微生物传感器

1、微生物传感器微生物传感器主要内容主要内容1、前言、前言2、微生物传感器的特点及其影响因素、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、微生物传感器的原理4、微生物传感器的制备、微生物传感器的制备5、微生物传感器的测定系统、微生物传感器的测定系统6、微生物传感器的应用、微生物传感器的应用7、微生物传感器的应用实例、微生物传感器的应用实例8、微生物传感器的发展展望、微生物传感器的发展展望1 1、前、前 言言 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。它由分子生物技术等学科为一体的高新技术。它由分子识别元件识别元件( (感受

2、器感受器) ) 和与之结合的信号转换器件和与之结合的信号转换器件( (换能器换能器) ) 两部分组成的分析工具或系统。前者两部分组成的分析工具或系统。前者可以是生物体成分可以是生物体成分( (酶、抗原、抗体、激素、酶、抗原、抗体、激素、DNA) DNA) 或生物体本身或生物体本身( (细胞、细胞器、组织细胞、细胞器、组织) ,) ,它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; ;后者后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管( ISFET ) ( ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶

3、体电晶体(PZ) (PZ) 等等, ,其功能为将敏感元件感知的生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。生物传感器生物传感器按所用分子识按所用分子识别元件的不同别元件的不同按信号转换元件的不同按信号转换元件的不同按对输出电信号按对输出电信号的不同测量方式的不同测量方式酶传感器酶传感器微生物传感器微生物传感器组织传感器组织传感器细胞传感器细胞传感器免疫传感器免疫传感器电化学生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器半导体生物传感器测热型生物传感器测热型生物传感器测光型生物传感器测光型生物传感器测声型生物传感器测声型生物传感器电位型生物传感器电位型

4、生物传感器电流型生物传感器电流型生物传感器伏安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微生物传感器是生物传感器的一个重要分支。支。1975 1975 年年Divies Divies 制成了第一支微生物传感制成了第一支微生物传感器器, ,由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。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，可将微生物固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。 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)(1)以氧电极为基底的传感器的情况下，固定微生物以氧电极为基底的

5、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)(2)传感器的敏感物质是基于活细胞，必须选择温和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，保持生物的固定化方法，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。2、微生物传感器的特点及其影响因素、微生物传感器的特点及其影响因素2.1 2.1 特点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 1） 稳定性好，使用寿命长稳定性好，使用寿命长2 2） 微生物传感器响应迟钝时，可将

6、其放在培养介质中浸泡使之恢复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3 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器提供了方便4 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5 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微生物传感器的不足之处：微生物传感器的不足之处：1 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，使一些微生物传感器

7、的选择性和灵敏度受到限制微生物传感器的选择性和灵敏度受到限制2 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，所以微生物传感器响应时间较长生物传感器响应时间较长2.2 2.2 影响传感器响应的因素影响传感器响应的因素1 1） PHPH值：值：微生物传感器中细菌生长于转换器电极要求的微生物传感器中细菌生长于转换器电极要求的PHPH值不一值不一致时，需要找出一个折衷值致时，需要找出一个折衷值2 2） 缓冲溶液的种类和用量缓冲溶液的种类和用量：TrisTris缓冲液可产生氨，而焦磷酸盐缓缓冲液可产生氨，而焦磷酸盐缓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冲液对微生

8、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。另外缓冲剂的缓冲容量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。3 3） 微生物的用量微生物的用量：增加细菌细胞的用量可使能斯特响应区增宽，：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，而且传感器浸泡在缓冲液恢复到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。4 4） 温度温度：微生物传感器虽也要求最适温度，但不像酶电极那样敏：微生

9、物传感器虽也要求最适温度，但不像酶电极那样敏感。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 5） 活化剂与稳定剂活化剂与稳定剂6 6） 气体的影响气体的影响3、微生物传感器的原理、微生物传感器的原理 微生物传感器由微生物传感器由固定化微生物固定化微生物、换能器换能器和和信号输出装置信号输出装置组成组成, ,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一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的

