生物传感器范文10篇
时间：2024-03-12 22:44:01
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生物传感器范文篇1
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。
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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。
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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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[20]。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[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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。
三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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参考文献
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TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor
Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalsoprognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganismassensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewillbeanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket
Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor
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生物传感器范文篇2
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。
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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。
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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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[20]。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[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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。
三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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参考文献
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inhibitionanalysisfordeterminationofdifferenttoxicsubstances[J].Talanta,2001,55(5):919-927
TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor
Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,
especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalso
prognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganism
assensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,
membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,
foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewill
beanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket
Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor
作者简介：
生物传感器范文篇3
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。
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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。
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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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。
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总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor
Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalsoprognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganismassensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewillbeanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket
Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor
作者简介：
生物传感器范文篇4
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
二、生物传感器的种类
（1）按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。
（2）按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
（3）按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。
三、生物传感器的特点
（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。
（2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。
（3）分析速度快，可以在一分钟得到结果。
（4）准确度高，一般相对误差可以达到1％
（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析
（6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
（7）有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。四、现今生物传感器介绍
（1）SPR生物传感器。药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术,在九十年代初由发玛西亚公司引入，以抗原抗体结合分析为例,将抗原(或抗体)通过表面化学方法固定在芯片的金箔表面,然后让抗体(或抗原)流过抗原抗体的结合将改变膜表面液体性状,从而影响金箔共振性质,这一改变可被实时检测并记录下来(这被称之结合相)。如改让缓冲液流过，结合的抗体(或抗原)将解离并被带走,这同样改变膜表面液体性状,检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。它主要用于部份新药研发中药物作用的分子活性基团的识别。
（2）固定化酶生物传感分析仪。固定化酶生物传感分析仪是最早出现且精度最高的生物传感器。固定化酶生物传感器最重要服务对象包括：临床、食品分析、发酵工业控制、环境监测、防卫安全检测等领域。例如在发酵工业的氨基酸工业(味精、天冬氨酸、丙氨酸、赖氨酸等)、抗生素工业(葡萄糖等的在线监测和控制系统)、酒类工业(酒精生物传感器1min可得到结果)、酶制剂工业(糖化酶快速分析)、淀粉糖工业(葡萄糖、淀粉、糖化酶的分析)、生物细胞培养(葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺分析)、石化工业中微生物脱硫细胞培养监控、维生素C的生产、发酵甘油的生产等，生物传感器检测技术是生物加工类企业改造的重要途径之一，在线生物传感器分析是建立生产模拟系统和实时检测的新工具。
（3）血糖—乳酸生物传感自动分析仪。具有自动识别试管位置功能的样品盘、自动定量吸入样品的取样系统和相应的生物传感敏感膜。组装成整机，能实现微量取样、快速响应、高精度，操作完全自动化的有竞争力的新生物传感器。
（4）高精度血糖分析仪。高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪。其分精度可以达到0.5~2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2~3个百分点。这在血糖分析领域是非常重要的，它们可以用作血糖分析的标准方法。尤其是在市场销售的手掌型血糖分析仪出现质量事故时，需要另一种有说服力的分析方法证明其分析结果时，固定化酶葡萄糖生物传感分析仪可以作为一种理想的仲裁工具。它们既可作为医用类型的分析仪，还可用作生物技术产业的过程监控、食品分析、和科研工具。多种酶传感器研究开发比较成熟，已形成商品。
五、家用医疗保健类生物传感器
手掌型血糖分析器：糖尿病人可以自测的手掌型血糖分析器已经达到大规模应用的程度。在上世纪70年代血糖自我监测仪器就已问市，使血糖的检验由医院延伸到家中。上个世纪80年代，新一代血糖及操作技术简单化，使得自我监测血糖的准确度提高了。这是研究者最初沿着干化学试剂条测定尿糖浓度的思路，采用酶法葡萄糖分析技术，并结合丝网印刷和微电子技术制作的电极，以及智能化仪器的读出装置，三者完美地组合成微型化的血糖分析仪。
[摘要]传感器作为可以感应电量和非电量的电子元器件，已经是普遍应用于各个领域，从家庭应用的声控开关到压电射流速率传感器在远程火箭侦察弹上的应用，已经成为不可缺少的部分。而今，对人类健康有着重大联系的生物传感器又在蓬勃发展。本文就生物传感器的原理、种类及其特点作了介绍。
[关健词]生物传感器生物活性材料电信号
生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。
到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985年《生物传感器》国际刊物在英国创刊；1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；
