微生物传感器及其应用

微生物传感器及其应用

作者：赵蔚

上海交通大学生命学院研究生

学号：1080809077

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

生物传感器是一门集微电子学、材料科学、生物技术等学科为一体的高新技术。它由分子识别元件(感受器)和与之结合的信号转换器件(换能器)两部分组成的分析工具或系统。前者可以是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA)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、光电管、光纤、压电晶体等，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。

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。与最早问世的酶电极相比较，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。微生物传感器具有广泛的发展前景。

结构和组成

微生物传感器由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定。其中最主要的部分是固定化微生物和换能器，这两部分对

传感器的灵敏度有很大的影响。

固定化微生物是传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件。它既要求将微生物限制在一定的空间，不流失，又要求保持微生物的固有活性和良好的机械性能。固定化技术决定传感器的稳定性、灵敏性和使用寿命等性能指标。目前，固定化技术分为物理法和化学法：物理法主要有吸附法、夹层法、包埋法；化学法主要为交联法。吸附法是利用载体与微生物细胞间简单的物理吸附进行固定，即将菌悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜上。此法最早被采用，其优点是对微生物无毒害，操作简便，其缺点是微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差。夹层法是将适量湿菌体夹在两层醋酸纤维膜之间，用适当黏合剂粘合起来或先用抽滤装置将两层膜黏附在一起。该法操作简便，膜响应稳定。包埋法是迄今为止应用、研究最为广泛的固定化技术，它能将微生物细胞包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构中，多采用溶胶凝胶或聚合物包埋，常用的聚合物有聚乙烯醇、海藻酸盐等。该法的优点是对微生物细胞活性影响较小，微生物不易流失，膜的孔径和几何形状可以控制，膜稳定性高，可长时间储藏。交联法是借助双功能试剂，使生物活性物质结合到惰性载体上或直接共价键结合到转换元件上。

最早应用的换能器是电化学电极，主要有氧电极、二氧化碳电极等；随后出现了燃料电池、光敏二极管、场效应晶体管等其他类型的换能器。离子敏场效应管作为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段。1980年Caras等人发表了第一篇关于青霉素场效应管生物传感器的文章后，近年来，光纤微生物传感器发展迅速。光纤微生物传感器检测不受外界电磁场的干扰，成为原位检测的方法之一。

工作原理和分类

微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。微生物电极的种类很多，可以从不同的角度分类。根据测量信号的不同，微生物电极可分为如下两类：(1)电流型微生物电极，换能器输出的是电流信号，根据氧化还原反应产生的电流值测定被测物。常用Q电极作为基础电极；(2)电位型微生物电极，换能器输出的是电位信号，电位值的

大小与被测物的活度有关，二者呈能斯特响应。常用的电极为各种离子选择性电

极、CO

2气敏电极、NH

3

敏电极等。

根据微生物与底物作用原理的不同，微生物电极又可分为如下两类：(1)测定呼吸活性型微生物电极，微生物与底物作用，在同化样品中有机物的同时，微生物细胞的呼吸活性有所提高，依据反应中氧的消耗或二氧化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度；(2)测定代谢物质型微生物电极，微生物与底物作用后生成各种电极敏感代谢产物，利用对某种代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度。

根据微生物的种类分类可分为发光微生物(1uminous microbes)传感器，硝化细菌(nitrifying bacteria)传感器，假单胞茵属(Pseudomonas)与大肠杆菌属(Escherichia)传感器，蓝细菌(cyanobacteria)与藻类(algae)传感器和酵母传感器。发光微生物传感器具有一些显著优点：操作无需严格无菌；发光变化先于基本代谢变化因而对毒性更为敏感；与光电检测手段相结合，自动化程度高、结果客观、人为误差少。硝化细菌传感器利用细菌对污染物毒性十分敏感的特性，根据污染物抑制细胞酶类(如氨单加氧酶、羟氨氧化酶、亚硝酸氧还酶)而干扰硝化过程的原理来检测污染物。基于氧化还原介质的传感器选用的假单胞菌株有洋假单胞菌(Pseudomonas cepacia)和恶臭假单胞菌(Pseudo—monas putida)等。检测的污染物有氯芬磷、氯氰菊酯、溴氢菊酯、乐果、硫丹等，毒物可显著抑制工作电极上电流的产生。目前，有两种类型蓝细菌、藻类传感器：一类是检测毒物对光合作用产物生成的影响；另一类是检测毒物对叶绿素荧光发生强度的影响，毒物通过阻断光合作用的电子传递链导致叶绿素的荧光强度增高，增加的幅度与污染物浓度相关。酵母作为一种真核生物传感器具有以下优点：(1)增殖速度快，可利用的底物广泛；(2)细胞为真核结构，可以检出真核毒性污染物，结果对哺乳动物更有意义；(3)对酸碱度、温度、离子强度等变化的适应能力强于细菌。现在多通过检测耗氧量、酸度(因代谢产物使pH 降低)而分析酵母的活性。污染物可抑制其正常代谢过程的进行。因为人们对酿酒酵母的生理生化特性已有深入了解，常用其作为传感器的敏感材料。

应用概况