10、定量测定测定, ,原理见下图：原理见下图：微生物传感器原理示意图微生物传感器原理示意图 固定化微生物固定化微生物是是传感器的信息捕捉功能元件，是影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。它既要求将微生物限制在一定的空间定的空间, ,不流失，又要求保持微生物的固有活性和良不流失，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。 最早应用的最早应用的换能器换能器是是电化学电极电化学电极, ,主要有氧电极、主要有氧

11、电极、二氧化碳电极等二氧化碳电极等; ;随后出现了随后出现了燃料电池燃料电池、光敏二极管光敏二极管、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。微生物传感器微生物传感器1 1、微生物、微生物生理特点生理特点2 2、信号、信号测定法测定法呼吸活性测定性微生物传感器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代谢活性测定性微生物传感器控制电流或控制电位的控制电流或控制电位的恒定法恒定法测定电流或电位的上升速度或下降速度的测定电流或电位的上升速度

12、或下降速度的速度法速度法3 3、分子识别的微、分子识别的微生物膜所得的信息生物膜所得的信息能转换为电信号方能转换为电信号方式上考虑式上考虑电流测定法电流测定法电位测定法电位测定法呼吸活性测定性微生物传感器呼吸活性测定性微生物传感器 呼吸活性型微生物传感器呼吸活性型微生物传感器由由固定化需氧性细菌固定化需氧性细菌膜膜和和氧电极氧电极组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。当将该传感器插入含有饱和溶基础测定被测物的。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，试液中的有机物受到细菌细胞的同化作用，细菌细胞呼吸加

13、强，扩散到电极表面上同化作用，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。当有机物由试液向细菌膜氧的量减少，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，因此产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。此电流与试液中的有机物浓度存生一个恒定电流。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。代谢活性测定性微生物传感器代谢活性测定性微生物传感器 代谢活性型微生物传感器代谢活性型微生物传感器由由固定化的厌氧菌

14、固定化的厌氧菌膜膜和和相应的电化学传感元件相应的电化学传感元件组合而成。它是以细组合而成。它是以细菌代谢活性物质为基础测定被测物的。此类细菌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）等，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。根据测定的电流或电位便可则可用电位法测定。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、微生物传感器的制备、微生物传感

15、器的制备要得到一个好的微生物传感器需要从三方面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，一、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，二、还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少， 灵敏度高灵敏度高三、就是将微生物固定化的问题。三、就是将微生物固定化的问题。4.1 4.1 微生物的固定化微生物的固定化 常用的微生物固定化方法：常用的微生物固定化方法：吸附法、共价交吸附法、共价交联法、包埋法联法、包埋法（1 1）吸附法吸附法 吸附法是利用载体与微生物吸附法是利用载体与微生物细胞

16、间简单的细胞间简单的物理吸附物理吸附进行固定，即将菌进行固定，即将菌悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜上。也可借助于载体和细胞表面的龙网膜上。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，将细胞吸附在离子交换树脂膜上。此法最早被采用，其上。此法最早被采用，其优点优点是是对微生物对微生物无毒害，操作简便无毒害，操作简便；其；其缺点缺点是是微生物易泄微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差漏损失，造成传感器稳定性差。 （2 2）共价交联法共价交联法 这种方法是通过这种方法是通过交联剂把活细交联剂把活细胞以共价键结合到载体上胞以共价键

17、结合到载体上。交联剂交联剂有异氰酸盐、氨有异氰酸盐、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，故其应用受到一定限制。制。 （3 3）包埋法包埋法 包埋法是最常用的固包埋法是最常用的固定化微生物的方法。该法是定化微生物的方法。该法是将微生将微生物活细胞包埋于适当的立体网状材物活细胞包埋于适当的立体网状材料中料中，常用的，常用的包埋材料包埋材料有聚丙烯酰有聚丙烯酰胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯

18、酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一种。的一种。 该法的该法的优点优点是是对微生物细胞活性影响较小对微生物细胞活性影响较小, ,微生物不微生物不易流失易流失, ,膜的孔径和几何形状可以控制膜的孔径和几何形状可以控制, ,膜稳定性高膜稳定性高, ,可可长时间储藏长时间储藏。缺点缺点是是分子过大的底物在凝胶网格内扩散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。4.2 4.2 微生物传感器的电化学装置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。在氧电极是广泛应用于微生物传感器的换能器。在Clar