1990年，首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularlyimpriniedpolymer，MIP)。由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域。
生物传感器范文篇5
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。
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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。
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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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[20]。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[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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。
三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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[23]ArkhypovaVN,DzyadevychSV,SoldatkinAP,etc.Multibiosensorbasedonenzymeinhibitionanalysisfordeterminationofdifferenttoxicsubstances[J].Talanta,2001,55(5):919-927
TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor
Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalsoprognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganismassensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewillbeanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket
Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor
作者简介：
生物传感器范文篇6
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。
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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。
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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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[20]。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[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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。
三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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参考文献
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Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor
作者简介：
生物传感器范文篇7
关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。
中图分类号：TP212.3文献标识码：A文章编号：1006-883X(2002)10-0001-06
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（Psoudomonasfluorescens）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（Trichosporonbrassicae），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]。
2、环境监测
(1).生化需氧量的测定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–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2mg/l，所用时间为5min[3]。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[4]。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[4]。
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6W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[5]。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（Pseudomonasfluorescens）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[5]。
(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[6]。
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[7]。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（E.coli）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。
水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=7.4、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonasrathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporumgrablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围0.5~6.0mg/l内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。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（Vibriofischeri）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（Alcaligeneseutrophus(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[14]。
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（Saccharomycescerevisiae）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[15][16]。
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Alcaligenescutrophus，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[17]。
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（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）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（Aeromonashydrophila）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[19]。
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[20]。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[21]。
微藻素是一种从蓝藻细菌引起的水华中产生的细菌肝毒素，一种固定有表面细胞质粒基因组的生物传感器已经制得，用于测量水中微藻素的含量，它直接的测量范围是50~1000´10-6g/l[22]。
一种基于酶的抑制性分析的多重生物传感器用于测量毒性物质的设想也已经提出。在这种多重生物传感器中，应用了两种传导器—对pH敏感的电子晶体管和热敏性的薄膜电极，以及三种酶—尿素酶、乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶。该生物传感器的性能已经得到测试，效果较好[23]。
除了发酵工业和环境监测，生物传感器还深入的应用于食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，主要用于测量葡萄糖、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三、讨论与展望
美国的HaroldH.Weetal指出，生物传感器商品化要具备以下几个条件：足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中，价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中，微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。相比起来，酶生物传感器等的价格就比较昂贵。但微生物传感器也有其自身的缺点，主要的缺点就是选择性不够好，这是由于在微生物细胞中含有多种酶引起的。现已有报道加专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。除此之外，微生物固定化方法也需要进一步完善，首先要尽可能保证细胞的活性，其次细胞与基础膜结合要牢固，以避免细胞的流失。另外，微生物膜的长期保存问题也待进一步的改进，否则难于实现大规模的商品化。
总之，常用的微生物电极和酶电极在各种应用中各有其优越之处。若容易获得稳定、高活性、低成本的游离酶，则酶电极对使用者来说是最理想的。相反的，若生物催化需经过复杂途径，需要辅酶，或所需酶不宜分离或不稳定时，微生物电极则是更理想的选择。而其他各种形式的生物传感器也在蓬勃发展中，其应用也越来越广泛。随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。
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生物传感器范文篇8
关键词：生物传感器；食品安全监测；应用
