微生物传感器的和应用

摘 要：微生物传感器的发展为生物学研究提供了一个多选择、灵活度高、低成本、易操作的环境平台,其工作原理就是将微生物活细胞或者是细胞碎片作为敏感元件,利用微生物体内的各种酶系及代谢系统（还可以结合电化学换能器）来进行相应底物的测验及识别功效.由于微生物传感器具有在复杂体系中进行在线连续监测的优势,使得其在如今的临床医学、食品分析、工业发酵、环境检测等领域上具有广泛的发展前景和应用空间.

关 键 词：微生物传感器检测识别功能发展前景和应用空间

中图分类号：Q819文献标识码：A文章编号：1672-5336（2015）02-0080-01

微生物传感器是由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成,以微生物活体作为分子识别敏感材料固定于电极表面构成的一种生物传感器.微生物传感器是使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件与电化学换能器来制备的生物传感器.由于微生物传感器的核心部分是具有生物活性的微生物细胞,与基于酶的生物传感器相比,微生物传感器不需要昂贵的纯化过程,微生物在其数量、大小、繁殖、遗传改造等方面均具有独特的优势,因此可以满足环境监测中快速简单、原位、低成本的要求.

随着微生物固定化技术的发展,微生物传感器是生物学研究的一个重要突破,因为其不仅为微生物细胞中的酶提供了自然环境以提高酶的活性及稳定性,还减免了酶纯化以及辅助因素再生的步骤,也就进一步的降低了生物学研究的成本；另一方面微生物传感器的生物学成分还可通过浸入生长基内使之实现再生.现今,微生物传感器已经能广泛的应用于地表水、生活污水以及部分工业废水的检测以及其他领域,具有较大运用空间.

1微生物传感器的构造及工作原理

1.1微生物传感器的构造

微生物传感器是由固定化微生物、信号转换器（换能器和信号输出装置）两部分组成.固定化微生物是对微生物进行信息捕捉的元件,同时也能影响到传感器的整体性能.固体化微生物的使用前提是要将微生物限制在一定的空间使微生物的成分不至于流失,还要求微生物的活性及机械性能保持良好的状态.总之,固体化技术是影响传感器的稳定度、灵敏度及使用寿命的核心部件.而换能器则包括O2电极、CO2电极（均为电化学电极）以及离子选择电波等.现今的换能器如离子敏场效应管可谓是发展新型微生物传感器的有效手段.

1.2微生物传感器的工作原理

微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程时,将会消耗溶液中的溶解氧或者产生电活性物质.在微生物数量及活性未产生变动的情况下,其所消耗的物质的量能够反映出被检测物质的含量,然后再用气体敏感膜电极或离子选择电极、微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化量.一般情况下,微生物电极可分为电流型微生物电极和电位型微生物电极两种类型,但根据微生物与底物的作用原理,又可分为测定呼吸活性型微生物电极和测定代谢物质型微生物电极.

2微生物传感器的发展及应用

2.1微生物传感器的应用实例简述

（1）应用于生物工业（发酵工程、酶工程、细胞培养、食品检测等）,微生物传感器已用检测于原材料、代谢产物.并且,微生物传感器不会受到外界环境或者是工作过程中常有的干扰物质的影响,也不会收到发酵液浑浊程度的限制.自1975年Devis制成了第一支微生物传感器以来,微生物传感器研制的关键技术在于微生物的固定,传统的生物材料固定方法包括物理吸附、共价键合、交联到一定的载体基质上或包埋于有机聚合物的基质中,然而这些方法都存在稳定期短和固定时引起微生物的损伤等缺陷,从而限制了微生物传感器的发展.纳米技术的出现提供另一种更好的固定方法,纳米材料特有的光、电、磁、催化等性能,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注,这些进步推动了微生物传感器的发展.HIikuma于1979年使用固定化毛孢菌制作而成的醇电极完成了对发酵罐中醇的测定；1989年,张先恩等人实现了对蔗糖低分子糖的测定―通过将酿酒酵母菌固定在氧电极表面；等等案例都可以说明其在生物工业中的运用之广.

（2）微生物传感器还能对环境进行监测,其工作原理就是将活细胞作为探测单元,利用微生物的新陈代谢特点对污染物进行检测分析.早在1977年,Karube就用骨胶原将土壤中的微生物固定在氧电极上以检测污水的生化耗氧量,而现今,微生物传感器的研究主要是利用基因工程的方法和技术来检测污染物.

（3）在临床医学研究中,就有许春向运用过半微分循环伏安法进行了白血病人身上的白细胞与正常者的白细胞进行了识别,而后可以利用微生物传感器来对病变细胞进行筛选达到治疗检查的效果,这是医学史上的一次重大突破,也运用了微生物传感器原理来实施的.

2.2微生物传感器的发展前景

现今,微生物传感器还存在两大阻碍发展因素：（1）细胞的电化学响应信号较为微弱,仪器设备精确度以及灵敏度不高以至于细胞检测难以实行,（2）大部分的细胞电化学响应机理不明确,目前仅能通过使用电子传递媒介或修饰电极来使电化学响应信号增强.不过,近年来,微生物传感器已在各个领域得到广泛的运用,主要是因其检测能力被大家所认同.许多传感器目前还是处在研究阶段,而微生物传感器的稳定性及使用期限又是收到检测对象所含重金属或是有毒有机物体的影响,这也是微生物传感器研究制作时所需考虑的因素.另外,在研究传感器时还需考虑到的因素有固体化技术的创新、微生物育种、基因工程以及细胞融合技术等.随着科学经济的快速发展,微生物传感器的研究与发展也必定会随着新型技术的发展而趋于高科技、高效耐毒、微型智能化.

3结语

微生物传感器的发展和广泛应用将能够在实际生活中发挥很重要的作用,但前提是,需要不断地加强微生物传感器的性能及检测结果的精准度.微生物传感器成为大众普及的仪器设备,就因为微生物传感器具有足够的敏感度和精确度、操作简单便捷、性价比高、构造简单.目前,微生物传感器的应用空间广泛,多重领域的涉及,也就势必会需要其长久耐用,符合生物工程、环境监测及临床医学使用规范.