生物傳感�是一門(mén)集微電子�(xué)、材料科�(xué)、生物技�(shù)等學(xué)科為一體的高新技�(shù)。而微生物傳感�是由固定化微生物�(xì)胞與電化�(xué)裝置�(jié)合而成的新型生物傳感器�
微生物傳感器由固定化微生�、換能器和信�(hào)輸出裝置組成,利用固定化微生物代謝消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物�(zhì)并放出光或熱的原理實(shí)�(xiàn)待測(cè)物質(zhì)的定量測(cè)�。其中最主要的部分是固定化微生物和換能器,這兩部分�(duì)傳感器的靈敏度有很大的影��
固定化微生物是傳感器的信息捕捉功能元�,是影響傳感器性能的核心部�。它既要求將微生物限制在一定的空間,不流失,又要求保持微生物的固有活性和良好的機(jī)械性能。固定化技�(shù)決定傳感器的�(wěn)定�、靈敏性和使用壽命等性能指標(biāo)。目�,固定化技�(shù)分為物理法和化學(xué)法:物理法主要有吸附�、夾層法、包埋法;化�(xué)法主要為交聯(lián)法。吸附法是利用載體與微生物細(xì)胞間�(jiǎn)單的物理吸附�(jìn)行固�,即將菌懸液離心,過(guò)濾到醋酸纖維�、濾紙或尼龍�(wǎng)膜上。此法最早被采用,其�(yōu)�(diǎn)是對(duì)微生物無(wú)毒害,操作簡(jiǎn)�,其缺點(diǎn)是微生物易泄漏損�,造成傳感器穩(wěn)定性差。夾層法是將適量濕菌體夾在兩層醋酸纖維膜之間,用適當(dāng)黏合劑粘合起�(lái)或先用抽濾裝置將兩層膜黏附在一�。該法操作簡(jiǎn)便,膜響�(yīng)�(wěn)�。包埋法是迄今為止應(yīng)�、研究最為廣泛的固定化技�(shù),它能將微生物細(xì)胞包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀�(jié)�(gòu)中,多采用溶膠凝膠或聚合物包�,常用的聚合物有聚乙烯醇、海藻酸鹽等。該法的�(yōu)�(diǎn)是對(duì)微生物細(xì)胞活性影響較�,微生物不易流失,膜的孔徑和幾何形狀可以控制,膜�(wěn)定性高,可�(zhǎng)�(shí)間儲(chǔ)藏。交�(lián)法是借助雙功能試�,使生物活性物�(zhì)�(jié)合到惰性載體上或直接共�(jià)鍵結(jié)合到�(zhuǎn)換元件上�
最早應(yīng)用的換能器是電化�(xué)電極,主要有氧電�、二氧化碳電極等;隨后出�(xiàn)了燃料電�、光敏二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等其他�(lèi)型的換能器。離子敏�(chǎng)效應(yīng)管作為換能器被認(rèn)為是�(fā)展新型微生物傳感器的有效手段�1980年Caras等人�(fā)表了篇關(guān)于青霉素�(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器的文章后,近年來(lái),光纖微生物傳感器發(fā)展迅�。光纖微生物傳感器檢�(cè)不受外界電磁�(chǎng)的干擾,成為原位檢測(cè)的方法之一�
微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料,利用其體�(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)�(lái)�(cè)定和�(shí)別相�(yīng)底物。微生物電極的種�(lèi)很多,可以從不同的角度分�(lèi)�
根據(jù)�(cè)量信�(hào)的不�,微生物電極可分為如下兩�(lèi)�(1)電流型微生物電極,換能器輸出的是電流信號(hào),根�(jù)氧化還原反應(yīng)�(chǎn)生的電流值測(cè)定被�(cè)物。常用Q電極作為基礎(chǔ)電極�(2)電位型微生物電極,換能器輸出的是電位信號(hào),電位值的大小與被�(cè)物的活度有關(guān),二者呈能斯特響�(yīng)。常用的電極為各種離子選擇性電�、CO2氣敏電極、NH3敏電極等�
