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1、微微生物传感器生物传感器n 生物传感器简介生物传感器简介生物传感器就是把生物成分和物理化学检测器结合在一起的设备，是由固定化的生物生物传感器就是把生物成分和物理化学检测器结合在一起的设备，是由固定化的生物敏感材料作识别敏感材料作识别元件、适当元件、适当的理化的理化换能器及换能器及信号放大装置构成的分析工具或信号放大装置构成的分析工具或系统系统生物传感器生物传感器把把待分析物种类、浓度等性质通过一系列的反应转变为容易被人们接受的待分析物种类、浓度等性质通过一系列的反应转变为容易被人们接受的量化数据，便于量化数据，便于分析分析生物传感器感受器分子识别元件换能器信号转换器件酶抗原抗体微生物细胞组织核
2、酸电化学电极热敏电阻器光电管氧电极压电晶体特异地识别各种被测物质并与之反应将感知的生物化学信号转变为可测量的电信号n 生物传感器的分类生物传感器的分类 根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件 根据生物传感器的换能器即信号转换器根据生物传感器的换能器即信号转换器生物传感器类型敏感元件酶传感器酶传感器酶酶微生物传感器微生物传感器微生物微生物细胞传感器细胞传感器细胞器细胞器组织传感器组织传感器动植物组织动植物组织免疫传感器免疫传感器抗原和抗体抗原和抗体生物传感器种类信号转换器电化学生物传感器电化学生物传感器电化学电极电化学电极半导体生物传感器半导体生物传感器半导
3、体半导体光生物传感器光生物传感器光电转换器光电转换器热生物传感器热生物传感器热敏电阻热敏电阻压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体压电晶体n 微生物传感器的优缺点微生物传感器的优缺点 优点优点 稳定性好，使用寿命长稳定性好，使用寿命长 响应迟钝时，放入培养基使活性恢复响应迟钝时，放入培养基使活性恢复 细菌细菌细胞细胞中含有中含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感器提供了方便多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感器提供了方便 有些有些酶至今尚无分离办法，可用含有该酶的细菌组成传感器酶至今尚无分离办法，可用含有该酶的细菌组成传感器 微生物传感器微生物传感器可以克服酶价格昂贵、提取困难
4、和不稳定的可以克服酶价格昂贵、提取困难和不稳定的缺点缺点 微生物细胞更容易被微生物细胞更容易被操纵且操纵且在体外具有更好的生存力和稳定性在体外具有更好的生存力和稳定性 缺缺点点 由于含有多种酶，使选择性和灵敏度受到由于含有多种酶，使选择性和灵敏度受到限制限制 底物底物需要通过细胞壁扩散，响应时间需要通过细胞壁扩散，响应时间长长n 影响微生物传感器影响微生物传感器响应的因素响应的因素影响因素0102030405PH值缓冲溶液的种类和用量微生物的用量温度与气体的影响活化剂与稳定剂n 微生物传感器的原理微生物传感器的原理 微生物传感器由微生物传感器由固定化微生物固定化微生物、换能器换能器和和信号输出
5、装置信号输出装置组成组成 利用利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定的原理实现待测物质的定量测定微生物传感器原理示意图n 微生物传感器的原理微生物传感器的原理u换能器换能器固定化微生物固定化微生物是是传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件固定化微生物的要求：固定化微生物的要求：1 1、要求、要求将将微生物限制在一定的空间微生物限制在一定的空间, ,不流失不流失 2 2、要求保持微生物的固有活性和良好的机械
6、性能、要求保持微生物的固有活性和良好的机械性能固定化技术的固定化技术的重要性重要性：决定：决定传感器的稳定性、灵敏性和使用寿命等性能指标传感器的稳定性、灵敏性和使用寿命等性能指标u固定化微生物固定化微生物 最早应用的最早应用的换能器换能器是是电化学电极电化学电极, ,主要有氧电极、二氧化碳电极主要有氧电极、二氧化碳电极等等 随后随后出现了燃料电池、光敏二极管、场效应晶体管等其他类型的出现了燃料电池、光敏二极管、场效应晶体管等其他类型的换能器换能器 离子离子敏场效应管作为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效敏场效应管作为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段手段n 微生物敏感膜的制备技
