论文部分内容阅读
【摘 要】环境监测是环境科学领域中重要的一项分支，环境监测实施的目的主要是为环境的管理、污染控制和环境的保护等提供及时、准确的环境质量状况信息。在环境监测中生物传感器技术的应用，不仅稳定性高，选择性好，响应时间短，而且还能够实现原位、实时以及连续监测等优点，下面我们就详细分析生物传感器技术在环境监测中的应用价值。
【关键词】环境监测；生物传感器；应用价值；分析
【中图分类号】X835【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0049-01
引言：随着社会的发展，工业农业的快速发展，环境污染问题也日趋加剧，目前环境保护问题已经成为人们的共识，环境保护及环境污染控制已经成为目前环境监测人员工作的核心内容。对环境进行管理、控制污染、为环境评价与环境规划提供准确且全面的环境质量状况的信息，这些都是实施环境监测的重要目的所在[1]。而生物传感器所包含的特点有好的特异性、高灵敏度、分析速度快并且在复杂的体系中能够在线进行连续监测等，它属于一项新的高新技术，因此在环境监测中具有重要的作用。
一、在大气环境监测中的应用
最常见的影响大气环境的污染因子有TSP、S02、C02和NOx等，其中危害最大的是S02和NOx，这两种因子是形成酸雨和酸雾的主要成分，同时，NOx还是主要的光化学污染引发因素。采用传统的检测方法检测S02、NOx，不但方法复杂，还经常出现重现性差的检测结果。因此在大气环境监测方面广泛应了用生物传感器。
1、对S02的监测
采用氧电极和肝微粒体（需含有亚硫酸盐氧化酶）制成的生物传感器应用于S02的监测。通过对雨水中的亚硫酸盐浓度进行测定来体现S02的的含量。依靠传感器里面的微粒体对亚硫酸盐进行氧化，与此同时还消耗一定的氧，降低氧电极周围溶解氧浓度，引起传感器电流的相同变化间接反应亚硫酸盐浓度，具有很高的准确度以及很好的重现性。
2、对NOx的监测
采用氧电极与固定化硝化细菌、多孔气体渗透膜组合制成的生物传感器应用于NOx的监测。利用亚硝酸盐做唯一的硝化细菌能源，亚硝酸盐增加就会增加传感器的呼吸活性。呼吸过程中采用氧电极进行溶解氧浓度降低量的检测，以此间接将亚硝酸盐含量反应出来，体现大气所含的NOx含量。0.01mmol/L是最低检测限[2]，如果亚硝酸盐浓度<0.59mmol/L时，亚硝酸盐浓度和传感器电流成正比关系，具有较强的抗干扰能力，选择性较好。
二、在水环境监测中的应用
1、对BOD的监测
水体有机污染程度的衡量可以依据生物化学需氧量（BOD）的监测。传统采用5d生化需氧量标准稀释测定法进行BOD的检测，不但操作繁琐、需很长时间，而且准确度相对较差[3]。Karube等人于1977年从废水处理厂污泥中提取出微生物，经培养制成胶原膜，结合氧电极组成了一种微生物传感器，主要用于BOD的测定。后经过完善和发展，研究出其工作原理：生物敏感元件采用微生物混合菌种或单一菌种，一旦BOD物质发生加入、降解代谢现象，就会转化微生物内外源呼吸方式，耦联输出电流发生强弱变化，传感器输出电流值处于某种条件下和BOD浓度呈线性关系。它不但满足了实际监测对于精度的要求，而且灵敏、快速，因此应用在水质在线分析方面前景广阔。目前不但有应用于天然淡水、城市污水的BOD监测传感器，还有能适应海洋高盐度水体特点的传感器。
2、对苯酚类化合物的监测
环境污染严重的污染物之一就是含苯化合物，因为很多芳香类化合物都会引起癌症。近些年电化学传感器先后产生了以漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶和苯酚羟化酶做生物敏感材料的传感器，最常应用的是酪氨酸酶为生物敏感材料的传感器，原理为：基于分子氧存在基础下，依靠酪氨酸酶将单酚类物质进行氧化，使其生成二酚，从而将其氧化成为苯醌类物。由于苯醌能利用电化学途径将电子吸收转换成邻苯二酚，所以对苯醌类物质生成情况及氧的消耗程度进行监测，就可以实现苯酚类物质监测目的。这种监测方法具有较高的灵敏度和较强的选择性。还有一些生物传感器利用微生物菌体作识别材料进行苯酚类物质的监测，因细菌经常含有降解质粒，所以假单胞菌属极受研究者关注[3]。
3、对硝酸盐的监测
