生物传感器在环境监测中的应用.doc

环境污染与防治 网络版 第7期 2007年7月生物传感器在环境监测中的应用*谢 宇第一作者：谢 宇，男，1975年生，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为环境生物技术和生物传感器。*江西省自然科学基金资助项目（No.0620071）。 尚晓娴 杨 莉（南昌航空工业学院环境与化学工程学院，江西 南昌 330063）摘要 简要介绍了生物传感器的基本工作原理。综述了测定BOD、酚、农药残留和NO3-的水环境监测的生物传感器；测定SO2和NOX的大气环境监测的生物传感器；测定土壤重金属的生物传感器以及检测内分泌干扰物、持久性有机污染物和监测水体富营养化的其他环境监测方面的应用。并对生物传感器的未来发展方向做了展望。关键词 生物传感器 环境监测 污染物Application of biosensor in environmental monitoring Xie Yu, Shang Xiaoxian, Yang Li. (College of Environment and Chemistry Engineering, Nanchang Institute of Aeronautical Technology，Nanchang Jiangxi 330063)Abstract: The basic working principle of biosensor briefly was introduced in this paper. The water environment monitoring biosensor determining BOD, phenol, pesticide residues and NO3-, the atmospheric environmental monitoring biosensor determining SO2 and NOX and biosensors determining heavy metals in soil were summaried. Moreover, the other environmental monitoring aspect applications of biosensors such as determining endocrine disruptors, persistent organic pollutants and monitoring eutrophication were also introduced. At last, the development of biosensors in the future was forecasted.Keywords: Biosensor Environmental monitoring Pollutant随着各国经济的迅速发展，环境污染问题逐渐凸现出来，并成为制约经济快速发展的因素。因此，保护环境并实现可持续发展逐渐成为当今的热门话题。在环境监测中有许多生化指标需要简便、快速、自动化的测定，生物传感器因其满足了上述要求而在近十几年中得到了迅速发展1，2。国际理论和应用化学联合会（IUPAC）对生物传感器的定义为：1种由生物或者与生物相关的敏感元件和物理化学传感器（换能器）相结合构成的小型分析仪器。其中分子识别部分（敏感元件）用于识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件，是生物传感器选择性测定的基础；信号转换部分（换能器）是将分子识别部分所引起的变化转换成电信号的功能部件3。生物传感器的工作原理如下：待测物生物识别元件信息信号转换电信号或光信号信号放大信息处理信号输出生物传感器的研究开端于20世纪60年代。1962年CLARK4报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果，可认为是最早提出了生物传感器（酶传感器）的原理。生物传感器按敏感元件的不同可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器等。按转换器转换对象的不同可分为pH转换器、O2转换器、CO2转换器、NH3转换器等5；按测量信号的不同又可分为电化学传感器、光学传感器、测热型传感器、半导体传感器等6。1 用于水环境监测的生物传感器目前生活污水和工业废水的排放量不断增加，其中绝大部分污水经过生物法处理后排入水体，其各项指标的监测需要在实验室中进行。对于大多数污水处理厂来说，实现水质的在线检测仍是一个难题。生物传感器的应用，使得废水的生物处理过程的在线检测成为可能。1.1 BOD生物传感器普通的BOD传感器一般是将微生物夹膜固定在溶解氧探头上7，8，溶解氧随缓冲溶液进入到生物膜层，部分的溶解氧被微生物消耗。