7、术微生物敏感膜的制备技术 固定化微生物固定化微生物是是传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件微生物固定化的要求：微生物固定化的要求： 固定化过程的反应条件和所用化学试剂对活细胞无害固定化过程的反应条件和所用化学试剂对活细胞无害； 固定化固定化过程适宜在无菌条件下操作过程适宜在无菌条件下操作； 固定固定后的菌稳定性要好后的菌稳定性要好微生物固定化常用的方法：微生物固定化常用的方法： 吸附吸附法法 共共价交联价交联法法 包埋包埋法法n 微生物固定化方法微生物固定化方法吸附法吸附法 吸附法是吸附法是最早最早被采用的方法被采用的方法l
8、吸附吸附法利用法利用载体与微生物细胞间简单的载体与微生物细胞间简单的物理吸附物理吸附进行固定，即将菌悬液离心，进行固定，即将菌悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜上上l 吸附吸附法法也也可借助于载体和细胞表面的可借助于载体和细胞表面的静电作用静电作用，将细胞吸附在离子交换树脂膜，将细胞吸附在离子交换树脂膜上上 优点：对优点：对微生物无毒害，操作微生物无毒害，操作简便，条件温和简便，条件温和 缺点：微生物缺点：微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差易泄漏损失，造成传感器稳定性差 吸附法基本原理吸附法基本原理 吸附法的优缺点吸附法的优缺点n 微生物固定化方法微生
9、物固定化方法交联交联法法 交联法交联法又称又称无载固定化法无载固定化法，是一种不用载体的工艺，通过化学、物理手段，是一种不用载体的工艺，通过化学、物理手段使生物体细胞间彼此附着使生物体细胞间彼此附着交联交联 交联法基本原理交联法基本原理l 化学交联法化学交联法 利用醛类、胺类等具有双功能或多功能基团的交联剂与生物体之间形成共价键利用醛类、胺类等具有双功能或多功能基团的交联剂与生物体之间形成共价键相互联结形成不溶性的大分子而加以相互联结形成不溶性的大分子而加以固定固定 使用的交联剂主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等使用的交联剂主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等l 物理物理交联法交联法 在微生
10、物培养过程中，适当改变细胞悬浮液的培养条件在微生物培养过程中，适当改变细胞悬浮液的培养条件( (如离子强度、温度、如离子强度、温度、pHpH值等值等) )，使微生物细胞之间发生直接作用而颗粒化或絮凝来实现固定化，使微生物细胞之间发生直接作用而颗粒化或絮凝来实现固定化 利用微生物自身的自絮凝能力形成颗粒的一种固定化技术利用微生物自身的自絮凝能力形成颗粒的一种固定化技术l 化学化学交联法的局限性交联法的局限性 由于共价键形成往往毒害了活细胞，故其应用受到一定由于共价键形成往往毒害了活细胞，故其应用受到一定限制限制 n 微生物固定化方法微生物固定化方法包埋法包埋法 包埋法包埋法是是最常用最常用的方法
11、的方法 优点：优点： 包埋法包埋法基本原理基本原理 包埋法包埋法的优缺点的优缺点 将生物体细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络中，将微生物活细胞包埋将生物体细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络中，将微生物活细胞包埋于适当的立体网状材料中于适当的立体网状材料中 常用的包埋材料有聚丙烯酰胺凝胶常用的包埋材料有聚丙烯酰胺凝胶、海藻、海藻酸钙凝胶、琼脂、骨胶原酸钙凝胶、琼脂、骨胶原等等 聚丙烯酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一聚丙烯酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一种种对微生物细胞活性影响对微生物细胞活性影响较小较小微生物微生物不易不易流失流失膜膜的孔径和几何形状可以的孔径和几何形状可以控制控