随着社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对食品安全的问题越来越重视，因此食品安全监测就显得尤为重要。传统的食品安全监测方法有很多，如化学方法、色谱法、生物监测法等，这些方法虽然都在一定程度上保障了食品质量，但是监测过程过于复杂，效果并不理想，经检测后的食品中仍然有很多对人体有害的物质残留，如肉类中的细菌感染、乳制品中的化学毒素、瓜果蔬菜中的农药残留等。因此，国家相关食品监测部门制定了许多严格的标准，希望对人们的健康提供更进一步的保障。此外，各种各样的监测措施也随着科学技术的进步不断涌现出来，以满足快速、高效监测食品的需要，其中生物传感器是重要的手段之一。自1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器——葡萄糖传感器开始，发展到现在日渐成熟，已在食品安全检测中得到了广泛应用[1]。生物传感器（biosensor），是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统[2]。生物传感器具有接受器与转换器的功能。它以检验迅速、准确度高、抗干扰性强、成本低廉著称，除了在食品检测领域得到广泛应用外，近几年在制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面也开始有良好的发展前景。本文通过对生物传感器的相关探讨，分析其在食品安全监测中的应用，以期解决人类的食品安全问题，保证人类饮食健康。
1生物传感器
生物传感技术是现代科技飞速发展的又一有力证明，在现代电子信息技术、食品检测科学和生物医学工程等领域都得到了广泛应用，其与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。生物传感器是将生物感应元件的敏感性、专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合，利用各种生物材料或生物代谢产物如酶、抗体等做成的用于检测、识别生物与食品的化学成分的传感器[3]。其中，对食品安全的监测是它最主要的应用方向，它监测食品的主要工作原理是通过分子识别元件对需要监测的食品进行特异性融合，在短暂的一段时间后，观察是否会发生化学或物理变化，利用换能器把变化的情况转变为人类可理解的数据，最后把这些数据通过光电路径输出来，从而实现对食品是否安全的准确分析和检测。生物传感器是由两个模块构成的，第一个模块为识别模块，它的功能是识别食品中的生物体分子、组织结构或细胞构成是否符合标准，检查的具体部分为酶、微生物、抗原或抗体等；另一个模块是转换模块，它的主要功能是当生物体中的物质不符合检查标准时，对出现的物理信号进行转换，最后达到系统测量或控制的目的。生物传感器自20世纪70年代问世以来，已经经历了多次的改革、发展、创新，直到日渐成熟，在许多领域得到广泛应用。①第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成。②第二代传感器是在第一代的基础上发展而来的，弥补了第一代传感器中存在的不足，它不再需要非活性的基质膜的参与，而是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，它的一大优点是在检测的过程中无其他辅助材料帮助完成检测，节约了监测成本。③第三代生物传感器也就是人们现在常用的食品监测方式，它将生物识别和信号转换与处理结合在一起，直接将生物活性成分固定在电子元件上，因而可以直接感知和放大检测物的信息变化[4]。生物传感器是根据人类的感官功能发明出来的，人类通过耳朵听到声音，而生物传感器是利用生物体中的敏感单元来确定食品中的成分，进而判断食品是否合格。生物传感器与传统的食品安全监测方法相比，具有操作简便、监测高效、成本低廉、选择性好等优点，具体优点如下。①针对性强：如果生物体中存在某些特定的物质，那么它就会发出信号，因此它的针对性强，在一般情况下，不会受到颜色、气味、污垢等客观因素的干扰[5]。②效率高：利用生物感应器监测食品是否安全，可以在极短的时间内看到监测结果，效率较高，且准确率较高。③成本低廉：传统的监测方法要利用大量的辅助剂才能够完成监测，成本较高，而利用生物传感器监测，可以重复使用催化剂，减少了对试剂的消耗，节约了监测成本，提高了经济效益。④易于操作：生物传感器的监测过程并不复杂，在计算机科学技术的帮助下即可完成，易于操作。
2生物传感器在食品安全监测中的应用
食品安全问题越来越受到大众的重视，因此食品安全监测工作显得尤为重要。传统的监测方法操作过程过于复杂，受到很多条件限制，如特定的监测仪器以及严格的准备工作，这就使得食品安全监测必须在监测中心进行，不能实现现场监测。而利用生物传感器不仅实现了监测工作的自动化，还提升了监测的准确度。生物传感器在食品安全监测中的应用，主要用来监测食品中农药的残留、非法添加剂和食品添加剂的使用、微生物的类型、食品的新鲜程度等。2.1用于农药的监测。农药的发明，对现代社会中人类的饮食起到了十分重要的作用，它不仅保证了瓜果蔬菜等作物的良好生长，预防了病虫害的发生，还增强了作物的口感，缩短了作物的生长周期，满足了人们的日常生活需求。凡事有利就有弊，农药的使用同时给人类的健康带来了一定的威胁。残留食品表面的农药很难通过人们的日常清洗就去除掉，因此很多商家就打着绿色食品的旗号大肆蒙骗消费者，为商家牟取了大量的利润。但是，很多食物都都需要使用农药，只不过是多少的问题以及是否符合国家食品安全监测标准的问题。生物传感器的问世为这一问题的解决提供了一个很好的解决方案，生物传感器的监测程度更高，能更快速、高效地检测出食品中农药的残留量。生物传感器的种类有很多，针对农药的监测，一般会选择酶传感器和免疫传感器，这两类传感器能很快地检测出农药的残留量是否符合标准，但是很难检测出农药的种类。因此，科学家应对生物传感器进行进一步的研究，以期为食品安全提供更好的保障[6]。2.2用于非法添加剂的监测。非法添加剂指的是那些不能用于食品防护的添加剂，典型的有瘦肉精、三氯氰胺等。瘦肉精主要用于肉类食品中，通过莱克多巴胺和盐酸克伦特罗等物质来对动物进行揠苗助长，并在这种不符合自然规律的生长中增加肉类中的瘦肉比例[7]。人类如果长期食用这种肉类，日积月累，会对身体健康造成极大的危害，甚至会引发死亡。尽管相关食品监测部门已经下令禁止在动物的生长过程中使用这种物质，但是许多不法商贩为了获得巨大的利润，仍在肆无忌惮地使用。另外，三氯氰胺也是一种危害较大的物质，“三鹿奶粉”事件就是一个典型的由三氯氰胺造成的恶果，给千万家庭造成了不可磨灭的伤害。现在，通过特定的适合监测非法添加剂的生物传感器来监测食品安全，不仅能准确地检测出这些物质，还能对其中的含量做出精准的估计，这就大大保障了食品的安全。2.3对食品添加剂的监测。