剩余的溶解氧通过可透气的Teflon膜而被氧电极所检测到。当样品溶液通过检测系统时，可降解的有机物通过多孔渗透膜渗透到微生物层而被微生物氧化、吸收，从而引起膜周围溶解氧的减少，导致了氧电极的电流下降。将测定的电流与标准曲线进行对比，可测定BOD。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、发光菌和嗜热菌等。张悦等9研制的BOD测定仪采用聚乙烯醇凝胶包埋方式固定酵母，并将固定化酵母直接分散悬浮在溶液中，将BOD探头插入溶液中测量BOD，在0200 mg/L内有较好的线性测量关系，且有较好的准确性。1.2 测定酚的生物传感器微生物传感器是快速准确测定废水中酚含量的方法10，是以微生物电极、酶电极和植物电极为传感器测定的。反应机理见式（1）和式（2）。 苯酚O22H+酪氨酸酶邻苯二酚 （1） 邻苯二酚O2酪氨酸酶邻苯二醌 （2）当酚类物质与O2一起扩散进入微生物膜时，由于微生物对酚的同化作用而耗氧，致使进入氧电极的O2速率下降，传感器输出电流减小，并在几分钟内达到稳态。在一定的浓度范围内，电流降低值I与酚的浓度之间呈线性关系，由此来测定酚的浓度。由于此反应需要酪氨酸酶，穆冬燕等11用麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极构成电流型生物传感器来测定水中酚类污染物质。在外加电压为100 mV(vs.SCE)、pH为5.40的磷酸盐缓冲溶液中，在苯酚摩尔浓度为2.010-71.010-5 mol/L内电极电压与苯酚摩尔浓度有良好的线性关系，其检测下限为1.010-7 mol/L。1.3 测定农药残留的生物传感器用于农药残留检测的电化学传感器分为电流模式和电位模式，其分子识别元件大都为乙酰胆碱酯酶（AChE）和丁酰胆碱酯酶（BChE）。AChE催化底物乙酰胆碱的水解反应为12：乙酰胆碱H2O胆碱乙酸 （3）酶的活力受到有机磷(OPs)（如：马拉硫磷、对硫磷等）和氨基甲酸酯杀虫剂（如：西维因、涕灭威）的抑制。电流型传感器测量的是O2、H2O等电活性物质浓度13，有两种类型：第1种类型是基于反应(3)中生成的胆碱被胆碱氧化酶(ChOD)氧化，消耗氧而生成H2O2(反应4)，从而通过测定溶液中的氧或H2O2来间接测量酶的抑制物；第2种类型是电位传感器，通过测量H+的浓度来反映抑制物的浓度（反应5）。胆碱+2O2 + H2O乙酸三甲铵内盐+ H2O2 （4）2胆碱2胆碱+ 2 H+2e- （5）ALBAREDA SIRVENT等14以1种可以重复使用的电流型生物传感器来检测自来水和果汁中的农药，在标准溶液中对氧磷和呋喃丹的检测极限分别达到10-10和10-11 mol/L。1.4 测定NO3-生物传感器NO3-是测定水中污染物的重要指标之一，目前有多种利用不同的NO3-还原酶作为催化剂的生物传感器装置。MARTY等15发明了用假单细胞菌固定在小毛细管中，置于N2O小电化学传感器的前端来测定NO3-的小型微生物传感器，该传感器在小于400 mol/L下呈线性响应。2 用于大气环境监测的生物传感器2.1 测定SO2的生物传感器SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。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，可对SO2形成的酸雨酸雾样品进行检测16。将固定有类脂质的醋酸纤维膜附着在氧电极两层Telflon气体渗透层之间，当样品溶液经过氧电极表面时，微粒体氧化样品，消耗氧，使氧电极电流随时间延长而减小，10 min达到稳定。在SO32-小于3.410-4 mol/L时，电流与SO32-浓度呈线性关系，检测限为0.610-4 mol/L。新的生物传感器以噬硫杆菌和氧电极制作17，将噬硫杆菌固定在两片硝化纤维膜之间，使微生物新陈代谢增加，溶解氧浓度下降，氧电极响应改变，从而测出亚硫酸物含量。2.2 测定NOX的生物传感器NOX是引起光化学烟雾的最主要原因，利用硝化细菌以硝酸盐为唯一能源这一特点，用多孔气体渗透膜，固定化硝化细菌和氧电极组成微生物传感器18，能有效测定样品中亚硝酸盐的含量。此传感器选择性很高，不易受乙酸、乙醇等挥发物质的干扰。当亚硝酸盐低于0.59 mmol/L时，通过氧电极的电流与硝化细菌的好氧量之间有良好的线性关系，检测限为0.01 mmol/L。除了能对以上两种大气中的主要污染物进行检测外，对其他空气污染物的监测也有报道。GIL等19采用埃希氏菌属作为基质，用琼脂固定与传导器组成生物传感器，对工厂周围的大气进行连续监测，能检测出空气中的苯和甲苯等有毒物质的浓度变化。3 测定土壤重金属的生物传感器生物传感器用于土壤中污染物的检测目前报道较少。