生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應用分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

生物傳感器的研究現(xiàn)狀及應用分析研究環(huán)境工程專業(yè)摘要：簡述了生物傳感器的基本概念和原理、尤其是微生物傳感器近年來在發(fā)酵工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測領域中的研究與應用。并且介紹了生物傳感芯片。生物電極是以固定化生物體組成作為分子識別元件的敏感材料，與氧電極、膜電極和燃料電極等構成生物傳感器，發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品監(jiān)測、醫(yī)學等方面得到廣泛的應用。生物傳感器專一性好、易操作、設備簡單、測量快速準確、適用范圍廣。隨著固定化技術的發(fā)展，生物傳感器在市場上具有極強的競爭力。關鍵詞：基本概念、發(fā)展特點、生物傳感器、生物傳感器芯片、發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測。生物傳感器芯片德國億恒科技與德國馬克斯·普朗克生化研究所合作，直接將被稱為“神經(jīng)芯片”的最新開發(fā)的生物傳感器芯片與活性神經(jīng)細胞相接觸，成功地讀取到了細胞產(chǎn)生的電信號。據(jù)稱，“神經(jīng)芯片”記錄了由蝸牛大腦中提取的神經(jīng)細胞產(chǎn)生的電信號。由于神經(jīng)細胞之間通過電脈沖進行信息交流，因此通過讀取和記錄這些信息，有望為神經(jīng)學流程帶來新的思路。“神經(jīng)芯片”的尺寸為5毫米×6毫米，在１平方毫米的面積中集成了128×128個傳感器。在各傳感器的下面嵌入處理電路，對神經(jīng)細胞產(chǎn)生的微弱信號進行放大和處理。每個神經(jīng)細胞均被浸入到傳感器陣列上的培養(yǎng)液中，因此能夠使神經(jīng)細胞保持活性狀態(tài)，并能重新構筑神經(jīng)組織。由此一來，可以在數(shù)周時間內(nèi)在不破壞神經(jīng)組織的情況下觀察神經(jīng)組織，能夠連續(xù)地觀察神經(jīng)系統(tǒng)和大腦是如何學習、處理和記憶的。大家對生物傳感器芯片產(chǎn)生興趣了嗎？那我為大家簡單介紹介紹!1.生物傳感器的基本概念：生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經(jīng)濟發(fā)展中，生物傳感器技術必將是介于信息和生物技術之間的新增長點，在國民經(jīng)濟中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護以及生物技術、生物芯片等研究中有著廣泛的應用前景。各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數(shù)種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。[1]2.生物傳感器的原理:待測物質經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度[2]。3.未來生物傳感器幾大特點

近年來，隨著生物科學、信息科學和材料科學發(fā)展的推動，生物傳感器技術飛速發(fā)展。可以預見，未來的生物傳感器將具有以下特點。功能多樣化：未來的生物傳感器將進一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領域。目前,

生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器,即仿生傳感器。

微型化：隨著微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。智能化與集成化：未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學、更準確地提供結果，實現(xiàn)采樣、進樣、結果一條龍,形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時,

芯片技術將越來越多地進入傳感器領域,實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命:生物傳感器技術的不斷進步,必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和延長壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器場化、商品化的進程[3]。4.

研究現(xiàn)狀及主要應用領域

Clark和Lyons在1962年最先提出生物傳感器。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。在最初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，其應用受到一定的限制。近些年來，微生物固定化技術的不斷發(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別元件，與酶電極相比有其獨到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點。此外，還可以同時利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復雜反應。而目前，光纖生物傳感器的應用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈式反應技術(PCR)的發(fā)展，應用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。

4.1食品工業(yè)生物傳感器可以用來檢測食品中營養(yǎng)成分和有害成分的含量、食品的新鮮程度等。如已經(jīng)開發(fā)出來的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖含量，從而衡量水果的成熟度。采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸含量。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的應用。[4]4.2醫(yī)學領域

生物傳感器在醫(yī)學領域也發(fā)揮著越來越大的作用：臨床上用免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中的各種化學成分，為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)；在軍事醫(yī)學中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素。生物傳感器還可以用來測量乙酸、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。[5]一種能在人體內(nèi)自由穿梭的新型納米生物傳感器專用材料，近日由華東理工大學和上海第二醫(yī)科大學附屬瑞金醫(yī)院科研人員聯(lián)合研制成功，為腫瘤普查提供了更為先進的手段。目前，這項成果已申請了國家專利。該項目負責人、華東理工大學分析測試中心主任藍閩波教授介紹，這是一種由有機化合物制成的納米級材料，直徑僅為一米的十億分之一，可以像藥水一樣順著注射器“流”入人體血管，充當傳感器的“神經(jīng)”。遙控這些“神經(jīng)”的新型生物傳感器，是生物體內(nèi)的氧信號。通常，正常組織中的氧濃度約為1%至2%，長了腫塊的部位比2%略高，而如果是惡性腫瘤，這一數(shù)字則要接近3%?！敖柚@種微小差別，傳感器就能輕而易舉地進行腫瘤普查。[6]4.3生物傳感器在發(fā)酵工業(yè)中的運用各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測定。因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質，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定。而應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，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備簡單的特點使其具有極大的優(yōu)勢。（1）原材料及代謝產(chǎn)物的測定微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測定。測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，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。[7]在各種原材料中葡萄糖的測定對過程控制尤其重要，用熒光假單細胞代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進行檢測，可以估計葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測定結果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復實用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。[7]當乙酸用作碳源進行微生物培養(yǎng)時，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母，透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測定乙酸的濃度。[7]此外，還有用大腸桿菌組合二氧化碳氣敏電極，可以構成測定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細胞固定化在膠原蛋白膜內(nèi)，由細菌―膠原蛋白膜反應器和組合式玻璃電極構成的微生物傳感器可應用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測定等等。[7](2)

