微生物傳感器的發(fā)展和應(yīng)用

李毅　張宗申

摘要：微生物傳感器的發(fā)展為生物學(xué)研究提供了一個(gè)多選擇、靈活度高、低成本、易操作的環(huán)境平臺，其工作原理就是將微生物活細(xì)胞或者是細(xì)胞碎片作為敏感元件，利用微生物體內(nèi)的各種酶系及代謝系統(tǒng)（還可以結(jié)合電化學(xué)換能器）來進(jìn)行相應(yīng)底物的測驗(yàn)及識別功效。由于微生物傳感器具有在復(fù)雜體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)勢，使得其在如今的臨床醫(yī)學(xué)、食品分析、工業(yè)發(fā)酵、環(huán)境檢測等領(lǐng)域上具有廣泛的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：微生物傳感器 檢測識別功能 發(fā)展前景和應(yīng)用空間

中圖分類號：Q819 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5336（2015）02-0080-01

微生物傳感器是由固定化微生物、換能器和信號輸出裝置組成，以微生物活體作為分子識別敏感材料固定于電極表面構(gòu)成的一種生物傳感器。微生物傳感器是使用微生物活細(xì)胞或細(xì)胞碎片作為敏感元件與電化學(xué)換能器來制備的生物傳感器。由于微生物傳感器的核心部分是具有生物活性的微生物細(xì)胞，與基于酶的生物傳感器相比，微生物傳感器不需要昂貴的純化過程，微生物在其數(shù)量、大小、繁殖、遺傳改造等方面均具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此可以滿足環(huán)境監(jiān)測中快速簡單、原位、低成本的要求。

隨著微生物固定化技術(shù)的發(fā)展，微生物傳感器是生物學(xué)研究的一個(gè)重要突破，因?yàn)槠洳粌H為微生物細(xì)胞中的酶提供了自然環(huán)境以提高酶的活性及穩(wěn)定性，還減免了酶純化以及輔助因素再生的步驟，也就進(jìn)一步的降低了生物學(xué)研究的成本；另一方面微生物傳感器的生物學(xué)成分還可通過浸入生長基內(nèi)使之實(shí)現(xiàn)再生。現(xiàn)今，微生物傳感器已經(jīng)能廣泛的應(yīng)用于地表水、生活污水以及部分工業(yè)廢水的檢測以及其他領(lǐng)域，具有較大運(yùn)用空間。

1 微生物傳感器的構(gòu)造及工作原理

1.1 微生物傳感器的構(gòu)造

微生物傳感器是由固定化微生物、信號轉(zhuǎn)換器（換能器和信號輸出裝置）兩部分組成。固定化微生物是對微生物進(jìn)行信息捕捉的元件，同時(shí)也能影響到傳感器的整體性能。固體化微生物的使用前提是要將微生物限制在一定的空間使微生物的成分不至于流失，還要求微生物的活性及機(jī)械性能保持良好的狀態(tài)?？傊?，固體化技術(shù)是影響傳感器的穩(wěn)定度、靈敏度及使用壽命的核心部件。而換能器則包括O2電極、CO2電極（均為電化學(xué)電極）以及離子選擇電波等?，F(xiàn)今的換能器如離子敏場效應(yīng)管可謂是發(fā)展新型微生物傳感器的有效手段。

1.2 微生物傳感器的工作原理

微生物在利用物質(zhì)進(jìn)行呼吸或代謝的過程時(shí)，將會(huì)消耗溶液中的溶解氧或者產(chǎn)生電活性物質(zhì)。在微生物數(shù)量及活性未產(chǎn)生變動(dòng)的情況下，其所消耗的物質(zhì)的量能夠反映出被檢測物質(zhì)的含量，然后再用氣體敏感膜電極或離子選擇電極、微生物燃料電池檢測溶解氧和電活性物質(zhì)的變化量。一般情況下，微生物電極可分為電流型微生物電極和電位型微生物電極兩種類型，但根據(jù)微生物與底物的作用原理，又可分為測定呼吸活性型微生物電極和測定代謝物質(zhì)型微生物電極。

