生物傳感器在水質分析監測中的應用
生物傳感器是由固定化并具有化學分子識別功能的生物材料、換能器件及信號放大裝置構成的分析工具或系統。
1 生物傳感器基本原理
1.1 反應基礎
生物傳感器反應基礎基于常見的四類生物反應:即酶促反應、免疫學反應、微生物反應和生物反應中伴隨著發生的物理量變化。
1.2 工作原理
生物傳感器的組成見圖1。生物傳感器選擇性的好壞完全取決于它的分子識別元件，而其他性能則和它的整體組成有關。生物反應過程產生的信息是多元化的，選擇不同的轉換器對信息進行轉換對生物傳感器的設計十分重要，常見的生物傳感器的基礎轉換器有電化學式、光學式等。
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2 生物傳感器在水監測中的應用
應用于水質監控的生物傳感器所使用的分子識別元件主要有酶、微生物、細胞器。在水質監控中的主要應用有BOD、細菌總數、硫化物、有機農藥、酚和水體富氧的測定等。
2.1 用于監測BOD的生物傳感器
BOD是衡量水體有機污染程度的重要指標。測定BOD的傳統標準稀釋法所需時間長、操作繁瑣、準確度差。BOD傳感器不僅能滿足實際監測的要求，并且有快速、靈敏的特點。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物質的加人或降解代謝的發生，導致水中的微生物內外源呼吸方式的變化或轉化，藕聯著電流強弱信號的改變，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、發光菌和嗜熱菌等。
張悅等研制的BOD測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探頭插人溶液中測量BOD，實驗表明，最佳測量條件為溫度30‘C,pH 5.0、固定化細胞15g，可在20 min內實現BOD的快速測定。在BOD為。- 200 mg/L的范圍內有較好的線性測量關系，且有較好的準確性。但離實際應用還有相當距離，需做進一步的研究。
國外，兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2被分離出來并且被固定在玻璃碳極上，以構成用于測量BOD的微生物傳感器。其誤差為土10%。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD濃度，其最小值可達到2m g/L，所用的時間僅為5m in（3） 。
2.2 用于快速測定細菌總數的生物傳感器
細菌總數是水質樣品中的重要污染指標之一。目前普遍采用平板菌落記數法，測定周期長，準確度不高，主觀誤差大。生物傳感器的快速測定引起了人們極大的興趣。韓樹波等（4）研制成功一種新的伏安型細菌總數生物傳感器（見圖2），通過對電極及其輔助測定裝置的設計，可使測定下限達3x104 cells，測定周期在0.5 h左右。用菌懸液抽濾制成細菌阻留膜，立即把此膜附著在無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樣品的校正工作曲線相對照，計算細菌總數。大腸桿菌、枯草桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、啤酒酵母菌的線性響應范圍依次是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。
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2.3 用于監測硫化物的生物傳感器
硫化物的測定在環境監測中居重要地位。目前常用的測定方法有亞甲基藍比色法、碘量滴定法和電位滴定法等（5）。這些方法往往需要對樣品進行預處理，不但藥品消耗量大，而且易造成測定誤差。白志輝等用硫化物桿菌制成硫化物傳感器，用于對生活污水、工業廢水、含HZS氣體等基體復雜的樣品中的硫化物的測定（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定。實驗研究表明:該傳感器響應S2-質量濃度線性范圍為0.06一1.50 mg/L，響應時間為3- 6 m in,30 d 內測定500余次，靈敏度保持不變。
2.4 用于測定酚的生物傳感器
酚是水系“五毒”之一，對其實施有效的監測具有重要意義。測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:
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 均需要大量的氧，據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合制成測定酚的生物傳感器。穆冬燕等研究了用麥芽糊精修飾的酪氨酸酶碳糊電極構成電流型生物傳感器測水中酚類污染物質的方法，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的范圍內電極電壓與苯酚的濃度有良好的線性關系。檢出下限為1.0 x 10-7moUL，響應時間為2 min。此電極對其他酚類物質如鄰苯二酚、對氯苯酚、鄰甲酚等都有良好的響應。可以利用此電極檢測工業廢水中的酚類物質的濃度[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，其分子結構由可溶性任意卷曲結構向不可溶性刀- sheet發生轉變，從而將鄰苯二酚粗酶固定在絲素蛋白膜中，制得鄰苯二酚酶傳感器，該傳感器在pH為6.0的KH2PO4,-Na2HPO4,工作介質中具有良好的響應特性，工作線性范圍為1.0x 1 0-5- 2 .5x 1 0-4m ol/L，檢測限5.0x 10-6mol/L，響應時間2 min,酶經絲素蛋白的固定后具有較強的耐熱性能，并能較長時間保持酶的活性。該傳感器在KH2PO4,- N a2HPO4,緩沖溶液中保存，其使用壽命高達兩個月。
2.5 用于測定有機農藥的生物傳感器
隨著農業技術的發展，在許多國家，除草劑的使用量已超過了殺蟲劑和殺菌劑（9）。李建平等利用除草劑對植物類囊體束縛酶分解過氧化氫的作用，研制了一種快速檢測痕量除草劑的電化學生物傳感器叫，實現了現場監測。
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、固定化反硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器，可以測定樣品中硝酸鹽濃度。由于反硝化細菌以硝酸鹽作為唯一能源，故其選擇性和抗干擾性相當高，不受揮發性物質（如乙酸、乙醇、胺類）或不揮發性物質（如葡萄糖、氨基酸、K+,Na+）的影響，通過氧電極電流與反硝化細菌耗氧之間的線性關系來推知硝酸鹽的濃度。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 ）和經基唬拍酸酞亞胺（NHS）對經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）共價結合到電極的表面，建立了一種可用于檢測細菌內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、簡便的檢測水中急性毒物的生物傳感器〔13）。該傳感器采用細胞固定化技術將發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合，利用明亮發光桿菌的細胞發光作用作為毒性的判斷指標。將細胞固定化技術、生物傳感器技術和發光細菌毒性檢測技術有機結合，構建成一種流通式急性毒物快速測定儀。
目前有一種光學生物傳感器可用于水樣中營養物濃度的測定（143。該傳感器是基于固定在可控毛細玻璃上的細胞色素亞硝酸鹽還原酶。其工作原理是當亞硝酸鹽存在時將酶氧化，測量亞硝酸鹽還原酶的分光度的變化就可測得營養物的濃度。
3 存在的不足
（1） 再生性問題。一些傳感器在工作的過程中，往往出現識別元件與待測物質發生不可逆性化學反應等情況，這必然降低識別元件的識別能力，從而影響傳感器的靈敏度。
（2） 小型化問題。儀器小型化將降低樣品體積、試劑消耗和生產費用。
4 展望
生物傳感器在水質檢測中的發展趨勢主要包括:從實驗室走向商品化的進程加速;在水質監測中的應用將會進一步拓寬;由單一功能的生物傳感器向多功能生物傳感器發展;和其他精密儀器相結合，取長補短;生物傳感器向微型化、集成化、智能化方向發展。
綜上所述 ，生物傳感器經過幾十年的研究積累、技術改進，已進人開發應用的新時代，目前各種新的生物傳感器不斷開發出來，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、操作簡便、可在線或現場檢測等優點，在水的監測中的應用前景將不可限量。(
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