环境监测新技术和方法着环境污染的日益严重，人们对能够连续、快速、在线监测污染物仪器的需求愈来愈迫切。

生物传感器正是最有希望解决这一问题的传感器。

近l0年来，生物传感技术在环境监测方面得到了迅速发展，其用途也正在扩大。

20世纪80年代初，国际上开始了对生物传感器的广泛研究，目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测，生物传感技术已成为环境科学工作者研究的热点。

生物传感器是一类特殊的化学传感器，国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)对化学传感器的定义为：一种小型化的、能专一和可逆地对某种化合物或某种离子具有应答反应，并能产生一个与此化合物或离子浓度成比例的分析信号的传感器。

生物传感器应用的是生物机理，与传统的化学传感器和离线分析技术(如HPLC或质谱)相比，有着许多不可比拟的优势，如高选择性、高灵敏度、较好的稳定性、低成本、能在复杂的体系中进行快速在线连续监测。

它在环保领域有着广阔的应用前景。

生物传感要器的构件由敏感元件(生物元件)和信号传导器成。

用来制作生物传感器的生物元件和传导器分别为：(1)生物元件：生物体、组织、细胞、细胞器、细胞膜、酶、酶组分、感受器、抗体、核酸、有机物分子等。

(2)传导器：电热测量式、电流测定式、电导率测量式、阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机械式、“分子”电子式等。

生物传感器的选择性取决于它的生物敏感元件，而生物传感器的其他性能则和它的整体组成有关。

基本原理是：将生物敏感元件发生的特异性反应及信号经由物理元件——换能器，转变为光、电、声等易检测信号，从而间接地获知待测物的有关信息’ (图1)。

最先问世的生物传感器是酶电极，主要以酶作为生物元件。

现在所用的生物元件包括抗原或抗体、酶或基质、各种酶的混合体、整个细胞或部分细胞、植物或动物组织和神经受体。

生物传感器的工作原理主要决定于敏感元件(分子识别单元)和待测物质之间的相互作用，有以下几种类型：(1)将化学变化转化为电信号；(2)将热变化转化为电信号；(3)将光效应转变为电信号；(4)直接产生电信号方式。

此外，随着科技的发展，基于新的原理的生物传感器将不断出现，如正在利用细胞受体和自激振荡等作用现象的新型生物传感器。

2 生物传感器的种类和特点根据生物识别单元的不同，生物传感器可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、亲和型生物传感器等；根据生物传感器的变换特征不同，生物传感器可分为生物电极、半导体生物传感器、压电生物传感器、嗅觉生物传感器(又称电子鼻，它是应用传感器阵列技术模拟人工感知系统实现的)和光(热、电)生物传感器等。

近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学（尤其是纳米技术、光纤薄膜与平面波导薄膜材料等)发展成果的推动，生物传感器向着多功能、智能化和微型化方向发展，基因传感器与生物芯片已成为人们关注的热点。

物传感器的研制过程有很多难点，但其快速、高灵敏度等优点却是其他传感器无可比拟的。

生物传感器与传统的分析方法相比具有如下优点：(1)生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，一般不需要样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中的被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需加入其他试剂。

(2)由于它的体积小，可以实现连续、在线监测。

(3)样品用量少，响应快，且由于敏感材料是固定化的，可以重复使用。

(4)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，所以便于普及推广。

3 生物传感器在水环境监测中的应用3．1 BOD生物传感器目前国内外普遍采用的BOD测定方法是传统的稀释法：在(20土1)cc培养5 d，分别测定样品培养前后的溶解氧，二者之差即为5 d的生化需氧量B0D 。

但这种方法操作繁杂，重现性差，不能及时反应水质情况和反馈信息，不适合现场监测。

而生物传感器测BOD只涉及到初始氧化速率，两者之间的相关性可以通过对标准溶液的测定来获得。

这就可以将测定时间缩短到15 min左右，且重现性提高。

BOD生物传感器的原理是：当生物传感器置于恒温缓冲溶液中，在不断搅拌下，溶液被氧饱和，生物膜中的生物处于内源呼吸状态，溶液中的氧通过微生物的扩散作用与内源呼吸耗氧达到平衡，传感器输出一个恒定电流。

当加入样品时，微生物由内源呼吸转入外源呼吸，呼吸活性增强，导致扩散到传感器的氧减少，使输出的电流减小，几分钟后，又达到一个新的平衡。

在一定条件下，传感器输出电流值与BOD浓度呈线性关系。

国外普遍采用的BOD生物传感器，一般是将微生物夹膜固定在溶解氧探头上，当样品溶液通过传感器检测系统时，渗透通过多孔膜的有机物被固定化的微生物吸收，消耗氧，引起膜周围溶解氧减少，使氧电极电流随时间急剧减小。

通过对电流的测定，与标准曲线对比来测定BOD值。

不过这种方法不仅装膜困难，且溶解氧探头测量的不是反应液中真实的溶解氧含量，而是扩散通过生物膜的氧量。

这样溶解氧电信号就减弱了3—6个数量级，这需要极其精确的溶解氧仪的支持。

最近报导的清华大学张悦等人研制的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探头插入溶液中来测量BOD。

