摘要：生物传感器是一种现代化的分析设备，由数据处理及显示系统、识别元件及信号转换装置等组成，能够根据规律转换可以识别的信号，具有选择性好、高稳定性的特征，并且响应时间非常短，不需要对样品进行预处理，方便携带，可实时、连续进行监测。
关键词：生物传感器；现代环境；污染检测；应用
1生物传感器的构成
生物传感器包含放大信号系统、传输和转换信号系统、识别生物元件、处理和显示数据系统等。现阶段，应用最为广泛的生物传感器为光纤型及电化学型。传感器是利用电子计算机对采集的数据进行处理和分析，其中光纤型为应用硅光片、光电倍增管等作为交换器，利用光电倍增管可将能量的效率提升至最大。电化学型生物传感器使用敏场应管作为交换器。核酸、受体以及抗体、酶、细菌菌体等是非常常用的制作元件材料，当前应用最多的传感器为微生物细胞和酶。识别生物元件利用固定化酶，可以提升敏感性及专一性，并且具有非常短的响应时间。但纯化酶的难度非常大，保存酶的时间比较短，活性容易消失。因此，要选择合适的条件，才能将酶的作用发挥出来。
2生物传感器在环境监测中的应用实践
2.1生物传感器在重金属污染物检测领域的应用
重金属离子是在水、土壤、农产品、副食品中广泛存在的环境污染物，由于重金属污染通常具有富集性、长久性、难以去除性等特点，大多数重金属离子通常是有毒、有害，容易引起有机体中毒，甚至会有致癌、致突变、致畸变等情况产生，容易危害公众身体健康和生命安全。因此重金属污染的严重性和控制的严格性需要重点关注。生物传感器在重金属离子污染物检测中往往具有及时、准确、高灵敏、高选择性等特点，因此利用修饰的生物传感器技术对农田、土壤、水和农产品中重金属离子进行分析和检测的技术成为很多学者和环境工作者普遍关注的热点。在已有的研究成果中，浙江大学周洁等设计出一种基于电化学配位和碳纳米管修饰的高通量细胞阻抗传感器和DNA生物传感器，实现了对Hg2+、Cd2+、Pb2+等重金属离子无标记实时检测，同时还就Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+等重金属离子对肝细胞毒理作用进行研究，揭示了Zn2+对Cd2+吸收抑制作用的细胞毒性机理。高中锋综述了电化学DNA生物传感器的原理、设计方案、制备方法等要点，并成功制备了PEP-FODs荧光生物标记DNA传感器，利用荧光猝灭原理检测出Fe2+、Fe3+、Cu2+等重金属离子，具有较好的细胞成像效果。王志强利用纳米技术和电化学传感器相结合，成功研制电化学生物传感器，实现了对农田土壤以及灌溉用水中铅、镉、汞等重金属离子快速检测，具有便捷、高效、低成本等特点，适合于乡镇农技站使用。崔琳等研究人员，基于电化学检测方法，利用多种纳米材料与DNA探针设计出不同的生物传感器，成功实现了Cd2+、Pb2+、Bi3+ 、Hg2+、As3+、Cu2+等六种重金属离子的检测，可进行定量分析, 具有灵敏、快速、简单、选择性好等特点。
2.2 生物传感器在有机污染检测分析领域的应用
现在农业生产追求经济效益和产量，通常需要施用大量化肥，大规模使用农药、杀虫剂等，对食品安全构成严重威胁，同时也造成大量的环境污染。化肥、农药中残留成分是有机污染物的重要来源。利用生物传感器技术实现对土壤、农牧产品中有机污染的快速、便捷、低成本检测，成为当下各农学和环境专业研究的热点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆王辉、段玉瑶等人利用Fe3O4纳米颗粒、石墨烯纳米材料、壳聚糖等复合修饰乙酰胆碱酯酶(ACh E)，研制出一种生物传感器，成功测定农药中毒死蜱，具有检测结果线性相关好、检测精度高、检出限低等特点，适用于蔬菜等农产品中农药残留物毒死蜱快速检测。和建萍、潘学军等基于全内反射荧光技术原理，利用免疫分析方法，成功设计出一种高灵敏度的平面波导型荧光免疫传感器(PWFI)，对农药类中残留的小分子污染物2,4-D进行检测。熊岳等通过层层吸附自组装的方法，将PDDA和DNA固定到玻碳电极表面，设计了一种基于探针分子[Ru（bpy）2（dppz）]2+，固态电化学发光DNA传感器，用于杂环芳烃农业的检测研究，成功实现了对二氯喹啉酸、喹硫磷、多菌灵等农药进行检测。
