度高，被世界各国广泛采用。我国也于1995年将这一方法列为环境毒性检测的标准方法。另外，生物传感器还可检测苯酚及苯甲酸盐、乙醇、亚硝酸盐等许多环境污染物。
作为一种新的检测手段生物传感器具有高选择性、高灵敏度、较好的稳定性、低成本、能在复杂的体系中进行快速在线连续监测，可以预见生物传感器将会成为最具潜力的环境监测工具。目前，生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，今后一段时间里生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择性高的生物传感元件;提高检测器使用寿命;信号转换使用寿命;生物响应稳定性和微型化便携式等问题。
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