利用生物传感器对水环境里面的NO3-进行测量，需要测定还原成NO2-时的还原电流大小，以此来反映NO3-含量。该传感器在NO2-浓度为400？mol/L以内时，有较好的监测效果。对传感器用电泳的原理进行改造，将电极放入被监测液和培养基池中，使得NO3-与敏感元件更加接近，得到更好的监测效果。
三、对农药等物质的监测
除草剂、杀真菌剂、杀昆虫剂、脱叶剂、植物生长调节剂等均属于农药类物质，农药是一种广泛存在于大气、土壤以及水、植物和食品中环境污染物。其中除草剂不但含有有机化合物，也含有无机物；杀真菌剂含有有机化合物、含硫化合物及含铜化合物；杀昆虫剂含有马拉硫磷、对氧磷等有机磷化合物。这些都会造成人体的危害，导致造血功能受损、呼吸道损伤、神经系统疾病、免疫系统损伤或严重的致癌现象。目前常用的杀虫剂监测方法为气相色谱法，但某些杀虫剂具有高极性、低挥发性以及对热不稳定性，很难采用气相色谱法进行监测。但有机磷农药会在低浓度下进行一些特定酶活性的抑制，抑制程度受到有机磷农药浓度的影响，所以设计了酶传感器进行有机磷农药浓度的间接测定。其中酶传感器的作用机理主要是乙酰胆碱在胆碱酯酶的作用分解产生胆碱和乙酸，然后胆碱别胆碱氧化酶氧化形成甜菜碱并释放出H2O2，农药与胆碱酯酶发生作用时，将会形成极易水解的非共价的中间复合物，同时由于乙酰胆碱酯酶高度敏感于有机磷农药，所以测定反应相pH变化就能得到酶活受抑情况，间接可将有机磷农药浓度推算出来，从而能够监测出药物的危害性。
四、总结
生物传感器的开发主要是依据生物技术、生物电子学和微电子学几方面的研制成果不断的发展和渗透。在环境监测中应用生物传感器，不仅能够实现环境监测的及时准确性，而且生物传感器技术还能够实现在线监测的优点。对于未来的传感器而言，必将与计算机结合，实施采集数据、处理数据自动化进行，提供出更科学和准确的结果，进而形成完全的自动化检测系统，为环境的保护作出最大的贡献。
参考文献
[1] 周仕林，刘冬.？？生物传感器在环境监测中的应用[J].？理化检验（化学分册）.2011（01）：23-25.
[2] 殷大根，杜勇，刘晓霞.生物传感器基于碳纳米管对环境监测的研究进展[J]. 材料开发与应用，2011（04）：50-52.
[3] 樊占春，张静.生物传感器在环境监测领域的应用[J]. 四川环境. 2010（06）：140-142.
【关键词】环境监测；生物传感器；应用价值；分析
【中图分类号】X835【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0049-01
引言：随着社会的发展，工业农业的快速发展，环境污染问题也日趋加剧，目前环境保护问题已经成为人们的共识，环境保护及环境污染控制已经成为目前环境监测人员工作的核心内容。对环境进行管理、控制污染、为环境评价与环境规划提供准确且全面的环境质量状况的信息，这些都是实施环境监测的重要目的所在[1]。而生物传感器所包含的特点有好的特异性、高灵敏度、分析速度快并且在复杂的体系中能够在线进行连续监测等，它属于一项新的高新技术，因此在环境监测中具有重要的作用。
一、在大气环境监测中的应用
最常见的影响大气环境的污染因子有TSP、S02、C02和NOx等，其中危害最大的是S02和NOx，这两种因子是形成酸雨和酸雾的主要成分，同时，NOx还是主要的光化学污染引发因素。采用传统的检测方法检测S02、NOx，不但方法复杂，还经常出现重现性差的检测结果。因此在大气环境监测方面广泛应了用生物传感器。
1、对S02的监测
采用氧电极和肝微粒体（需含有亚硫酸盐氧化酶）制成的生物传感器应用于S02的监测。通过对雨水中的亚硫酸盐浓度进行测定来体现S02的的含量。依靠传感器里面的微粒体对亚硫酸盐进行氧化，与此同时还消耗一定的氧，降低氧电极周围溶解氧浓度，引起传感器电流的相同变化间接反应亚硫酸盐浓度，具有很高的准确度以及很好的重现性。
2、对NOx的监测
采用氧电极与固定化硝化细菌、多孔气体渗透膜组合制成的生物传感器应用于NOx的监测。利用亚硝酸盐做唯一的硝化细菌能源，亚硝酸盐增加就会增加传感器的呼吸活性。呼吸过程中采用氧电极进行溶解氧浓度降低量的检测，以此间接将亚硝酸盐含量反应出来，体现大气所含的NOx含量。0.01mmol/L是最低检测限[2]，如果亚硝酸盐浓度<0.59mmol/L时，亚硝酸盐浓度和传感器电流成正比关系，具有较强的抗干扰能力，选择性较好。