2.3生物传感器在病原微生物、生物污染的检测和研究领域的应用
病原微生物广泛存在于如牛奶等乳制品中，和传统的检测方法相比，生物传感器用于病原微生物的检测具有检测灵敏度高、时间短、成本低、方便快捷等诸多优点。生污染物广泛存在于我们的生活中，特别是医疗卫生机构和疾病预防控制场所，因此生物传感器用于生物污染物的检测和毒理研究也越来越受到广泛关注。章毅博士研究团队基于免疫分析和DNA杂交技术，利用生物荧光标记等技术，成功设计了免疫传感器、DNA传感器、酶传感器等生物传感器，用于城市生活垃圾堆中污染物的检测，成功检测出了病原性微生物、重金属离子（Hg2+）和毒莠、对苯二酚等有机污染物，为开发可应用于复杂环境中污染物的高效在线检测系统奠定基础。苗庆庆博士利用生物标志物的检测成像技术，设计了自组装放射性纳米粒子生物传感器，用于肿瘤细胞生长机理的研究，在20种氨基酸中成功区分检测出生物硫醇，并在活细胞中成功地区分和检出Cys和GSH。同时，他还成功设计了快速选择性和可视化检测Cd2+ 、Fe2+离子的纳米荧光探针。张浩博士利用生物标记、荧光成像技术、紫外可见吸收光谱、圆二色谱及ELISA法等多种光谱学手段、ITC技术及分子对接模拟方法，从铅毒性与氧化应激的相关性这一科学问题入手,以分子和细胞毒理学、仪器分析化学为背景，联合动物、细胞和分子三个水平研究了铅诱发机体氧化损伤和细胞凋亡的毒性效应及作用机理。谢乐、许雨乔等人利用实时荧光定量PCR直接检测粪便标本艰难梭菌tcdB基因，可用于艰难梭菌相关腹泻的快速诊断。孙文超、解长占等人，利用实时荧光定量PCR技术，建立犬圆环病毒(DogCV)检测方法，检测率为12.50%。丽牧等利用荧光定量PCR法，设计引物与探针，准确、快速地检测出新城疫病毒，并且检测具有特异性、灵敏度、稳定性，能够满足实际工作中的检测要求。程永婷、贾晓晖等人针对Cpn0308基因建立检测肺炎衣原体的Taqman探针实时荧光定量PCR（FQ-PCR）方法，应用于临床肺炎衣原体核酸检测。佘轩、姚云清等人探讨实时荧光定量PCR对HIV阴性免疫力低下合并肺孢子肺炎(PCP)患者的诊断价值。
结论
综上所述，生物传感器技术作为一门新兴的现代环境分析方法和手段，在环境污染物分析和检测中应用越来越广泛，成为重要的技术手段和研究方法。由于环境污染物种类繁多，性质各异，污染物的作用机理通常是一个非常复杂和系统的过程，因此在对重金属离子、有机污染物、病原性微生物和生物污染物的检测和分析中，还需要综合运用分析化学、现代仪器、分子生物学、细胞生物学等多学科背景，综合应用各种理化、生化分析的方法手段，才能更好地实现对各种污染物的分析和检测。
参考文献：
[1]曹淑超.生物傳感器在环境监测中的应用[J].能源环境保护，2017（2）：59-62.
[2]张宏伟，郑雅文，王捷，等.微生物燃料电池生物传感器在环境监测中的应用及其研究进展[J].天津工业大学学报，2015（1）：44-49.
论文作者:国亚南
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：传感器论文; 生物论文; 污染物论文; 重金属论文; 荧光论文; 离子论文; 电化学论文; 《电力设备》2018年第17期论文;