微生物传感器

（3）包埋法 包埋法是最常用的固 定化微生物的方法。该法是将微生 定化微生物的方法。该法是将微生 物活细胞包埋于适当的立体网状材 料中，常用的包埋材料 包埋材料有聚丙烯酰 料中，常用的包埋材料有聚丙烯酰 胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、 胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸 钙凝胶、琼脂、骨胶原等。 钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯 酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广 的一种。 的一种。 该法的优点是对微生物细胞活性影响较小,微生物不 该法的优点是对微生物细胞活性影响较小, 优点 易流失,膜的孔径和几何形状可以控制,膜稳定性高, 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。缺点是 长时间储藏。缺点是分子过大的底物在凝胶网格内扩散 较困难，因此不适合大分子底物的测定。 较困难，因此不适合大分子底物的测定。
代谢活性测定性微生物传感器
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代谢活性型微生物传感器由 代谢活性型微生物传感器由固定化的厌氧菌 相应的电化学传感元件组合而成 组合而成。 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。 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、 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； 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） 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。 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。 得到有机物浓度的信息。
4.2 微生物传感器的电化学装置
氧电极是广泛应用于微生物传感器的换能器。 氧电极是广泛应用于微生物传感器的换能器。在Clark 型电极情况下，几何构型十分重要。 型电极情况下，几何构型十分重要。特别是在阴极和膜之 间的电解质层的厚度必须是紧密的， 间的电解质层的厚度必须是紧密的，以保证良好的线性和 两种。 低的背景电流。Clark电极分为极谱电极和电流电极两种 电极分为极谱电极 低的背景电流。Clark电极分为极谱电极和电流电极两种。
构造微生物传感器必须注意： 构造微生物传感器必须注意： (1)以氧电极为基底的传感器的情况下 以氧电极为基底的传感器的情况下， (1)以氧电极为基底的传感器的情况下，固定微生物 的膜必须保持透气性； 的膜必须保持透气性； (2)传感器的敏感物质是基于活细胞 传感器的敏感物质是基于活细胞， (2)传感器的敏感物质是基于活细胞，必须选择温和 的固定化方法，使所固定的生物体不失活， 的固定化方法，使所固定的生物体不失活，保持生物 识别元件的活性和稳定性是非常关键的步骤。 识别元件的活性和稳定性是非常关键的步骤。
3、微生物传感器的原理 、
微生物传感器由固定化微生物、换能器和 微生物传感器由固定化微生物、换能器和信号输出装置 固定化微生物 组成, 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,原理见下图： 测定,原理见下图：
微生物传感器原理示意图
按所用分子识 别元件的不同
生 物 传 感 器
按对输出电信号 的不同测量方式
酶传感器 微生物传感器 组织传感器 细胞传感器 免疫传感器 电化学生物传感器 半导体生物传感器 测热型生物传感器 测光型生物传感器 测声型生物传感器
按信号转换元件的不同
电位型生物传感器 电流型生物传感器 伏安型生物传感器
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 由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。 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，可将微生物固 在不损坏微生物机能情况下， 定在载体上制作出微生物传感器。 定在载体上制作出微生物传感器。
由浸入同一饱和氯化钾溶液 铂阳极和银阴极构成 同一饱和氯化钾溶液的 构成。 极谱电极 由浸入同一饱和氯化钾溶液的铂阳极和银阴极构成。 在阳极和阴极之间的极化电压，选择地降低阳极的氧。 在阳极和阴极之间的极化电压，选择地降低阳极的氧。 该反应产生电流，该电流与溶解氧浓度成比例。 该反应产生电流，该电流与溶解氧浓度成比例。 有一个引导阳极和一个阴极产生电势差 因此， 引导阳极和一个阴极产生电势差， 电流电极 有一个引导阳极和一个阴极产生电势差，因此，它是 一种自装置的电极，不需外供电压。 一种自装置的电极，不需外供电压。这类电极简单且 经济，但缺点是响应时间慢，稳定性较差。 经济，但缺点是响应时间慢，稳定性较差。
这种方法是通过交联剂把活细 （2）共价交联法 这种方法是通过交联剂把活细 胞以共价键结合到载体上。交联剂有异氰酸盐 有异氰酸盐、 胞以共价键结合到载体上。交联剂有异氰酸盐、氨 基硅烷、戊二醛及氰尿酰氯等。 基硅烷、戊二醛及氰尿酰氯等。应用该法时由于共 价键形成往往毒害了活细胞， 价键形成往往毒害了活细胞，故其应用受到一定限 制。
此外，微生物传感器中应用的换能器还有燃料电池 此外，微生物传感器中应用的换能器还有燃料电池 换能器还有 型电极(氢气检测) 二氧化碳电极，氨电极、pH电极 电极， 型电极(氢气检测)、二氧化碳电极，氨电极、pH电极， 其中除燃料电池型外，其余大部分是以电势为基础的， 其中除燃料电池型外，其余大部分是以电势为基础的， 虽然测定范围比较广， 虽然测定范围比较广，但不足的是它们对其他污染物有 响应且检测限度低。 响应且检测限度低。 许多物理装置也可用于微生物传感器换能器。主要 许多物理装置也可用于微生物传感器换能器。 有： 热敏电阻： 固定化微生物膜与一热敏电阻紧连， ①热敏电阻：将固定化微生物膜与一热敏电阻紧连，测 定放出的代谢热，即可制备微生物传感器。 定放出的代谢热，即可制备微生物传感器。 光探测器： 光合细菌与光探测器（ ②光探测器：将光合细菌与光探测器（例如光电倍增管 或光电二极管）结合即可制备高敏性微生物传感器。 或光电二极管）结合即可制备高敏性微生物传感器。
微生物传感器的不足之处： 微生物传感器的不足之处：
1） 由于细菌细胞内含有多种酶，使一些 由于细菌细胞内含有多种酶， 微生物传感器的选择性和灵敏度受到限制 2） 因底物需要通过细胞壁扩散，所以微 因底物需要通过细胞壁扩散， 生物传感器响应时间较长
2.2 影响传感器响应的因素
