生物传感器在农业物联网中的应用

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摘 要：食品安全问题关系到人民的身体健康和生命安全,利用农业物联网可以在技术上解决食品生产过程的监控问题,生物传感器是一种利用生物物质作为识别元件,待测物质与生物物质发生生物学反应,产生的信息被物理或化学转换器转变成可定量的物理、化学信号并输出的装置,拥有一系列其他传感器所不具备的特殊性能,在农业物联网中具有广阔的应用前景.

关 键 词：农业物联网；生物传感器；食品安全

中图分类号：S122文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0410162－02

目前,食品安全问题是影响到我国乃至全球人类生存的重大问题,近年来全球食品安全问题频发,而这些食品安全问题中,又以农药残留和过度使用化肥最为普遍[1].对于拥有13亿人口的我国来说,人民的安全吃饭问题成为摆在政府和社会面前的一项刻不容缓的工作.

物联网是将任何物品通过信息传感设备,如射频识别装置、基于光声电磁的传感器等装置与互联网结合起来,进行信息交换和通讯,实现数据采集、定位、跟踪、监控并通过操作终端,实现智能化识别和管理的一种网络.物联网在农业中应用有助于实现对土壤、植被、浅层地质、气候、水文等农业生产要素的实时监测,通过对农业生产过程的动态模拟和对生长环境因子的科学调控,达到合理使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农产品产量和品质、培育农产品市场诚信和对食品安全的信心的作用[2].

物联网的基础是传感网[3],传感网中最基础的数据采集单元是传感器,传感器担负着感受被测量的信息,并将感受到的信息转换成电信号或其他所需形式输出,以实现自动检测和自动控制.目前,农业物联网中大多数环境参数都可以通过物理传感器实现,如温湿度、光照、压力、二氧化碳等,随着各类传感器技术的不断完善以及传感器生产的规模越来越大,传感器的成本也在不断降低,为农业物联网的发展提供了保障.然而,对广大人民群众关心的农药残留等问题,实验室中一般采用HPLC和GC-MS等较为复杂的方法[4],却始终无法通过传统传感器的方法来实现快速检测.

1生物传感器的特点

生物传感器是利用生物物质作为识别元件,待测物质与生物物质发生生物学反应,产生的信息被物理或化学转换器转变成可定量的物理、化学信号并输出的装置,是一种建立在生物学、传感技术、物理学、化学等多学科交叉基础上的一种技术手段,目前已经应用于工农业生产、医疗卫生、国防建设、基础科研等领域[5].生物传感器相对于其他类型传感器具有很多优良的特点,主要表现在以下几点.

1）底物特异性强.生物传感器由于采用了生物材料作为感知元件,对于待测物质的特异性强,专一性好,可以与待测物质特异性结合,从而有效降低了其他结构类似物或化学基团类似物的影响,同时不受环境颜色、浊度等物理条件的影响,能够更为精确的反映环境中某种物质的含量.

2）检测速度快、精确度高.由于生物传感器采用生物酶、细胞等作为催化反应介质,其中化学反映发生速度快,效率高；同时生物化学反应都是严格定量进行,检测的精确度也较高,相对误差较小,这有利于实现快速、准确的在线数据检测.

3）样品无需预处理.样品的分离和检测同时进行,而不需要进行复杂的样品制备过程,这就使得在较为复杂的种植养殖环境中能够方便快捷的获取测试结果.

4）使用成本较低.由于不需要样品预处理,底物特异性强,检测精确度高,同时生物传感器中固定化的生物酶或细胞不易随样品流失,大多数情况下可以重复使用数次,从而在很大程度上降低了使用成本.

2生物传感器在农业物联网中的应用及其优势

农业物联网包含感知层、传输层和应用层三个层面[3],其中感知层是其中最为基础的关键层面,担负着农产品生产、加工、仓储、物流、销售整个流程中环境信息、加工信息以及检验检疫信息的数据采集,整个农业物联网的正常运行都是基于对这些数据整合分析的基础之上的.因此,数据采集的准确性和及时程度就成了决定农业物联网运行效率的关键因素.鉴于生物传感器优良的特性并结合农业生产的特点,生物传感器目前已经有了一些初步的应用.

2.1在农产品生产环境检测中的应用

农产品的生产地环境因素是决定农产品质量是否安全的重要因素,只有原产地环境安全,才有可能生产出安全性高、品质好的农产品.生物传感器在环境检测方面应用较为广泛,在水、大气、土壤重金属等方面都有相关报道.利用生物传感器测定水中生物需氧量,张悦[6]等人采用聚乙烯醇凝胶包埋方式固定化酵母细胞,并将固定化酵母直接分散悬浮在溶液中,将BOD探头插入溶液中测量BOD,在0-200mg/L内有较好的线性测量关系.习霞[7]等人利用壳聚糖/SiO2杂化膜固定酪氨酸酶生物传感器测定水中苯酚,测定苯酚的线性响应范围为1.0×10-8～1.5×10-4mol/L,检出限为4.0×10-9mol/L,使用三周后活性仍保持原有活性的75%.空气中的SO2和氮氧化物目前也可以通过生物传感器来进行检测,比通常的监测方法简便、快捷、准确.在土壤中金属检测中,汤琳[8]等提出了一种基于抑制作用的新型葡萄糖氧化酶生物传感器用于测定土壤样品中的二价汞离子.寇冬梅[9]等则基于重金属对脲酶的特异性抑制作用研制了可测定重金属离子的电位型酶膜生物传感器.通过这些生物传感器能够更快速、便捷的获取农业生产环境中的各项污染性技术参数,从而为农业物联网云计算平台提供更为全面的数据基础,进行科学决策,快速反馈,保障农产品安全.

2.2在农药残留检测方面的应用

农药残留是影响农产品安全的关键因素,也是人民群众最为关心的农产品安全因素.虽然目前剧毒农药都被严格禁止使用,但是农产品生产这为了追求经济利益而违规使用农药的情况还时有发生；另外,虽然目前农药越来越向着低毒、高效的方向发展,然而以有机磷农药为代表的常用农药残留在农产品中,这样的农产品长期被人们食用,对人们的健康存在严重危害,会造成消化系统、神经系统、循环系统等相关脏器的损伤.生物传感器用于农药残留监测主要基于生物酶促反应原理制成,可以借助分离纯化后的特定生物酶,或者能够产生某些生物酶的微生物细胞为载体,用于农药尤其是有机磷农药的检测.基于农药与乙酰胆碱酯酶的底物——乙酰胆碱式结构类似物从而产生竞争性抑制这一特性的生物传感器是其中研究较为成熟的一种,杨海朋[10]等利用一种聚环糊精碳纳米管作为复合材料并在其上固定乙酰胆碱酯酶制成的生物传感器可以在1.0～15.0mg/L浓度范围内检测农药甲胺磷的含量,检测下限为0.05mg/L.有机磷水解酶则是一种特异性较强的水解有机磷类农药的酶,通过检测水解产物的含量来测定其中有机磷农药的残留量.Yamazaki[11]等利用人造水解酶测定有机磷农药杀虫剂中的对硝基酚和二乙基酚,得到了良好的效果.