生物传感器的原理和研究现状及应用 - 图文

生物传感器的原理和研究现状及应用

摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。

关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。 一、 引言

从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。

二、 研究现状及主要应用领域 1、发酵工业

各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。 (1). 原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。 当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（Trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。

此外，还有用大肠杆菌（E.coli）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。 (2). 微生物细胞总数的测定 在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表

面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。 (3). 代谢试验的鉴定

传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。 (4). 一些酶类和菌类生物在发酵工业中的应用 1>. 酶传感器(Enzyme Sensor)

测定项目 酶 固定化使用电极 稳定性测定范围 方法 ／天 （mg/ml）

葡萄糖 100 葡萄糖氧共价 氧电极 1～5×102 化酶

30 胆固醇 胆固醇酯共价 铂电极 10～5×103

酶

青霉素 青霉素酶 包埋 PH电极 7～14 10～1×103

60 尿素 尿素酶 交联 10～1×103 铵离子电

极

30 磷脂 磷脂酶 共价 铂电极 102～

5×103

120 乙醇 交联 氧电极 10～5×103 乙醇氧化

酶

120 尿酸酶 交联 氧电极 10～1×103 尿酸

L一谷氨谷氨酸脱吸附

酸 氨酶

谷酰胺酶 吸附 L一谷酰

胺

L一酪氨L一酪氨酸吸附 酸 脱羧酶

2>.微生物传感器(Microorganism Sensor)

铵离子电极 铵离子电极 二氧化碳电极

2

10～1×104

2 10～1×104

20 10～1×104

测定项目 微生物 测定电极

O2 荧光假单胞菌 葡萄糖

O2 芸苔丝孢酵母 乙醇

O2 硝化菌 亚硝酸盐

维生素B12 O2 大肠杆菌

谷氨酸 CO2 大肠杆菌

赖氨酸 CO2 大肠杆菌

维生素B1 发酵乳杆菌 燃料电池

甲酸 梭状芽胞杆菌 燃料电池

pH 费式柠檬酸细菌 头孢菌素

pH 阿拉伯糖乳杆菌 烟酸

2、 环境监测

(1).水质分析：典型应用—生化需氧量的测定

检测范围（mg/L） 5～200 5～300 51～200 8～800 10～100 0.01～10 1～300

生化需氧量（biochemical oxygen demand –BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2 mg/l，所用时间为5min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。 除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°C，pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果[3]。现在有一种将BOD生物传感器经过光处理（即以TiO2作为半导体，用6 W灯照射约4min）后，

灵敏度大大提高，很适用于河水中较低BOD的测量。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（Pseudomonas fluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中。

德国研发的环境废水BOD分析仪

(2). 各种污染物的测定

常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。

测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NOx-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好。

硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium.SP，与氢电极连接构成[4]。

除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分

析系统。将弧菌属细菌（Vibrio fischeri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（Alcaligenes eutrophus (AE1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1′10-9mol。

还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（Saccharomyces cerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。其工作原理，首先是CUP1启动子被Cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果Cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围(0.5~2)′10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60~100min。

用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌Alcaligenes cutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意。

估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（ cyanobacterium Spirlina subsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高[18]

近来由于聚合酶链式反应技术（PCR）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上，用1′10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的DNA样品进行同样的杂交反应并由PCR放大，产物为气单胞菌属（Aeromonas hydrophila）的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能。

还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的PSP毒素。DNA传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化DNA生物传感器，能将DNA识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化。 3、 在食品工业中的应用[5] （1）.检测食品鲜度 1>.鱼鲜度传感器

鱼、贝类水产品的鲜度是评价其质量的重要指标。鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。因此有人提出用K值表示鲜度： 肌苷+次黄嘌呤 K(%)=

ATP +ADP+AMP+IMP+肌苷+次黄嘌呤+尿酸

由于大多数鱼死后5~20小时， ATP、ADP和AMP已分解殆尽，所以鱼的鲜度主要取决于以下三个步骤：即

IMP 肌苷 次黄嘌呤 尿酸。 因此K值可简化为Ki：

肌苷 + 次黄嘌呤

Ki= ×100% IMP + 肌苷 + 次黄嘌呤 Ki值越小，鱼越新鲜。

采用催化上述三步骤的三种酶即5′-核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶固定化后制成酶膜与氧电极构成了测定鱼肉的鲜度计。电极工作原理是以次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶反应所消耗的氧量所对应的氧电极的电流改变值为基础。 2>.肉鲜度传感器

肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故测定胺类也能反应肉类的新鲜程度。Chemnititus等人用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，测定鱼肉在贮藏过程中的鲜度，响应时间40s,，测定腐胺线性范围为0.03×10-6~3 ×10-6mol/L。

Kress等人开发了一种快速测定肉类鲜度的匕首型生物传感器，其探头可现场刺入食品表面2~4mm深处，通过测定葡萄糖浓度评价肉类食品的新鲜度。 3>.牛乳鲜度传感器

牛乳鲜度可以通过乳中的菌数或乳酸含量来判断，牛乳鲜度传感器实际上就是一个菌数测定仪或乳酸测定仪。另外也可通过测定短链脂肪酸含量判断乳及乳制品的鲜度。 （2）.检测食品滋味及熟度

日本农林水产省研制出一种传感器，可“品尝”肉汤的风味，用于肉汤生产过程的质量控制。利用动物味觉或嗅觉器官中化学识别分子研制味觉传感器或研制仿生味觉传感器。Bussolati用从牛鼻粘膜中分离出的一种气味结合蛋白作为敏感材料，成功地对香味进行了测定，可望实现对食品中香味物质进行快速客观的评定。 （3）.在食品分析中的应用[6] 1>.检测蛋白质和氨基酸 2>.测定糖含量 3>.测定食品中醇类 4>.测定有机酸

（4）.在食品卫生检测中的应用

1>.食品中微生物的检测:腐败菌的检测

病原菌的检测：沙门氏菌、致病性大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌 2>.生物传感器检测食品中的毒素

细菌毒素、真菌毒素、藻类毒素以及动植物毒素等。 3>.生物传感器检测食品中残留农药和抗生素 有机磷农药、青霉素、磺胺等。 4>.生物传感器检测食品中的添加剂

添加剂种类繁多，如亚硝酸盐、甜味素、烟碱、苯甲酸钠等等。 4、 在生物医学上的应用[7]

（1）.生物传感器在医学中的基础应用

生物传感器在医学领域发挥着越来越大的作用: 在临床医学中, 酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶, 可制成微生物传感器。在军事医学中, 对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监

测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌和致变物质。 1>.基础研究

生物传感器可实时监测生物大分子之间的相互作用。借助于这一技术动态观察抗原、抗体之间结合与解离的平衡关系, 可较为准确地测定抗体的亲和力及识别抗原表位, 帮助人们了解单克隆抗体特性, 有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体, 而且较常规方法省时、省力, 结果也更为客观可信, 在生物医学研究方面已有较广泛的应用。如刘雪松等( 2000) 用生物传感器测定重组人肿瘤坏死因子- A单克隆抗体的亲和力及抗原识别表位。随着DNA电化学研究的深入, 以及电子技术的迅速发展, 结合了生物杂交特异性和电化学技术灵敏、简单特点的电化学DNA生物传感器已用于快电化学生物传感器测定了艾滋病和乙肝病毒的DNA片段序列。 2>.临床应用

用酶、免疫、基因传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分, 为医生的诊断提出依据。如刘芳等在石英晶体金表面固定单链DNA, 构成压电晶体HBV DNA生物传感器, 与待测样品进行杂交反应, 能准确诊断血清中的HBV病毒基因[9]。 （2）.生物传感器在军事医学中的应用

目前, 生物传感器在军事医学上主要用于化学、生物战剂的侦检。美国、瑞典在化学传感器和生物传感器方面的研究处于世界领先地位。自1980年以来, 美军一直将生物传感器列入国防关键技术研究计划。在瑞典召开的近几届国际防化学术讨论会上, 许多国家的学者将生物传感器视为新一代毒剂检测器的主要研究方向。 1>.在化学战剂检测中的应用

目前, 研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。20世纪50年代,就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法, 可检出011~015ppm的沙林。这一方法至今仍被各国普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。瑞典国防研究院所研究的侦毒纸能够检测每立方米空气中011~ 013mg 的神经性毒剂; 美军利用酶生物传感器制作对所有化学战剂都能进行快速、准确检测的自侦报警器; 荷兰的A-CAL 报警系统、英国的NAIAD报警探测器和我国的酶报警器都是利用神经性毒剂抑制胆碱酯酶的原理设计的。 2>.在生物战剂检测中的应用

美军发展的M93A1FOX核化生预警系统( NBCRS) 和XM31生物综合监测系统( BIDS) 可自动预警和检测生物战剂。它通过生物发光检测ATP; 采用流式细胞仪和不同抗原抗体反

应检测病原菌, 如炭疽芽孢杆菌、鼠疫杆菌、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B。目前, 正在开发检测布氏杆菌、土拉弗菌、蓖麻素及其他战剂的方法[10]。

