生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用摘要：簡述了生物傳感器尤其是微生物傳感器近年來在發(fā)酵工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，對其發(fā)展前景及市場化作了預(yù)測及展望。生物電極是以固定化生物體組成作為分子識別元件的敏感材料，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、食品監(jiān)測、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)備簡單、測量快速準(zhǔn)確、適用范圍廣。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器在市場上具有極強(qiáng)的競爭力。一、引言

2、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、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，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別元件，與酶電極相比有其獨(dú)到

3、之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。此外，還可以同時利用微生物體內(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)的測定。因?yàn)榘l(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(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定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干

4、擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時，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)備簡單的特點(diǎn)使其具有極大的優(yōu)勢。(1).原材料及代謝產(chǎn)物的測定微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測定。測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，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達(dá)到測量底物濃度的目的。在各種原材料中葡萄糖的

5、測定對過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（psoudomonasfluescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進(jìn)行檢測，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，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母（trichosponbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感

6、器可以測定乙酸的濃度。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)成測定化細(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量硝酸鹽和亞硝酸鹽(nox)，它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的nox進(jìn)行了測量，其效果較好[6]。硫化物的測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℃時一周測量20

7、0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)備簡單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量，所用細(xì)菌是chromatium.sp，與氫電極連接構(gòu)成[7]。最近科學(xué)家們在污染區(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?？梢酝ㄟ^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?，F(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌（e.coli）

8、中，用來檢測砷的有毒化合物[8]。水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經(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，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。它對酚的監(jiān)測極限為5109mol。該傳感器工作的最適條件為：ph=7.4、35℃，連續(xù)工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（pseudomonasrathonis）制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將

9、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gfa，或者是谷氨酸醛引起的微生物細(xì)胞在凝膠中的交聯(lián)，長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結(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，對硝基酚和二乙基酚的測量極限為100109mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來的磷酸鹽生物

10、傳感器，使用丙酮酸氧化酶g，與自動系統(tǒng)clfia臺式電腦結(jié)合，可以檢測(32~96)109mol的磷酸鹽，在25c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，測定地表水中壬基酚（nonylphenoletoxylatenp80e）的含量。用一個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，其測量原理是測量毛孢子菌屬（trichospumgrablata）細(xì)胞的呼吸活性。該

11、生物傳感器的反應(yīng)時間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測定時）。在濃度范圍0.5~6.0mgl內(nèi)，電信號與np80e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[13]。除此之外，污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了一個完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細(xì)菌（vibriofischeri）體內(nèi)的一個操縱子在一個銅誘導(dǎo)啟動子的

12、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、測量范圍廣、儲藏穩(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)到最低測量濃度1109mol[14]。還有一種專門測量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母（sacomycescerevisiae）重組菌株作為生物元件，這些菌株帶