2 微生物傳感器的發(fā)展及應(yīng)用

2.1 微生物傳感器的應(yīng)用實(shí)例簡述

（1）應(yīng)用于生物工業(yè)（發(fā)酵工程、酶工程、細(xì)胞培養(yǎng)、食品檢測等），微生物傳感器已用檢測于原材料、代謝產(chǎn)物。并且，微生物傳感器不會(huì)受到外界環(huán)境或者是工作過程中常有的干擾物質(zhì)的影響，也不會(huì)收到發(fā)酵液渾濁程度的限制。自1975年Devis制成了第一支微生物傳感器以來，微生物傳感器研制的關(guān)鍵技術(shù)在于微生物的固定，傳統(tǒng)的生物材料固定方法包括物理吸附、共價(jià)鍵合、交聯(lián)到一定的載體基質(zhì)上或包埋于有機(jī)聚合物的基質(zhì)中，然而這些方法都存在穩(wěn)定期短和固定時(shí)引起微生物的損傷等缺陷，從而限制了微生物傳感器的發(fā)展。納米技術(shù)的出現(xiàn)提供另一種更好的固定方法，納米材料特有的光、電、磁、催化等性能，引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界及材料科學(xué)界的科學(xué)工作者的極大關(guān)注，這些進(jìn)步推動(dòng)了微生物傳感器的發(fā)展。HIikuma于1979年使用固定化毛孢菌制作而成的醇電極完成了對發(fā)酵罐中醇的測定；1989年，張先恩等人實(shí)現(xiàn)了對蔗糖低分子糖的測定—通過將釀酒酵母菌固定在氧電極表面；等等案例都可以說明其在生物工業(yè)中的運(yùn)用之廣。

（2）微生物傳感器還能對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，其工作原理就是將活細(xì)胞作為探測單元，利用微生物的新陳代謝特點(diǎn)對污染物進(jìn)行檢測分析。早在1977年，Karube就用骨膠原將土壤中的微生物固定在氧電極上以檢測污水的生化耗氧量，而現(xiàn)今，微生物傳感器的研究主要是利用基因工程的方法和技術(shù)來檢測污染物。

（3）在臨床醫(yī)學(xué)研究中，就有許春向運(yùn)用過半微分循環(huán)伏安法進(jìn)行了白血病人身上的白細(xì)胞與正常者的白細(xì)胞進(jìn)行了識別，而后可以利用微生物傳感器來對病變細(xì)胞進(jìn)行篩選達(dá)到治療檢查的效果，這是醫(yī)學(xué)史上的一次重大突破，也運(yùn)用了微生物傳感器原理來實(shí)施的。

2.2 微生物傳感器的發(fā)展前景

現(xiàn)今，微生物傳感器還存在兩大阻礙發(fā)展因素：（1）細(xì)胞的電化學(xué)響應(yīng)信號較為微弱，儀器設(shè)備精確度以及靈敏度不高以至于細(xì)胞檢測難以實(shí)行，（2）大部分的細(xì)胞電化學(xué)響應(yīng)機(jī)理不明確，目前僅能通過使用電子傳遞媒介或修飾電極來使電化學(xué)響應(yīng)信號增強(qiáng)。不過，近年來，微生物傳感器已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，主要是因其檢測能力被大家所認(rèn)同。許多傳感器目前還是處在研究階段，而微生物傳感器的穩(wěn)定性及使用期限又是收到檢測對象所含重金屬或是有毒有機(jī)物體的影響，這也是微生物傳感器研究制作時(shí)所需考慮的因素。另外，在研究傳感器時(shí)還需考慮到的因素有固體化技術(shù)的創(chuàng)新、微生物育種、基因工程以及細(xì)胞融合技術(shù)等。隨著科學(xué)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，微生物傳感器的研究與發(fā)展也必定會(huì)隨著新型技術(shù)的發(fā)展而趨于高科技、高效耐毒、微型智能化。

3 結(jié)語

微生物傳感器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用將能夠在實(shí)際生活中發(fā)揮很重要的作用，但前提是，需要不斷地加強(qiáng)微生物傳感器的性能及檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度。微生物傳感器成為大眾普及的儀器設(shè)備，就因?yàn)槲⑸飩鞲衅骶哂凶銐虻拿舾卸群途_度、操作簡單便捷、性價(jià)比高、構(gòu)造簡單。目前，微生物傳感器的應(yīng)用空間廣泛，多重領(lǐng)域的涉及，也就勢必會(huì)需要其長久耐用，符合生物工程、環(huán)境監(jiān)測及臨床醫(yī)學(xué)使用規(guī)范。

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