知识窗▏监测海洋污染物的传感器分类与应用 - 海洋污染监测技术

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海洋是地球上最大的水体，它对人类的生存和发展具有重要的作用。然而，海洋也面临着各种来源和类型的污染物的威胁，如重金属、有机物、营养盐、微塑料等。这些污染物对海洋的生态系统和资源可能造成不可逆转的损害和影响。因此，监测和评估海洋污染物的含量和形态对于保护海洋环境和资源具有重要意义。

传感器和生物传感器是一种利用特定的识别元件与目标分子发生相互作用，并将其转化为可检测的信号的装置，它可以实现对海洋污染物的快速、灵敏、选择性的检测。传感器和生物传感器在监测海洋污染物方面有广泛的应用，如测定海水中的重金属、有机物、营养盐、微塑料等。传感器和生物传感器主要包括以下几种类型：

⒈电化学传感器和生物传感器

电化学传感器是一种利用电化学原理进行检测和测量的生物传感器，是一种利用电极或电解质作为识别元件，并将目标分子与电极或电解质之间的电化学反应转化为电信号的装置，它具有灵敏度高、成本低、操作简单等优点，广泛应用于生物医学、环境监测和食品安全等领域。电化学沉积法通过电化学反应在传感器表面沉积目标物质，利用沉积物与电化学信号的相互作用来实现检测，常用电化学传感器的制备方法主要包括电化学沉积法、分子印迹法和纳米材料修饰法等。电化学传感器的性能评价主要包括灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等指标，与光学传感器类似。

电化学传感器和电化学生物传感器差别就在于“生物”两个字，其最主要的区别就是两者所使用的识别元件不同。它们的不同点是，电化学生物传感器的识别元件以生物中的活性单元为主，例如抗原、抗体、酶、适配体、微生物或者整个细胞等。相同点在于，它们都是一类以电极作为体系中的信号转换器，不管使用任何识别元件来识别待测物，并以电流、电导（阻抗）或电势等变化作为特征检测信号，利用化学反应原理，把有机物质或者无机物质所含的浓度、组成成分等，转换为电信号。

相关的传感器主要包括：

⑴电化学蛋白质传感器

电化学蛋白质传感器是以蛋白质作为敏感元件，并把目标物与蛋白质的反应和电化学分析功能相结合，从而输出电信号的检测器。作为敏感识别元件的蛋白质主要包括了凝血酶，金属蛋白酶(MMP)，辣根过氧化酶以及几种常见的血红素蛋白如血红蛋白(Hb)、肌红蛋白和细胞色素等。

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⑵电化学免疫传感器

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基于抗原抗体结合的生物传感器被称为免疫传感器，其识别元件是具有特异性结合能力的生物受体。其特点是易于操作，灵敏度高，成本低，易于集成和体积小。抗体是目前应用最广泛的分子之一，因其高度的特异性和亲和力，被应用于色谱分析、诊断、免疫分析和生物传感器等各个方面。

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⑶电化学核酸适配体传感器

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核酸适配体(Apt)是通过指数富集配体系统进化技术(SELEX)由DNA或RNA的随机序列文库提取的一种短链核酸。其特征在于对于特定靶标具有识别和结合的功能，且性质稳定，容易修饰和合成，能够与毒素、抗生素和病毒等多种目标分子结合。电化学核酸适配体传感器是指，以核酸适配体为识别元件，通过与靶标发生特异性反应而产生的信号，从而达到对靶标的定性和定量检测。

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⑷电化学微生物传感器

电化学微生物传感器通常以电极生物膜作为传感元件，并通过细胞外电子转移(EET)与电极进行通信。电极生物膜通常是自组装的，电活性微生物可以作为生物膜附着在电极上，因为电极可以作为微生物呼吸过程的固体电子供体或受体。

⒉光学传感器和生物传感器

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光学传感器是一种利用光学原理进行检测和测量的生物传感器，是一种利用光纤或光学材料作为识别元件，并将目标分子与光纤或光学材料之间的光学性质变化转化为光信号的装置，它具有选择性高、干扰小、稳定性好等优点。常用的光学传感器和生物传感器有吸收法、荧光法、发光法、表面等离子体共振法等。它可以通过测量光的吸收、散射、发射等特性来获得目标物质的信息，光学传感器具有高灵敏度、快速响应和非破坏性等特点，广泛应用于生物医学、环境监测和食品安全等领域。

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光学传感器的制备方法主要包括吸附法、光纤传感法和表面增强拉曼散射法等。吸附法通过将目标物质吸附在传感器表面，利用吸附物质与光的相互作用来实现检测；光纤传感法利用光纤的传输特性，将光信号传输到传感器中进行检测；表面增强拉曼散射法通过表面增强拉曼散射效应来增强光信号，提高传感器的灵敏度。

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光学传感器的性能评价主要包括灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等指标。灵敏度是指传感器对目标物质的检测能力，选择性是指传感器对目标物质与其他物质的区分能力，响应时间是指传感器从检测到目标物质的响应所需的时间，稳定性是指传感器在长时间使用过程中的性能变化情况。

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生物传感器在生物医学、环境监测和食品安全等领域具有广泛的应用。在生物医学领域，生物传感器可以用于疾病诊断、药物筛选和治疗监测等。在环境监测领域，生物传感器可以用于水质监测、大气污染监测和土壤污染监测等。在食品安全领域，生物传感器可以用于食品质量检测、食品添加剂检测和食品中毒物质检测等。

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⒊纳米传感器和生物传感器

是一种利用纳米材料或纳米结构作为识别元件，并将目标分子与纳米材料或纳米结构之间的特殊性质变化转化为信号的装置，它具有灵敏度高、响应快、功能多样等优点。常用的纳米传感器和生物传感器有金属纳米粒子、碳纳米管、石墨烯、量子点等。主要组成部分是纳米材料，如纳米电子、纳米气相沉积、纳米颗粒等，这些纳米材料可以与水中的各种元素发生化学反应，从而实现对水质的实时检测。

利用纳米技术制作的传感器，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米技术传感器主要包括纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器和其他类型的纳米传感器（压力、温度和流量等），现已在生物、海洋环境、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。

纳米传感器已经应用于水质监测中，可以检测水中的氧气、二氧化碳、pH值、氨氮、硝酸盐、有机物等参数。例如，纳米传感器可以检测水中的氧气浓度，并将其转化为电信号输出，从而实现水质的实时监测。纳米传感器还可以检测水中的二氧化碳浓度，并将其转化为光信号输出，从而实现水质的可视化监测。

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综上所述，传感器技术在水质监测中起着至关重要的作用，其创新与应用将对未来水质监测技术的发展产生重要的影响。传感器和生物传感器在监测海洋污染物方面还有很多潜力和应用前景，例如：利用电化学传感器和生物传感器测定海水中的重金属和有机物，如铅、镉、汞、苯、酚等；利用光学传感器和生物传感器测定海水中的营养盐和微塑料，如氮、磷、硅、聚乙烯、聚丙烯等；利用纳米传感器和生物传感器测定海水中的生物标志物和病原体，如藻类色素、蛋白质、DNA、细菌、病毒等。

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■本文依据搜狐号、知乎、集贤网等相关内容综合，组稿/溪流

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