1生物传感器的基本原理

1生物传感器的基本原理生物传感器主要由生物感应元件和信号传导器两部分组成。可用来制作生物感应元件的物质有酶、酶组分、生物体、组织、细胞、抗体、核酸、有机物分子等,其主要功能是对被测物质进行选择性作用,即识别被测物质。信号传导器的主要形式有电势测量式、电流测量式、电导率测量式、阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机械式等,其主要功能是将生物元件与被测物质相互作用所产生的物理化学效应转变为可以输出的电信号[2]。生物传感器的基本工作原理是:将具有分子识别功能的生物物质通过特殊加工技术涂敷固定在固态载体上(例如高分子膜等),形成功能膜,当其与被测物质相接触时,膜内的感应物质首先与被测物质选择性地吸附,发生相互作用形成复合物,从而表现为化学变化、热变化、光变化或直接产生电信号方式等;化学变化、热变化和光变化由信号传导器转化为易于输出的,与待测物质浓度成比例的电信号,这个信号能够进一步被放大、处理或储存,然后利用电子仪器进行测量,记录,从而达到分析检测的目的2生物传感器在环境监测中的应用2.1对砷化物和硫化物的检测砷污染主要来源于采矿、冶金、化工、农药生产、制革、化学制药等工业废水。单质砷的毒性很低,但砷的化合物均有剧毒,砷化物容易在人体内积累,造成急性或慢性中毒。在历史上,由于人们的环保意识不强,含砷工业废水曾造成土壤和地下水的广泛污染。为有效地清除这种污染并确保饮用水的安全,对污染环境中的砷的检测是至关重要的。Roberto等[5]从海水母中提取了一种绿色荧光蛋白质(greenfluorescentpro2tein)通过基因转录研制出一种细菌荧光素酶生物传感器,利用该生物传感器可检测亚微克量的亚砷酸盐和砷酸盐,对砷污染地区能进行在线、长期的环境监测,效果显著,且费用较低。焦化、选矿、造纸、印染、制革等工业废水通常含有硫化物,包括溶解性的H2S、HS-和S2-,酸溶性的金属硫化物等。硫化物毒性较大,且易产生硫化氢,可危害细胞色素、氧化酶,造成细胞组膜,并被膜内硫杆菌同化而耗氧,使氧分子扩散进入氧电极的速率降低,导致电极输出电流下降。通过对电流变化值的记录,可检测出S2-的浓度。试验证明,硫化物微生物电极具有良好的准确度和精密度,测试设备简单,操作方便,成本低,是一种有实用意义的生物传感器。2.2对杀虫剂除草剂残留物的检测利用生物传感器可直接、快速又方便地检测出各类杀虫剂(如有机磷和氨基甲酸脂类)和除草剂的残留物。生物基质不但可以测定残留物的浓度,还可以测定其毒性[7-9],这是传统的分析检测技术所达不到的。用于检测杀虫剂的最常见的酶是神经酶乙酰胆碱酶[10],它能催化乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸。有机磷是杀虫剂中的一大分支,包括对硫磷、马拉硫磷、甲氟磷酸异丙酯等,它们能与酶结合成非常稳定的共价物磷酸基酶从而阻碍酶的活性。将固定化乙酰胆碱酯制成的生物传感器放入含有杀虫剂的试样中就可以测量出酶活性的抑制程度。当酶不受抑制时,会输出一个最大的稳定信号,而当溶液中含有抑制剂时,这个信号的大小就会降低一个与抑制剂浓度成比例的量,从而达到检测的目的。利用聚球蓝细菌细胞作为生物基质的生物传感器可以用于检测水体中的除草剂,通过检测细胞中光合成电子传输系统,当有污染物存在时,会对传输系统产生干扰。该方法非常简单方便,可迅速提供污染信息,适于在线监测2.3对生化需氧量及氨氮的测定生化需氧量(BOD)是反映水体被有机物污染程度的综合指标,也是研究废水的可生化降解性和生化处理效果,以及生化处理废水工艺设计和动力学研究中的重要参数。目前普遍采用的BOD测定方法是标准稀释法,这种方法操作复杂,重现性差,且不宜现场监测。采用BOD生物传感器[13-15]可在10～15min检测出BOD的含量,可对水质状况实行在线监测,具有广阔的应用前景。BOD生物传感器的基本原理是:将生物传感器置于不含BOD物质的缓冲溶液中,由于溶液保持恒温并被氧饱和,传感器输出一稳态电流;当加入样品时,有机物向生物传感器的生物膜中扩散,因微生物对有机物质有代谢作用而耗氧,从而导致传感器输出电流降低;在适宜的BOD物质浓度范围内,电流降低值与样品溶液的BOD浓度呈线性关系,而BOD物质浓度又和BOD值之间有定量关系,从而可测定样品的BOD值。氨氮是水体环境监测中经常要检测的一个指标。Massone等[16]利用硝化细菌作基质和氧电极组成的生物传感器对医院及食品工业的废水处理厂的污水进行氨氮的检测,硝化菌以氨作为唯一能源消耗氧,通过检测附着在氧电极上的固定化微生物的呼吸量可测定氨氮浓度。2.7对大气和废气的监测清洁的空气是人类和生物赖以生存的环境要素之一。生物传感器在大气和废气监测中也有广泛的应用。Knopf等[19]研究了一种新型生物传感器对化工厂排放到空气中的有毒污染物进行遥感监测。该传感器采用能发光的弧菌属细菌作为生物基质,当空气中有毒污染物存在时,发光细菌的发光能力受到影响而减弱,其减弱程度与有毒物质的毒性大小和浓度成一定的比例。发光细菌固定在聚乙烯醇凝胶体中,并与一信号转换器组合,该转换器可以将光信号转换为无线电频率,被遥感接收器接收,从而可以测定待测物的毒性和浓度。Gil等[20]则采用埃希氏菌属作为基质,用琼脂固定并与传导器组成生物传感器,对工厂附近的污染大气进行连续监测,能检测出空气中苯、甲苯等有毒物质的浓度变化。此外,检测NO2的生物传感器[21]和SO2的生物传感器[22]也均有研究报道。3结语世界范围的环境危机正使人类面临空前严峻的挑战,开展并加强环境保护工作已迫在眉睫。环境监测是环境保护的基础,发展环境监测新技术十分重要。将生物传感器应用于环境监测,能减少分析时间,降低成本,利于在线及应急监测且较易实现自动化,是现代环境监测技术的一个新的发展领域。