生物傳感器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
摘要：生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器。是利用生物感應(yīng)元件的專一性與一個(gè)能夠產(chǎn)生和待測物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合起來的分析裝置。
關(guān)鍵字：生物傳感器 環(huán)境監(jiān)測 應(yīng)用
生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器。是利用生物感應(yīng)元件的專一性與一個(gè)能夠產(chǎn)生和待測物濃度成比例的信號(hào)傳導(dǎo)器結(jié)合起來的分析裝置。與其它傳感器不同的是生物傳感器是以生物學(xué)組件作為主要功能性元件，能夠感受規(guī)定的被測量，既不是專用于生物領(lǐng)域的傳感器(雖然生物醫(yī)學(xué)也是它的應(yīng)用領(lǐng)域之一)，也不是指被測量必是生物量的傳感器(盡管它也能測定生物量)，而是基于它的生物敏感材料來自生物體。生物傳感器的工作原理主要決定于生物敏感元件與待測物質(zhì)之間的相互作用，主要有化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將熱變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、將光效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、直接產(chǎn)生電信號(hào)方式等方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于細(xì)胞受體和自由振蕩等現(xiàn)象的新原理的生物傳感器也不斷涌現(xiàn)。
依據(jù)不同研究角度，生物傳感器的可分為以下幾類：
根據(jù)被測物與分子識(shí)別元件相互作用產(chǎn)生傳感器輸出信號(hào)的方式有兩類。一類是被測物與分子識(shí)別元件上敏感物質(zhì)具有生物親和作用。即二者間能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料上生物分子的結(jié)構(gòu)和固定介質(zhì)發(fā)生物理變化，例如電荷、厚度、溫度、光學(xué)性質(zhì)(顏色或熒光)等變化。這類傳感器稱為生物親和型生物傳感器。另一類是被測物與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并產(chǎn)生產(chǎn)物，信號(hào)換能器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)，這類傳感器稱為代謝型或催化型生物傳感器。
根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)分類。生物傳感器中分子識(shí)別元件上所用的敏感物質(zhì)有酶、微生物、動(dòng)植物組織、細(xì)胞器、抗原和抗體等。根據(jù)所用敏感物質(zhì)可將生物傳感器分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器和ＤＮＡ生物傳感器等。
根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換分類 生物傳感器的信號(hào)換能器有:電化學(xué)電報(bào)、離子敏場效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電換能器、聲學(xué)裝置等。據(jù)此又將傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等。
生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用非常廣泛，如：
農(nóng)藥殘留檢測，農(nóng)藥殘留檢測目前研究較多的有乙酰膽堿酯酶類傳感器。乙酰膽堿是高等動(dòng)物中神經(jīng)信號(hào)的傳遞中介，同時(shí)又必須迅速地除去，否則連續(xù)的刺激會(huì)造成興奮，最后導(dǎo)致傳遞阻斷而引起機(jī)體死亡。乙酰膽堿的除去依賴于膽堿酯酶(Ａｃｈｅ)。在膽堿酯酶的催化下，乙酰膽堿水解為乙酸和膽堿:有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥與乙酰膽堿類似，能與酶酯基的活性部位發(fā)生不可逆的健合從而抑制酶活性，酶反應(yīng)產(chǎn)生的ｐＨ變化可由電位型生物傳感器測出。
測酸雨生物傳感器，ＳＯ2是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Ｍａ而將亞細(xì)胞類脂類———含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體固定在醋酸纖維膜上和氧電極制成安培型生物傳感器，可以對ＳＯ2形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測，10ｍｉｎ可達(dá)穩(wěn)定。
測ＢＯＤ值的生物傳感器生物化學(xué)需氧量，(ＢＯＤ)是衡量水體有機(jī)污染程度的指標(biāo)，是水質(zhì)評價(jià)過程中最常用、最重要的指標(biāo)之一。傳統(tǒng)測定ＢＯＤ的5ｄ生化需氧量標(biāo)準(zhǔn)稀釋測定法所需時(shí)間長、操作繁瑣、結(jié)果準(zhǔn)確度差。而利用從廢水處理廠的活性污泥中得到的微生物，經(jīng)過培養(yǎng)后制成微生物———膠原膜并將其與氧電極組裝在一起即可以制成可測定ＢＯＤ的微生物傳感器。利用嗜熱菌作為敏感元件制成的ＢＯＤ傳感器，可在15ｍｉｎ左右測得一個(gè)ＢＯＤ數(shù)值。
水體富營養(yǎng)化監(jiān)測，水域中一些浮游生物暴發(fā)性繁殖引起水色異常的現(xiàn)象稱為赤潮，又叫紅潮，主要發(fā)生在近海海域。赤潮將使水域的生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，對引起赤潮的浮游生物的監(jiān)測已成為一個(gè)重要課題。一種名叫查頓埃勒(Ｃｈａｔｔｏｎｅｌｌａ)的浮游生物是引起赤潮的重要物種，國外已研究出監(jiān)測這種浮游生物的生物傳感器，其原理為:檢測這種生物或其代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光。此外，探測其它引起的赤潮的澡類生物傳感器也得到發(fā)展，如監(jiān)測藍(lán)藻菌的生物傳感器。其作用機(jī)理是:這樣藻類細(xì)胞存在一種藻青素，它能發(fā)出一種獨(dú)特的熒光光譜，通過測量這種熒光可進(jìn)行有效監(jiān)測。
陰離子表面活性劑傳感器，陰離子表面活性劑，如直鏈烷基苯磺酸鈉(ＬＡＳ)可造成嚴(yán)重的水污染，在水面上產(chǎn)生不易消失的泡沫，并消耗溶解氧。用ＬＡＳ降解細(xì)菌和氧電極可以制成用來檢測陰離子表面活性劑的生物傳感器]，利用當(dāng)陰離子表面活性劑存在時(shí)，ＬＡＳ降解菌的呼吸作用增強(qiáng)，引起溶解氧變化，從而氧電極電流變化的原理來測定ＬＡＳ濃度。
污染物急性毒性，檢測農(nóng)藥的急性毒性用魚類以生物鑒定法試驗(yàn)需花費(fèi)96ｈ，而根據(jù)毒性阻礙發(fā)光的原理， 以減少發(fā)光量50%的濃度作為檢測指標(biāo)用光電倍增管來檢測，一次測定需時(shí)5ｍｉｎ，30ｍｉｎ可以確定待測物的毒性指標(biāo)，并且該方法與經(jīng)典方法的測定值有很好的相關(guān)性。 發(fā)光細(xì)菌急性毒性試驗(yàn)因其檢測時(shí)間短(15ｍｉｎ)，靈敏度高，被世界各國廣泛采用。我國也于1995年將這一方法列為環(huán)境毒性檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法。另外，生物傳感器還可檢測苯酚及苯甲酸鹽、乙醇、亞硝酸鹽等許多環(huán)境污染物。
作為一種新的檢測手段生物傳感器具有高選擇性、高靈敏度、較好的穩(wěn)定性、低成本、能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行快速在線連續(xù)監(jiān)測，可以預(yù)見生物傳感器將會(huì)成為最具潛力的環(huán)境監(jiān)測工具。目前，生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時(shí)間里生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強(qiáng)、選擇性高的生物傳感元件;提高檢測器使用壽命;信號(hào)轉(zhuǎn)換使用壽命;生物響應(yīng)穩(wěn)定性和微型化便攜式等問題。
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