19、kClark型型电极情况下，几何构型十分重要。特别是在阴极和膜之间电极情况下，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，以保证良好的线性和低的电解质层的厚度必须是紧密的，以保证良好的线性和低的背景电流。的背景电流。ClarkClark电极分为电极分为极谱电极极谱电极和和电流电极电流电极两种。两种。极谱电极极谱电极 由浸入由浸入同一饱和氯化钾溶液同一饱和氯化钾溶液的的铂阳极铂阳极和和银阴极银阴极构成。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

20、溶解氧浓度成比例。电流电极电流电极 有一个有一个引导阳极和一个阴极产生电势差引导阳极和一个阴极产生电势差，因此，它是，因此，它是 一种自装置的电极，不需外供电压。这类电极简单且一种自装置的电极，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。 此外，微生物传感器中应用的此外，微生物传感器中应用的换能器换能器还有还有燃料电池燃料电池型电极型电极( (氢气检测氢气检测) )、二氧化碳电极二氧化碳电极，氨电极氨电极、pHpH电极电极，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

21、较广，但不足的是它们对其他污染物有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。主要有：有：热敏电阻热敏电阻：将：将固定化微生物膜与一热敏电阻紧连固定化微生物膜与一热敏电阻紧连，测，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。光探测器光探测器：将：将光合细菌与光探测器光合细菌与光探测器（例如光电倍增管（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。4.3 4.3 微生物传感器的组

22、装微生物传感器的组装 Clark Clark氧电极由一个氧电极由一个聚四氟乙烯膜聚四氟乙烯膜，一个一个铂阴极铂阴极，一个，一个铝阳极铝阳极和和饱和氯酸饱和氯酸钾电解质钾电解质组成，将固定化微生物膜放组成，将固定化微生物膜放置在聚四氟乙烯膜上，用置在聚四氟乙烯膜上，用O O型圈固定透型圈固定透析膜使它紧紧地包住电极即组装成微析膜使它紧紧地包住电极即组装成微生物传感器。生物传感器。 5、微生物传感器的测定系统、微生物传感器的测定系统5.1 5.1 批式测定系统批式测定系统 传感器置于一恒温、循环水外套中，室内传感器置于一恒温、循环水外套中，室内含有含有5050毫升的毫升的0.05mol/L0.05

23、mol/L，pH7.0pH7.0磷酸缓冲液、磷酸缓冲液、缓冲液用溶解氧饱和（通气速度缓冲液用溶解氧饱和（通气速度200ml/min200ml/min）并在测量期间电磁搅拌。用数字万用表和电子并在测量期间电磁搅拌。用数字万用表和电子记录仪测量氧电极输出的电流。记录仪测量氧电极输出的电流。 当输出电流变得稳定时，将当输出电流变得稳定时，将100l100l样品溶液注射入样品溶液注射入传感器室，下图给出了一个典型的电极响应曲线。传感器室，下图给出了一个典型的电极响应曲线。 稳态稳态表明细菌氧的消耗速率和氧的扩散速率从表明细菌氧的消耗速率和氧的扩散速率从溶液到膜是相等的，溶液到膜是相等的，稳态取决于葡萄

24、糖浓度稳态取决于葡萄糖浓度。当电极从试样液移出放入无葡萄糖的溶液时，当电极从试样液移出放入无葡萄糖的溶液时，微生物电极的电流逐渐增加并重新回到初水平微生物电极的电流逐渐增加并重新回到初水平。 在时间为在时间为0 0时的电流是在用时的电流是在用溶解氧饱和的样液中的葡溶解氧饱和的样液中的葡萄糖，于是由细菌消耗氧萄糖，于是由细菌消耗氧而引起溶解氧的减少，直而引起溶解氧的减少，直至达到稳态。至达到稳态。5.2 5.2 流动测定系统流动测定系统 流室温度通过流室温度通过将温水流过夹套而将温水流过夹套而维持维持30,30,用溶解氧用溶解氧饱和的饱和的0.01mol/min0.01mol/min与与250m

