生物傳感器的研究現狀及應用
摘 要：簡述了生(sheng)(sheng)物(wu)傳感器尤其是微生(sheng)(sheng)物(wu)傳感器近年來在(zai)(zai)發(fa)(fa)酵工業(ye)及(ji)環境監(jian)測(ce)(ce)領域(yu)中的研(yan)究與應用(yong)(yong)，對其發(fa)(fa)展(zhan)前景及(ji)市(shi)場化(hua)作(zuo)了預測(ce)(ce)及(ji)展(zhan)望(wang)。生(sheng)(sheng)物(wu)電(dian)極(ji)(ji)是以固定化(hua)生(sheng)(sheng)物(wu)體組成作(zuo)為(wei)分子識(shi)別元件的敏感材料(liao)(liao)，與氧電(dian)極(ji)(ji)、膜電(dian)極(ji)(ji)和燃料(liao)(liao)電(dian)極(ji)(ji)等構成生(sheng)(sheng)物(wu)傳感器，在(zai)(zai)發(fa)(fa)酵工業(ye)、環境監(jian)測(ce)(ce)、食(shi)品監(jian)測(ce)(ce)、臨床醫學等方面得(de)到廣(guang)(guang)泛的應用(yong)(yong)。生(sheng)(sheng)物(wu)傳感器專一性好、易操作(zuo)、設備簡單、測(ce)(ce)量快速準確、適用(yong)(yong)范圍(wei)廣(guang)(guang)。隨著固定化(hua)技術(shu)的發(fa)(fa)展(zhan)，生(sheng)(sheng)物(wu)傳感器在(zai)(zai)市(shi)場上具有極(ji)(ji)強的競爭力(li)。
關鍵詞：生(sheng)物傳感器 發酵工業 環境監測
一、 引言
從(cong)1962年(nian)，Clark和(he)Lyons最(zui)先提出生(sheng)物傳感(gan)器的(de)(de)設想距今已有(you)40 年(nian)。生(sheng)物傳感(gan)器在發酵工藝、環境監測、食品工程、臨床(chuang)醫(yi)學(xue)、軍事(shi)及軍事(shi)醫(yi)學(xue)等方(fang)面得到(dao)了(le)深度重視和(he)廣泛(fan)應用。在最(zui)初15年(nian)里，生(sheng)物傳感(gan)器主(zhu)要是(shi)以研(yan)制(zhi)酶(mei)電極制(zhi)作的(de)(de)生(sheng)物傳感(gan)器為主(zhu)，但是(shi)由于酶(mei)的(de)(de)價格昂貴并不夠(gou)穩(wen)定(ding)，因(yin)此以酶(mei)作為敏感(gan)材料的(de)(de)傳感(gan)器，其應用受到(dao)一(yi)定(ding)的(de)(de)限制(zhi)。
近些年(nian)來(lai)，微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物固定化技術(shu)的不(bu)斷發展(zhan)(zhan)，產生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)了微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物電極(ji)(ji)。微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物電極(ji)(ji)以(yi)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物活體作為(wei)分子識別元件，與酶(mei)電極(ji)(ji)相比有其獨到之處。它可(ke)以(yi)克服價格昂(ang)貴、提(ti)取困難及不(bu)穩定等弱(ruo)點(dian)。此外(wai)，還可(ke)以(yi)同時利用(yong)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物體內的輔酶(mei)處理(li)復雜反(fan)應(ying)。而(er)目前(qian)，光纖生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物傳(chuan)感器的應(ying)用(yong)也越來(lai)越廣泛(fan)。而(er)且隨著聚合酶(mei)鏈式反(fan)應(ying)技術(shu)（PCR）的發展(zhan)(zhan)，應(ying)用(yong)PCR的DNA生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物傳(chuan)感器也越來(lai)越多(duo)。
二、 研究現狀及主要(yao)應用(yong)領域
1、 發酵工業
各種生(sheng)物傳感器中(zhong)，微生(sheng)物傳感器最(zui)適合發(fa)(fa)酵(jiao)工(gong)(gong)業的(de)(de)(de)測定。因(yin)為發(fa)(fa)酵(jiao)過程中(zhong)常存在對(dui)酶的(de)(de)(de)干擾物質(zhi)，并且發(fa)(fa)酵(jiao)液(ye)往往不是(shi)清澈(che)透明的(de)(de)(de)，不適用(yong)于光譜等方法測定。而應用(yong)微生(sheng)物傳感器則(ze)極(ji)有(you)可能(neng)消除干擾，并且不受發(fa)(fa)酵(jiao)液(ye)混濁程度的(de)(de)(de)限(xian)制。同(tong)時，由(you)于發(fa)(fa)酵(jiao)工(gong)(gong)業是(shi)大規模的(de)(de)(de)生(sheng)產，微生(sheng)物傳感器其成本低設備簡單的(de)(de)(de)特點(dian)使其具有(you)極(ji)大的(de)(de)(de)優勢。
