生物传感器的研究现状及其应用.docx

生物传感器的研究现状及其应用hesp导语：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开展，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。它可以克制价格昂贵、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响。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响技术PCR的开展，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，微生物传感器最合适发酵工业的测定。由于发酵经过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那么极有可能消除干扰，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消费，微生物传感器其本钱低设备简单的特点使其具有极大的上风。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。测量的原理根本上都是用合适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，进而到达测量底物浓度的目的。在各种原材料中葡萄糖的测定对经过控制尤其重要，用荧光假单胞菌Psoudomonasfluorescens代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进展检测，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。当乙酸用作碳源进展微生物培养时，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Trichosporonbrassicae，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，将柠檬酸杆菌完好细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌胶原蛋白膜反响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。人们发如今阳极外表，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一样的。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展的。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展测定。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、生物降解物确实定、微生物的保存方法选择等。2、环境监测1.生化需氧量的测定生化需氧量biochemicaloxygendemandBOD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，操纵复杂、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纵简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员别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2mg/l，所用时间为5min。还有一种新的微生物传感器，用耐高浸透压的酵母菌种作为敏感材料，在高浸透压下可以正常工作。并且其菌株可长期枯燥保存，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BOD值。该传感器的反响时间是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。如今有一种将BOD生物传感器经过光处理即以TiO2作为半导体，用6W灯照射约4min后，灵敏度大大进步，很适用于河水中较低BOD的测量5。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经开展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌Pseudomonasfluorescens用光致交联的树脂固定在反响器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4下可使用六周，已经用于工厂废水处理的经过中。常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、外表活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中别离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐NOx-，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进展了测量，其效果较好。硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中别离挑选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，本钱低，操纵方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium.SP，与氢电极连接构成。最近科学家们在污染区别离出一种可以发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下可以产生荧光蛋白，进而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入适宜的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。如今已经将荧光素酶导入大肠杆菌E.coli中，用来检测砷的有毒化合物。水体中酚类和外表活性剂的浓度测定已经有了很大的开展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中别离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以进步生物传感器的感受器局部的灵敏度。它对酚的监测极限为5?10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35，连续工作时间为30h。还有一种假单胞菌属Pseudomonasrathonis制成的测量外表活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长间隔的保持它们在高浓度外表活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量完毕后很快的恢复敏感元件的活性。还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100?10-9mol，在40只要4min。还有一种新开展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测329610-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高。最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成局部，测定地表水中壬基酚nonyl-phenoletoxylateNP-80E的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属Trichosporumgrablata细胞的呼吸活性。该生物传感器的反响时间为1520min，寿命为710天用于连续测定时。在浓度范围0.56.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很合适于污染的地表水中分子外表活性剂的检测。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容无视的。目前已经成功设计了一个完好的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌Vibriofischeri体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌AlcaligeneseutrophusAE1239中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以到达最低测量浓度1?10-9mol。还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母Saccharomycescerevisiae重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的交融体。其工作原理，首先是CUP1启动子被Cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进展测量。假如Cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围0.52?10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反响。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60100min。用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌Alcaligenescutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进展测量，其结果令人满足。估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌cyanobacteriumSpirlinasubsalsa和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂的不同浓度进展了测定，均可监测到它们的有毒反响，重复性和再生性都很高。近来由于聚合酶链式反响技术PCR的迅猛开展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开场着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金外表的石英晶体上，用1?10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体外表进展。用细菌中提取的DNA样品进展同样的杂交反响并由PCR放大，产物为气单胞菌属Aeromonashydrophila的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能。还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经可以测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的PSP毒素。DNA传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化DNA生物传感器，能将DNA识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改良核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化。微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有外表细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是501000?10-6g/l。一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好。除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深化的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。三、讨论与展望美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操纵、价格廉价、易于批量消费、消费经过中进展质量监测。其中，价格廉价决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是本钱低、操纵简便、设备简单，因此其在市场上的前景是特别宏大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比拟昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与根底膜结合要结实，以防止细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改良，否那么难于实现大规模的商品化。总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。假设轻易获得稳定、高活性、低本钱的游离酶，那么酶电极对使用者来讲是最理想的。相反的，假设生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或者所需酶不宜别离或者不稳定时，微生物电极那么是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃开展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深化，生物传感器必将在市场上开拓出一片新的天地。