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微生物傳感器
閱讀�14573時間�2011-03-09 15:52:05

  生物傳感�是一門集微電子�(xué)、材料科�(xué)、生物技�(shù)等學(xué)科為一體的高新技�(shù)。而微生物傳感�是由固定化微生物�(xì)胞與電化�(xué)裝置�(jié)合而成的新型生物傳感器�

�(jié)�(gòu)與組�

  微生物傳感器由固定化微生�、換能器和信號輸出裝置組�,利用固定化微生物代謝消耗溶液中的溶解氧或產(chǎn)生一些電活性物�(zhì)并放出光或熱的原理實�(xiàn)待測物質(zhì)的定量測�。其中最主要的部分是固定化微生物和換能器,這兩部分對傳感器的靈敏度有很大的影響�

  固定化微生物是傳感器的信息捕捉功能元件,是影響傳感器性能的核心部�。它既要求將微生物限制在一定的空間,不流失,又要求保持微生物的固有活性和良好的機(jī)械性能。固定化技�(shù)決定傳感器的�(wěn)定�、靈敏性和使用壽命等性能指標(biāo)。目�,固定化技�(shù)分為物理法和化學(xué)法:物理法主要有吸附法、夾層法、包埋法;化�(xué)法主要為交聯(lián)�。吸附法是利用載體與微生物細(xì)胞間簡單的物理吸附�(jìn)行固定,即將菌懸液離�,過濾到醋酸纖維�、濾紙或尼龍�(wǎng)膜上。此法最早被采用,其�(yōu)�(diǎn)是對微生物無毒害,操作簡�,其缺點(diǎn)是微生物易泄漏損失,造成傳感器穩(wěn)定性差。夾層法是將適量濕菌體夾在兩層醋酸纖維膜之間,用適當(dāng)黏合劑粘合起來或先用抽濾裝置將兩層膜黏附在一�。該法操作簡�,膜響應(yīng)�(wěn)�。包埋法是迄今為止應(yīng)�、研究最為廣泛的固定化技�(shù),它能將微生物細(xì)胞包埋并固定在高分子聚合物三維空間網(wǎng)狀�(jié)�(gòu)�,多采用溶膠凝膠或聚合物包埋,常用的聚合物有聚乙烯醇、海藻酸鹽等。該法的�(yōu)�(diǎn)是對微生物細(xì)胞活性影響較小,微生物不易流�,膜的孔徑和幾何形狀可以控制,膜�(wěn)定性高,可長時間儲�。交�(lián)法是借助雙功能試�,使生物活性物�(zhì)�(jié)合到惰性載體上或直接共價鍵�(jié)合到�(zhuǎn)換元件上�

  最早應(yīng)用的換能器是電化�(xué)電極,主要有氧電�、二氧化碳電極等;隨后出�(xiàn)了燃料電�、光敏二極管、場效應(yīng)晶體管等其他類型的換能器。離子敏場效�(yīng)管作為換能器被認(rèn)為是�(fā)展新型微生物傳感器的有效手段�1980年Caras等人�(fā)表了篇關(guān)于青霉素場效�(yīng)管生物傳感器的文章后,近年來,光纖微生物傳感器發(fā)展迅�。光纖微生物傳感器檢測不受外界電磁場的干擾,成為原位檢測的方法之一�

分類

  微生物傳感器是以活的微生物作為敏感材料,利用其體�(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)來測定和識別相應(yīng)底物。微生物電極的種類很�,可以從不同的角度分��

  根據(jù)測量信號的不同,微生物電極可分為如下兩類�(1)電流型微生物電極,換能器輸出的是電流信號,根�(jù)氧化還原反應(yīng)�(chǎn)生的電流值測定被測物。常用Q電極作為基礎(chǔ)電極�(2)電位型微生物電極,換能器輸出的是電位信號,電位值的大小與被測物的活度有�(guān),二者呈能斯特響�(yīng)。常用的電極為各種離子選擇性電�、CO2氣敏電極、NH3敏電極等�

  根據(jù)微生物與底物作用原理的不�,微生物電極又可分為如下兩類�(1)測定呼吸活性型微生物電極,微生物與底物作用,在同化樣品中有�(jī)物的同時,微生物�(xì)胞的呼吸活性有所提高,依�(jù)反應(yīng)中氧的消耗或二氧化碳的生成來檢測被微生物同化的有�(jī)物的濃度�(2)測定代謝物質(zhì)型微生物電極,微生物與底物作用后生成各種電極敏感代謝�(chǎn)�,利用對某種代謝�(chǎn)物敏感的電極即可檢測原底物的濃度�

  根據(jù)微生物的種類分類可分為發(fā)光微生物(1uminous microbes)傳感�,硝化細(xì)�(nitrifying bacteria)傳感�,假單胞茵屬(Pseudomonas)與大腸桿菌屬(Escherichia)傳感器,�(lán)�(xì)�(cyanobacteria)與藻�(algae)傳感器和酵母傳感�。發(fā)光微生物傳感器具有一些顯著優(yōu)�(diǎn):操作無需�(yán)格無�;發(fā)光變化先于基本代謝變化因而對毒性更為敏感;與光電檢測手段相�(jié)�,自動化程度�、結(jié)果客觀、人為誤差少。硝化細(xì)菌傳感器利用�(xì)菌對污染物毒性十分敏感的特�,根�(jù)污染物抑制細(xì)胞酶�(如氨單加氧酶、羥氨氧化酶、亞硝酸氧還�)而干擾硝化過程的原理來檢測污染物?;谘趸€原介�(zhì)的傳感器選用的假單胞菌株有洋假單胞菌(Pseudomonas cepacia)和惡臭假單胞�(Pseudo-monas putida)�。檢測的污染物有氯芬�、氯氰菊酯、溴氫菊�、樂�、硫丹等,毒物可顯著抑制工作電極上電流的�(chǎn)生。目�,有兩種類型�(lán)�(xì)�、藻類傳感器:一類是檢測毒物對光合作用產(chǎn)物生成的影響;另一類是檢測毒物對葉綠素?zé)晒獍l(fā)生強(qiáng)度的影響,毒物通過阻斷光合作用的電子傳遞鏈�(dǎo)致葉綠素的熒光強(qiáng)度增高,增加的幅度與污染物濃度相�(guān)。酵母作為一種真核生物傳感器具有以下�(yōu)�(diǎn)�(1)增殖速度快,可利用的底物廣泛�(2)�(xì)胞為真核�(jié)�(gòu),可以檢出真核毒性污染物,結(jié)果對哺乳動物更有意義�(3)對酸堿度、溫�、離子強(qiáng)度等變化的適�(yīng)能力�(qiáng)于細(xì)菌。現(xiàn)在多通過檢測耗氧�、酸�(因代謝產(chǎn)物使pH 降低)而分析酵母的活�。污染物可抑制其正常代謝過程的�(jìn)�。因為人們對釀酒酵母的生理生化特性已有深入了解,常用其作為傳感器的敏感材��

�(yīng)用概�

  微生物電極的�(yīng)用范圍十分廣�,種類已�(dá)六七十種,現(xiàn)已應(yīng)用于食品與發(fā)酵工�(yè)、生物工�,醫(yī)�(xué)和環(huán)境監(jiān)測等�(lǐng)域等�

  在發(fā)酵工�(yè)�(lǐng)域,微生物傳感器已應(yīng)用于原材�、代謝產(chǎn)物的測定。應(yīng)用微生物傳感器可不受�(fā)酵過程中常存在的干擾物質(zhì)的干�,并且不受發(fā)酵液混濁程度的限��1979年T.Malsunaga首此使用燃料電池型電極系�(tǒng)對培�(yǎng)液中�(xì)菌�(jìn)行了快速測定。他使用雙電極系�(tǒng),每一電極均由鉑陽極和Ag2O3 陰極�(fù)臺而成。在參比電極陽極表面覆有纖維素透析�,用于扣除基體電流對測定的干�。工作電極與參比電極電流之差與微生物濃度呈線性關(guān)�。Mascini于l986年使用S.cerevisiae茵株制成了另一支葡萄糖傳感�,可離線檢測�(fā)酵液中葡萄糖含量。Hiktana等于1979年用固定化毛孢子菌制成的醇電極實�(xiàn)了對�(fā)酵罐中醇的測�,之后又�1980年利用固定化大腸桿菌制成的谷氨酸電極對發(fā)酵罐中谷氨酸的含量�(jìn)行了測定,得到了令人滿意的結(jié)��

  在生物工程領(lǐng)域,微生物傳感器已用于酶活性的測定。微生物傳感器還能用于測定微生物的呼吸活�,在微生物的簡單鑒定、生物降解物的確�、微生物的保存方法的選擇等方��1984年T.matsunaga開創(chuàng)了平面熱解石墨電極為工作電極的循�(huán)伏安法檢測微生物�(xì)�,實驗菌種為酵母�。后來他又用此三電極系統(tǒng)與方法識別了幾種微生物細(xì)�,首次提出可利用生物傳感器�(jìn)行細(xì)胞種類的識別?;谄矫鏌峤馐姌O上循�(huán)伏安法檢測微生物是利用細(xì)胞表層中存在電活性物�(zhì)可以在石墨電極上�(fā)生不同的電化�(xué)氧化還原反應(yīng)加以實現(xiàn)�。松永比較詳�(xì)地介紹了利用�(xì)胞表層生物測定系�(tǒng)的開�(fā)并提出除了用于細(xì)胞識別外,尚可用于抗原抗體的檢出和磷酸化合物的測�。細(xì)胞識別傳感器在數(shù)量上不及�(xì)胞計�(shù)傳感器多,但它開辟了�(xì)胞傳感器�(yīng)上的一個嶄新領(lǐng)��

  在醫(yī)�(xué)�(lǐng)域里,我國許春向等人首次�(yùn)用半微分循環(huán)伏安法�(jìn)行了人白血病白�(xì)胞和健康人白�(xì)胞的識別工作,取得了令人滿意的結(jié)�。著眼于致癌物質(zhì)對遺傳因子的變異誘發(fā)性,人們利用微生物傳感器對致癌物質(zhì)�(jìn)行一次性篩�。在臨床檢驗�,Vincke等人�1983年利用變形桿菌制成了尿素傳感器。同�,Kabo等人制成了用于測定血中肌酸肝含量的微生物傳感器�

  �(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域是微生物傳感器�(yīng)用最為廣泛的�(lǐng)�,其典型代表是BOD傳感�。它可以測定水中可生物降解有�(jī)物的總量即生化需氧量。自1977年Karube使用活性污泥混合菌制出支B0D傳感器至今已報道針對不同水質(zhì)的BOD傳感器數(shù)十種。另�,微生物遇到有害離子會產(chǎn)生中毒效�(yīng),可利用這一性質(zhì),實�(xiàn)對廢水中有毒物質(zhì)的評價。Georgiou使用基于活性污泥的微生物傳感器�(jiān)測印染廢水中染料對微生物的毒性影�,從而避免有毒染料�(jìn)入生物反�(yīng)器內(nèi),確保廢水處理體系穩(wěn)定運(yùn)�。微生物傳感器還可應(yīng)用于測定多種污染物:N0 氣體傳感器用于監(jiān)測大氣中氮氧化物的污�;硫化物微生物傳感器用于測定煤氣管道中含硫化合物;酚微生物傳感器日能夠快速并�(zhǔn)確地測定焦化、煉�、化工等企業(yè)廢水中的酚�

相對于酶傳感器的�(yōu)�(diǎn)

 ?�?)微生物的菌株比分離提純酶的價格低得多,因而制成的傳感器便于推廣普��

  �2)對于需要輔助因子的�(fù)雜的連續(xù)反應(yīng),用微生物則更易于完��

  �3)微生物�(xì)胞內(nèi)的酶在適�(dāng)�(huán)境下活性不易降�,因此微生物傳感器的壽命更長�

 ?�?)即使微生物體內(nèi)的酶的催化活性已�(jīng)喪失,也可以因細(xì)胞的增殖使之再生�

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