生物传感器技术在水质监测中的应用分析

生物传感器技术在水质监测中的应用分析

陈兴春

江苏新诚润科工程咨询有限公司 江苏 徐州 221000

摘要：生物传感器技术的合理使用，使之在很多领域都体现出不凡的重要作用。在生物分子之间的特定识别中，生物传感器使用该特性可以有效地检查多个领域发布的生物和化学指标。因此，本文对于生物传感器进行简单介绍，分析生物传感器在水质检测中的应用。

关键词：生物传感器；水质环境；监测

前言：目前在人类社会的逐步发展下，水污染的程度也变得越来越高。严重的水污染现状已经威胁到人们的饮水安全问题。在近些年来，中国为了保证人们的饮水质量，更加严格的控制了环境对于水质的污染。通过对水体环境监测的方式，建设更多的相关系统和水质监测网络站点等。起初水质监测站主要是用人工的化学监测方式来进行相关工作的，这种方法不仅麻烦，而且对于水质的分析达不到相关标准。为了及时掌控水体动态的准确信息，有必要对水资源和水环境进行系统化的管理。实现水资源与水环境的实时在线监测。而传感器的出现正好满足了这一需求。在科学技术的发展旅程中，庞大的信息量在以一个惊人的速度递增着，使传感器遇到更多前所未有的问题。于是，在诸多新需求的要求下，更多的传感器出现了。在这其中，生物传感器在水质监测的工作中发挥了巨大的作用。文章通过综合分析，预测了生物传感器在水资源环境监测中的发展前景。

1. 生物传感器概述

生物分子之间存在一种特殊的识别能力，利用这一点，生物传感器在敏感表面上对生物分子用于识别的部分加以固定，进而对待测物进行识别。生物传感器的最大特点是具有良好的选择性和灵敏度。对于传统生化物质检测分析仪器来说，生物传感器的体积更小，相对来说更为简单，操作不难等优势。在现场，生物传感器对于生物和化学物质能够更快的进行监测。不仅如此，生物传感器在很多领域都有重要作用。

近年来，由于水体污染事件不间断的持续发生，间接证明了传统给水管道检测系统不够完善，传统的化学检测方法不仅费时费力，还需要大型仪器作为监测的基本，而且现场无法进行实时检测。由于检测过程复杂，检测后存在二次水污染的可能性，在水体环境的保护程度上无法尽人意。生物传感器在水质监测中具有以下特点：由于生物传感器与检测物质具有很高的特异性，在检测水资源环境时不需要进行样品预处理。同时，该生物传感器可以同时进行对被测水分离和检测的工作。在水质监测的过程中，无需新增辅助试剂，这样的方式可以很大程度上减少了水质的重复污染。该传感器体积小，操作方便，在野外环境中采用细胞固定化或酶固定化技术对水质进行监测。敏感材料可多次回收利用，有利于后期产品的使用以及扩展。

2. 生物传感器在水质监测中的应用

2.1对水体环境中BOD的监测

目前，在水质监测的过程中，应用最著名的传感器是BOD微生物传感器。BOD可以用来判断水体在当下受到的有机污染程度。传统的BOD测量时间约为5天，从各个方面来看，不仅浪费了很多时间，同时由于操作过程中的不规范等问题导致传统BOD的在水质监测时的表现是不尽人意的。BOD微生物传感器可以将氧电极、微生物等组成根系重现组合，通过测定水中溶解氧浓度的情况来得到BOD值。为了形成固定化微生物，首先将多种细菌混合在水中的BOD上，根据不同的呼吸方式，菌株会发生变化并形成配对。输出电流发生变化，BOD浓度在一定范围内呈线性变化。通过该方法可以测定水中有机物的含量。目前，光学生物传感器已经存在，在光处理后，通过光生物传感器使灵敏度明显提高，适用于低浓度BOD值的水质监测。光纤生物传感器通过其组成成分光纤的特性，可以传递信息。即使重金属离子存在，也能获得准确、灵敏的测量结果。