(1). 原材料及代謝產物的測(ce)定
微生物(wu)傳(chuan)感器可用(yong)于(yu)原材(cai)料如糖蜜、乙酸等(deng)的(de)測定，代謝產(chan)物(wu)如頭孢霉素(su)、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇(chun)類(lei)、青霉素(su)、乳酸等(deng)的(de)測定。測量(liang)的(de)原理基本上都是用(yong)適合的(de)微生物(wu)電極(ji)與氧(yang)電極(ji)組成，利用(yong)微生物(wu)的(de)同化作用(yong)耗氧(yang)，通過測量(liang)氧(yang)電極(ji)電流(liu)的(de)變化量(liang)來測量(liang)氧(yang)氣(qi)的(de)減少(shao)量(liang)，從而達到測量(liang)底物(wu)濃度的(de)目的(de)。
在(zai)各種原材料中葡(pu)(pu)萄糖的(de)(de)測定對過程控制尤其重要，用熒光(guang)假單胞菌（Psoudomonas fluorescens）代謝消耗葡(pu)(pu)萄糖的(de)(de)作用，通過氧電(dian)極進行檢(jian)測，可以估計(ji)葡(pu)(pu)萄糖的(de)(de)濃度(du)。這(zhe)種微(wei)(wei)生(sheng)物電(dian)極和葡(pu)(pu)萄糖酶電(dian)極型相(xiang)比(bi)，測定結果是類似的(de)(de)，而微(wei)(wei)生(sheng)物電(dian)極靈敏度(du)高，重復(fu)實(shi)用性好，而且不必(bi)使用昂貴的(de)(de)葡(pu)(pu)萄糖酶。
當(dang)乙酸(suan)用作碳源進行微生(sheng)物培養時，乙酸(suan)含量高于(yu)某一(yi)濃度(du)會抑制(zhi)微生(sheng)物的生(sheng)長，因(yin)此(ci)需要在線測(ce)定(ding)。用固定(ding)化(hua)酵母（Trichosporon brassicae），透氣膜和氧電極組成(cheng)的微生(sheng)物傳感(gan)器可以(yi)測(ce)定(ding)乙酸(suan)的濃度(du)。
此外，還有用大腸桿(gan)菌(jun)（E.coli）組(zu)合(he)二氧化碳(tan)氣敏電極，可以構成測定谷(gu)氨酸的(de)微生(sheng)物傳感器(qi)(qi)，將檸檬酸桿(gan)菌(jun)完整細胞固定化在膠(jiao)原(yuan)蛋白膜(mo)(mo)內，由細菌(jun)—膠(jiao)原(yuan)蛋白膜(mo)(mo)反應器(qi)(qi)和組(zu)合(he)式玻璃電極構成的(de)微生(sheng)物傳感器(qi)(qi)可應用于(yu)發(fa)酵液中(zhong)頭孢酶素(su)的(de)測定等等。
(2). 微生(sheng)物(wu)細胞總(zong)數(shu)的測定
在發酵控(kong)制方面，一直需要直接(jie)測(ce)(ce)定細(xi)胞(bao)數目的(de)(de)簡單而連續的(de)(de)方法。人們發現在陽(yang)極(ji)表面，細(xi)菌(jun)可(ke)以直接(jie)被(bei)氧化并(bing)產生(sheng)電流。這種(zhong)電化學系統(tong)已(yi)應用于細(xi)胞(bao)數目的(de)(de)測(ce)(ce)定，其結(jie)果與傳統(tong)的(de)(de)菌(jun)斑計數法測(ce)(ce)細(xi)胞(bao)數是相(xiang)同(tong)的(de)(de)[1]。
(3). 代謝試驗(yan)的鑒定(ding)
傳統的(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)代(dai)謝(xie)類型的(de)(de)(de)(de)鑒定(ding)都是根據微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)在某(mou)種培(pei)養基上(shang)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)長情況(kuang)進行的(de)(de)(de)(de)。這(zhe)(zhe)些實驗方法(fa)需(xu)要較長的(de)(de)(de)(de)培(pei)養時間和專門的(de)(de)(de)(de)技術。微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)對(dui)底物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)同化作(zuo)用(yong)(yong)(yong)可(ke)以(yi)通過其呼吸活(huo)(huo)性進行測定(ding)。