根據(jù)微生物與底物作用原理的不同,微生物電極又可分為如下兩�(lèi)�(1)�(cè)定呼吸活性型微生物電�,微生物與底物作用,在同化樣品中有機(jī)物的同時(shí),微生物�(xì)胞的呼吸活性有所提高,依�(jù)反應(yīng)中氧的消耗或二氧化碳的生成來(lái)檢測(cè)被微生物同化的有�(jī)物的濃度�(2)�(cè)定代謝物�(zhì)型微生物電極,微生物與底物作用后生成各種電極敏感代謝�(chǎn)�,利用對(duì)某種代謝�(chǎn)物敏感的電極即可檢測(cè)原底物的濃度�
根據(jù)微生物的種類(lèi)分類(lèi)可分為發(fā)光微生物(1uminous microbes)傳感器,硝化�(xì)�(nitrifying bacteria)傳感�,假單胞茵屬(Pseudomonas)與大腸桿菌屬(Escherichia)傳感器,�(lán)�(xì)�(cyanobacteria)與藻�(lèi)(algae)傳感器和酵母?jìng)鞲衅?。發(fā)光微生物傳感器具有一些顯著優(yōu)�(diǎn):操作無(wú)需�(yán)格無(wú)菌;�(fā)光變化先于基本代謝變化因而對(duì)毒性更為敏�;與光電檢測(cè)手段相結(jié)�,自�(dòng)化程度高、結(jié)果客觀、人為誤差少。硝化細(xì)菌傳感器利用�(xì)菌對(duì)污染物毒性十分敏感的特�,根�(jù)污染物抑制細(xì)胞酶�(lèi)(如氨單加氧酶、羥氨氧化酶、亞硝酸氧還�)而干擾硝化過(guò)程的原理�(lái)檢測(cè)污染�?;谘趸€原介�(zhì)的傳感器選用的假單胞菌株有洋假單胞菌(Pseudomonas cepacia)和惡臭假單胞�(Pseudo-monas putida)等。檢�(cè)的污染物有氯芬磷、氯氰菊�、溴氫菊�、樂(lè)�、硫丹等,毒物可顯著抑制工作電極上電流的�(chǎn)�。目�,有兩種�(lèi)型藍(lán)�(xì)菌、藻�(lèi)傳感器:一�(lèi)是檢�(cè)毒物�(duì)光合作用�(chǎn)物生成的影響;另一�(lèi)是檢�(cè)毒物�(duì)葉綠�?zé)晒獍l(fā)生強(qiáng)度的影響,毒物通過(guò)阻斷光合作用的電子傳遞鏈�(dǎo)致葉綠素的熒光強(qiáng)度增�,增加的幅度與污染物濃度相關(guān)。酵母作為一種真核生物傳感器具有以下�(yōu)�(diǎn)�(1)增殖速度�,可利用的底物廣泛;(2)�(xì)胞為真核�(jié)�(gòu),可以檢出真核毒性污染物,結(jié)果對(duì)哺乳�(dòng)物更有意��(3)�(duì)酸堿度、溫�、離子強(qiáng)度等變化的適�(yīng)能力�(qiáng)于細(xì)�?,F(xiàn)在多通過(guò)檢測(cè)耗氧量、酸�(因代謝產(chǎn)物使pH 降低)而分析酵母的活�。污染物可抑制其正常代謝�(guò)程的�(jìn)�。因?yàn)槿藗�?duì)釀酒酵母的生理生化特性已有深入了�,常用其作為傳感器的敏感材料�
微生物電極的�(yīng)用范圍十分廣�,種�(lèi)已達(dá)六七十種,現(xiàn)已應(yīng)用于食品與發(fā)酵工�(yè)、生物工�,醫(yī)�(xué)和環(huán)境監(jiān)�(cè)等領(lǐng)域等�
在發(fā)酵工�(yè)�(lǐng)�,微生物傳感器已�(yīng)用于原材料、代謝產(chǎn)物的�(cè)�。應(yīng)用微生物傳感器可不受�(fā)酵過(guò)程中常存在的干擾物質(zhì)的干�,并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制�1979年T.Malsunaga首此使用燃料電池型電極系�(tǒng)�(duì)培養(yǎng)液中�(xì)菌�(jìn)行了快速測(cè)�。他使用雙電極系�(tǒng),每一電極均由鉑陽(yáng)極和Ag2O3 陰極�(fù)�(tái)而成。在參比電極�(yáng)極表面覆有纖維素透析�,用于扣除基體電流對(duì)�(cè)定的干擾。工作電極與參比電極電流之差與微生物濃度呈線性關(guān)系。Mascini于l986年使用S.cerevisiae茵株制成了另一支葡萄糖傳感�,可離線檢測(cè)�(fā)酵液中葡萄糖含量。Hiktana等于1979年用固定化毛孢子菌制成的醇電極實(shí)�(xiàn)了對(duì)�(fā)酵罐中醇的測(cè)�,之后又�1980年利用固定化大腸桿菌制成的谷氨酸電極�(duì)�(fā)酵罐中谷氨酸的含量�(jìn)行了�(cè)�,得到了令人滿意的結(jié)果�
