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摘 要：生物传感器起源于20世纪中期。利用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反应，经极谱式氧电极检测氧量的变化，从而制成了第一支酶电极。1967年Updike和Hicks首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶（GOD）电极，用于定量测定血清中葡萄糖含量。这标志着生物传感器的诞生。经过多年的不断发展，生物传感器技术已广泛应用在环境监测、食品分析、发酵、医疗保健、医药和军事医学等领域。文章主要针对生物传感器的工作原理及在环境监测中的推广应用进行了简要的分析。
关键词：环境监测、定义及原理、生物传感器
一、生物传感器的定义及原理
生物传感器一般都是由生物识别元件、转换元件及机械元件和电气元件组成的。原则上讲，任何一种接收器都可与适应的传导器结合制造出具有操作性能的传感器。
（一）生物传感器的定义及原理
将生物传感器定义为：生物传感器是一种精密的分析器件，它结合了一种生物或生物衍生敏感元件（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等）与一只理化换能器（如电化学电极、光学检测元件、气敏电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体及表面等离子共振器件等），能够产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物含量成正比。待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学转换器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可测得待测物含量。
（二）生物传感器的分类
生物传感器的分类方法有很多种，按照其感受器中所采用的生命物质分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等；按照传感器器件检测的原理分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等；按照生物敏感物质相互作用的类型分为：亲和型和代谢型两种。
二、生物传感器在环境监测中的作用
生物传感器可对各种环境污染物进行监测，有体积小、简便、快速、灵敏度高、重现性好等优点，可原位在线分析，在环境监测中有十分广阔的应用前景。
（一）水环境监测
（1）生化需氧量的测定
对于水体有机污染物的检测， 生化需氧量（BOD）是一个重要指标。传统BOD监测方法操作步骤复杂，工作周期长，且对监测人员的操作水平和经验要求较高，不适用于现场监测，由于各种因素的影响导致监测结果的重现性较差。用微生物传感器监测水环境BOD的工作原理是：用微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，因水体中BOD含量的变化，会导致水体中微生物呼吸方式的变化，从而影响电极电流信号强弱的改变，再将此电流信号输出放大，得到水体BOD的含量。
（2）硝酸盐的监测
对水环境中NO-3含量测定，所使用的生物传感器主要是通过测定NO-3被还原成NO-2时产生的还原电流的大小来反映NO-3含量。Larsen等发明了用假单细胞菌（Pseud-monassp）固定在毛细管中，置于N2O小型电化学传感器前端来测定NO-2的小型微生物传感器，该传感器在NO-2浓度为400Lmol·L-1以内时，有较好的监测效果。对Larsen的传感器用电泳原理作了改进，在培养基池和被监测液中放入了电极，使得NO-3能更接近敏感元件，得到了更好的监测效果。目前，有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测定硝酸盐和亚硝酸盐（NO-x），该微生物传感器由于在有盐的环境下进行测量，因而可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口水样中NO-x进行测定，取得了较好的效果。
（3）硫化物的监测
硫化物的测定在环境监测中居重要地位。目前常用的测定方法有亚甲基蓝比色法、碘量滴定法和电位滴定法等。这些方法操作复杂、消耗药品量大、准确性不高。用硫化物杆菌制成硫化物传感器，用于对生活污水、工业废水、含H2S气体等基体复杂样品中硫化物的测定。结果表明：该传感器响应S2-质量浓度线性范围为0.06～1.50mg·L-1，响应时间为3～6min，30d内测定500余次，灵敏度保持不变。这种硫化物的监测方法与传统方法相比具有较大优势，操作简便、成本较低，效率高、灵敏度高、稳定性好，该生物传感器检测方法有望得到进一步的优化、发展，进而广泛应用到实际监测中去。
（4）其他污染物的监测
阴离子表面活性剂如直链烷基苯磺酸钠（LAS）等，会在水面上形成难以消失的泡沫并且消耗水体的溶解氧，对水体造成严重污染。Normura用LAS降解细菌和氧电极制成生物传感器，用来检测阴离子表面活性剂，利用阴离子表面活性剂的存在会使LAS降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，导致氧电极电流变化的原理来测定LAS含量。随着环境污染的日益严重，需要监测的水环境污染因子也越来越多。用于監测各种污染因子的生物传感器也不断被研制出来，如用于磷酸盐监测的生物传感器，及用于快速测定水中细菌总数的生物传感器。还有利用除草剂对植物类囊体束缚酶起分解过氧化氢的作用，成功研制了一种快速检测痕量除草剂的电化学生物传感器，实现了现场监测。这些生物传感器的监测效果都比较好，但同时也在进行完善。随着人类文明的发展，人们不断追求经济增长却忽略了环境保护，导致污染物不断增多，不仅水环境受到严重污染，大气环境也不容乐观，因此，对大气环境的监测也不容忽视。