微生物細胞總數(shù)的測定在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測定細胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽極表面，細菌可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學系統(tǒng)已應用于細胞數(shù)目的測定，其結果與傳統(tǒng)的菌斑計數(shù)法測細胞數(shù)是相同的[8]。(3)代謝試驗的鑒定傳統(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)基上的生長情況進行的。這些實驗方法需要較長的培養(yǎng)時間和專門的技術。微生物對底物的同化作用可以通過其呼吸活性進行測定。用氧電極可以直接測量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來測定微生物的代謝特征。這個系統(tǒng)已用于微生物的簡單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測定、廢水中可被生物降解的物質估計、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[9]。4.4環(huán)境監(jiān)測領域

(1).

生化需氧量的測定

生化需氧量的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標。常規(guī)的BOD測定需要5天的培養(yǎng)期，操作復雜、重復性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，所以迫切需要一種操作簡單、快速準確、自動化程度高、適用廣的新方法來測定。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成微生物傳感器用于測量BOD，其重復性在±10%以內(nèi)。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD的測定，其測量最小值可達2mg/l，所用時間為5min。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。并且其菌株可長期干燥保存，浸泡后即恢復活性，為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法。除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個傳感器系統(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+、現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理(即以TiO2作為半導體，用6W燈照射約4min)后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測量[10]。。同時，一種緊湊的光學生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細菌(Pseudomonas

fluorescens)用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應器的底層，該測量方法既迅速又簡便，在4℃下可使用六周，已經(jīng)用于工廠廢水處理的過程中[10]。(2)各種污染物的測定常用的重要污染指標有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質與致變物質、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測量各類污染物的生物傳感器并已投入實際應用中了。測量氨和硝酸鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細菌和氧電極組合構成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx-)，它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的NOx-進行了測量，其效果較好[11]。硫化物的測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℃時一周測量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，其設備簡單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量，所用細菌是Chromatium.sp.與氫電極連接構成[12]。最近科學家們在污染區(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細菌，此種細菌含有熒光基因，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^遺傳工程的方法將這種基因導入合適的細菌內(nèi)，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測。現(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導入大腸桿菌中，用來檢測砷的有毒化合物[13]。水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細菌從西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來，以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監(jiān)測極限為110-9mol。該傳感器工作的最適條件為：pH=7.4,35℃，連續(xù)工作時間為30h[14]。還有一種假單胞菌屬)制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細胞固定在凝膠(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胞在凝膠中的交聯(lián)，長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結束后很快的恢復敏感元件的活性[14]。除此之外，污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設計了一個完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細菌體內(nèi)的一個操縱子在一個銅誘導啟動子的控制下導入產(chǎn)堿桿菌屬細菌中，細菌在銅離子的誘導下發(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中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量范圍廣、儲藏穩(wěn)定性強的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達到最低測量濃度110-9mol[15]。5.總結本文介紹了生物傳感器的概念、原理和未來發(fā)展的特點。而后借用了別人的研究成果尤其是國外的關于生物傳感器的最新的技術像大家粗略的介紹了很多種最新的生物傳感器，著重介紹了在發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境檢測中許多生物傳感器的最新的技術和應用。生物傳感器未來發(fā)展的前景很廣闊，是很有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)。今后的應用會非常的廣泛。智能化的生物傳感器可以代替很多以往很復雜的監(jiān)測過程，讓我們更加省力的監(jiān)測環(huán)境。不止這些，很多行業(yè)中如發(fā)酵、食品中都會有廣闊的運用前景。在醫(yī)藥學中腫瘤的偵察可以通過傳感器來實現(xiàn)是目前的新技術，上文已有介紹，在此就不贅述了。對于生物傳感器的發(fā)展前景我表示非常的樂觀，將來會通過很多科學家的不斷努力與創(chuàng)新，生物傳感器的用途會進一步被發(fā)展，應用的范圍也會更加的廣泛。我們都將從中獲益。我所介紹的最新傳感器技術的書籍，有興趣的同學可以翻閱。本人只是羅列了最新技術在發(fā)表的書籍，所以以上這篇文章也只是向大家介紹了很多種生物傳感器。由于本人并無實驗條件所以論文也只能像大家介紹些最新的技術請見諒。參考文獻[1]楊玉星,生物醫(yī)學傳感器與檢測技術,化學工業(yè)出版社,北京,2005-09:3-10[2]劉亮,先進傳感器及其應用,化學工業(yè)出版社,北京,2005-06:20-25[3]王雪文,張志勇,傳感器的應用,化學工業(yè)出版社,2004-03:65-75[4]崔大付,陳翔,生物傳感器的研究和發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2003,01:55-57[5]馮德榮,生物傳感器與國家標準中的食品分析方法,/file3.htm[6]LethS,MaltoniS,SimkusR,etc.Engineeredbacteriabasedbiosensorsformonitoringbioavailableheavymetal[J].Electroanalysis,2002，14(1):35-42[7](英)布萊恩R.埃金絲著,李安譯,微生物傳感器,化學工業(yè)出版社,北京,2005,7:25-28[8]韓樹波,郭光美,李新等,伏安型細菌總數(shù)生物傳感器的研究與應用[J],華夏醫(yī)學,2000,63(2):25-52

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