环境监测中生物传感技术

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【摘 要】生物传感技术是将生物物质当做识别元件,把生化反应变成可定量物化信号,用于监测或监控化学物质.随着环境监测技术的发展,各类生物污染监测已广泛应用生物传感技术.生物传感技术属于新兴监控方法,目前还处于探索初期,推广和应用时会遇到多种问题.本文就此分析了生物传感技术工作原理,并对生物传感技术在环境监测中的应用进行探讨.

【关 键 词】环境监测；生物传感技术；传感器

随着科技的进步和经济的发展,低碳经济理念盛行,环境监测面临更为困难、严格的要求.传统取样化验方式逐渐被人工智能监测取代.在环境监测中采用生物传感技术,可以有效简化环境问题监督全过程.生物传感技术借助于生物传感器高灵敏度优势,能够实时监测环境中的污染物浓度.生物传感技术的监测工具小、监测过程简单快捷、并支持在线监测,拥有广阔的发展空间.生物传感技术已成为环境监测主流研究方向.

1生物传感技术工作原理

生物传感技术由物理化学信号转换器、生物敏感元件和电子信号处理器构成.目前,生物传感技术已具有连续监测和在线监测功能,并引导和拓展着环境监测中生物传感技术的应用范围.生物传感技术工作原理是把生物敏感元件信号和特异性反应过物理转换器,变成声、光、电等易监测信号.在间接过程获得监测物质信息.从不同角度分析,生物传感器构成分类也不相同.以测量信号分,生物传感器有电位型、安培型、声波、阻抗型传感器.以转换对象区分,生物传感器有NH3、CO2、O2、PH类型.以生物敏感元件又可分为免疫、微生物、DNA传感器.传感器类型不同,环境监测物质反映状况也不同.

2酚类物质监测

酚类物质会对环境造成严重污染.监测酚类物质采用酶电极安培传感器,该传感器检出限低、干扰源少.生物敏感材料常用过氧化物酶、漆酶、酪氨酸酶等,成功应用在电化学传感器中.比如酪氨酸酶可将单酚物质氧化为二酚,并氧化成苯醌物质.电化学可将苯醌物质还原为邻苯二酚.由此便能得知苯酚物质是否存在.微生物膜电极生物传感器也可以测定酚类物质,传感器有极谱型氧电极和微生物膜两部分.倘若氧和酚一起进入微生物膜,微生物会同化酚,出现耗氧量.从而降低氧电极的氧速率和输出电流.将酚浓度控制在一定范围中,电流酚浓度和降低值也会变为线性关系.

3废水水质监测

废水水质监测是污水处理厂面临的难点,这主要是因为水环境中含有复杂的污染物.污染物有痕量特征,要采取分离、提取、分析、富集等方法.这些方法的实现具有难度.生物传感技术的运用,可实现在线监测废水处理,完成自动监控.比如细胞膜生物传感器的脂双层有疏水区,能够选择被运输物质.细胞能以黄金主动获得该物质,发挥出生理效应,以信号转换器测定.同时,为发挥生物传感器性能,还可安装自动装置提升生物传感器的敏感度和重复检测水平,适合工业废水处理和地下水监测.

4二恶英和多氯联苯的监测

二恶英属于氯类物质的一种,生活中生产杀虫剂、PVC材料或垃圾废料燃烧都会生成二恶英.二恶英属于致癌物,若实现免疫测定,需选择SPR生物传感器.多氯联苯也是常见环境污染物,广泛应用在化学工业上,特别是电容器和变压器的电介质中.环境中存在大量多氯联苯,会危及人类健康.测定多氯联苯有电化学生物传感器和DNA生物传感器.

5生化需氧量监测

生化需氧量监测可以测定和评价水体有机污染程度.生化需氧量测定还可评价废水的生化处理效果和生化降解性.目前,生化需氧量监测常见方法是标准稀释,但此法较为复杂,实现效果不明显.若采取BOD生物传感技术,可快速确定出生化需氧量.监测水质状况还可支持在线.BOD生物传感技术先在不含有生物需氧量溶液内加入生物传感器.溶液保持恒温并受氧饱和,传感器输出稳态电流再加入样品,溶液内的有机物会流入生物传感器生物膜内.应微生物代谢耗氧,会降低传感器输入电流.适度生化需氧量浓度中,样品溶液BOD和电流降低值是线性关系,BOD物质浓度和BOD值属定量关系,从而确定出样品BOD值.

6硝酸盐、NO2含量监测

硝酸盐为HNO3酸根,常以污染物的形式存在自然生态中.硝酸盐常见于地表水、气态水、地下水和加工食品中.人为的污水灌溉、施用化肥、燃料燃烧排放出含氮废气会在自然条件中降水分解为硝酸盐,流进河流湖泊造成污染.监测硝酸盐可选择小型生物传感器.该传感器可将假单细胞菌放在小毛细管内,并放在N2O小电化学传感器前部分.微生物固定后会将硝酸盐内的氮变成N2O.N2O处在小传感器电负性银表面还原,传感器可对硝酸盐氮浓度实现线性响应.

NO2含量超标是受到化学烟雾和酸雨酸雾的影响.检验亚硝酸根可测定出空气中NO2含量的浓度,以此得出大气污染程度.监测亚硝酸盐传感设计和监测硝酸盐设计相似,均是以还原酶的还原电流和还原原理观测得出NO2含量,获得大气污染指数.

7其他有毒物质监测

有毒物质监测要运用Cellsens生物传感器.该生物传感器可判断细菌呼吸活动,通过传感器电流判断传染物的毒性.污染物进入细菌生活的环境中,会影响细菌呼吸作用.生物传感器能够检测废水中酚类毒性物、二氯苯酚,不但能够准确测定出被测物毒性,而且较为灵敏.有机磷传感器监测农药时,是将乙酰胆碱脂酶和牛血清蛋白以二醛交联法放入石墨电极的碳纳米管电极上,监测农药毒性.该类方法监测时,即便有机磷浓度很低,也可以抑制住乙酰胆碱酯酶的活性.判断有机磷农药的浓度可利用乙酰胆碱酯酶活性开展,比较于传统监测法费用较低,还可在现场实施监测.

8结束语

从环境监测领域观察,我国生物传感技术已应用在硝酸盐、BOD、酚类、废水、二恶英、多氯联苯和其他有毒物质的监测中.生物传感技术能够实时、在线分析环境监测数据,具备高精准和高敏感度.设备省时省力、操作简单,可实现智能化、自动化环境监测.在日后环境监测发展过程中,要本着环境监测的权威性和精准度,完善好生物传感器应用体系,发挥出应有贡献.