25、ol/min250mol/min的流的流速与空气同时流入速与空气同时流入流室，当电极达到流室，当电极达到稳态时，样品以稳态时，样品以0.2mol/min0.2mol/min的流速的流速在在2020分钟内注射入分钟内注射入流体室，注射间隙流体室，注射间隙6060分钟。分钟。 一般来说，微生物传感器具有较长的使用寿命，一般来说，微生物传感器具有较长的使用寿命，但其保养也是十分重要的。但其保养也是十分重要的。正常情况下正常情况下，微生物传，微生物传感器应贮存于感器应贮存于无营养物、无营养物、40的磷酸缓冲液的磷酸缓冲液中，中，以以保持固定化微生物的活性无明显变化保持固定化微生物的活性无明显变化。如果

26、。如果活性降活性降低低，则，则必须将传感器浸入营养介质一定时间直至新必须将传感器浸入营养介质一定时间直至新细胞生长而活性重新恢复细胞生长而活性重新恢复。此外，因不能试用抗菌。此外，因不能试用抗菌试剂（例如叠氮化钠、抗菌素等），所以防止污染试剂（例如叠氮化钠、抗菌素等），所以防止污染比酶生物传感器就显得更为重要。比酶生物传感器就显得更为重要。6、微生物传感器的应用、微生物传感器的应用 1975 年年Divies制成了第制成了第1支微生物传感器，支微生物传感器，到目前，微生物传感器可测定物质已达六七十种。到目前，微生物传感器可测定物质已达六七十种。 微生物传感器微生物传感器不仅可以测定单一成分物质

27、，不仅可以测定单一成分物质，如葡萄糖等各类碳水化合物、甲酸等各类有机酸、如葡萄糖等各类碳水化合物、甲酸等各类有机酸、硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等，还可硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等，还可以以测定多种化合物的总量和集合效应测定多种化合物的总量和集合效应。 在在发酵工业领域发酵工业领域，微生物传感器已应用于，微生物传感器已应用于原材料、原材料、代谢产物的测定代谢产物的测定。应用微生物传感器可不受发酵过。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。浊程度的限制。在在生物工程领域生物工程领域，微生物传感

28、器已用于，微生物传感器已用于酶活性的测酶活性的测定定。微生物传感器还能用于。微生物传感器还能用于测定微生物的呼吸活性测定微生物的呼吸活性，在在微生物的简单鉴定微生物的简单鉴定、生物降解物的确定生物降解物的确定、微生物的微生物的保存方法的选择保存方法的选择等方面也有应用。等方面也有应用。在在医学领域医学领域里，着眼于里，着眼于致癌物质对遗传因子的变致癌物质对遗传因子的变异诱发性异诱发性，人们，人们利用微生物传感器对致癌物质进行利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选一次性筛选。 环境监测领域环境监测领域是微生物传感器应用最广泛的领域，是微生物传感器应用最广泛的领域，其典型代表是其典型代表是BOD

29、 传感器。它可以传感器。它可以测定水中可生物测定水中可生物降解有机物的总量即生化需氧量降解有机物的总量即生化需氧量。另外，微生物遇到。另外，微生物遇到有害离子有害离子CN- ，Ag+ ，Cu2+等会产生中毒效应，可利等会产生中毒效应，可利用这一性质，用这一性质，实现对废水中有毒物质的评价实现对废水中有毒物质的评价。微生物。微生物传感器传感器还可应用于测定多种污染物还可应用于测定多种污染物：NOx 气体传感器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；酚微生物传感器器用于测定煤气管道中含硫化合物；酚微生物传感器能够快速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水能够快速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。中的酚。 7、微生物传感器的应用实例、微生物传感器的应用实例Title: Microbial BOD sensor for monitoring treatment of wastewater from a rubber latex industryAuthors: Ampai Kumlanghan , Proespichaya K