一、 引言
從1962年，Clark和Lyons最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(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，微生物傳感器最適合發(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(mén)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)物污染狀況的最常用指標(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、快速準(zhǔn)確、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)量最小值可達(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。并且其菌株可長(zhǎng)期干燥保存，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，最適工作條件為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(shù)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].