食品添加剂不同于非法添加剂，它是被允许添加在食品中的，而非法添加剂是绝对不允许出现在食品中的。但是，食品添加剂也不是任意使用的，它有一定的添加标准，超出这个标准，也会给人类的身体健康造成一定的危害。但是，许多不良商家完全不考虑食品添加剂的使用量，大量使用食品添加剂，就为了使食品的色泽和味道能更加吸引消费者，增加自己的利益。所以，生物传感器成为人类食品安全的警报器，一旦通不过生物传感器的检测，就说明食品不合格，就可以告知人们不要购买，增强消费者的心理安全感，确保食品贸易健康发展。2.4用于微生物的监测。在对食品各方面的监测中，微生物的监测是最难的一个方面，传统的监测仪器很难监测到，但是利用生物传感器就很容易做到。近几年来，DNA微型传感器的研制成功，已经能快速判断出食品中微生物细菌的存在类型，避免出现大量的食物中毒事件，使食品企业免受大量的经济损失。它的优势是信息量大、操作简单、重复性好、准确率高，是鉴别微生物和转基因成分高效的方式之一。2.5用于监测食品的新鲜度。影响食品安全的因素除了本身的成分构成外，另一个重要的方面是食品的保质期，也就是食品的新鲜度。目前，生物传感器对食品新鲜度的监测成为生物传感器研究的一个新方向，人们希望能研究出一种模拟人类的视觉、听觉及触觉的仿生传感器。这种传感器能感受食品周围存在的各种分子，通过研究分子的组成，鉴定食品的新鲜度，如监测水产品的新鲜程度。有研究者把二茂铁作为黄嘌呤氧化酶与玻碳电极之间的电子传递体，通过检测鱼肉中次黄嘌呤含量所对应的氧化峰电流而间接检测鱼肉的新鲜度[8]。
3结语
生物传感器范文篇9
关键词:快速检测技术;食品检测;应用
我国食品快速检测技术的实际应用工作仍处在定性、半定量的水准，反映出我国食品安全快速检测技术还有发展的空间，食品安全快速检测技术的应用也有较大的发展环境。食品安全检测工作涉及较多学科，会拓展更多、更科学的检测方法，实现快速检测技术的快速发展，为我国食品检测工作提供巨大的技术支持，为广大消费者的健康提供保障。
1我国食品检测技术的研究现状
检测技术是进一步减少食源性疾病发生的有效保证，食品安全技术应该最先体现在检测技术上，这是保障食品安全最直接和最有效的手段，没有检测技术，我们就无法保证食品的安全，也无法知道食品不安全到什么程度。由此可见，食品检测关系到消费者的健康和生命安全，我们要解决食品的安全问题，必须知道疾病是与那些因素有关的，所以，检测技术就显得十分重要。衡量食品是否安全，必须依赖检测技术和科学的检验技术，所以，有关食品检测技术的研究早已引起众多国家的重视。近年来，伴随着科学技术的不断发展，我国也推出了众多的检验技术，以适应人们需求的不断变化，要求我们要从检验过程的每一个环节出发，受仪器、方法、环节和操作人员的因素限制，所得到的结果与实际内容往往会存在着一些差异，比如，仪器不准、试剂中存在杂质以及采样不能代表整体性等多种误差，也会出现由于环境的改变而导致的不可抗因素，这些因素造成的误差会在很大程度上影响最终的检测结果。
2快速检测技术在食品检测中的应用
2.1多功能食品安全快速检测仪。多功能食品安全快速检测仪是以浪伯比耳定律为基础，利用光对物质吸收的不同建立的一种仪器，在仪器的研发过程中，综合了分光光度法的28类食品检测方法。目前，我国研发应用效果最好的是Pors－15F多功能食品安全快速检测仪，这种仪器具有机身小、检测快捷的特点，是目前业内最小的扫描型的紫外可见光谱仪，能够实现手持操作，附件齐全，为我们检测食品提供了丰富的附件和解决方法，并且针对检测内容的不同，提供不同的可更换配件和可选配便捷箱，能够满足用户的自由选择。仪器具备了光谱扫描、定量扫描、光度测量、时间扫描等功能，适用于现场实时检测，覆盖了米、面、豆制品、水产品、肉类和肉制品类，蔬菜、粉条、果条榨菜类，糖类，油类，奶制品类等15大类，可直接插入样品溶液中进行测定，省去了专用比色管和比色皿等，使测量更加快捷，同时实现了与传统测量模式的兼容。2.2用质谱仪检测三聚氰胺。三聚氰胺是生产塑料、阻燃剂以及其他产品经常用到的工业化学品，添加这种化工原料的食物在检测时会显示含有大量的蛋白质，但是，这种化工原料容易引发肾结石，严重时甚至出现肾衰竭，我国法律明文规定不可用于食品以及动物饲料中。关于食品中三聚氰胺的检测，一直以来就很复杂，用质谱仪检测三聚氰胺，由此应运而生。美国最先研究出这种依托三重四极杆质谱仪来检测三聚氰胺的先进技术，并用串联质谱方法对三聚氰胺进行检测，这种方法可以更加快速有效的研究分析动物组织以及样品中的三聚氰胺。美国食品药品管理局也研发了测定食品中三聚氰胺残留的方法，这种方法不仅耐用，而且灵敏度更高。2.3生物传感器检测食品。近年来，诸多食品危机都是通过食品携带的病毒进行传播的，比如禽流感、非典等，我国传统的检测方法都是通过感官和生物检测进行的，这种方法检测的量少，而且效率比较低，简单的微生物培养也需要2～3d，检测时间长的需要一个多星期，而在现实生活中，一个多星期的时间，灾情早已传播，所以，寻找一种快速的检测方法显得尤为重要。美国的研究开发人员最新开发出一种利用纳米技术的生物传感器，能够高度准确的检测食源性病原菌，当生物传感器接触到含有沙门氏菌的时候，在生物传感器上的抗体就会产生反应，出现肉眼可见的荧光。只要改变生物传感器上的抗体，就可以检测不同的食物中是否含有其他的抗体。目前这种检测方法比较常见。2.4快速检验纸片法检测食品。随着科学技术的进步，我国已经研发了多种微生物检测纸片，对于检测菌落的总数，沙门菌、葡萄球菌、霉菌、大肠菌等都有明显的效果。美国也在这些检测纸片的基础上增强了染色剂和显色剂，以进一步增强检测效果，避免了热琼脂法的一些缺陷。2.5聚合酶链式反应技术。在食品生物检测技术中，聚合酶链式反应技术是一种广受食品检测员喜爱的检测方法，也是应用较为广泛的一种检测技术。聚合酶链式反应技术最开始是被用于体外转基因检测的一种技术。通过应用该项技术能有效的将体外固定的短链DNA基因片段快速的扩增至研究者需要的程度，以便于试验研究。此项技术具有精准性。目前，此项检测技术已被成功应用于食品微生物遗传性检测中，并深受社会的好评，具有较好的应用前景。此项技术的作用机理是对疑似导致食品污染的微生物的特定基因片段进行扩增，进而判断扩增微生物是否是导致食物污染的罪魁祸首，或者判断食物是否受到此种微生物的污染。虽然这项检测技术在食品病原微生物检测方面具有很高的准确性及灵敏度，但不能排除假阳性结果的出现。如果食物中存在已经死亡的微生物，而这项技术恰巧被用于死亡微生物的检测，此时的结果便会呈现假阳性，造成检测结果的误差或错误。2.6生物传感器技术。敏感原件作为生物传感器的重要组成部分，在生物传感的应用中发挥着重要的作用。由于敏感识别原件包含酶、抗原、细胞、微生物等很多生物活性物质，因此，识别原件的正确选用十分关键，尤其是应用于食品生物检测识别原件的选用更加严格。分子识别原件能与微生物中的某些物质发生特异性的识别、结合，这一过程能释放出一定物质(光、热)，会进入信号转换器，从而转换成其他信号被输出，这些转换并被输出的信号被放大，最终得到检测结果。与其他的检测方式相比较，生物传感器技术的应用具有操作更加便捷，操作起来更加简单以及反应灵敏的特点，且能有效的缩短时间。实验研究表明，若用生物传感技术检测热狗、牛奶等食品中葡萄糖球菌肠毒素，一般能在4min内完成整个检测流程，同时可将灵敏度提高至10～100ng/g。由于此项检测技术需要的计算机设备及生物材料要求很高，限制了生物传感器技术在食品检测技术中的应用。