12、制膜稳定性膜稳定性高高, ,可长时间储藏可长时间储藏 缺点缺点： 分子过大的底物在凝胶网格内扩散较分子过大的底物在凝胶网格内扩散较困难困难不不适合大分子底物的适合大分子底物的测定测定n 微生物传感器的分类微生物传感器的分类从微生物传感器的工作原理上对其进行从微生物传感器的工作原理上对其进行分类分类，可以，可以分为四类：分为四类：微生物传感器发光微生物传感器呼吸机能型微生物传感器代谢机能型微生物传感器基因工程微生物传感器发光细菌好氧型微生物厌氧型微生物基因改造的微生物n 发光微生物传感器发光微生物传感器 发光微生物：发光微生物：1.1.自然界自然界存在的细胞内有存在的细胞内有生物发光代谢系统的原
13、核和真核生物发光代谢系统的原核和真核微生物微生物 2. 2.导入发光导入发光基因的基因的微生物具备发光特性的基因工程发光微生物微生物具备发光特性的基因工程发光微生物常用的两种发光细菌是常用的两种发光细菌是弧菌弧菌属属和和明亮发光明亮发光杆菌杆菌，均，均为海洋细菌为海洋细菌 发光微生物发光原理发光微生物发光原理细菌发光的生物学机制：细菌发光的生物学机制： FMNH2+RCHO+O2 光光 +FMN+H2O+RCOOH 细菌荧光酶细菌荧光酶发光细菌在发光细菌在自然环境自然环境下可以以还原型黄素单核苷酸、长链脂肪醛下可以以还原型黄素单核苷酸、长链脂肪醛为底物为底物，在氧的，在氧的参与下，经细菌荧光素
14、酶催化而参与下，经细菌荧光素酶催化而发光发光 发光发光微生物传感器工作原理微生物传感器工作原理当当环境中环境中存在存在有毒物质有毒物质时时, , 因为因为细菌荧光素酶活性或细菌荧光素酶活性或细胞呼吸细胞呼吸受到抑制受到抑制, ,发光发光能力能力受到影响而减弱受到影响而减弱, , 其减弱其减弱程度程度与毒物的毒性大小和浓度呈一定的比例关系。与毒物的毒性大小和浓度呈一定的比例关系。因此因此, , 通过灵敏的光电检测装置通过灵敏的光电检测装置, , 检测在毒物作用下检测在毒物作用下发光发光菌的光强度变化菌的光强度变化, ,可以可以评价待测评价待测物质的毒性。物质的毒性。n 检测水质毒性的细菌发光传感
15、器检测水质毒性的细菌发光传感器 通常通常情况下，发光细菌的发光强度与毒性物质的毒性大小呈情况下，发光细菌的发光强度与毒性物质的毒性大小呈负相关负相关的关系的关系外来受试物外来受试物通过下面通过下面两个途径两个途径抑制细菌抑制细菌发光发光：1.1.外在外在毒物直接抑制发光反应酶活性，毒物直接抑制发光反应酶活性，从而影响从而影响代谢反应代谢反应2.2.外在外在毒物通过抑制细胞内与发光反应有关的其他代谢过程（如细胞呼吸等毒物通过抑制细胞内与发光反应有关的其他代谢过程（如细胞呼吸等） 间接影响发光间接影响发光代谢反应代谢反应 发光微生物传感器在水质检测中的应用发光微生物传感器在水质检测中的应用分析分析
16、工作者研究采用各种生物方法来检测水质毒性，包括微生物、藻、工作者研究采用各种生物方法来检测水质毒性，包括微生物、藻、底栖底栖软体软体动物、浮游生物、鱼动物、浮游生物、鱼等等发光细菌发光细菌因其独特的生理发光特性以及与现代光电检测手段完美因其独特的生理发光特性以及与现代光电检测手段完美结合的结合的特点而得特点而得到了人们广泛的到了人们广泛的关注关注发光细菌传感器系统组成n 检测水质毒性的细菌发光传感器检测水质毒性的细菌发光传感器细菌发光传感器检测过程 将将发光细菌固定成便于携带、安装与保存的生物发光细菌固定成便于携带、安装与保存的生物膜组件膜组件； 使使其与经过预处理的外来毒物在其与经过预处理的外来毒物在反应室内反应，反应室内反应，产生光信号变化产生光信号变化； 微弱微弱的发光细菌光信号通过多模光纤传输至高灵敏度的光电的发光细菌光信号通过多模光纤传输至高灵敏度的光电转换器；转换器； 然后然后通过高精度放大通过高精度放大器件制成器件制成放大电路将微弱电信号放大到放大电路将微弱电信号放大到； 最后最后通过数据采集卡对信号进行采集、处理以及进行受试物的毒性评估通过数据采集卡对信号进行采集、处理