基于抑制作用的酶生物传感器测定环境样品中的抑制剂的研究近年来备受关注，该法可应用于检测土壤中的污染物。汤琳等20提出了一种基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶生物传感器用于测定土壤样品中的二价汞离子。该法克服了传统的冷原子吸收分光光度法、高锰酸钾-过硫酸钾消解双硫腙分光光度法等方法中预处理过程复杂、费用高、不能实地检测的缺点。二价汞离子可作为葡萄糖氧化酶的一种抑制剂，在pH较低的酸性环境中，能与酶活性中心的某些位点结合而抑制酶的活性，从而引起响应电流的下降，产生可测定信号。该传感器对汞离子的检出限为0.49 ng/mL，抑制率和汞离子浓度的自然对数值在0.49783.21 ng/mL和783.21 ng/mL25.55 g/mL内分别呈良好的线性关系，酶电极在抑制后可以完全恢复活性。4 生物传感器在环境监测其他方面的应用4.1 检测内分泌干扰物环境内分泌干扰物(EDCs)通过食物、水、大气和土壤等环境介质与包括人类在内的环境生物体系全方位的接触，成为迫切需要治理的第3代环境污染物。ANDREEACU等21发展了1种以酪氨酸酶为基础的电化学生物传感器(Tyr-CPE)，成功应用于检测酚类EDCs。近年来，以表面等离子体共振(SPR)为原理的高灵敏度转换器被较多的应用于生物传感器中，形成1种新的更为简单快捷的检测法。该法通过检测SPR信号的改变，来反映识别元件生物分子与受试物分子的相互作用(结合或解离)，从而定量测定待测物。SHIMOMUM22等使用该法来检测2,3,7,8-TCDD、PCB和阿特拉津，仅15 min便可完成全部测定过程，3者的检出限分别为0.1、2.5、5 ng/mL。4.2 检测持久性有机污染物常见的持久性有机污染物是氯化烃类，如三氯乙烯（TCE）、四氯乙烯（PCE）等。这类物质大都具有致癌作用，一旦进入地下水或土壤中，将对人体健康构成极大危害。HAN等23发明了1种用假单细胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜上制成的新型微生物传感器，将附有假单细胞菌的薄膜固定于氯离子电极上，再将带有AgCl/Ag薄膜的氯离子电极和Ag/AgCl参比电极连接到离子计上，记录电压的变化，通过与标准曲线对照，测定三氯乙烯的浓度。4.3 监测水体富营养化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。赤潮是水质受到污染，水体富营养化的结果，多发生在近海海域。叶绿素a是浮游植物进行光合作用时，有机物生产力的一个重要指标24。日本设计出叶绿素a的自动监测仪，通过对水中叶绿素a的检测来监测水体富营养化的发生。该仪器体积小，可设置在表层水下10100 cm处，检测范围为020 g/L。5 未来发展趋势由于生物传感器具有快速、在线、连续监测的优点，越来越受到人们的重视。经过近30年的研究，生物传感器已获得了很大发展。但是真正应用于环境监测领域的实例并不太多，这主要是由于目前的生物传感器还存在诸多不足之处，如稳定性差、对许多有毒物质缺乏抵抗性、使用寿命短、维护较为复杂等。未来生物传感器发展的方向主要集中在两个方面25：换能器的发展和检测元件的改进。信号转换是生物传感器的关键问题，如何在传感元件的氧化还原中心与电极换能器之间建立电子传递仍是一个技术难点。生物传感器在工作过程中，往往会出现识别元件与待测物发生化学反应等不可逆的情况，这必然会影响传感器的检测能力，降低其灵敏度。因此，如何提高元件的使用寿命，选择灵活性强、选择性高的传感元件也是一个主要的研究方向。活性物质的固定化技术在研究生物传感器的稳定性时占有重要位置，因此这个问题如果能得到很好的解决，必将极大推动生物传感器的发展，提高其实用性。此外，便携式微型生物传感器的研究也是未来的一个发展方向，新生物材料的合成、纳米技术的应用等都将进一步推进生物传感器在环境监测领域的应用。参考文献1 吴邦灿，费龙.现代环境监测技术M.北京:中国环境科学出版社，1999.2 ISAO K，KAZUYOSHI Y，SATOSHI S. Biosensors for environmental monitoring J. Annals of the New York Academy of Sciences，1998，86：23-36.3 范崇阳.生物传感器的发展和应用J.传感器技术，1995，2：1-5.4 CLARK L C. Biosensor M. Ann. N. Y. Acad / Sci.，1962，102(29)：41-48.5 BAMBANG K，ROBRETO A，RAL Y N W. Optical fibre biosensors based on immobilised enzymes J. The Analyst，2001，l26(8)：14696 司士辉.