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生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用論文
摘要：簡(jiǎn)述了生物傳感器尤其是微生物傳感器近年來(lái)在發(fā)酵工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，對(duì)其發(fā)展前景及市場(chǎng)化作了預(yù)測(cè)及展望。生物電極是以固定化生物體組成作為分子識(shí)別元件的敏感材料，與氧電極、膜電極和燃料電極等構(gòu)成生物傳感器，在發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛的應(yīng)用。生物傳感器專一性好、易操作、設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量快速準(zhǔn)確、適用范圍廣。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器在市場(chǎng)上具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
關(guān)鍵詞：生物傳感器；發(fā)酵工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測(cè)。
中圖分類號(hào)：TP212.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-883X(2002)10-0001-06
一、引言
從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。在最初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價(jià)格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應(yīng)用受到一定的限制。
近些年來(lái)，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識(shí)別元件，與酶電極相比有其獨(dú)到之處。它可以克服價(jià)格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。此外，還可以同時(shí)利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而且隨著聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的發(fā)展，應(yīng)用PCR的DNA生物傳感器也越來(lái)越多。
二、研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域
1、發(fā)酵工業(yè)
各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測(cè)定。因?yàn)榘l(fā)酵過程中常存在對(duì)酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測(cè)定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時(shí)，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)使其具有極大的優(yōu)勢(shì)。
(1).原材料及代謝產(chǎn)物的測(cè)定
微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測(cè)定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測(cè)定。測(cè)量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，通過測(cè)量氧電極電流的變化量來(lái)測(cè)量氧氣的減少量，從而達(dá)到測(cè)量底物濃度的目的。
在各種原材料中葡萄糖的測(cè)定對(duì)過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonasfluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進(jìn)行檢測(cè)，可以估計(jì)葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測(cè)定結(jié)果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復(fù)實(shí)用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。
當(dāng)乙酸用作碳源進(jìn)行微生物培養(yǎng)時(shí)，乙酸含量高于某一濃度會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，因此需要在線測(cè)定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測(cè)定乙酸的濃度。
此外，還有用大腸桿菌（E.coli）組合二氧化碳?xì)饷綦姌O，可以構(gòu)成測(cè)定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細(xì)胞固定化在膠原蛋白膜內(nèi)，由細(xì)菌—膠原蛋白膜反應(yīng)器和組合式玻璃電極構(gòu)成的微生物傳感器可應(yīng)用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測(cè)定等等。
(2).微生物細(xì)胞總數(shù)的測(cè)定
在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測(cè)定細(xì)胞數(shù)目的簡(jiǎn)單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)極表面，細(xì)菌可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定，其結(jié)果與傳統(tǒng)的菌斑計(jì)數(shù)法測(cè)細(xì)胞數(shù)是相同的[1]。
(3).代謝試驗(yàn)的鑒定
傳統(tǒng)的微生物代謝類型的鑒定都是根據(jù)微生物在某種培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)情況進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)方法需要較長(zhǎng)的培養(yǎng)時(shí)間和專門的技術(shù)。微生物對(duì)底物的同化作用可以通過其呼吸活性進(jìn)行測(cè)定。用氧電極可以直接測(cè)量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來(lái)測(cè)定微生物的代謝特征。這個(gè)系統(tǒng)已用于微生物的簡(jiǎn)單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測(cè)定、廢水中可被生物降解的物質(zhì)估計(jì)、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗(yàn)、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2]。
2、環(huán)境監(jiān)測(cè)
(1).生化需氧量的測(cè)定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的測(cè)定是監(jiān)測(cè)水體被有機(jī)物污染狀況的最常用指標(biāo)。常規(guī)的BOD測(cè)定需要5天的培養(yǎng)期，操作復(fù)雜、重復(fù)性差、耗時(shí)耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，所以迫切需要一種操作簡(jiǎn)單、快速準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、適用廣的新方法來(lái)測(cè)定。目前，有研究人員分離了兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2，并將其固定在玻璃碳極上以構(gòu)成微生物傳感器用于測(cè)量BOD，其重復(fù)性在±10%以內(nèi)。將該傳感器用于測(cè)量紙漿廠污水中BOD的測(cè)定，其測(cè)量最小值可達(dá)2mg/l，所用時(shí)間為5min[3]。還有一種新的微生物傳感器，用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料，在高滲透壓下可以正常工作。并且其菌株可長(zhǎng)期干燥保存，浸泡后即恢復(fù)活性，為海水中BOD的測(cè)定提供了快捷簡(jiǎn)便的方法[4]。
