生物传感器的原理和研究现状及应用

生物传感器的原理和研究现状及应用

摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。

关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。

一、引言

从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。

二、研究现状及主要应用领域

1、发酵工业

各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。

(1). 原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。

当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（Trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。

此外，还有用大肠杆菌（E.coli）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。

(2). 微生物细胞总数的测定

在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表

面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。

(3). 代谢试验的鉴定

传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。

(4). 一些酶类和菌类生物在发酵工业中的应用

1>. 酶传感器(Enzyme Sensor)

2>.微生物传感器(Microorganism Sensor) 测定项目 酶 固定化方法 使用电极 稳定性／天 测定范围（mg/ml ） 葡萄糖 葡萄糖氧化酶

共价 氧电极 100 1～5×102 胆固醇 胆固醇酯酶 共价 铂电极 30 10～5×103 青霉素 青霉素酶 包埋 PH 电极 7～14 10～1×103 尿素 尿素酶 交联 铵离子电极 60 10～1×103 磷脂 磷脂酶 共价 铂电极 30 102～

5×103 乙醇 乙醇氧化酶 交联 氧电极 120 10～5×103 尿酸

尿酸酶 交联 氧电极 120 10～1×103 L 一谷氨酸 谷氨酸脱氨酶 吸附 铵离子电极 2 10～1×104 L 一谷酰

胺

谷酰胺酶 吸附 铵离子电极 2 10～1×104 L 一酪氨酸 L 一酪氨酸脱羧酶

吸附

二氧化碳电极 20 10～1×104

测定项目微生物测定电极检测范围

（mg/L）葡萄糖荧光假单胞菌O2 5～200

乙醇芸苔丝孢酵母O2 5～300

亚硝酸盐硝化菌O2 51～200

维生素B12 大肠杆菌O2

谷氨酸大肠杆菌CO2 8～800

赖氨酸大肠杆菌CO2 10～100

维生素B1 发酵乳杆菌燃料电池0.01～10

甲酸梭状芽胞杆菌燃料电池1～300

头孢菌素费式柠檬酸细菌pH

烟酸阿拉伯糖乳杆菌pH

2、环境监测

(1).水质分析：典型应用—生化需氧量的测定

生化需氧量（biochemical oxygen demand –BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2 mg/l，所用时间为5min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。

除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BO D值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°C，pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果[3]。现在有一种将BOD生物传感器经过光处理（即以TiO2作为半导体，用6 W灯照射约4min）后，