用(yong)(yong)(yong)氧電(dian)極可(ke)以(yi)直接測量微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)呼吸活(huo)(huo)性。因此，可(ke)以(yi)用(yong)(yong)(yong)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)傳感器來測定(ding)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)代(dai)謝(xie)特征。這(zhe)(zhe)個系統已用(yong)(yong)(yong)于(yu)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)簡單鑒定(ding)、微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)培(pei)養基的(de)(de)(de)(de)選(xuan)擇(ze)、微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)酶活(huo)(huo)性的(de)(de)(de)(de)測定(ding)、廢水中可(ke)被生(sheng)物(wu)(wu)降(jiang)解的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)質估(gu)計、用(yong)(yong)(yong)于(yu)廢水處(chu)理的(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)選(xuan)擇(ze)、活(huo)(huo)性污泥的(de)(de)(de)(de)同化作(zuo)用(yong)(yong)(yong)試(shi)驗、生(sheng)物(wu)(wu)降(jiang)解物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)確(que)定(ding)、微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)保存方法(fa)選(xuan)擇(ze)等(deng)[2]。
2、 環境監測
(1). 生化需氧量(liang)的測定
生(sheng)化(hua)需氧量(liang)（biochemical oxygen demand –BOD）的(de)測(ce)定(ding)(ding)是(shi)監測(ce)水體被有(you)機物污染狀況的(de)最(zui)常用(yong)指標。常規的(de)BOD測(ce)定(ding)(ding)需要5天的(de)培養期，操作復(fu)雜(za)、重(zhong)復(fu)性差(cha)、耗時耗力、干(gan)擾性大，不宜(yi)現場(chang)監測(ce)，所(suo)以迫切需要一種操作簡單、快速準確、自動化(hua)程度(du)高(gao)、適用(yong)廣(guang)的(de)新(xin)方法來測(ce)定(ding)(ding)。目前，有(you)研究人員分離了(le)兩(liang)種新(xin)的(de)酵(jiao)母(mu)菌(jun)種SPT1和SPT2，并將(jiang)其固定(ding)(ding)在玻璃(li)碳極上以構成(cheng)微生(sheng)物傳感器用(yong)于測(ce)量(liang)BOD，其重(zhong)復(fu)性在±10%以內。將(jiang)該傳感器用(yong)于測(ce)量(liang)紙漿廠污水中(zhong)BOD的(de)測(ce)定(ding)(ding)，其測(ce)量(liang)最(zui)小(xiao)值(zhi)可達2 mg/l，所(suo)用(yong)時間為(wei)(wei)5min[3]。還(huan)有(you)一種新(xin)的(de)微生(sheng)物傳感器，用(yong)耐(nai)高(gao)滲(shen)透壓(ya)的(de)酵(jiao)母(mu)菌(jun)種作為(wei)(wei)敏(min)感材料，在高(gao)滲(shen)透壓(ya)下可以正常工(gong)作。并且(qie)其菌(jun)株(zhu)可長期干(gan)燥(zao)保存，浸泡(pao)后(hou)即恢復(fu)活性，為(wei)(wei)海水中(zhong)BOD的(de)測(ce)定(ding)(ding)提供了(le)快捷簡便的(de)方法[4]。
除(chu)了(le)微生(sheng)物傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)，還有一種光纖生(sheng)物傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)已經研制出來用于測定河水中(zhong)較低的BOD值。該傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的反(fan)應時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)系統幾乎不受氯離子(zi)的影響（在1000mg/l范圍內(nei)），并(bing)且(qie)(qie)不被重(zhong)金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)已經應用于河水BOD的測定，并(bing)且(qie)(qie)獲得了(le)較好的結果[4]。
