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生物传感器

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1 拼音

shēng wù chuán gǎn qì

生物传感器是一种利用生物的因子或生物学原理来检测或计量化合物的装置。通常生物传感器利用纯化的酶、免疫系统组织细胞器或完整细胞作为催化剂,这些催化剂通常被固定化制成膜并与物化仪器相结合使用。物化仪器用来监测欲进行分析的物质在固定化催化剂的作用下所发生的化学变化,并转换成电信号。生物传感器的基本构成及工作原理如图所示:

2 生物传感器定义与分类

用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器(biosensor)。生物传感器并不专指用于生物技术领域的传感器,它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。

生物传感器主要有下面三种分类命名方式:

1.根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类:酶传感器(enzymesensor),微生物传感器(microbial sensor),细胞传感器(organall sensor),组织传感器(tis-sue sensor)和免疫传感器(immunol sensor)。显而易见,所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原抗体

2.根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有:生物电极(bioelectrode)传感器,半导体生物传感器(semiconduct biosensor),光生物传感器(optical biosensor),热生物传感器(calorimetric biosensor),压电晶体生物传感器(piezoelectric biosensor)等,换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器(affinity biosensor)。

三种分类方法之间实际互相交叉使用。

3 生物传感器基本结构和工作原理

生物传感器由分子识别部分(敏感元件)和转换部分(换能器)构成,以分子识别部分去识别被测目标,是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。

生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物,如抗体和抗原的结合,酶与基质的结合。在设计生物传感器时,选择适合于测定对象的识别功能物质,是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化,去选择换能器,是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量,可以选择适当的换能器。

3.1 BOD生物传感器

BOD标准稀释法是水体有机污染常规监测方法之一。它需要将含有微生物的水样在20℃培养5d,需要熟练的操作技巧,操作过程繁琐,不能及时反映水质情况。为了简单、决速地测定BOD,产生了BOD生物传感器,以代替标准稀释法。

BOD生物传感器使用的微生物可以是丝孢酵母(Trichosporon cutaneum)。菌体吸附在多孔膜上,室温下干燥保存待用。将带有菌体的多孔膜置于氧电极的Teflon膜上,使菌体处于两层膜之间。测量系统包括:带有夹套的流通池(直径1.7cm,高0.6cm,体积1.4ml),生物传感器探头安装在流通池内;蠕动泵;自动采样器和记录仪。

流通池夹套中水温恒定于30℃±0.2℃,向流通池中注入氧饱和的磷酸缓冲液(pH7.0,0.1mol/L),流量为1ml/min。电流显示达稳态值后,以0.2ml/min的流量向流通池注入样品溶液,每隔60min注入样品一次。

将含有葡萄糖谷氨酸的标准BOD样品溶液注入测量系统时,这些有机化合物透过多孔性膜被固定化的微生物所利用。固定化微生物开始消耗氧,引起膜附近溶液的溶解氧含量减少。结果,氧电极输出电流随时间明显减小,18min内达到某一稳态值,此时氧分子向膜内的扩散和细胞呼吸之间建立了新的耗氧与供氧的动力学平衡

稳态电流值的大小取决于样品溶液的BOD浓度。样品溶液流过之后,再将缓冲液通入流通池使传感器的输出电流值恢复到初始水平。生物传感器的响应时间(达到稳态电流所需的时间)视样品溶液的种类而异。对含有乙酸的样品溶液,响应时间为8min;对含有葡萄糖的样品溶液,响应时间为18min。因此,实验中注入样品的时间采用20min。

该生物传感器的电流差值(初始电流和稳态电流之差)与五天标准稀释法测得的BOD浓度之间呈线性关系。BOD检测浓度最低限值为3mg/L。在BOD含量为40mg/L时,10次实验中电流差值可以重现(相对误差在±6%以内)。

3.2 测定氨生物传感器

由固定化硝化细菌、聚四氟乙稀透气膜和氧电极所构成的生物传感器可用于氨的测定。从活性污泥中分离到的硝化细菌,包括亚硝化单胞菌(Nitrosomonas sp.)和硝化杆菌(Ni-trobacter sp.)被吸附固定在多孔膜上(孔径0.45μm,厚度150μm),把这种载菌膜装在氧电极端部,再在菌膜上覆盖一层透气膜就制成了氨生物传感器,硝化细菌以氨为唯一能源消耗氧。

氨的浓度可通过检测氧电极上的固定化微生物的耗氧量来测定。测定在pH9.0,温度30℃下进行。电流降低值(初始电流值与稳态电流值之差)与氨浓度之间呈线性关系。检测最大浓度为42mg/L,最大电流降低值是4.7μA,检测下限为0.1mg/L,(重现性为±5%)。对各种挥发性物质(如醋酸乙醇二甲胺、丁胺等)无响应,表明传感器选择性极好。对33mg/L氨样品测定,传感器输出电流在长达两周或者1500次以上的测定中几乎不变。对人尿中氨进行测定,生物传感器法与氨电极法相关系数为0.9,该生物传感器已用于发酵厂排出液中氨的测定。

