來源：中國海洋觀測，謝謝

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海洋是地球上最大的水體，它對人類的生存和發(fā)展具有重要的作用。然而，海洋也面臨著各種來源和類型的污染物的威脅，如重金屬、有機物、營養(yǎng)鹽、微塑料等。這些污染物對海洋的生態(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)測和評估海洋污染物的含量和形態(tài)對于保護海洋環(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別元件與目標分子發(fā)生相互作用，并將其轉(zhuǎn)化為可檢測的信號的裝置，它可以實現(xiàn)對海洋污染物的快速、靈敏、選擇性的檢測。傳感器和生物傳感器在監(jiān)測海洋污染物方面有廣泛的應(yīng)用，如測定海水中的重金屬、有機物、營養(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)原理進行檢測和測量的生物傳感器，是一種利用電極或電解質(zhì)作為識別元件，并將目標分子與電極或電解質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，它具有靈敏度高、成本低、操作簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域。電化學(xué)沉積法通過電化學(xué)反應(yīng)在傳感器表面沉積目標物質(zhì)，利用沉積物與電化學(xué)信號的相互作用來實現(xiàn)檢測，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)傳感器的性能評價主要包括靈敏度、選擇性、響應(yīng)時間和穩(wěn)定性等指標，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”兩個字，其最主要的區(qū)別就是兩者所使用的識別元件不同。它們的不同點是，電化學(xué)生物傳感器的識別元件以生物中的活性單元為主，例如抗原、抗體、酶、適配體、微生物或者整個細胞等。相同點在于，它們都是一類以電極作為體系中的信號轉(zhuǎn)換器，不管使用任何識別元件來識別待測物，并以電流、電導(dǎo)（阻抗）或電勢等變化作為特征檢測信號，利用化學(xué)反應(yīng)原理，把有機物質(zhì)或者無機物質(zhì)所含的濃度、組成成分等，轉(zhuǎn)換為電信號。

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，從而輸出電信號的檢測器。作為敏感識別元件的蛋白質(zhì)主要包括了凝血酶，金屬蛋白酶(MMP)，辣根過氧化酶以及幾種常見的血紅素蛋白如血紅蛋白(Hb)、肌紅蛋白和細胞色素等。

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，其識別元件是具有特異性結(jié)合能力的生物受體。其特點是易于操作，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方面。

⑶電化學(xué)核酸適配體傳感器

核酸適配體(Apt)是通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化技術(shù)(SELEX)由DNA或RNA的隨機序列文庫提取的一種短鏈核酸。其特征在于對于特定靶標具有識別和結(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，以核酸適配體為識別元件，通過與靶標發(fā)生特異性反應(yīng)而產(chǎn)生的信號，從而達到對靶標的定性和定量檢測。

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，并通過細胞外電子轉(zhuǎn)移(EET)與電極進行通信。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，因為電極可以作為微生物呼吸過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)原理進行檢測和測量的生物傳感器，是一種利用光纖或光學(xué)材料作為識別元件，并將目標分子與光纖或光學(xué)材料之間的光學(xué)性質(zhì)變化轉(zhuǎn)化為光信號的裝置，它具有選擇性高、干擾小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。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。它可以通過測量光的吸收、散射、發(fā)射等特性來獲得目標物質(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，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(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拉曼散射法等。吸附法通過將目標物質(zhì)吸附在傳感器表面，利用吸附物質(zhì)與光的相互作用來實現(xiàn)檢測；光纖傳感法利用光纖的傳輸特性，將光信號傳輸?shù)絺鞲衅髦羞M行檢測；表面增強拉曼散射法通過表面增強拉曼散射效應(yīng)來增強光信號，提高傳感器的靈敏度。

光學(xué)傳感器的性能評價主要包括靈敏度、選擇性、響應(yīng)時間和穩(wěn)定性等指標。靈敏度是指傳感器對目標物質(zhì)的檢測能力，選擇性是指傳感器對目標物質(zhì)與其他物質(zhì)的區(qū)分能力，響應(yīng)時間是指傳感器從檢測到目標物質(zhì)的響應(yīng)所需的時間，穩(wěn)定性是指傳感器在長時間使用過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)測等。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，生物傳感器可以用于水質(zhì)監(jiān)測、大氣污染監(jiān)測和土壤污染監(jiān)測等。在食品安全領(lǐng)域，生物傳感器可以用于食品質(zhì)量檢測、食品添加劑檢測和食品中毒物質(zhì)檢測等。

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)作為識別元件，并將目標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)化為信號的裝置，它具有靈敏度高、響應(yīng)快、功能多樣等優(yōu)點。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)，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的實時檢測。

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)測中，可以檢測水中的氧氣、二氧化碳、pH值、氨氮、硝酸鹽、有機物等參數(shù)。例如，納米傳感器可以檢測水中的氧氣濃度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，從而實現(xiàn)水質(zhì)的實時監(jiān)測。納米傳感器還可以檢測水中的二氧化碳濃度，并將其轉(zhuǎn)化為光信號輸出，從而實現(xiàn)水質(zhì)的可視化監(jiān)測。

綜上所述，傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中起著至關(guān)重要的作用，其創(chuàng)新與應(yīng)用將對未來水質(zhì)監(jiān)測技術(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定海水中的重金屬和有機物，如鉛、鎘、汞、苯、酚等；利用光學(xué)傳感器和生物傳感器測定海水中的營養(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定海水中的生物標志物和病原體，如藻類色素、蛋白質(zhì)、DNA、細菌、病毒等。

審核編輯 黃宇