生物传感器在水质分析监测中的应用

2011-03-20 19:43:18来源: 互联网
生物传感器是由固定化并具有化学分子识别功能的生物材料、换能器件及信号放大装置构成的分析工具或系统。

1 生物传感器基本原理

1.1 反应基础

生物传感器反应基础基于常见的四类生物反应:即酶促反应、免疫学反应、微生物反应和生物反应中伴随着发生的物理量变化。

1.2 工作原理

生物传感器的组成见图1。生物传感器选择性的好坏完全取决于它的分子识别元件,而其他性能则和它的整体组成有关。生物反应过程产生的信息是多元化的,选择不同的转换器对信息进行转换对生物传感器的设计十分重要,常见的生物传感器的基础转换器有电化学式、光学式等。

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2 生物传感器在水监测中的应用

应用于水质监控的生物传感器所使用的分子识别元件主要有酶、微生物、细胞器。在水质监控中的主要应用有BOD、细菌总数、硫化物、有机农药、酚和水体富氧的测定等。

2.1 用于监测BOD的生物传感器

BOD是衡量水体有机污染程度的重要指标。测定BOD的传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。BOD传感器不仅能满足实际监测的要求,并且有快速、灵敏的特点。BOD传感器的工作原理〔,〕:以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极,由于水体中BOD物质的加人或降解代谢的发生,导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化,藕联着电流强弱信号的改变,一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽抱杆菌、发光菌和嗜热菌等。

张悦等研制的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DO探头插人溶液中测量BOD,实验表明,最佳测量条件为温度30‘C,pH 5.0、固定化细胞15g,可在20 min内实现BOD的快速测定。在BOD为。- 200 mg/L的范围内有较好的线性测量关系,且有较好的准确性。但离实际应用还有相当距离,需做进一步的研究。

国外,两种新的酵母菌种SPT1和SPT2被分离出来并且被固定在玻璃碳极上,以构成用于测量BOD的微生物传感器。其误差为土10%。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD浓度,其最小值可达到2m g/L,所用的时间仅为5m in(3) 。

2.2 用于快速测定细菌总数的生物传感器

细菌总数是水质样品中的重要污染指标之一。目前普遍采用平板菌落记数法,测定周期长,准确度不高,主观误差大。生物传感器的快速测定引起了人们极大的兴趣。韩树波等(4)研制成功一种新的伏安型细菌总数生物传感器(见图2),通过对电极及其辅助测定装置的设计,可使测定下限达3x104 cells,测定周期在0.5 h左右。用菌悬液抽滤制成细菌阻留膜,立即把此膜附着在无菌罩中的修饰电极上,用滤膜定位装置将电极及起滤膜固定于弹性电解池底部,记录伏安扫描曲线,所得峰电流值与相应样品的校正工作曲线相对照,计算细菌总数。大肠杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、啤酒酵母菌的线性响应范围依次是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 用于监测硫化物的生物传感器

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(5)。这些方法往往需要对样品进行预处理,不但药品消耗量大,而且易造成测定误差。白志辉等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HZS气体等基体复杂的样品中的硫化物的测定(6)。该方法是从硫铁矿的酸性土壤中分离、筛选出氧化硫硫杆菌,将其固定化,制备成微生物膜,再与氧电极组装成微生物传感器,用于样品中微量硫化物的测定。实验研究表明:该传感器响应S2-质量浓度线性范围为0.06一1.50 mg/L,响应时间为3- 6 m in,30 d 内测定500余次,灵敏度保持不变。

2.4 用于测定酚的生物传感器

酚是水系“五毒”之一,对其实施有效的监测具有重要意义。测定酚的生物传感器有酶电极、微生物电极和植物组织电极,它们都基于以下反应:

苯酚 十 O2+ 2 H++酪氨酸酶一邻苯二酚
邻苯 二 酚 十O2+酪氨酸酶一邻苯二醌

两步 反 应 均需要大量的氧,据此可将酪氨酸酶或富含酪氨酸酶的新鲜蘑菇、土豆、香蕉等植物组织切片与溶氧电极结合制成测定酚的生物传感器。穆冬燕等研究了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测水中酚类污染物质的方法,在外加电压为一100m V(v s.SCE),p H 为5.40的磷酸盐缓冲溶液中,苯酚浓度为2.0 x 10-7——1.0 x 10-5 mol/L的范围内电极电压与苯酚的浓度有良好的线性关系。检出下限为1.0 x 10-7moUL,响应时间为2 min。此电极对其他酚类物质如邻苯二酚、对氯苯酚、邻甲酚等都有良好的响应。可以利用此电极检测工业废水中的酚类物质的浓度[7]。