3.3 硝酸盐生物传感器

硝化细菌利用亚硝酸盐作为唯一能源,进行呼吸作用耗氧,反应过程如下:

使用由固定化硝化细菌和氧电极构成的生物传感器可以测定亚硝酸盐。

带有固定化硝化细菌的多孔性膜切成圆片并小心地贴在氧电极表面的Teflon膜上,然后再盖上一层透气膜(0.5μm孔径)并用橡胶环固定好即可制成亚硝酸盐传感器探头,它的测量系统包括:带夹套的流通池(直径23mm,高10mm,液体体积1ml),生物传感器探头置于其中;蠕动泵;放大器和记录仪。

通过水浴使流通池的温度保持在30℃±1℃。以1.6ml/min的流量将氧饱和的缓冲液(pH2.0)输入流通池,待电极电流达到某一稳态值后,以0.4ml/min的流量将样品溶液送入流通池,历时2min。

样品溶液(亚硝酸钠溶液)送入流通池后,在pH2.0的条件下亚硝酸离子转变成二氧化氮,然后二氧化氮通过透气膜。在硝化细菌层内二氧化氮又转变成亚硝酸离子。亚硝酸离子被硝化细菌作为唯一的能源而被代谢。通过氧电极测出细菌膜附近的溶液的溶解氧消耗,由氧电极的电流降低值可以间接测定亚硝酸盐的浓度。

该传感器的电流随时间明显地减小,直到某一稳态值。10min之内可得到稳态电流。

初始电流与稳态电流之差和亚硝酸盐的浓度(在59mmol/L以下)之间呈线性关系。亚硝酸盐的最低检测浓度为0.1mmol/L。用0.25mmol/L的亚硝酸钠溶液测定时,25次实验的标准偏差是0.01mmol/L,相对误差±4%。

溶液中含有各种不同的物质并不影响到这种生物传感器的测量效果。同一浓度样品,在21d内经400次以上重复测定,传感器的电流输出几乎不变。

3.4 乙醇生物传感器

在乙醇氧化酶、水和氧存在的情况下,乙醇被氧化成乙醛过氧化氢的反应过程如下:

固定化酶膜和过氧化氢电极可以组合构成乙醇生物传感器。

将350单位的乙醇氧化酶和1ml5%(V/V)的聚乙烯亚胺及3mg牛血白蛋白溶液混合,并加入0.2ml 15%(V/V)的戊二醛溶液。在5℃存放4h。再将这种酶的混合物包在聚碳酸脂膜和醋酸纤维素膜之间,并在5℃风干24h。这些膜再用0.02%(V/V)的戊二醛溶液处理,并用磷酸盐缓冲液(0.05mol/L,pH 7.0)洗涤之后,获得该传感器的探头。它的测量系统主要包括:带夹套的流通池、蠕动泵、自动进样器、放大器和记录仪。

在0~3.0%(V/V)浓度范围内观测到的电流增加值和乙醇浓度呈线性关系。但在3.0%(V/V)浓度以上,是呈非线性的。

3.5 甲烷生物传感器

甲烷氧化菌同化甲烷时因呼吸而耗氧,其反应式如下:

制备此传感器所用细菌是甲基单胞菌(Methylomonas)。

测量系统包括两个氧电极、两个反应器、一个电流放大器、两台真空泵和一个记录仪,两反应器容积均为55ml,各含41ml培养液。一个反应器载有细菌细胞,另一个反应器中没有细菌细胞。把两支氧电极分别安装在两个测量池中,用玻璃管或聚四氟乙烯管把测量池与整个系统连接起来。一个真空泵的用途是抽空管中的气体,另一个泵的作用是向系统中输送气体样品。整个系统保持严密性,不漏气,设计线路保持测量线路和参比线路的对称性。反应池外用恒温水浴控制在30℃±0.1℃。

甲烷传感器测量的是两个反应池中氧电极电流差值,电流值差由含氧量不同而引起。当含有甲烷的气体样品流过有细菌的反应池时,甲烷被细菌同化,引起细菌呼吸性增加,这样该反应池中氧电极电流减少至最低稳定状态。而另一支氧电极所在的反应池中不含有细菌,氧含量及电流值均不减少,所以两个电极电流之间的最大差值与气体样品中甲烷含量有关。

此传感器系统在甲烷浓度为0~6.6mmol/L范围内与电流差值有良好的线性关系,电流差值变化范围是0~3.5μA,可检测的最低浓度是5μmol/L,测定0.66mmol/L的样品(25个)时,电流差值的重现性在5%以内,标准偏差是9.40nA。测定甲烷的响应时间在60sec内恢复到最初的平衡值,因此,测定一个样品的总时间是2min。

生物化学反应过程产生的信息是多元化的,微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。

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开放分类:生物学传感器
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  • 评论总管
    2020/11/30 23:11:57 | #0
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本页最后修订于 2010年3月22日 星期一 13:42:51 (GMT+08:00)
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