（二）大气环境监测
对大气环境污染的主要因子有NOx、SO2、总悬浮颗粒物（TSP）、CO2等，其中NOx和SO2对大气环境的危害尤为严重，可直接导致酸雨、酸雾；另外，NOx还可导致光化学污染。用传统方法盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测SO2、盐酸萘乙二胺分光光度法测NOx时，方法复杂，结果重现性差。而生物传感器简单实用，在大气监测领域也得到了较好的发展。
（1）SO2的监测
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，对SO2形成的酸雨、酸雾样品溶液进行分析，传感器中微粒体在氧化亚硫酸盐的同时消耗氧，使氧电极周围的溶解氧浓度降低，从而产生电流变化间接反映出亚硫酸盐的浓度。该传感器响应迅速，约10min即可得到稳定结果。测定结果重现性好、准确度高，当亚硫酸盐浓度低于3.4×10-4mol·L-1时，电流与亚硫酸盐浓度呈线性关系，方法的检出限是0.6×10-4mol·L-1，但类脂质只能在37℃使用和保存2d，可以分析20次。还可以用硫杆菌属和氧电极制成用于SO2测定的微生物传感器，以噬硫杆菌和氧电极制作的生物传感器更加稳定。
（2） NOx的监测
测定NOx的生物传感器由多孔气体渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组合而成。该传感器中硝化细菌以亚硝酸盐作为唯一的能量来源，其呼吸活性随亚硝酸盐的存在增加，呼吸过程导致的溶解氧浓度降低量可由氧电极检测，从而间接反映出亚硝酸盐的含量，以此反映大气中NOx的含量。该传感器检出限为0.01mmol·L-1，当亚硝酸盐浓度在0.59mmol·L-1以内时，传感器产生的电流与亚硝酸盐的浓度成正比。传感器选择性好，抗干扰能力强，用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器，用此传感器测定样品中亚硝酸盐含量，可间接测定空气中NOx的浓度，其检出限为1×10-8mol·L-1。
三、结语
生物传感器具有快速、低成本、高选择性、高灵敏度、操作简便、可在线或现场检测等特点，经过几十年的研究、改进，并与其他技术交叉结合，在环境监测领域中应用越来越受到人们的重视。未来，生物传感器在环境监测领域中的发展趋势，将由单一功能向多功能发展，纳米生物传感器阵列或多种纳米生物传感器的集成，将是生物传感器的一个重要发展方向；集成多种技术，以提高监测效率，如碳纳米管技术与酶生物传感器的结合，提高了生物传感器的灵敏度并且结构简单、易于微型化、可批量生产，显示出了新型生物传感器优异的性能和巨大的生命力，进一步拓宽了在环境监测中的应用；加速从试验阶段走向商品化，向微型化、集成化、智能化方向发展。
关键词：环境监测、定义及原理、生物传感器
一、生物传感器的定义及原理
生物传感器一般都是由生物识别元件、转换元件及机械元件和电气元件组成的。原则上讲，任何一种接收器都可与适应的传导器结合制造出具有操作性能的传感器。
（一）生物传感器的定义及原理
将生物传感器定义为：生物传感器是一种精密的分析器件，它结合了一种生物或生物衍生敏感元件（如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等）与一只理化换能器（如电化学电极、光学检测元件、气敏电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体及表面等离子共振器件等），能够产生间断或连续的数字电信号，信号强度与被分析物含量成正比。待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学转换器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可测得待测物含量。
（二）生物传感器的分类
生物传感器的分类方法有很多种，按照其感受器中所采用的生命物质分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等；按照传感器器件检测的原理分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等；按照生物敏感物质相互作用的类型分为：亲和型和代谢型两种。
二、生物传感器在环境监测中的作用
生物传感器可对各种环境污染物进行监测，有体积小、简便、快速、灵敏度高、重现性好等优点，可原位在线分析，在环境监测中有十分广阔的应用前景。
（一）水环境监测
（1）生化需氧量的测定
对于水体有机污染物的检测， 生化需氧量（BOD）是一个重要指标。传统BOD监测方法操作步骤复杂，工作周期长，且对监测人员的操作水平和经验要求较高，不适用于现场监测，由于各种因素的影响导致监测结果的重现性较差。用微生物传感器监测水环境BOD的工作原理是：用微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，因水体中BOD含量的变化，会导致水体中微生物呼吸方式的变化，从而影响电极电流信号强弱的改变，再将此电流信号输出放大，得到水体BOD的含量。