現(xian)在(zai)(zai)有一(yi)種將BOD生物(wu)傳感(gan)(gan)器經過光處理(li)（即以(yi)TiO2作為半導(dao)體，用(yong)6 W燈照射(she)約4min）后，靈敏度大(da)大(da)提高(gao)，很適用(yong)于(yu)河(he)水中較低BOD的(de)測量(liang)[5]。同時(shi)，一(yi)種緊湊的(de)光學生物(wu)傳感(gan)(gan)器已(yi)經發(fa)展出來用(yong)于(yu)同時(shi)測量(liang)多(duo)重樣品的(de)BOD值。它(ta)使(shi)用(yong)三對(dui)發(fa)光二(er)極(ji)管和硅(gui)光電二(er)極(ji)管，假單胞細(xi)菌（Pseudomonas fluorescens）用(yong)光致交(jiao)聯的(de)樹脂(zhi)固定(ding)在(zai)(zai)反應(ying)器的(de)底層，該測量(liang)方(fang)法既(ji)迅速(su)又簡(jian)便，在(zai)(zai)4℃下可使(shi)用(yong)六周，已(yi)經用(yong)于(yu)工廠廢(fei)水處理(li)的(de)過程(cheng)中[5]。
(2). 各種污染物的測定
常用(yong)的重(zhong)要(yao)污染(ran)指標有氨(an)、亞硝酸鹽、硫化物(wu)、磷酸鹽、致癌物(wu)質與(yu)致變物(wu)質、重(zhong)金(jin)屬(shu)離子、酚類化合物(wu)、表面活性劑等(deng)物(wu)質的濃度。目前(qian)已(yi)經研制出了多種測量各類污染(ran)物(wu)的生物(wu)傳感器并已(yi)投入實(shi)際應用(yong)中了。
測(ce)(ce)量(liang)氨和硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽的(de)微生(sheng)物(wu)傳感器(qi)，多(duo)是用從廢水處理(li)裝(zhuang)置中分離(li)出來的(de)硝(xiao)(xiao)化細菌(jun)和氧(yang)電極組合構(gou)成。目(mu)前有一種(zhong)微生(sheng)物(wu)傳感器(qi)可以在(zai)黑(hei)暗和有光(guang)的(de)條件下測(ce)(ce)量(liang)硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽和亞硝(xiao)(xiao)酸(suan)鹽(NOx-)，它在(zai)鹽環境下的(de)測(ce)(ce)量(liang)使得(de)它可以不受(shou)其他種(zhong)類(lei)的(de)氮(dan)的(de)氧(yang)化物(wu)的(de)影(ying)響。用它對(dui)河口的(de)NOx-進行了測(ce)(ce)量(liang)，其效果(guo)較(jiao)好[6]。
硫(liu)化(hua)(hua)物的測(ce)定是用從硫(liu)鐵礦附近酸性土壤中分離篩選(xuan)得到的專性、自養(yang)、好氧性氧化(hua)(hua)硫(liu)硫(liu)桿菌(jun)制(zhi)成(cheng)的微(wei)生物傳(chuan)感器(qi)。在pH=2.5、31℃時一周測(ce)量200余次(ci)，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳(chuan)感器(qi)壽命為(wei)7天(tian)，其設備(bei)簡單，成(cheng)本(ben)低，操作方便(bian)。目(mu)前還有用一種光微(wei)生物電極測(ce)硫(liu)化(hua)(hua)物含量，所用細菌(jun)是Chromatium.SP，與氫電極連接(jie)構(gou)成(cheng)[7]。
最(zui)近(jin)科學家們在(zai)(zai)污(wu)染(ran)區分離出一種(zhong)能夠發熒光的細(xi)菌(jun)(jun)，此種(zhong)細(xi)菌(jun)(jun)含有熒光基因，在(zai)(zai)污(wu)染(ran)源的刺激(ji)下(xia)能夠產生(sheng)熒光蛋白(bai)，從而發出熒光。可(ke)以通過遺傳工(gong)程的方法將(jiang)這(zhe)種(zhong)基因導入合適的細(xi)菌(jun)(jun)內，制(zhi)成(cheng)微生(sheng)物傳感器(qi)，用于(yu)環境(jing)監測。現在(zai)(zai)已經將(jiang)熒光素(su)酶導入大腸(chang)桿菌(jun)(jun)（E.coli）中，用來檢測砷的有毒(du)化合物[8]。
