監(jiān)測(cè)海洋污染物的傳感器分類與應(yīng)用

來(lái)源：中國(guó)海洋觀測(cè)，謝謝

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海洋是地球上最大的水體，它對(duì)人類的生存和發(fā)展具有重要的作用。然而，海洋也面臨著各種來(lái)源和類型的污染物的威脅，如重金屬、有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽、微塑料等。這些污染物對(duì)海洋的生態(tài)系統(tǒng)和資源可能造成不可逆轉(zhuǎn)的損害和影響。因此，監(jiān)測(cè)和評(píng)估海洋污染物的含量和形態(tài)對(duì)于保護(hù)海洋環(huán)境和資源具有重要意義。

傳感器和生物傳感器是一種利用特定的識(shí)別元件與目標(biāo)分子發(fā)生相互作用，并將其轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的信號(hào)的裝置，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋污染物的快速、靈敏、選擇性的檢測(cè)。傳感器和生物傳感器在監(jiān)測(cè)海洋污染物方面有廣泛的應(yīng)用，如測(cè)定海水中的重金屬、有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽、微塑料等。傳感器和生物傳感器主要包括以下幾種類型：

01電化學(xué)傳感器和生物傳感器

電化學(xué)傳感器是一種利用電化學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量的生物傳感器，是一種利用電極或電解質(zhì)作為識(shí)別元件，并將目標(biāo)分子與電極或電解質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，它具有靈敏度高、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域。電化學(xué)沉積法通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在傳感器表面沉積目標(biāo)物質(zhì)，利用沉積物與電化學(xué)信號(hào)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，常用電化學(xué)傳感器的制備方法主要包括電化學(xué)沉積法、分子印跡法和納米材料修飾法等。電化學(xué)傳感器的性能評(píng)價(jià)主要包括靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等指標(biāo)，與光學(xué)傳感器類似。

電化學(xué)傳感器和電化學(xué)生物傳感器差別就在于“生物”兩個(gè)字，其最主要的區(qū)別就是兩者所使用的識(shí)別元件不同。它們的不同點(diǎn)是，電化學(xué)生物傳感器的識(shí)別元件以生物中的活性單元為主，例如抗原、抗體、酶、適配體、微生物或者整個(gè)細(xì)胞等。相同點(diǎn)在于，它們都是一類以電極作為體系中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，不管使用任何識(shí)別元件來(lái)識(shí)別待測(cè)物，并以電流、電導(dǎo)（阻抗）或電勢(shì)等變化作為特征檢測(cè)信號(hào)，利用化學(xué)反應(yīng)原理，把有機(jī)物質(zhì)或者無(wú)機(jī)物質(zhì)所含的濃度、組成成分等，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

相關(guān)的傳感器主要包括：

⑴電化學(xué)蛋白質(zhì)傳感器

電化學(xué)蛋白質(zhì)傳感器是以蛋白質(zhì)作為敏感元件，并把目標(biāo)物與蛋白質(zhì)的反應(yīng)和電化學(xué)分析功能相結(jié)合，從而輸出電信號(hào)的檢測(cè)器。作為敏感識(shí)別元件的蛋白質(zhì)主要包括了凝血酶，金屬蛋白酶(MMP)，辣根過(guò)氧化酶以及幾種常見(jiàn)的血紅素蛋白如血紅蛋白(Hb)、肌紅蛋白和細(xì)胞色素等。

⑵電化學(xué)免疫傳感器

基于抗原抗體結(jié)合的生物傳感器被稱為免疫傳感器，其識(shí)別元件是具有特異性結(jié)合能力的生物受體。其特點(diǎn)是易于操作，靈敏度高，成本低，易于集成和體積小。抗體是目前應(yīng)用最廣泛的分子之一，因其高度的特異性和親和力，被應(yīng)用于色譜分析、診斷、免疫分析和生物傳感器等各個(gè)方面。

⑶電化學(xué)核酸適配體傳感器

核酸適配體(Apt)是通過(guò)指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)(SELEX)由DNA或RNA的隨機(jī)序列文庫(kù)提取的一種短鏈核酸。其特征在于對(duì)于特定靶標(biāo)具有識(shí)別和結(jié)合的功能，且性質(zhì)穩(wěn)定，容易修飾和合成，能夠與毒素、抗生素和病毒等多種目標(biāo)分子結(jié)合。電化學(xué)核酸適配體傳感器是指，以核酸適配體為識(shí)別元件，通過(guò)與靶標(biāo)發(fā)生特異性反應(yīng)而產(chǎn)生的信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)靶標(biāo)的定性和定量檢測(cè)。