除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來(lái)用于測(cè)定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應(yīng)時(shí)間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個(gè)傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l范圍內(nèi)），并且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳感器已經(jīng)應(yīng)用于河水BOD的測(cè)定，并且獲得了較好的結(jié)果[4]。
現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理（即以TiO2作為半導(dǎo)體，用6W燈照射約4min）后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測(cè)量[5]。同時(shí)，一種緊湊的光學(xué)生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來(lái)用于同時(shí)測(cè)量多重樣品的BOD值。它使用三對(duì)發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細(xì)菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層，該測(cè)量方法既迅速又簡(jiǎn)便，在4℃下可使用六周，已經(jīng)用于工廠廢水處理的過程中[5]。
(2).各種污染物的測(cè)定
常用的重要污染指標(biāo)有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質(zhì)與致變物質(zhì)、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質(zhì)的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測(cè)量各類污染物的生物傳感器并已投入實(shí)際應(yīng)用中了。
測(cè)量氨和硝酸鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來(lái)的硝化細(xì)菌和氧電極組合構(gòu)成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測(cè)量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx-)，它在鹽環(huán)境下的測(cè)量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對(duì)河口的NOx-進(jìn)行了測(cè)量，其效果較好[6]。
硫化物的測(cè)定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=2.5、31℃時(shí)一周測(cè)量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天，其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測(cè)硫化物含量，所用細(xì)菌是Chromatium.SP，與氫電極連接構(gòu)成[7]。
最近科學(xué)家們?cè)谖廴緟^(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細(xì)菌，此種細(xì)菌含有熒光基因，在污染源的刺激下能夠產(chǎn)生熒光蛋白，從而發(fā)出熒光。可以通過遺傳工程的方法將這種基因?qū)牒线m的細(xì)菌內(nèi)，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)�，F(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌（E.coli）中，用來(lái)檢測(cè)砷的有毒化合物[8]。
水體中酚類和表面活性劑的濃度測(cè)定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細(xì)菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來(lái)，以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對(duì)酚的監(jiān)測(cè)極限為510-9mol。該傳感器工作的最適條件為：pH=7.4、35℃，連續(xù)工作時(shí)間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（Pseudomonasrathonis）制成的測(cè)量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細(xì)胞固定在凝膠（瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽）和聚乙醇膜上，可以用層析試紙GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物細(xì)胞在凝膠中的交聯(lián)，長(zhǎng)距離的保持它們?cè)诟邼舛缺砻婊钚詣z測(cè)中的活性和生長(zhǎng)力。該傳感器能在測(cè)量結(jié)束后很快的恢復(fù)敏感元件的活性[10]。
還有一種電流式生物傳感器，用于測(cè)定有機(jī)磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對(duì)硝基酚和二乙基酚的測(cè)量極限為10010-9mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來(lái)的磷酸鹽生物傳感器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動(dòng)系統(tǒng)CL-FIA臺(tái)式電腦結(jié)合，可以檢測(cè)(32~96)10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩周以上，重復(fù)性高[12]。
最近，有一種新型的微生物傳感器，用細(xì)菌細(xì)胞作為生物組成部分，測(cè)定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一個(gè)電流型氧電極作傳感器，微生物細(xì)胞固定在氧電極上的透析膜上，其測(cè)量原理是測(cè)量毛孢子菌屬（Trichosporumgrablata）細(xì)胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應(yīng)時(shí)間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測(cè)定時(shí)）。在濃度范圍0.5~6.0mg/l內(nèi)，電信號(hào)與NP-80E濃度呈線性關(guān)系，很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測(cè)[13]。
除此之外，污水中重金屬離子濃度的測(cè)定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測(cè)量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測(cè)定的監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細(xì)菌（Vibriofischeri）體內(nèi)的一個(gè)操縱子在一個(gè)銅誘導(dǎo)啟動(dòng)子的控制下導(dǎo)入產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，細(xì)菌在銅離子的誘導(dǎo)下發(fā)光，發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質(zhì)中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測(cè)量范圍廣、儲(chǔ)藏穩(wěn)定性強(qiáng)的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達(dá)
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