水體(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)酚類(lei)和(he)表面活(huo)(huo)性(xing)劑的(de)(de)(de)(de)(de)濃度(du)測定已經有(you)了很大的(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)。目前，有(you)9種革蘭氏陰性(xing)細菌從西(xi)西(xi)伯利亞石油盆地的(de)(de)(de)(de)(de)土壤中(zhong)(zhong)(zhong)分(fen)(fen)離出(chu)來，以(yi)酚作為(wei)唯一(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)碳源和(he)能源。這些菌種可以(yi)提(ti)高生物傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)感(gan)(gan)(gan)受器(qi)部分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)靈敏(min)度(du)。它對(dui)酚的(de)(de)(de)(de)(de)監測極限(xian)為(wei)5 ´10-9mol。該(gai)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)工作的(de)(de)(de)(de)(de)最適(shi)條件(jian)為(wei)：pH=7.4、35℃，連續(xu)工作時間(jian)為(wei)30h[9]。還有(you)一(yi)種假單(dan)胞菌屬（Pseudomonas rathonis）制成的(de)(de)(de)(de)(de)測量(liang)表面活(huo)(huo)性(xing)劑濃度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)電流型生物傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)，將微(wei)生物細胞固定在(zai)(zai)凝膠（瓊(qiong)脂(zhi)、瓊(qiong)脂(zhi)糖和(he)海藻(zao)酸(suan)鈣鹽）和(he)聚乙(yi)醇膜(mo)上，可以(yi)用層(ceng)析(xi)試紙GF/A，或者是谷(gu)氨酸(suan)醛引起的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)生物細胞在(zai)(zai)凝膠中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)交(jiao)聯，長距離的(de)(de)(de)(de)(de)保持它們(men)在(zai)(zai)高濃度(du)表面活(huo)(huo)性(xing)劑檢測中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)和(he)生長力。該(gai)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)能在(zai)(zai)測量(liang)結束(shu)后(hou)很快的(de)(de)(de)(de)(de)恢復敏(min)感(gan)(gan)(gan)元件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)活(huo)(huo)性(xing)[10]。
還有一(yi)種(zhong)電(dian)流式(shi)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感器，用(yong)于測定有機磷殺蟲劑，使用(yong)的(de)(de)是人(ren)造酶(mei)(mei)。利用(yong)有機磷殺蟲劑水(shui)解酶(mei)(mei)，對硝基酚(fen)和二乙基酚(fen)的(de)(de)測量極限為100´10-9mol，在40℃只(zhi)要4min[11]。還有一(yi)種(zhong)新(xin)發展起來的(de)(de)磷酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)生(sheng)物(wu)傳(chuan)感器，使用(yong)丙酮酸(suan)(suan)氧化酶(mei)(mei)G，與自動系統CL-FIA臺(tai)式(shi)電(dian)腦(nao)結合，可以(yi)檢測(32~96)´10-9mol的(de)(de)磷酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)，在25°C下可以(yi)使用(yong)兩周以(yi)上，重復性高[12]。
最近(jin)，有一種新(xin)型的(de)(de)(de)微(wei)生物傳感器(qi)，用(yong)(yong)細(xi)菌(jun)細(xi)胞(bao)作(zuo)為生物組成部(bu)分，測定(ding)地表水中壬(ren)基(ji)酚（nonyl-phenol etoxylate --NP-80E）的(de)(de)(de)含量(liang)。用(yong)(yong)一個(ge)電(dian)流型氧電(dian)極作(zuo)傳感器(qi)，微(wei)生物細(xi)胞(bao)固定(ding)在氧電(dian)極上(shang)的(de)(de)(de)透析膜上(shang)，其測量(liang)原(yuan)理(li)是(shi)測量(liang)毛孢子(zi)菌(jun)屬（Trichosporum grablata）細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)呼(hu)吸活性。該生物傳感器(qi)的(de)(de)(de)反(fan)應時間為15~20min，壽命為7~10天（用(yong)(yong)于連續測定(ding)時）。在濃度范圍(wei)0.5~6.0mg/l內，電(dian)信(xin)號與NP-80E濃度呈線性關系，很適合于污染的(de)(de)(de)地表水中分子(zi)表面活性劑的(de)(de)(de)檢(jian)測[13]。
