生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用分析介紹

    一、 引言

    從1962年，Clark和Lyons先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40 年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。在初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價(jià)格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應(yīng)用受到一定的限制。

    近些年來(lái)，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識(shí)別元件，與酶電極相比有其獨(dú)到之處。它可以克服價(jià)格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。此外，還可以同時(shí)利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而且隨著聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的發(fā)展，應(yīng)用PCR的DNA生物傳感器也越來(lái)越多。

    二、 研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域

    1、 發(fā)酵工業(yè)

    各種生物傳感器中，微生物傳感器適合發(fā)酵工業(yè)的測(cè)定。因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中常存在對(duì)酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測(cè)定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時(shí)，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)使其具有極大的優(yōu)勢(shì)。

    （1）。 原材料及代謝產(chǎn)物的測(cè)定

    微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測(cè)定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測(cè)定。測(cè)量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，通過(guò)測(cè)量氧電極電流的變化量來(lái)測(cè)量氧氣的減少量，從而達(dá)到測(cè)量底物濃度的目的。

    在各種原材料中葡萄糖的測(cè)定對(duì)過(guò)程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonas fluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過(guò)氧電極進(jìn)行檢測(cè)，可以估計(jì)葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測(cè)定結(jié)果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復(fù)實(shí)用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。

    當(dāng)乙酸用作碳源進(jìn)行微生物培養(yǎng)時(shí)，乙酸含量高于某一濃度會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)，因此需要在線測(cè)定。用固定化酵母（Trichosporon brassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測(cè)定乙酸的濃度。

    此外，還有用大腸桿菌（E.coli）組合二氧化碳?xì)饷綦姌O，可以構(gòu)成測(cè)定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細(xì)胞固定化在膠原蛋白膜內(nèi)，由細(xì)菌膠原蛋白膜反應(yīng)器和組合式玻璃電極構(gòu)成的微生物傳感器可應(yīng)用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測(cè)定等等。

    （2）。 微生物細(xì)胞總數(shù)的測(cè)定

    在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測(cè)定細(xì)胞數(shù)目的簡(jiǎn)單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)極表面，細(xì)菌可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定，其結(jié)果與傳統(tǒng)的菌斑計(jì)數(shù)法測(cè)細(xì)胞數(shù)是相同的[1].

    （3）。 代謝試驗(yàn)的鑒定

    傳統(tǒng)的微生物代謝類型的鑒定都是根據(jù)微生物在某種培養(yǎng)基上的生長(zhǎng)情況進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)方法需要較長(zhǎng)的培養(yǎng)時(shí)間和專門的技術(shù)。微生物對(duì)底物的同化作用可以通過(guò)其呼吸活性進(jìn)行測(cè)定。用氧電極可以直接測(cè)量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來(lái)測(cè)定微生物的代謝特征。這個(gè)系統(tǒng)已用于微生物的簡(jiǎn)單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測(cè)定、廢水中可被生物降解的物質(zhì)估計(jì)、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗(yàn)、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2].

    2、 環(huán)境監(jiān)測(cè)

    （1）。 生化需氧量的測(cè)定

    生化需氧量（biochemical oxygen dem–BOD）的測(cè)定是監(jiān)測(cè)水體被有機(jī)物污染狀況的常用指標(biāo)。常規(guī)的BOD測(cè)定需要5天的培養(yǎng)期，操作復(fù)雜、重復(fù)性差、耗時(shí)耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，所以迫切需要一種操作簡(jiǎn)單、快速、自動(dòng)化程度高、適用廣的新方法來(lái)測(cè)定。目前，有研究人員分離了兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2，并將其固定在玻璃碳極上以構(gòu)成微生物傳感器用于測(cè)量BOD，其重復(fù)性在±10%以內(nèi)。將該傳感器用于測(cè)量紙漿廠污水中BOD的測(cè)定，其測(cè)量小值可達(dá)2 mg/l，所用時(shí)間為5min[3].還有一種新的微生物傳感器，用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料，在高滲透壓下可以正常工作。并且其菌株可干燥保存，浸泡后即恢復(fù)活性，為海水中BOD的測(cè)定提供了快捷簡(jiǎn)便的方法[4].

    除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來(lái)用于測(cè)定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應(yīng)時(shí)間是15min，適工作條件為30°C，pH=7.這個(gè)傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l范圍內(nèi)），并且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳感器已經(jīng)應(yīng)用于河水BOD的測(cè)定，并且獲得了較好的結(jié)果[4].

    現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過(guò)光處理（即以TiO2作為半導(dǎo)體，用6 W燈照射約4min）后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測(cè)量[5].同時(shí)，一種緊湊的光學(xué)生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來(lái)用于同時(shí)測(cè)量多重樣品的BOD值。它使用三對(duì)發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細(xì)菌（Pseudomonas fluorescens）用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層，該測(cè)量方法既迅速又簡(jiǎn)便，在4℃下可使用六周，已經(jīng)用于工廠廢水處理的過(guò)程中[5].