（2）硝酸盐的监测
对水环境中NO-3含量测定，所使用的生物传感器主要是通过测定NO-3被还原成NO-2时产生的还原电流的大小来反映NO-3含量。Larsen等发明了用假单细胞菌（Pseud-monassp）固定在毛细管中，置于N2O小型电化学传感器前端来测定NO-2的小型微生物传感器，该传感器在NO-2浓度为400Lmol·L-1以内时，有较好的监测效果。对Larsen的传感器用电泳原理作了改进，在培养基池和被监测液中放入了电极，使得NO-3能更接近敏感元件，得到了更好的监测效果。目前，有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测定硝酸盐和亚硝酸盐（NO-x），该微生物传感器由于在有盐的环境下进行测量，因而可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口水样中NO-x进行测定，取得了较好的效果。
（3）硫化物的监测
硫化物的测定在环境监测中居重要地位。目前常用的测定方法有亚甲基蓝比色法、碘量滴定法和电位滴定法等。这些方法操作复杂、消耗药品量大、准确性不高。用硫化物杆菌制成硫化物传感器，用于对生活污水、工业废水、含H2S气体等基体复杂样品中硫化物的测定。结果表明：该传感器响应S2-质量浓度线性范围为0.06～1.50mg·L-1，响应时间为3～6min，30d内测定500余次，灵敏度保持不变。这种硫化物的监测方法与传统方法相比具有较大优势，操作简便、成本较低，效率高、灵敏度高、稳定性好，该生物传感器检测方法有望得到进一步的优化、发展，进而广泛应用到实际监测中去。
（4）其他污染物的监测
阴离子表面活性剂如直链烷基苯磺酸钠（LAS）等，会在水面上形成难以消失的泡沫并且消耗水体的溶解氧，对水体造成严重污染。Normura用LAS降解细菌和氧电极制成生物传感器，用来检测阴离子表面活性剂，利用阴离子表面活性剂的存在会使LAS降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，导致氧电极电流变化的原理来测定LAS含量。随着环境污染的日益严重，需要监测的水环境污染因子也越来越多。用于監测各种污染因子的生物传感器也不断被研制出来，如用于磷酸盐监测的生物传感器，及用于快速测定水中细菌总数的生物传感器。还有利用除草剂对植物类囊体束缚酶起分解过氧化氢的作用，成功研制了一种快速检测痕量除草剂的电化学生物传感器，实现了现场监测。这些生物传感器的监测效果都比较好，但同时也在进行完善。随着人类文明的发展，人们不断追求经济增长却忽略了环境保护，导致污染物不断增多，不仅水环境受到严重污染，大气环境也不容乐观，因此，对大气环境的监测也不容忽视。
（二）大气环境监测
对大气环境污染的主要因子有NOx、SO2、总悬浮颗粒物（TSP）、CO2等，其中NOx和SO2对大气环境的危害尤为严重，可直接导致酸雨、酸雾；另外，NOx还可导致光化学污染。用传统方法盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测SO2、盐酸萘乙二胺分光光度法测NOx时，方法复杂，结果重现性差。而生物传感器简单实用，在大气监测领域也得到了较好的发展。
（1）SO2的监测
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，对SO2形成的酸雨、酸雾样品溶液进行分析，传感器中微粒体在氧化亚硫酸盐的同时消耗氧，使氧电极周围的溶解氧浓度降低，从而产生电流变化间接反映出亚硫酸盐的浓度。该传感器响应迅速，约10min即可得到稳定结果。测定结果重现性好、准确度高，当亚硫酸盐浓度低于3.4×10-4mol·L-1时，电流与亚硫酸盐浓度呈线性关系，方法的检出限是0.6×10-4mol·L-1，但类脂质只能在37℃使用和保存2d，可以分析20次。还可以用硫杆菌属和氧电极制成用于SO2测定的微生物传感器，以噬硫杆菌和氧电极制作的生物传感器更加稳定。
（2） NOx的监测
测定NOx的生物传感器由多孔气体渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组合而成。该传感器中硝化细菌以亚硝酸盐作为唯一的能量来源，其呼吸活性随亚硝酸盐的存在增加，呼吸过程导致的溶解氧浓度降低量可由氧电极检测，从而间接反映出亚硝酸盐的含量，以此反映大气中NOx的含量。该传感器检出限为0.01mmol·L-1，当亚硝酸盐浓度在0.59mmol·L-1以内时，传感器产生的电流与亚硝酸盐的浓度成正比。传感器选择性好，抗干扰能力强，用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器，用此传感器测定样品中亚硝酸盐含量，可间接测定空气中NOx的浓度，其检出限为1×10-8mol·L-1。
三、结语
生物传感器具有快速、低成本、高选择性、高灵敏度、操作简便、可在线或现场检测等特点，经过几十年的研究、改进，并与其他技术交叉结合，在环境监测领域中应用越来越受到人们的重视。未来，生物传感器在环境监测领域中的发展趋势，将由单一功能向多功能发展，纳米生物传感器阵列或多种纳米生物传感器的集成，将是生物传感器的一个重要发展方向；集成多种技术，以提高监测效率，如碳纳米管技术与酶生物传感器的结合，提高了生物传感器的灵敏度并且结构简单、易于微型化、可批量生产，显示出了新型生物传感器优异的性能和巨大的生命力，进一步拓宽了在环境监测中的应用；加速从试验阶段走向商品化，向微型化、集成化、智能化方向发展。