除此之外(wai)，污水中(zhong)重金(jin)(jin)屬離子濃(nong)(nong)度的測(ce)定(ding)也是不容忽(hu)視的。目前已經成(cheng)功設計了一個完整(zheng)的，基(ji)于固定(ding)化(hua)微生(sheng)(sheng)物(wu)和生(sheng)(sheng)物(wu)體發光測(ce)量(liang)技(ji)術上(shang)的重金(jin)(jin)屬離子生(sheng)(sheng)物(wu)有效性測(ce)定(ding)的監測(ce)和分析系統。將(jiang)弧菌屬細(xi)菌（Vibrio fischeri）體內的一個操(cao)縱子在(zai)一個銅(tong)(tong)誘導啟動子的控制下導入(ru)產堿桿菌屬細(xi)菌（Alcaligenes eutrophus (AE1239)）中(zhong)，細(xi)菌在(zai)銅(tong)(tong)離子的誘導下發光，發光程(cheng)度與離子濃(nong)(nong)度成(cheng)正比(bi)。將(jiang)微生(sheng)(sheng)物(wu)和光纖(xian)一起(qi)包埋在(zai)聚合(he)物(wu)基(ji)質中(zhong)，可以(yi)獲得靈敏(min)度高、選擇性好(hao)、測(ce)量(liang)范圍(wei)廣、儲藏(zang)穩(wen)定(ding)性強的生(sheng)(sheng)物(wu)傳(chuan)感器。目前，這種微生(sheng)(sheng)物(wu)傳(chuan)感器可以(yi)達到(dao)最(zui)低(di)測(ce)量(liang)濃(nong)(nong)度1´10-9mol[14]。
還有一種專門測量銅離(li)子(zi)的(de)(de)(de)電流型微生(sheng)物傳感器。它用(yong)酒釀酵(jiao)母（Saccharomyces cerevisiae）重(zhong)組菌(jun)株作為生(sheng)物元件，這些(xie)菌(jun)株帶有酒釀酵(jiao)母CUP1基(ji)(ji)因上的(de)(de)(de)銅離(li)子(zi)誘導啟(qi)動子(zi)與大腸(chang)桿(gan)菌(jun)lacZ基(ji)(ji)因的(de)(de)(de)融合體。其工作原理，首(shou)先是CUP1啟(qi)動子(zi)被(bei)Cu2+誘導，隨后乳糖(tang)被(bei)用(yong)作底物進行(xing)測量。如果(guo)Cu2+存在(zai)于溶液中，這些(xie)重(zhong)組體細菌(jun)就可(ke)以(yi)利用(yong)乳糖(tang)作為碳源(yuan)，這將導致這些(xie)好氧細胞需氧量的(de)(de)(de)改變。該生(sheng)物傳感器可(ke)以(yi)在(zai)濃度范圍(0.5~2)´10-3mol范圍內測定CuSO4溶液。目前已經將各類金屬離(li)子(zi)誘導啟(qi)動子(zi)轉(zhuan)入大腸(chang)桿(gan)菌(jun)中，使(shi)得大腸(chang)桿(gan)菌(jun)會在(zai)含(han)有各種金屬離(li)子(zi)的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)溶液中出現(xian)發光反應。根(gen)據它發光的(de)(de)(de)強度可(ke)以(yi)測定重(zhong)金屬離(li)子(zi)的(de)(de)(de)濃度，其測量范圍可(ke)以(yi)從納(na)摩(mo)爾到微摩(mo)爾，所需時間為60~100min[15][16]。
用(yong)(yong)于測(ce)量(liang)污水中(zhong)(zhong)鋅(xin)濃度的生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)傳感器也已經研制(zhi)成功(gong)，使用(yong)(yong)嗜堿性(xing)細菌(jun)Alcaligenes cutrophus，并用(yong)(yong)于對污水中(zhong)(zhong)鋅(xin)的濃度和(he)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)有(you)效(xiao)性(xing)進行測(ce)量(liang)，其(qi)結果(guo)令(ling)人滿意[17]。
估(gu)測(ce)(ce)河口出水流污(wu)染(ran)情況的(de)海藻傳感器是由一(yi)種螺旋藻屬藍(lan)細菌（ cyanobacterium Spirlina subsalsa）和一(yi)個氣敏電極構成(cheng)的(de)。通過監測(ce)(ce)光合作用被抑制的(de)程度來估(gu)測(ce)(ce)由于環境污(wu)染(ran)物的(de)存在而(er)引(yin)起(qi)水的(de)毒性變化。以標準天然水為介質，對(dui)三(san)種主要污(wu)染(ran)物（重金屬、除草(cao)劑、氨基(ji)甲(jia)酸鹽殺蟲劑）的(de)不(bu)同濃度進行(xing)了測(ce)(ce)定，均可監測(ce)(ce)到它們(men)的(de)有毒反應，重復性和再(zai)生性都很高[18]。