    （2）。 各種污染物的測(cè)定

    常用的重要污染指標(biāo)有氨、亞鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質(zhì)與致變物質(zhì)、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質(zhì)的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測(cè)量各類污染物的生物傳感器并已投入實(shí)際應(yīng)用中了。

    測(cè)量氨和鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來(lái)的硝化細(xì)菌和氧電極組合構(gòu)成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測(cè)量鹽和亞鹽（NOx-），它在鹽環(huán)境下的測(cè)量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對(duì)河口的NOx-進(jìn)行了測(cè)量，其效果較好[6].

    硫化物的測(cè)定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=2.5、31℃時(shí)一周測(cè)量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%.傳感器壽命為7天，其設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測(cè)硫化物含量，所用細(xì)菌是Chromatium.SP，與氫電極連接構(gòu)成[7].

    近科學(xué)家們?cè)谖廴緟^(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細(xì)菌，此種細(xì)菌含有熒光基因，在污染源的刺激下能夠產(chǎn)生熒光蛋白，從而發(fā)出熒光?？梢酝ㄟ^(guò)遺傳工程的方法將這種基因?qū)牒线m的細(xì)菌內(nèi)，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。現(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌（E.coli）中，用來(lái)檢測(cè)砷的有毒化合物[8].

    水體中酚類和表面活性劑的濃度測(cè)定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細(xì)菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來(lái)，以酚作為*的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對(duì)酚的監(jiān)測(cè)極限為5 ？10-9mol.該傳感器工作的適條件為：pH=7.4、35℃，連續(xù)工作時(shí)間為30h[9].還有一種假單胞菌屬（Pseudomonas rathonis）制成的測(cè)量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細(xì)胞固定在凝膠（瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽）和聚乙醇膜上，可以用層析試紙GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物細(xì)胞在凝膠中的交聯(lián)，長(zhǎng)距離的保持它們?cè)诟邼舛缺砻婊钚詣z測(cè)中的活性和生長(zhǎng)力。該傳感器能在測(cè)量結(jié)束后很快的恢復(fù)敏感元件的活性[10].

    還有一種電流式生物傳感器，用于測(cè)定有機(jī)磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對(duì)硝基酚和二乙基酚的測(cè)量極限為100？10-9mol，在40℃只要4min[11].還有一種新發(fā)展起來(lái)的磷酸鹽生物傳感器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動(dòng)系統(tǒng)CL-FIA臺(tái)式電腦結(jié)合，可以檢測(cè)（32~96）？10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩周以上，重復(fù)性高[12].

    近，有一種新型的微生物傳感器，用細(xì)菌細(xì)胞作為生物組成部分，測(cè)定地表水中壬基酚（nonyl-phenol etoxylate ——NP-80E）的含量。用一個(gè)電流型氧電極作傳感器，微生物細(xì)胞固定在氧電極上的透析膜上，其測(cè)量原理是測(cè)量毛孢子菌屬（Trichosporum grablata）細(xì)胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應(yīng)時(shí)間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測(cè)定時(shí)）。在濃度范圍0.5~6.0mg/l內(nèi)，電信號(hào)與NP-80E濃度呈線性關(guān)系，很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測(cè)[13].

    除此之外，污水中重金屬離子濃度的測(cè)定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測(cè)量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測(cè)定的監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細(xì)菌（Vibrio fischeri）體內(nèi)的一個(gè)操縱子在一個(gè)銅誘導(dǎo)啟動(dòng)子的控制下導(dǎo)入產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌（Alcaligenes eutrophus （AE1239））中，細(xì)菌在銅離子的誘導(dǎo)下發(fā)光，發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質(zhì)中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測(cè)量范圍廣、儲(chǔ)藏穩(wěn)定性強(qiáng)的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達(dá)到低測(cè)量濃度1？10-9mol[14].

    還有一種專門測(cè)量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母（Saccharomyces cerevisiae）重組菌株作為生物元件，這些菌株帶有酒釀酵母CUP1基因上的銅離子誘導(dǎo)啟動(dòng)子與大腸桿菌lacZ基因的融合體。其工作原理，首先是CUP1啟動(dòng)子被Cu2+誘導(dǎo)，隨后乳糖被用作底物進(jìn)行測(cè)量。如果Cu2+存在于溶液中，這些重組體細(xì)菌就可以利用乳糖作為碳源，這將導(dǎo)致這些好氧細(xì)胞需氧量的改變。該生物傳感器可以在濃度范圍（0.5~2）？10-3mol范圍內(nèi)測(cè)定CuSO4溶液。目前已經(jīng)將各類金屬離子誘導(dǎo)啟動(dòng)子轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，使得大腸桿菌會(huì)在含有各種金屬離子的的溶液中出現(xiàn)發(fā)光反應(yīng)。根據(jù)它發(fā)光的強(qiáng)度可以測(cè)定重金屬離子的濃度，其測(cè)量范圍可以從納摩爾到微摩爾，所需時(shí)間為60~100min[15][16].

    用于測(cè)量污水中鋅濃度的生物傳感器也已經(jīng)研制成功，使用嗜堿性細(xì)菌Alcaligenes cutrophus，并用于對(duì)污水中鋅的濃度和生物有效性進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果令人滿意[17].