其实验装置如图2。

实验表明：最佳测量状态为温度30 c【=，pH 5．0，固定化细胞l5 g，可在20 rain内实现BOD的快速测定。

在BOD为0～200 mg／L的范围内有较好的线性测量关系，且有较好的准确性。

现在，日本、美国、英国、德国等国家已有商品化的生物传感器快速BOD测定仪。

但国外厂家的仪器价格比较昂贵，且使用过程中性能不够稳定，有待进一步提高仪器的稳定性和准确性。

而迄今为止，国内的BOD测定仪距离实际应用还有相当距离，开发适合国情、性能优异、价格合理的快速BOD测定仪已迫在眉睫。

3、2 微生物传感器快速测定酚微生物传感器是快速准确测定焦化、炼油、化工等企业废水中酚的有效方法。

这种方法以微生物膜电极为传感器测酚。

由极谱型氧电极和紧贴于其透气薄膜表面的微生物膜构成。

当酚物质与氧一起扩散进入微生物膜时，由于微生物对酚的同化作用而耗氧，致使进入氧电极的氧分子速率下降，传感器输出电流减小，并在几分钟内达到稳态。

在一定的酚浓度范围内，电流降低值△，与酚浓度之间呈线性关系，由此来测定酚的浓度。

该实验采用了PVA等多种材料混合包埋的微生物制膜技术，制成的微生物膜机械强度、韧性及透气性好，膜的使用寿命可达一年以上，仪器的线性响应范围为0．1～20 mg／L，响应时间为5～10 min，10次测定的相对偏差为3．3％。

3．3 阴离子表面活性剂传感器生活污水中烷基苯磺酸这类阴离子表面活性剂(LAS)比较多，自然降解性差，在水面产生不易消失的泡沫，并消耗溶解氧，甚至能改变污水处理装置中活性污泥的微生物生态系统。

用LAS降解细菌制成的生物传感器。

’“，利用当LAS存在时，LAS降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，从而导致氧电极电流变化来测定LAS浓度。

3．4 硝酸盐微生物传感器该传感器的原理没有说清楚，L·H ·Larsen等发明了测定硝酸盐的小型生物传感器。

他们将一种假单胞细菌Pseudmonassp固定在小毛细管中，置于N 小电化学传感器的前端。

固定化菌将转化为N O，随即N O在小传感器的电负性的银表面还原。

该传感器对0～400 i~mol／L的NO浓度呈线性响应。

3．5 水体富营养化监测传感器研究表明，水体富营养化的一个原因是氰细菌大量增殖，这些细菌能杀死水生植物，从而产生恶臭。

生物传感器可实现对水体富营养化的在线监测。

由于氰基细菌的细胞体内有藻青蛋白存在，其显示出的荧光光谱不同于其他的微生物，用这种对荧光敏感的生物传感器是检测这种浮游生物或氰基细菌特殊的荧光光谱来测定其浓度，预报藻类急剧繁殖的情况⋯。

4 生物传感器在大气环境监测中的应用4．1 CO 传感器常规的电位传感器，常会有各种离子和挥发性酸的干扰。

S·Hiroaki等。

使用自养微生物和氧电极制成的电位传感器，可抗各种离子和挥发性酸的干扰，传感器对浓度在3％～12％之间的CO有线性响应，灵敏度高，寿命长于一个月，能进行连续自动在线分析。

Suzuki等人利用半导体技术研究出一种使用更为方便的CO 生物传感器。

4．2 测SO，的传感器sO，是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。

用亚细胞类脂类(subcellularorganelle)一含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体(hepticmierosome)和氧电极制成安培型生物传感器，对SO：形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测。

4．3 测NO 的传感器NO 不仅是造成酸雨酸雾的原因之一，同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。

用多孔气体渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器，来测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NO 的浓度。

由于硝化细菌以硝酸盐作为唯一的能源，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(二乙胺、丙胺、丁胺)或不挥发性物质如葡萄糖、氨基酸，离子(K ，Na )的影响，同样通过氧电极电流与硝化细菌耗氧之间的线性关系来推知亚硝酸盐的浓度。

当亚硝酸盐的浓度低于0．59 mmol／L时，有良好的线性响应。

检测限为0．0l mmol／L。

5 生物传感器在其他环境监测方面的应用5．1 残留有毒有害物的检测用生物传感器检测农药残留物如杀虫剂、除草剂等在国外早有报导。

如用竞争性酶免疫检测法测五氯酚(PCP)，用胆碱酯酶一电化学生物传感器检测有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂。

最近报导的SaskiaK·Van Bergen等人。

采用光纤生物传感器在线检测地下水中残留的炸药成分TNT和RDXX，获得较满意的结果。

5．2 污染物急性毒性的检测发光细菌急性毒性试验因其检测时间短(15 min)，灵敏度高，被世界各国广泛采用。

中国也于1995年将这一方法列为环境毒性检测的标准方法。

同济医科大学黄正等人用明亮发光杆菌和ASW 培养基制成的菌膜有菌面覆盖在硅光片上，构成细菌发光传感器的敏感探头。

将敏感探头插入暗盒反应池中，在避光条件下通过DJ一Ⅱ型微光光功率计，测定菌膜发光强度及其变化值。

该实验结果表明，稳定发光时间可持续60～80 min，毒性检测时间为15 rain。

在此期间，固定化菌膜发光强度变化不超过±2％。

该实验为连续、动态、快速检测急性毒性提供了一种很好的方法，但菌膜的固定化条件及保存手段尚需进一步深入研究。

5．3 细菌总数的测定细菌总数是环境样品最重要的污染指标之一。

目前普遍采用的平板菌落计数法，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人们的极大兴趣。

韩树波等人研制成功一种新型伏安型细菌总数生物传感器，通过对电极及其辅助测定装置的设计，可使测定下限达3万ceils，测定周期在0．5 h左右。