生物传感器M.北京：化学工业出版社，2002：118.7 KARUBE I，NOMURA Y，ARIKAWA Y. Biosense Technology Applied to Environment Monitoring J. TrAc，1995，14(7)：295-300.8 叶裕才，王建龙.生物传感器快速测定生化需氧量的研究J.分析化学，2005，3：405-406.9 张悦.生物传感器快速测定BOD的开发J.高技术通讯，2001，21(4)：51.10 SOUZA S F D. Microbial biosensors J Biosensors & Bioeletronics，2001，16：337-353.11 穆东燕，崔莉风.用酪氨酸酶生物传感器测水中酚类物质的研究J.北京工商大学学报，2002，20(1)：12-16.12 陈峻，林详钦.乙酰胆碱/胆碱电化学生物传感器研究进展J.分析科学学报，2001，17(6)：515-519.13 蒋雪松，应义斌.生物传感器在农药残留检测中的应用J.农业工程学报，2005，21(4)：118-119. 14 ALBAREDA SIRVENT M，MERKOCI A，ALEGRET S. Pesticide determination in tap water and juice samples using disposable amperometric biosensors made using thick-film technologyJ. Analytica Chimica Acta，2001，442：35-44.15 MARTY J L，MIONETTO N，NOGURE T，et al. Applications and Prospects of Biosensor for Environment Monitoring J. Biosens Bioelectron，1993，8：273.16 郑怀礼，龚迎昆.用于环境监测的生物传感技术J.光谱学与光谱分析，2003，23(2)：411-413.17 李彦文，杨仁斌.生物传感器在环境污染物检测中的应用J.环境科学动态，2004，1：27-29.18 PAUL T C，PAUL R G，CHARLES H，et al. Applications and prospects of biosensor for environment monitoring J. Environ Sci. Technol.，2000，34(21)：4641. 19 GIL G C，MITCHELL R J，SUK T C. A biosensor for the detection of gas toxicity using a recombinant bioluminescent bacteriumJ. Biosensors & Bioelectronics，2000，15(1/2)：23-3020 汤琳，曾光明.基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶传感器测定环境污染物汞离子的研究J.分析科学学报，2005，21(2)：123-126.21 ANDREEACU S，SADIK O A. Correlation of analyte struetures with biosensor responses using the detection of phenolic estrogens as a modelJ. Anal Chem.，2004，76(3)：552-560.22 SHIMOMUM M，NOMURA Y，ZHANG W，et a1. Simple and rapid detection method using surface plasmon resonance for dioxins，polychlorinated biphenyls and atrazineJ. Analytica Chimica Acts，2001，434(2)：223-23023 HAN T S，KIM Y C，SASAKI S，et al. Microbial sensor for trichloroethylene determination J. Anal Chim Acta，2001，43：22524 胡辉，谢静.叶绿素a在监视赤潮和评价水环境中的应用J.环境监测管理与技术，2001，13(5)：43.25 SARA R M，MARIA J. Biosensors for environmental monitoring a global perspectiveJ. Talanta，2005，65：291-297.责任编辑：黄 苇 （收到修改稿日期：2007-04-02）版权所有 环境污染与防治杂志社6