    估測(cè)河口出水流污染情況的海藻傳感器是由一種螺旋藻屬藍(lán)細(xì)菌（ cyanobacterium Spirlina subsalsa）和一個(gè)氣敏電極構(gòu)成的。通過(guò)監(jiān)測(cè)光合作用被抑制的程度來(lái)估測(cè)由于環(huán)境污染物的存在而引起水的毒性變化。以標(biāo)準(zhǔn)天然水為介質(zhì)，對(duì)三種主要污染物（重金屬、除草劑、氨基甲酸鹽殺蟲劑）的不同濃度進(jìn)行了測(cè)定，均可監(jiān)測(cè)到它們的有毒反應(yīng)，重復(fù)性和再生性都很高[18].

    近來(lái)由于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的迅猛發(fā)展及其在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的廣泛應(yīng)用，不少科學(xué)家開始著手于將它與生物傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。有一種應(yīng)用PCR技術(shù)的DNA壓電生物傳感器，可以測(cè)定一種特殊的細(xì)菌毒素。將生物素?；奶结樄潭ㄔ谘b有鏈酶抗生素鉑金表面的石英晶體上，用1？10-6mol的鹽酸可以使循環(huán)式測(cè)量在同一晶體表面進(jìn)行。用細(xì)菌中提取的DNA樣品進(jìn)行同樣的雜交反應(yīng)并由PCR放大，產(chǎn)物為氣單胞菌屬（Aeromonas hydrophila）的一種特殊基因片斷。這種壓電生物傳感器可以鑒別樣品中是否含有這種基因，這為從水樣中檢測(cè)是否含帶有這種病原的各種氣單胞菌提供了可能[19].

    還有一種通道生物傳感器可以檢測(cè)浮游植物和水母等生物體產(chǎn)生的腰鞭毛蟲神經(jīng)毒素等毒性物質(zhì)，目前已經(jīng)能夠測(cè)量在一個(gè)浮游生物細(xì)胞內(nèi)含有的極微量的PSP毒素[20].DNA傳感器也在迅速的得到應(yīng)用，目前有一種小型化DNA生物傳感器，能將DNA識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于測(cè)量水樣中隱孢子和其他水源傳染體。該傳感器著重于改進(jìn)核酸的識(shí)別作用和加強(qiáng)該傳感器的特異性和靈敏性，并尋求將雜交信號(hào)轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)的新方法，目前研究工作為識(shí)別裝置和轉(zhuǎn)換裝置的一體化[21].

    微藻素是一種從藍(lán)藻細(xì)菌引起的水華中產(chǎn)生的細(xì)菌肝毒素，一種固定有表面細(xì)胞質(zhì)?；蚪M的生物傳感器已經(jīng)制得，用于測(cè)量水中微藻素的含量，它直接的測(cè)量范圍是50~1000 ？10-6g/l[22].

    一種基于酶的抑制性分析的多重生物傳感器用于測(cè)量毒性物質(zhì)的設(shè)想也已經(jīng)提出。在這種多重生物傳感器中，應(yīng)用了兩種傳導(dǎo)器對(duì)pH敏感的電子晶體管和熱敏性的薄膜電極，以及三種酶尿素酶、乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶。該生物傳感器的性能已經(jīng)得到測(cè)試，效果較好[23].

    除了發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，生物傳感器還深入的應(yīng)用于食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，主要用于測(cè)量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸，以及各種致癌和致變物質(zhì)。

    三、 討論與展望

    美國(guó)的Harold H.Weetal指出，生物傳感器商品化要具備以下幾個(gè)條件：足夠的敏感性和性、易操作、價(jià)格便宜、易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。其中，價(jià)格便宜決定了傳感器在市場(chǎng)上有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。而在各種生物傳感器中，微生物傳感器大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備簡(jiǎn)單，因此其在市場(chǎng)上的前景是十分巨大和誘人的。相比起來(lái)，酶生物傳感器等的價(jià)格就比較昂貴。但微生物傳感器也有其自身的缺點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)就是選擇性不夠好，這是由于在微生物細(xì)胞中含有多種酶引起的?，F(xiàn)已有報(bào)道加專門抑制劑以解決微生物電極的選擇性問(wèn)題。除此之外，微生物固定化方法也需要進(jìn)一步完善，首先要盡可能細(xì)胞的活性，其次細(xì)胞與基礎(chǔ)膜結(jié)合要牢固，以避免細(xì)胞的流失。另外，微生物膜的保存問(wèn)題也待進(jìn)一步的改進(jìn)，否則難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商品化。

    總之，常用的微生物電極和酶電極在各種應(yīng)用中各有其之處。若容易獲得穩(wěn)定、高活性、低成本的游離酶，則酶電極對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是的。相反的，若生物催化需經(jīng)過(guò)復(fù)雜途徑，需要輔酶，或所需酶不宜分離或不穩(wěn)定時(shí)，微生物電極則是更的選擇。而其他各種形式的生物傳感器也在蓬勃發(fā)展中，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著固定化技術(shù)的進(jìn)一步完善，隨著人們對(duì)生物體認(rèn)識(shí)的不斷深入，生物傳感器必將在市場(chǎng)上開辟出一片新的天地。