在生物工程領(lǐng)�,微生物傳感器已用于酶活性的�(cè)�。微生物傳感器還能用于測(cè)定微生物的呼吸活性,在微生物的簡(jiǎn)單鑒�、生物降解物的確定、微生物的保存方法的選擇等方��1984年T.matsunaga�(kāi)�(chuàng)了平面熱解石墨電極為工作電極的循�(huán)伏安法檢�(cè)微生物細(xì)胞,�(shí)�(yàn)菌種為酵母菌。后�(lái)他又用此三電極系�(tǒng)與方法識(shí)別了幾種微生物細(xì)胞,首次提出可利用生物傳感器�(jìn)行細(xì)胞種�(lèi)的識(shí)�。基于平面熱解石墨電極上循環(huán)伏安法檢�(cè)微生物是利用�(xì)胞表層中存在電活性物�(zhì)可以在石墨電極上�(fā)生不同的電化�(xué)氧化還原反應(yīng)加以�(shí)�(xiàn)�。松永比較詳�(xì)地介紹了利用�(xì)胞表層生物測(cè)定系�(tǒng)的開(kāi)�(fā)并提出除了用于細(xì)胞識(shí)別外,尚可用于抗原抗體的檢出和磷酸化合物的測(cè)定。細(xì)胞識(shí)別傳感器在數(shù)量上不及�(xì)胞計(jì)�(shù)傳感器多,但它開(kāi)辟了�(xì)胞傳感器�(yīng)上的一�(gè)嶄新�(lǐng)��
在醫(yī)�(xué)�(lǐng)域里,我�(guó)許春向等人首次運(yùn)用半微分循環(huán)伏安法�(jìn)行了人白血病白�(xì)胞和健康人白�(xì)胞的�(shí)別工作,取得了令人滿意的�(jié)�。著眼于致癌物質(zhì)�(duì)遺傳因子的變異誘�(fā)性,人們利用微生物傳感器對(duì)致癌物質(zhì)�(jìn)行一次性篩�。在臨床檢驗(yàn)�,Vincke等人�1983年利用變形桿菌制成了尿素傳感�。同�,Kabo等人制成了用于測(cè)定血中肌酸肝含量的微生物傳感��
�(huán)境監(jiān)�(cè)�(lǐng)域是微生物傳感器�(yīng)用最為廣泛的�(lǐng)�,其典型代表是BOD傳感�。它可以�(cè)定水中可生物降解有機(jī)物的總量即生化需氧量。自1977年Karube使用活性污泥混合菌制出支B0D傳感器至今已�(bào)道針�(duì)不同水質(zhì)的BOD傳感器數(shù)十種。另�,微生物遇到有害離子�(huì)�(chǎn)生中毒效�(yīng),可利用這一性質(zhì),實(shí)�(xiàn)�(duì)廢水中有毒物�(zhì)的評(píng)�(jià)。Georgiou使用基于活性污泥的微生物傳感器�(jiān)�(cè)印染廢水中染料對(duì)微生物的毒性影�,從而避免有毒染料�(jìn)入生物反�(yīng)器內(nèi),確保廢水處理體系穩(wěn)定運(yùn)�。微生物傳感器還可應(yīng)用于�(cè)定多種污染物:N0 氣體傳感器用于監(jiān)�(cè)大氣中氮氧化物的污染;硫化物微生物傳感器用于�(cè)定煤氣管道中含硫化合物;酚微生物傳感器日能夠快速并�(zhǔn)確地�(cè)定焦�、煉油、化工等企業(yè)廢水中的��
?�?)微生物的菌株比分離提純酶的�(jià)格低得多,因而制成的傳感器便于推廣普及;
?�?)對(duì)于需要輔助因子的�(fù)雜的連續(xù)反應(yīng),用微生物則更易于完��
?�?)微生物�(xì)胞內(nèi)的酶在適�(dāng)�(huán)境下活性不易降低,因此微生物傳感器的壽命更�(zhǎng)�
?�?)即使微生物體內(nèi)的酶的催化活性已�(jīng)喪失,也可以因細(xì)胞的增殖使之再生