二、在水环境监测中的应用
1、对BOD的监测
水体有机污染程度的衡量可以依据生物化学需氧量（BOD）的监测。传统采用5d生化需氧量标准稀释测定法进行BOD的检测，不但操作繁琐、需很长时间，而且准确度相对较差[3]。Karube等人于1977年从废水处理厂污泥中提取出微生物，经培养制成胶原膜，结合氧电极组成了一种微生物传感器，主要用于BOD的测定。后经过完善和发展，研究出其工作原理：生物敏感元件采用微生物混合菌种或单一菌种，一旦BOD物质发生加入、降解代谢现象，就会转化微生物内外源呼吸方式，耦联输出电流发生强弱变化，传感器输出电流值处于某种条件下和BOD浓度呈线性关系。它不但满足了实际监测对于精度的要求，而且灵敏、快速，因此应用在水质在线分析方面前景广阔。目前不但有应用于天然淡水、城市污水的BOD监测传感器，还有能适应海洋高盐度水体特点的传感器。
2、对苯酚类化合物的监测
环境污染严重的污染物之一就是含苯化合物，因为很多芳香类化合物都会引起癌症。近些年电化学传感器先后产生了以漆酶、酪氨酸酶、过氧化物酶和苯酚羟化酶做生物敏感材料的传感器，最常应用的是酪氨酸酶为生物敏感材料的传感器，原理为：基于分子氧存在基础下，依靠酪氨酸酶将单酚类物质进行氧化，使其生成二酚，从而将其氧化成为苯醌类物。由于苯醌能利用电化学途径将电子吸收转换成邻苯二酚，所以对苯醌类物质生成情况及氧的消耗程度进行监测，就可以实现苯酚类物质监测目的。这种监测方法具有较高的灵敏度和较强的选择性。还有一些生物传感器利用微生物菌体作识别材料进行苯酚类物质的监测，因细菌经常含有降解质粒，所以假单胞菌属极受研究者关注[3]。
3、对硝酸盐的监测
利用生物传感器对水环境里面的NO3-进行测量，需要测定还原成NO2-时的还原电流大小，以此来反映NO3-含量。该传感器在NO2-浓度为400？mol/L以内时，有较好的监测效果。对传感器用电泳的原理进行改造，将电极放入被监测液和培养基池中，使得NO3-与敏感元件更加接近，得到更好的监测效果。
三、对农药等物质的监测
除草剂、杀真菌剂、杀昆虫剂、脱叶剂、植物生长调节剂等均属于农药类物质，农药是一种广泛存在于大气、土壤以及水、植物和食品中环境污染物。其中除草剂不但含有有机化合物，也含有无机物；杀真菌剂含有有机化合物、含硫化合物及含铜化合物；杀昆虫剂含有马拉硫磷、对氧磷等有机磷化合物。这些都会造成人体的危害，导致造血功能受损、呼吸道损伤、神经系统疾病、免疫系统损伤或严重的致癌现象。目前常用的杀虫剂监测方法为气相色谱法，但某些杀虫剂具有高极性、低挥发性以及对热不稳定性，很难采用气相色谱法进行监测。但有机磷农药会在低浓度下进行一些特定酶活性的抑制，抑制程度受到有机磷农药浓度的影响，所以设计了酶传感器进行有机磷农药浓度的间接测定。其中酶传感器的作用机理主要是乙酰胆碱在胆碱酯酶的作用分解产生胆碱和乙酸，然后胆碱别胆碱氧化酶氧化形成甜菜碱并释放出H2O2，农药与胆碱酯酶发生作用时，将会形成极易水解的非共价的中间复合物，同时由于乙酰胆碱酯酶高度敏感于有机磷农药，所以测定反应相pH变化就能得到酶活受抑情况，间接可将有机磷农药浓度推算出来，从而能够监测出药物的危害性。
四、总结
生物传感器的开发主要是依据生物技术、生物电子学和微电子学几方面的研制成果不断的发展和渗透。在环境监测中应用生物传感器，不仅能够实现环境监测的及时准确性，而且生物传感器技术还能够实现在线监测的优点。对于未来的传感器而言，必将与计算机结合，实施采集数据、处理数据自动化进行，提供出更科学和准确的结果，进而形成完全的自动化检测系统，为环境的保护作出最大的贡献。
参考文献
[1] 周仕林，刘冬.？？生物传感器在环境监测中的应用[J].？理化检验（化学分册）.2011（01）：23-25.
[2] 殷大根，杜勇，刘晓霞.生物传感器基于碳纳米管对环境监测的研究进展[J]. 材料开发与应用，2011（04）：50-52.
[3] 樊占春，张静.生物传感器在环境监测领域的应用[J]. 四川环境. 2010（06）：140-142.