PH值 微生物传感器中细菌生长于转换器电极要求的PH PH值不一 1） PH值：微生物传感器中细菌生长于转换器电极要求的PH值不一 致时， 致时，需要找出一个折衷值 缓冲溶液的种类和用量：Tris缓冲液可产生氨 缓冲液可产生氨， 2） 缓冲溶液的种类和用量：Tris缓冲液可产生氨，而焦磷酸盐缓 冲液对微生物有抑制作用， 冲液对微生物有抑制作用，这两种缓冲液均不能用于用氨气敏电极 作为转换器而组成的组氨酸微生物传感器。 作为转换器而组成的组氨酸微生物传感器。另外缓冲剂的缓冲容量 不足时也会造成电极不符合能斯特响应。 不足时也会造成电极不符合能斯特响应。 微生物的用量：增加细菌细胞的用量可使能斯特响应区增宽， 3） 微生物的用量：增加细菌细胞的用量可使能斯特响应区增宽， 但增加得太多又会导致响应减慢， 但增加得太多又会导致响应减慢，而且传感器浸泡在缓冲液恢复到 原来响应值的时间也相应增长。 原来响应值的时间也相应增长。 温度：微生物传感器虽也要求最适温度， 4） 温度：微生物传感器虽也要求最适温度，但不像酶电极那样敏 适当提高温度可使细菌细胞新城代谢以及底物的扩撒加快， 感。适当提高温度可使细菌细胞新城代谢以及底物的扩撒加快，从 而使响应时间缩短。 而使响应时间缩短。 5） 活化剂与稳定剂 6） 气体的影响
微生物传感器
主要内容
1、前言 、 2、微生物传感器的特点及其影响因素 、 3、微生物传感器的原理 、 4、微生物传感器的制备 、 5、微生物传感器的测定系统 、 6、微生物传感器的应用 、 7、微生物传感器的应用实例 、 8、微生物传感器的发展展望 、
1、 前 言
生物传感器是一门集微电子学、材料科学、 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。 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) 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。 (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( 抗原、抗体、激素、 可以是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、 或生物体本身(细胞、细胞器、组织) ,它 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; 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、 主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管 热敏电阻器、光电管、光纤、 ( ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压 电晶体(PZ) 电晶体(PZ) 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。 物化学信号转变为可测量的电信号。
4.1 微生物的固定化
常用的微生物固定化方法：吸附法、 常用的微生物固定化方法：吸附法、共价交 联法、 联法、包埋法
（1）吸附法 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， 物理吸附进行固定 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、 悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼 龙网膜上。 龙网膜上。也可借助于载体和细胞表面的 静电作用， 静电作用，将细胞吸附在离子交换树脂膜 此法最早被采用， 优点是 上。此法最早被采用，其优点是对微生物 无毒害，操作简便； 缺点是 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。 漏损失，造成传感器稳定性差。
固定化微生物是传感器的信息捕捉功能元件， 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。 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， 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、 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。 性和使用寿命等性能指标。 最早应用的换能器是电化学电极,主要有氧电极、 最早应用的换能器是电化学电极,主要有氧电极、 换能器 二氧化碳电极等;随后出现了燃料电池 光敏二极管、 燃料电池、 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。 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。 为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段。
呼吸活性型微生物传感器由 呼吸活性型微生物传感器由固定化需氧性细菌 氧电极组合而成 组合而成。 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。 基础测定被测物的。当将该传感器插入含有饱和溶 解氧的试液中时，试液中的有机物受到细菌细胞的 解氧的试液中时， 同化作用，细菌细胞呼吸加强， 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。 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，细菌的耗氧量也达到恒定， 扩散速度达到恒定时，细菌的耗氧量也达到恒定， 此时扩散到电极表面上的氧量也变为恒定， 此时扩散到电极表面上的氧量也变为恒定，因此产 生一个恒定电流。 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。 在定量关系，据此可测定有关有机物。
微 生 物 传 感 器
1、微生物 生理特点
呼吸活性测定性微生物传感器 代谢活性测定性微生物传感器 控制电流或控制电位的 恒定法 测定电流或电位的上升速度或下降速度的 速度法 电流测定法
2、信号 测定法
3、分子识别的微 生物膜所得的信息 能转换为电信号方 式上考虑
电位测定法
呼吸活性测定性微生物传感器
4、微生物传感器的制备 、
要得到一个好的微生物传感器需要从三方面 考虑： 考虑：
一、要选择一种适合的微生物，它必须活性高， 要选择一种适合的微生物，它必须活性高， 性能稳定且容易取得 二、还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少， 还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少， 灵敏度高 三、就是将微生物固定化的问题。 就是将微生物固定化的问题。
2、微生物传感器的特点及其影响因素 、
2.1 特点
同一般酶电极相比，微生物传感器具有以下优点： 同一般酶电极相比，微生物传感器具有以下优点：
1） 稳定性好，使用寿命长 稳定性好， 微生物传感器响应迟钝时， 2） 微生物传感器响应迟钝时，可将其放在培养介质中浸泡使之恢复 细菌细胞中一般含有多种酶，对于需要多种酶的反应， 3） 细菌细胞中一般含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感 器提供了方便 有些酶至今尚无分离办法， 4） 有些酶至今尚无分离办法，可用含有该酶的细菌组成传感器 微生物传感器可以克服酶价格昂贵、 5） 微生物传感器可以克服酶价格昂贵、提取困难和不稳定的缺点