微生物传感器及其应用-上海交通大学微生物.PDFVIP

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 气敏电极、NH 敏电极等。 2 3 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