⑷電化學(xué)微生物傳感器

電化學(xué)微生物傳感器通常以電極生物膜作為傳感元件，并通過(guò)細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移(EET)與電極進(jìn)行通信。電極生物膜通常是自組裝的，電活性微生物可以作為生物膜附著在電極上，因?yàn)殡姌O可以作為微生物呼吸過(guò)程的固體電子供體或受體。

02光學(xué)傳感器和生物傳感器

光學(xué)傳感器是一種利用光學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量的生物傳感器，是一種利用光纖或光學(xué)材料作為識(shí)別元件，并將目標(biāo)分子與光纖或光學(xué)材料之間的光學(xué)性質(zhì)變化轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的裝置，它具有選擇性高、干擾小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。常用的光學(xué)傳感器和生物傳感器有吸收法、熒光法、發(fā)光法、表面等離子體共振法等。它可以通過(guò)測(cè)量光的吸收、散射、發(fā)射等特性來(lái)獲得目標(biāo)物質(zhì)的信息，光學(xué)傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和非破壞性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域。

光學(xué)傳感器的制備方法主要包括吸附法、光纖傳感法和表面增強(qiáng)拉曼散射法等。吸附法通過(guò)將目標(biāo)物質(zhì)吸附在傳感器表面，利用吸附物質(zhì)與光的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)；光纖傳感法利用光纖的傳輸特性，將光信號(hào)傳輸?shù)絺鞲衅髦羞M(jìn)行檢測(cè)；表面增強(qiáng)拉曼散射法通過(guò)表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)光信號(hào)，提高傳感器的靈敏度。

光學(xué)傳感器的性能評(píng)價(jià)主要包括靈敏度、選擇性、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等指標(biāo)。靈敏度是指?jìng)鞲衅鲗?duì)目標(biāo)物質(zhì)的檢測(cè)能力，選擇性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)目標(biāo)物質(zhì)與其他物質(zhì)的區(qū)分能力，響應(yīng)時(shí)間是指?jìng)鞲衅鲝臋z測(cè)到目標(biāo)物質(zhì)的響應(yīng)所需的時(shí)間，穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中的性能變化情況。

生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物傳感器可以用于疾病診斷、藥物篩選和治療監(jiān)測(cè)等。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，生物傳感器可以用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣污染監(jiān)測(cè)和土壤污染監(jiān)測(cè)等。在食品安全領(lǐng)域，生物傳感器可以用于食品質(zhì)量檢測(cè)、食品添加劑檢測(cè)和食品中毒物質(zhì)檢測(cè)等。

03納米傳感器和生物傳感器

是一種利用納米材料或納米結(jié)構(gòu)作為識(shí)別元件，并將目標(biāo)分子與納米材料或納米結(jié)構(gòu)之間的特殊性質(zhì)變化轉(zhuǎn)化為信號(hào)的裝置，它具有靈敏度高、響應(yīng)快、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)。常用的納米傳感器和生物傳感器有金屬納米粒子、碳納米管、石墨烯、量子點(diǎn)等。主要組成部分是納米材料，如納米電子、納米氣相沉積、納米顆粒等，這些納米材料可以與水中的各種元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

利用納米技術(shù)制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，納米傳感器是站在原子尺度上，從而極大地豐富了傳感器的理論，推動(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。納米技術(shù)傳感器主要包括納米化學(xué)和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量等），現(xiàn)已在生物、海洋環(huán)境、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展。

納米傳感器已經(jīng)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，可以檢測(cè)水中的氧氣、二氧化碳、pH值、氨氮、硝酸鹽、有機(jī)物等參數(shù)。例如，納米傳感器可以檢測(cè)水中的氧氣濃度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。納米傳感器還可以檢測(cè)水中的二氧化碳濃度，并將其轉(zhuǎn)化為光信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的可視化監(jiān)測(cè)。

綜上所述，傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中起著至關(guān)重要的作用，其創(chuàng)新與應(yīng)用將對(duì)未來(lái)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。傳感器和生物傳感器在監(jiān)測(cè)海洋污染物方面還有很多潛力和應(yīng)用前景，例如：利用電化學(xué)傳感器和生物傳感器測(cè)定海水中的重金屬和有機(jī)物，如鉛、鎘、汞、苯、酚等；利用光學(xué)傳感器和生物傳感器測(cè)定海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽和微塑料，如氮、磷、硅、聚乙烯、聚丙烯等；利用納米傳感器和生物傳感器測(cè)定海水中的生物標(biāo)志物和病原體，如藻類色素、蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)菌、病毒等。

審核編輯 黃宇