近來由于聚合酶鏈(lian)式反應(ying)技(ji)術（PCR）的(de)(de)(de)(de)(de)迅猛發展(zhan)及(ji)其在環境(jing)監測(ce)方面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)廣泛應(ying)用(yong)(yong)，不少科學家(jia)開始(shi)著(zhu)手于將(jiang)它(ta)與生(sheng)(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術結合應(ying)用(yong)(yong)。有一種(zhong)應(ying)用(yong)(yong)PCR技(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)DNA壓(ya)電生(sheng)(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可以(yi)測(ce)定(ding)一種(zhong)特(te)殊(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)菌毒素(su)(su)。將(jiang)生(sheng)(sheng)物(wu)素(su)(su)酰(xian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)探針固定(ding)在裝有鏈(lian)酶抗(kang)生(sheng)(sheng)素(su)(su)鉑金表面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)石英(ying)晶體上(shang)，用(yong)(yong)1´10-6mol的(de)(de)(de)(de)(de)鹽酸(suan)可以(yi)使(shi)循環式測(ce)量(liang)在同一晶體表面(mian)進行(xing)。用(yong)(yong)細(xi)菌中提取的(de)(de)(de)(de)(de)DNA樣(yang)品進行(xing)同樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)雜交反應(ying)并(bing)由PCR放(fang)大，產物(wu)為氣單胞菌屬（Aeromonas hydrophila）的(de)(de)(de)(de)(de)一種(zhong)特(te)殊(shu)基因片(pian)斷。這(zhe)種(zhong)壓(ya)電生(sheng)(sheng)物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)可以(yi)鑒別(bie)樣(yang)品中是(shi)否含(han)有這(zhe)種(zhong)基因，這(zhe)為從水樣(yang)中檢測(ce)是(shi)否含(han)帶有這(zhe)種(zhong)病原的(de)(de)(de)(de)(de)各種(zhong)氣單胞菌提供(gong)了可能[19]。
還(huan)有一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)通道生物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)可(ke)以檢測浮游植物(wu)和(he)水母等生物(wu)體產生的(de)(de)(de)腰鞭(bian)毛蟲神經(jing)毒素等毒性物(wu)質，目(mu)前已(yi)經(jing)能夠測量在一(yi)(yi)個浮游生物(wu)細胞內(nei)含有的(de)(de)(de)極微量的(de)(de)(de)PSP毒素[20]。DNA傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)也在迅速的(de)(de)(de)得到應用，目(mu)前有一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)小型化(hua)DNA生物(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，能將(jiang)DNA識(shi)別信(xin)號轉換為(wei)電(dian)信(xin)號，用于測量水樣中隱孢(bao)子和(he)其他(ta)水源(yuan)傳(chuan)染體。該傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)著重于改進核酸的(de)(de)(de)識(shi)別作用和(he)加強該傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)特異性和(he)靈敏(min)性，并尋求將(jiang)雜交信(xin)號轉化(hua)為(wei)有用信(xin)號的(de)(de)(de)新(xin)方法，目(mu)前研究(jiu)工作為(wei)識(shi)別裝(zhuang)置和(he)轉換裝(zhuang)置的(de)(de)(de)一(yi)(yi)體化(hua)[21]。
微藻(zao)素是(shi)一種(zhong)從藍藻(zao)細(xi)(xi)菌(jun)引(yin)起的(de)(de)水華中產生(sheng)的(de)(de)細(xi)(xi)菌(jun)肝毒素，一種(zhong)固定有表面細(xi)(xi)胞質粒基因組的(de)(de)生(sheng)物傳(chuan)感器(qi)已經制得，用于(yu)測(ce)量水中微藻(zao)素的(de)(de)含量，它直(zhi)接的(de)(de)測(ce)量范圍是(shi)50~1000 ´10-6g/l[22]。