5、 在军事上的应用

现代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行的战争。侦检、鉴定和检测是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于具有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10-9浓度级的生化战剂，包括委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。

（1）.在化学战剂检测中的应用

目前,研究和使用 最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。20世纪50年代,就有人设计了沙林毒剂的酶检测方法,可检出011～015ppm的沙林。这一方法至今仍被各国普遍用于神经性毒剂侦毒包和报警器中。

瑞典国防研究院所研究的侦毒纸能够检测每立方米空气中011～013mg的神经性毒剂;美军利用酶生物传感器制作对所有化学战剂都能进行快速、准确检测的自侦报警器;荷兰的A2CAL报警系统、英国的NAIAD报警探测器和我国的酶报警器都是利用神经性毒剂抑制胆碱酯酶的原理设计的。

（2）.在生物战剂检测中的应用

美军发展的M93A1FOX核化生预警系统(NBCRS)和XM31生物综合监测系统(BIDS)可自动预警和检测生物战剂。它通过生物发光检测ATP;采用流式细胞仪和不同抗原抗体反应检测病原菌,如炭疽芽孢杆菌、鼠疫杆菌、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B。目前,正在开发检测布氏杆菌、土拉弗菌、蓖麻素及其他战剂的方法。

用新方法可以快速大量制备特异性高的单克隆抗体片断。单克隆抗体与微电子技术相结合,可以成为快速检测和识别许多病原体的有用工具。这种诊断检验方法不仅是建立高效率的生物战袭击防御的先决条件,而且对生物武器公约的未来核查工作也可能成为有价值的工具。抗体传感器也已取得技术进展。20世纪80年代以来,美军开发单克隆抗体技术侦检化学战剂,其灵敏度与专一性均优于酶法侦检。

气溶胶侦察生物战剂传感器可分为两种,即非特异性异常情况报警传感器和特异性生物战剂传感器。前者以测定空气中粒子数及大小作为警报的标准,敏感快速。此类传感器包括激光远程测量及采样测定两种。后者特异性传感器利用病原微生物的免疫学特性或分子生物学特点,可特异性地准确报告病原微生物的种类,但测定样品的种类受到一定的限制,并且必须有一定的样品浓度才能报警。

美军早在1992年报道一种生物战免疫传感器,该传感器由采用荧光素标记的抗生素战剂抗体、抗生素标记的抗生物战剂抗体、尿素酶标记的抗荧光素抗体、涂有生物素的多孔醋酸纤维捕获膜、缓冲溶液、含尿素的底物溶液的检测器组成,分别用竞争法和夹心法测定单价和多价生物战剂的抗原。可在5～10min对0101～10mg/m3的生物战剂气溶胶进行检测,如检测细菌、芽胞、病毒和毒素。2000年美军报道已研制出可检测土拉弗菌、蓖麻素、肉毒毒素和葡萄球菌肠毒素B等4种生物战剂的免疫传感器。 三、 生物传感器的发展

生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。未来的生物传感器将具有以下特点。 1、微型化：

随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感

器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。 2、智能化与集成化：

未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统。同时，芯片技术将越来越多地进入传感器领域，实现检测系统的集成化、一体化。

总之，生物传感器的检测专一、灵敏、快速、简易等特点，使其便于在食品安全检测中使用，既可以被市民简单地应用于日常的食品购买中，又可以被生产者和检测部门特别食品进出口部门，应用于大规模的食品检测中[8]。

参考文献 ：

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[2]蔡豪斌.微生物活细胞检测生物传感器的研究[J]. 华夏医学，2000，13（3）：252-256 [3] 张悦,王建龙，李花子等.生物传感器快速测定BOD在海洋监测中的应用[J].海洋环境科学，2001，20(1)：50-54

[4]王晓辉，白志辉，孙裕生等.硫化物微生物传感器的研制与应用[J]. 分析试验室，2000，19（3）：83-86

[5] 陈绚，杨安．综述生物传感器及发展研究前景[J]．南昌高专学报，2005，56(1)：94-96 [6] 王辉，夏爱军．纳米金-生物酶膜在葡萄糖生物传感器上的应用[J]．潍坊高等职业教育，2006，2（2）：44-46 [7] 史建国，李延阁，周万里，刘英姿等，生物传感器在法医学中的应用[J]，《科技信息》 2012年10期

[8]刘桂平，周永春，方炎，等．我国农业污染的现状及应对建议[J]．国际技术经济研究，2006（4）：17-21

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9dxw.html