冯治平等〔8〕从蘑菇组织中提取邻苯二酚粗酶,利用丝素蛋白在甲醇作用下,其分子结构由可溶性任意卷曲结构向不可溶性刀- sheet发生转变,从而将邻苯二酚粗酶固定在丝素蛋白膜中,制得邻苯二酚酶传感器,该传感器在pH为6.0的KH2PO4,-Na2HPO4,工作介质中具有良好的响应特性,工作线性范围为1.0x 1 0-5- 2 .5x 1 0-4m ol/L,检测限5.0x 10-6mol/L,响应时间2 min,酶经丝素蛋白的固定后具有较强的耐热性能,并能较长时间保持酶的活性。该传感器在KH2PO4,- N a2HPO4,缓冲溶液中保存,其使用寿命高达两个月。

2.5 用于测定有机农药的生物传感器

随着农业技术的发展,在许多国家,除草剂的使用量已超过了杀虫剂和杀菌剂(9)。李建平等利用除草剂对植物类囊体束缚酶分解过氧化氢的作用,研制了一种快速检测痕量除草剂的电化学生物传感器叫,实现了现场监测。

2.6 其他的生物传感器

T. C ha rle sP aul等〔11)研究了一种用多孔气体渗透膜、固定化反硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器,可以测定样品中硝酸盐浓度。由于反硝化细菌以硝酸盐作为唯一能源,故其选择性和抗干扰性相当高,不受挥发性物质(如乙酸、乙醇、胺类)或不挥发性物质(如葡萄糖、氨基酸、K+,Na+)的影响,通过氧电极电流与反硝化细菌耗氧之间的线性关系来推知硝酸盐的浓度。缪惺 清 等 〔12〕利用N3-[(3一二甲氨基)]- N‘一乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC )和经基唬拍酸酞亚胺(NHS)对经11一硫醇十一烷酸单分子层修饰的石英晶体电极表面活化,将多私菌素(PMB)共价结合到电极的表面,建立了一种可用于检测细菌内毒素的石英晶体微天平生物传感器。李 百祥 等 研制了一种快速、灵敏、简便的检测水中急性毒物的生物传感器〔13)。该传感器采用细胞固定化技术将发光菌固定化成膜作为敏感元件,与高灵敏度的硅光二极管紧密结合,利用明亮发光杆菌的细胞发光作用作为毒性的判断指标。将细胞固定化技术、生物传感器技术和发光细菌毒性检测技术有机结合,构建成一种流通式急性毒物快速测定仪。

目前有一种光学生物传感器可用于水样中营养物浓度的测定(143。该传感器是基于固定在可控毛细玻璃上的细胞色素亚硝酸盐还原酶。其工作原理是当亚硝酸盐存在时将酶氧化,测量亚硝酸盐还原酶的分光度的变化就可测得营养物的浓度。

3 存在的不足

(1) 再生性问题。一些传感器在工作的过程中,往往出现识别元件与待测物质发生不可逆性化学反应等情况,这必然降低识别元件的识别能力,从而影响传感器的灵敏度。

(2) 小型化问题。仪器小型化将降低样品体积、试剂消耗和生产费用。

4 展望

生物传感器在水质检测中的发展趋势主要包括:从实验室走向商品化的进程加速;在水质监测中的应用将会进一步拓宽;由单一功能的生物传感器向多功能生物传感器发展;和其他精密仪器相结合,取长补短;生物传感器向微型化、集成化、智能化方向发展。

综上所述 ,生物传感器经过几十年的研究积累、技术改进,已进人开发应用的新时代,目前各种新的生物传感器不断开发出来,令人目不暇接。此外由于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优点,在水的监测中的应用前景将不可限量。

关键字:生物传感器  监测  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0320/article_904.html
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