2.2对水体中重金属的监测

2.2.1水环境中砷的测定

科学家们近期在污染区发现了一种能够散发荧光的新型细菌。这类细菌有荧光基因，细菌能够发出荧光是由于其本身被刺激出荧光蛋白的作用，而这是由于环境的污染区中含有能够刺激产生的源头。通过基因工程的方法，人们将基因导入到相匹配的细菌中，由微生物传感器产生用于水质检测的工具。目前，很多国家借鉴了这样的方式，通过引入荧光素酶的方法，在大肠杆菌中检测有毒物质。例如，结合基因重组技术与PCR技术，获取以砷诱导型作为基础启动子的突变文库。利用基于流式细胞仪的荧光激活细胞来实现选择性手段，获得灵敏统一的非导体，从而获得高灵敏度的非细菌传感器。

2.2.2水环境中锌的测定

目前已经成功地开发出了相关生物传感器，用来测量现阶段受污染水体中锌的浓度。该传感器在利用嗜碱性细菌来达到水体监测的目的，用这样的方法来测定锌在污染水体中的存在浓度和生物有效性等方面，生物传感器在这些方面上都体现出良好的成效。与此同时，对于污水中重金属离子所含有的浓度测定也至关重要。如今，一个完整的分析与监测系统已经被成功地设计出来，基于发光检测技术，开发了对于重金属离子生物的测定工作具有有效性监测分析的系统。弧菌通过铜诱导，将属于细菌的种子导入碱性细菌。在铜离子的诱导下，细菌具有较高的发光度，离子浓度就会随之越高。聚合物基质中的微生物越多，光纤中的微生物就越多，可以得到灵敏度高、选择性好、测量范围宽、稳定性好的生物传感器。

2.3对水体环境中苯酚类化合物的监测

水环境监测也可以通过测量生物敏感成分来完成。用酪氨酸酶作为生物敏感成分，通过生物传感器测定水中苯酚类化合物的含量。这一原理是在含有分子氧的环境中，TYR通过氧化将单酚转化为双酚，然后氧化苯酚形成多酚，多酚可以吸收电子形成异丙酚。在测定水中酚类物质浓度的过程中，可以准确地测定水中酚类物质的浓度值。例如，伏安式细菌总数生物传感器可用于测定被测人体环境中含有的苯酚类化合物，使其下限线稳定在周期之内。在滤膜定位装置的作用下，将电极和过滤器设置在弹性电解池的底部，并对峰值电流值进行标定。根据获得的伏安扫描曲线，通过分析工作曲线，计算出大肠菌群、果肉菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、啤酒酵母菌等细菌数量。

3. 展望

生物传感器在水质监测中的优势主要体现在其能对水质进行及时准确的监测工作。可实现水环境的连续、在线、实时监测。在以后的传感器发展中，主要面向的趋势是高灵敏度、高稳定性以及低成本。生物传感器虽然有着广阔的应用前景，但也存在不足之处。想要将来的传感器发挥出更大的作用，则需要对于目前所存在的不足提出针对性的解决方案。同时，敏感生物材料作为生物传感器的核心元件，对其进行深层次的改良也尤为关键。利用遗传工程技术对生物鉴定材料进行筛选和改造具有十分重要的意义。另外，生物传感器将会是一种结合计算机自动采集和处理数据的系统。集成芯片技术是传感器的设计范围，这会促进数据的收集与处理达到一体化。生物传感器不仅可以促进水质监测的发展，而且可以促进相关领域的发展。

结语：总而言之，被广泛应用于水质监测中的生物传感器还是存在些许不足，也正处在一个发展进步的阶段。但目前看来，现有的生物传感器与传统的水质测量方法相比，已经在测量密度和下限等方面表现出不凡的价值。因此未来生物传感器的发展方向是微型化、智能化和集成化。随着生物传感器在市场的影响下逐渐商品化，利用生物传感器测量水质的过程会更简单、更有效。

参考文献：

[1]罗桾绮.浅谈生物技术在水质检测与污水处理中的应用[J].低碳世界,2019,9(01):24-25.

[2]黄楠.生物传感器在水质监测上的应用进展[J].当代化工研究,2018(11):10-11.

[3]周斯跃.水污染处理中微生物检测技术的应用[J].科技展望,2015,25(35):131.