3结语
伴随着食品安全事件的不断发生，人们对食品安全问题的重视程度也在不断增强，食品安全问题已经成为大众讨论的焦点和热点。要保证食品的安全，需要一种与人们的需求不断适应的、准确方便的食品快速检测技术。
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生物传感器范文篇10
关键词：环境化学；教学；纳米传感器
随着社会的发展以及经济水平的提升，环境问题日渐凸显，社会需要大量具备科学环境知识的高素质人才，所以高校肩负着塑造大批环境类人才的使命。在众多高校的课程体系中，环境化学课程占据着不可或缺的地位。环境化学课程主要探讨的是化学污染物质在环境介质中的存在、化学性质、行为及控制的化学原理等。新诞生的纳米传感技术涵盖的知识面广泛，并且具有全面性和综合性，将其融入于课程的教学中，可以显著提升教学效果。在环境化学现存的教学工作的基础上，紧密地结合学校自身的办学特点，是提升教学质量的重要措施之一。
1纳米传感器概述
1.1纳米化学及生物传感器
在化学及生物传感器领域融入纳米技术，有效提升了生物传感器及化学的检测性能，推动了新型化学及生活传感器的诞生。由于具备了亚微米的尺寸、换能器及纳微米系统，大大提升了该传感器的物理、化学性质对细胞的检测灵敏度，检测的反应时间也有了明显的减少，而且可以实现高通量的实时检测分析。使用纳米材料所制成的非常灵敏的生物及化学传感器，能够早期诊断癌症及心血管疾病。使用碳纳米管及其他纳米微结构的化学传感器可以检测出氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物及挥发性有机物等。和其他具备相同功能的分析仪相比，其不仅尺寸很小，而且价格非常便宜。在生物传感器当中，使用纳米颗粒、纳米器件及多空纳米结构均获取了成功[1]。
1.2纳米气敏传感器
构成纳米气敏传感器的敏感材料有很多种，主要包括碳纳米管、二维纳米薄膜及金属氧化物半导体纳米颗粒等。在纳米气敏传感器的研发过程中，最主要的方向就是在气体环境当中，依靠敏感材料的电导发生变化来制造气敏传感器。将一些珍贵金属的纳米颗粒，融入于纳米敏感材料中，可以有效增强选择性，提升灵敏度，并且降低工作温度。纳米气体传感器的另外一个方向是，采用多壁碳纳米管来制作气敏传感器。1991年，碳纳米管这种材料被初次发现，由于独一无二的性质和制备工艺，得到了研究者的广泛应用。而且多壁碳纳米管具有极强的吸附能力，因为吸附的气体分子和碳纳米管所产生的相互作用，可以改变宏观电阻，根据电阻的变化来检测气体成分，可以充当气敏传感器[2]。
2纳米传感器在环境化学教学中应用
2.1将纳米传感器融入环境化学教学的必要性
在中国地质大学，环境专业不仅是其中的热门专业，也是特色专业之一。对于环境化学课程的设置，一直坚持着学校“特色加精品”的教育理念。将一些全新的技术元素及概念融合于以往环境化学课程的教学模式中，会给课程注入许多生机与活力。环境化学的研究内容纷繁复杂、千变万化，其中主要包括检测和识别环境污染物质，污染物质在空气、水、泥土及生物体中的迁移变化、去除机理等。在此之中，对污染物的分析与检测一直处于研究的上游阶段。因为唯有精确、高效地检测出污染物的浓度与存在方式，才可以给出有效准确的评价，并且制定出对污染物质进行高效处理和防治的有效措施。所以，在环境化学的实际教学过程中，环境分析化学的内容具有不可或缺的作用[3]。随着经济水平的提升，环境污染物的种类也在日益增多，而人们也在不断地开发新的技术与材料，应对这些层出不穷的环境问题。在这样的环境下，纳米传感器应运而生，其最主要的核心作用就是对环境进行监测及分析。总之，化学是一门内容丰富的综合性学科，其中融合了环境分析、新材料的使用以及污染控制技术等。而纳米传感器主要由化学传感器、生物传感器两部分组成，所能监测的物体主要涵盖了气体、固体、液体、温度及压力等。所运用的材料除了碳与金属之外，还有新合成的材料。所以，纳米传感器技术传达的核心知识点和环境化学课程的核心内容存在着千丝万缕的联系，可通过科学的设计及合理的导入，拓展教学范围，提升教学质量，实现最理想的教学效果[4]。
2.2特色案例教学设计
在环境化学课程的教学过程中，会牵涉到环境分析化学的主题，随之也会提及环境污染物最新的检测技术与方法。此时便可以介绍一些以纳米传感器为基础的快速检测污染物的相关知识。并且根据有关的电分析化学理论，当物质发生氧化还原反应时，在电极表面及分析物之间会存在电子转移，通过对电子转移的捕捉，对电信号（电流值和电压值）及特征值进行定量及定性分析，从而获取目标浓度及电子转移数二者之间的一个定量关系，从而可以准确地将目标物的浓度检测出来。一般该技术所需的设备体积小，容易操作，对现场进行分析检测时更加方便。这样的介绍不仅可以让学生更深入地了解纳米传感器的核心技术、主要原理，激发学生的学习积极性及学习兴趣，而且可以有效传递现阶段纳米材料在环境分析化学范围的应用等有关知识，开发学生的创造性思维[5]。案例的展示加上丰富多彩的多媒体课件，结合电分析化学仪及电极等实物，力求做到绘声绘色、动静结合。此外，对一部分许多学生都充满兴趣的话题进行交流和讨论，将全班的学生分为若干个小组，进行5～10min的讨论，然后每个小组派一个代表进行发言，分别叙述自己的观点。这样在营造良好课堂氛围的同时，还可以节约大量的时间，提升教学的质量和效率，事半功倍。现详细介绍使用碳纳米管传感器检测环境水样中的农药百草枯试验。
2.3试验部分
2.3.1仪器与试剂