一種基(ji)于(yu)酶的(de)抑制性(xing)分(fen)析的(de)多(duo)重生(sheng)物(wu)傳感(gan)器(qi)用(yong)于(yu)測量毒性(xing)物(wu)質(zhi)的(de)設想也已(yi)經提出。在這種多(duo)重生(sheng)物(wu)傳感(gan)器(qi)中，應用(yong)了兩種傳導器(qi)—對pH敏(min)感(gan)的(de)電子晶體管(guan)和熱敏(min)性(xing)的(de)薄膜電極，以(yi)及三種酶—尿素酶、乙酰膽堿酯(zhi)(zhi)酶和丁酰膽堿酯(zhi)(zhi)酶。該(gai)生(sheng)物(wu)傳感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能已(yi)經得到測試，效果較好[23]。
除(chu)了發酵(jiao)工(gong)業和(he)(he)環境(jing)監(jian)測，生(sheng)物傳感器還深入的應用(yong)于食品工(gong)程、臨(lin)床醫學、軍事(shi)及軍事(shi)醫學等領域，主要(yao)用(yong)于測量葡萄(tao)糖(tang)、乙酸、乳酸、乳糖(tang)、尿酸、尿素、抗生(sheng)素、谷氨(an)酸等各(ge)種氨(an)基酸，以及各(ge)種致癌和(he)(he)致變(bian)物質。
三、 討論與展望
美國的(de)(de)(de)(de)Harold H.Weetal指出(chu)，生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器商品化要(yao)具(ju)備以(yi)下幾個條件：足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)敏(min)感性和準(zhun)確性、易操(cao)作(zuo)、價格(ge)便(bian)宜、易于(yu)(yu)批量生產(chan)、生產(chan)過程中進行(xing)質(zhi)量監(jian)測。其中，價格(ge)便(bian)宜決定了傳(chuan)(chuan)感器在市(shi)場(chang)上有無競爭力。而在各種(zhong)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器中，微(wei)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器最(zui)大的(de)(de)(de)(de)優點(dian)就(jiu)(jiu)是(shi)(shi)成(cheng)本(ben)低(di)、操(cao)作(zuo)簡便(bian)、設備簡單，因此其在市(shi)場(chang)上的(de)(de)(de)(de)前景是(shi)(shi)十分巨大和誘人的(de)(de)(de)(de)。相(xiang)比起(qi)來，酶(mei)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器等的(de)(de)(de)(de)價格(ge)就(jiu)(jiu)比較(jiao)昂貴。但微(wei)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感器也有其自身(shen)的(de)(de)(de)(de)缺點(dian)，主要(yao)的(de)(de)(de)(de)缺點(dian)就(jiu)(jiu)是(shi)(shi)選擇性不夠(gou)好，這是(shi)(shi)由(you)于(yu)(yu)在微(wei)生物(wu)細(xi)胞(bao)中含(han)有多種(zhong)酶(mei)引起(qi)的(de)(de)(de)(de)。現(xian)已有報道加專門抑制劑(ji)以(yi)解決微(wei)生物(wu)電極的(de)(de)(de)(de)選擇性問(wen)(wen)題。除此之(zhi)外，微(wei)生物(wu)固定化方法也需要(yao)進一步(bu)完善，首先(xian)要(yao)盡可能保(bao)證細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)活性，其次(ci)細(xi)胞(bao)與基礎膜結合要(yao)牢固，以(yi)避免細(xi)胞(bao)的(de)(de)(de)(de)流失。另外，微(wei)生物(wu)膜的(de)(de)(de)(de)長期保(bao)存問(wen)(wen)題也待(dai)進一步(bu)的(de)(de)(de)(de)改進，否則(ze)難于(yu)(yu)實現(xian)大規模(mo)的(de)(de)(de)(de)商品化。
總之，常用的微生物電極和酶電極在各種應用中各有其優越之處。若容易獲得穩定、高活性、低成本的游離酶，則酶電極對使用者來說是最理想的。相反的，若生物催化需經過復雜途徑，需要輔酶，或所需酶不宜分離或不穩定時，微生物電極則是更理想的選擇。而其他各種形式的生物傳感器也在蓬勃發展中，其應用也越來越廣泛。隨著固定化技術的進一步完善，隨著人們對生物體認識的不斷深入，生物傳感器必將在市場上開辟出一片新的天地。
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