微生物传感器20111134010025

微生物传感器的研发与应用

摘要：本文介绍了微生物传感器的结构组成，工作原理及分类，总结了该传感器在发酵工业、生物工程、医学等领域的应用，并对其今后的发展进行了展望。

关键词：微生物传感器；结构；原理；应用；

1.前言

生物传感器是一门集微电子学、生物技术等学科为一体的高新技术。由分

子识别元件和与之结合的信号转换器件两部分组成的分析工具。前者可以是生

物体成分（酶、抗原等）或生物体本身（细胞、细胞器、组织），它们能特异

地识别各种被测物质并与之反应；后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体

管（ISFET ）、热敏电阻器等，其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变

为可测量的电信号。

2.微生物传感器：

微生物传感器是生物传感器的一个重要分支。1975年Divies制成了第一

支微生物传感器，由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。

在不损坏微生物机能情况下，将微生物固定在载体上制作出微生物传感器，达到对被分析物进行检测的目的。

3.微生物传感器的组成和原理：

3.1固定化微生物：微生物利用被检测物质进行呼吸或代谢，在此过程中，

消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。

3.2换能器：燃料电池、光敏二极管、离子敏场效应管、气体敏感膜电极等

物质检测溶解氧和电活性物质的变化。

3.3信号输出装置：信号输出。

4.微生物传感器的分类：

根据微生物作用的生理特点分为：

1.呼吸活性测定性微生物传感器：由固定化需氧性细菌膜和氧电极组合而成。

它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。试液中的有机物受到细菌细胞的同化作用，细菌细胞呼吸加强，扩散到电极表面上氧的量减少，电流减小。当有机物由试液向细菌膜扩散速度达到恒定时，产生一个恒定电流，此电流与试液中的有机物浓度存在定量关系，据此可测定有关有机物。

2.代谢活性型微生物传感器：固定化的厌氧菌膜和相应的电化学传感元件组合

而成。它是以细菌代谢活性物质为基础测定被测物的。此类细菌摄取有机物产生各种代谢产物，若代谢产物是氢、甲酸或各种还原型辅酶等，则可用电流法测定；若代谢产物是二氧化碳、有机酸（氢离子）等，则可用电位法测定。根据测定的电流或电位便可得到有机物浓度的信息。

5.微生物传感器的优势：

微生物传感器的稳定性较好，使用寿命也较长且价廉。微生物细胞中的酶因为仍处于它的自然环境中，这就增加了稳定性和活性，还免除了花费昂贵的酶纯化和辅助因素再生的步骤。另外，传感器的生物学成分可通过浸入生长基使之再生。因而有可能长时间地保持其生物催化活性，延长传感器的有效使用期限。微生物传感器的应用范围十分广泛。现已应用于发酵工业、环境监测、临床医学、食品检验等领域。

6.微生物传感器在发展中面临的问题：

一是多酶体系的存在，有可能对复杂样品产生非特异性响应。二是维持细胞活性是一个精细的过程。然而常常由于缺乏足够的经验而导致细胞过旱的死亡。微生物传感器的工作寿命因而受到影响。三是以全细胞为敏感元件的微生物电极，测定受到多种因素的影响，如细胞的通透性、酶的诱导活性、细胞内相关酶的活性状态等，因而微生物电极测定的精度和重复性一般比酶电极的要差。四是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，细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失；另外，微生物膜的长期保存问题也有待进一步的改进，否则难以实现大规模的商品化。五是生物

响应稳定性和微型化便携式等问题。仪器小型化将降低样品体积、试剂消耗和

生产费用。

7.微生物传感器的应用：

在发酵工业领域，微生物传感器已应用于原材料、代谢产物的测定。应用

微生物传感器可不受发酵过程中常存在的干扰物质的干扰，并且不受发酵液混

浊程度的限制。

在医学领域里，我国许春向等人首次运用半微分循环伏安法进行了人白血

病白细胞和健康人白细胞的识别工作，取得了令人满意的结果。着眼于致癌物

质对遗传因子的变异诱发性，人们利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选。在临床检验中，利用变形杆菌制成了尿素传感器和用于测定血中肌酸肝含

量的微生物传感器。

在生物工程领域，微生物传感器已用于酶活性的测定。微生物传感器还能

用于测定微生物的呼吸活性，在微生物的简单鉴定、生物降解物的确定、微生

物的保存方法的选择等方面也有应用。

微生物传感器还用于测试物质的生物毒性，微生物传感器法适用于天然微

生物，快速简便，有很好的灵敏性和可靠性。并且，细菌本身没有危害性。

环境监测领域是微生物传感器应用最广泛的领域，其典型代表是BOD 传感器。它可以测定水中生化需氧量，改变了传统测定时间5天为15min。另外，

微生物遇到有害离子CN-，Ag+，Cu2+ 等会产生中毒效应，可利用这一性质，

实现对废水中有毒物质的评价。微生物传感器还可应用于测定多种污染物：

NOx 气体传感器用于监测大气中氮氧化物的污染；硫化物微生物传感器用于测

定煤气管道中含硫化合物；酚微生物传感器能够快速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。

8.结语与展望：

微生物传感器成本低、操作简便、设备简单，因此在市场上的前景是十分

巨大和诱人的，测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传

感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。

开发新的固定化技术、利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研人员面临的课题。

相信微生物传感器作为一个具有发展潜力的研究方向。定会随着生物技术、材料科学、微电子技术等的发展取得更大的进步，并逐步趋向微型化、集成化、智能化。

参考文献：

[1]. 郏建波, 董绍俊.生化需氧量微生物传感器的研究进展. 分析化学评述与进展. 2003. 31(6): 742- 748

[2]. 谢佳胤, 李捍东, 王平, 李霁. 微生物传感器的应用研究. 现代农业科技. 2010. 6