多壁碳纳米管（＜10nm，纯度＞95%，长度在0.5～500μm），超声非常均匀地分散于N-二甲基甲酰胺中（5mg/mL），市场上售卖的百草枯，磷酸缓冲溶液（PBS）：使用0.1MNa2HPO4和0.1MNaH2PO4配置。全部的化学试剂皆为分析纯，试验用水是二次蒸馏水。方波伏安法及循环伏安法都在CHI660b电化学工作站上进行。并且采用三级系统，分别为铂丝电极为对电极，碳纳米管修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极。测试底液为磷酸缓冲溶液，每次测试之前都通氮除氧10min，在试验过程中始终保持氮气氛围，试验操作在温室下进行。
2.3.2纳米传感器的制备
把玻碳点击表面用1.0、0.3、0.05μm的氧化铝粉抛光，然后依次用水及酒精超声清洗之后，在0.1MH2SO4中与-1.0～1.5V电位的范围内反复扫描，直到电流稳定下来为止。使用氮气把电极表面吹干，使用微量注射器吸取2μL多壁碳纳米管DMF溶液，浓度为5mg/mL，均匀地滴落于干净的电极表明，利用室温将其挥发干[6]。
2.3.3方波伏安法检测环境中的百草枯
百草枯可以非常稳定地存在于酸性或者中性环境中，但是在pH值大于12时，便会发生水解，试验检测了在不同的底液中，传感器对相同剂量的百草枯的响应电流，比如磷酸缓冲溶液、硼砂、Na2HPO4柠檬酸及邻苯二甲酸氢钾等。结果表明，在磷酸缓冲溶液当中的响应电流最大，以下试验选用磷酸缓冲溶液为测试底液。pH对百草枯在修饰电极上的方波伏安响应存在一定的影响。当底液pH比较小时，响应电流就会随着pH的增大而增大，在中性底液中变为最大值。在碱性条件下，电流值会下降许多，所以选择pH值为6.8。预富集电位对百草枯方波福安响应也存在一定的影响，预富集电位在0.1～0.4V时，响应电流会随着电位的负移而逐渐增大，这主要是因为百草枯带有正电荷。然而，当预富集电位小于-0.4V时，响应电流开始逐渐下降，造成这一现象的主要原因是预富集电位非常接近百草枯的氧化还原电位，少许的百草枯被氧化还原了，所以试验选择预富电位为-0.4V[7]。尽管百草枯响应电流会伴随着预富集时间的增大而增大，但是时间过于漫长的话，会导致百草枯产生光分解，所以响应电流反而会下降，所以实验所选择的预富集时间为2min。维持试液当中的百草枯浓度是5.0×10-6M，将浓度不一致的干扰物质加入其中，考察一些共存的有机化合物，比如莠去津、邻苯二酚对方波伏安检测百草枯的干扰情况。倘若信号变化超过10%，则视为有干扰。结果显示，邻苯二酚的干扰最大，浓度若超过百草枯的100倍，就会引起干扰。如果是其他的重金属离子，比如Zn2+、K+，浓度需在1000倍以上才会引发干扰。所以，MWNTs-GC修饰电极对百草枯具有极强的选择性，不容易受到其他物质的干扰。在校园附近取少量湖水，静置2h，然后用稀盐酸或者氢氧化钠将pH值调节至6.8，在磷酸缓冲溶液中用方波伏安法对实际样品进行检测。检测结果如表1所示。从表1可以看出，在这种方法的检测范围之内，校园的湖水样品当中并不含百草枯成分，进而表面湖水并没有被百草枯所污染。维持试液当中的百草枯浓度为8.3×10-6M，使用方波伏安法用MWNTs-GC修饰电极连续测定5次，标准偏差为1.3%左右。将测定之后的修饰电极保存于0.1MpH6.8PBS当中，30d后，使用其测定含有8.3×10-6M的底液，响应电流仍然保持过去的95%，这也进一步表面纳米管在电极上结合得十分牢固，而且性质也十分稳定。
2.4纳米产品的开发及案例教学的课堂实践
因为纳米技术及其材料具备多样性特征，评估其对环境所产生的影响，需要采用可适应多种条件的传感器。所以，在将来的3～10a，需要开发出评估纳米材料暴露在空气当中影响的仪器。现阶段频繁接触纳米材料的人，都急需价格低廉且便于携带的样本收集器，从而测量工作环境当中纳米材料的暴露情况，主要包括比表面积及数量等。这种仪器需要在未来3a内商业化。纳米产品在制造过程中所产生的废物，比如防晒油这种液体消费品当中产生的纳米颗粒，一定会在水中堆积，不对这些废物进行追踪，就无法确定纳米颗粒存在的好坏。所以，必须在未来5a开发追踪纳米颗粒在水中聚集及转化情况的仪器[9]。笔者在高校环境化学课程的实际教学过程中，把纳米传感器的基础知识、研究心得及实际经验融入于具体的教学过程中，对教学质量的提升发挥了良好的推动作用。比如，在环境化学课程中，讲述环境污染物质的检测环节时，介绍了碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维等纳米材料充当以电分析原理为基础的传感器材料的优势。与其他材料相比较可知，碳纳米材料具备非常大的比表面积、良好的导电性、便宜的价格，而且易于修饰成各种外形，有助于蛋白质或者酶等生物性物质与碳纳米材料融合，从而构建出高效生物传感器。这些介绍可以让学生直观全面地了解到碳纳米材料在传感器中的使用。并且根据现存的理论结合实际的教学思路，对教学内容发挥拓展及延伸的作用[9]。除了上述几点之外，在简介如何灵活运用纳米传感器检测水环境中的污染物质时，牵涉到了电子转移理论及电化学反应，并且详解讲述了传感器的工作原理及传感器的种类。这样可以向学生讲述纳米电化学传感器，是基于特异性点分析化学反应基础的知识点，并且详细介绍了膜状电极、芯片传感器及柱状电极等多种不同形式下的具体作用方法，生动具体地展现了纳米传感器检测污染物的整个过程。在拓展教学内容的形式及内容时，对环境化学教学的发展起到了有效的推动作用。每当在讲述这些具体案例的过程中，学生都兴致蓬勃，充满了热情，甚至进一步激发了许多学生的想象力及好奇心，自己也想亲自参与到纳米传感器的开发及应用过程中来。所以，作为一个生动有效的教学载体，纳米传感器推动了环境化学课程教学质量的提升。在未来的教育教学实践工作中，笔者必须进一步丰富教学经验，并且让教学方法更加科学完善[10]。
3结语
将纳米传感器应用于环境化学的教学过程中，有助于培养学生主动分析问题及处理问题的能力，提升教学质量。随着此项技术的不断发展演变，可以把更多有价值的信息以案例教学的模式导入环境化学教学的过程中，不仅可以激发学生对该项技术的兴趣，还可以使纳米传感技术得以进一步发展，形成良性循环。在未来的环境化学课程的教学中，应深入探索，总结经验，进而提升教学的质量。
作者:周林宗 单位:楚雄师范学院地理科学与旅游管理学院
参考文献
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