微生物传感器

结构与组成

　　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。

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、CO2气敏电极、NH3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着优点：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，毒物可显着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

　　微生物电极的应用范围十分广泛，种类已达六七十种，现已应用于食品与发酵工业、生物工程，医学和环境监测等领域等。

　　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。1979年T．Malsunaga首此使用燃料电池型电极系统对培养液中细菌进行了快速测定。他使用双电极系统，每一电极均由铂阳极和Ag2O3 阴极复台而成。在参比电极阳极表面覆有纤维素透析模，用于扣除基体电流对测定的干扰。工作电极与参比电极电流之差与微生物浓度呈线性关系。Mascini于l986年使用S．cerevisiae茵株制成了另一支葡萄糖传感器，可离线检测发酵液中葡萄糖含量。Hiktana等于1979年用固定化毛孢子菌制成的醇电极实现了对发酵罐中醇的测定，之后又于1980年利用固定化大肠杆菌制成的谷氨酸电极对发酵罐中谷氨酸的含量进行了测定，得到了令人满意的结果。

　　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。1984年T．matsunaga开创了平面热解石墨电极为工作电极的循环伏安法检测微生物细胞，实验菌种为酵母菌。后来他又用此三电极系统与方法识别了几种微生物细胞，首次提出可利用生物传感器进行细胞种类的识别。基于平面热解石墨电极上循环伏安法检测微生物是利用细胞表层中存在电活性物质可以在石墨电极上发生不同的电化学氧化还原反应加以实现的。松永比较详细地介绍了利用细胞表层生物测定系统的开发并提出除了用于细胞识别外，尚可用于抗原抗体的检出和磷酸化合物的测定。细胞识别传感器在数量上不及细胞计数传感器多，但它开辟了细胞传感器应上的一个崭新领域。

　　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，Vincke等人于1983年利用变形杆菌制成了尿素传感器。同年，Kabo等人制成了用于测定血中肌酸肝含量的微生物传感器。

　　环境监测领域是微生物传感器应用最为广泛的领域，其典型代表是BOD传感器。它可以测定水中可生物降解有机物的总量即生化需氧量。自1977年Karube使用活性污泥混合菌制出支B0D传感器至今已报道针对不同水质的BOD传感器数十种。另外，微生物遇到有害离子会产生中毒效应，可利用这一性质，实现对废水中有毒物质的评价。Georgiou使用基于活性污泥的微生物传感器监测印染废水中染料对微生物的毒性影响，从而避免有毒染料进入生物反应器内，确保废水处理体系稳定运行。微生物传感器还可应用于测定多种污染物：N0 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；酚微生物传感器日能够快速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。

相对于酶传感器的优点

　　（1）微生物的菌株比分离提纯酶的价格低得多，因而制成的传感器便于推广普及；

　　（2）对于需要辅助因子的复杂的连续反应，用微生物则更易于完成；

　　（3）微生物细胞内的酶在适当环境下活性不易降低，因此微生物传感器的寿命更长；

　　（4）即使微生物体内的酶的催化活性已经丧失，也可以因细胞的增殖使之再生。