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正文內(nèi)容

生物傳感器技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來展望(編輯修改稿)

2025-05-01 23:37 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 簡單、快速準(zhǔn)確、自動化程度高、適用廣的新方法來測定。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量BOD,其重復(fù)性在177。10%以內(nèi)。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD的測定,其測量最小值可達(dá)2mg/l,所用時間為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。并且其菌株可長期干燥保存,浸泡后即恢復(fù)活性,為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法[4]。除了微生物傳感器,還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應(yīng)時間是15min,最適工作條件為30176。C,pH=7。這個傳感器系統(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的測定,并且獲得了較好的結(jié)果[4]?,F(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理(即以TiO2作為半導(dǎo)體,用6W燈照射約4min)后,靈敏度大大提高,很適用于河水中較低BOD的測量[5]。同時,一種緊湊的光學(xué)生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發(fā)光二極管和硅光電二極管,假單胞細(xì)菌(Pseudomonasfluorescens)用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層,該測量方法既迅速又簡便,在4℃下可使用六周,已經(jīng)用于工廠廢水處理的過程中[5]。(2).各種污染物的測定常用的重要污染指標(biāo)有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質(zhì)與致變物質(zhì)、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質(zhì)的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測量各類污染物的生物傳感器并已投入實際應(yīng)用中了。測量氨和硝酸鹽的微生物傳感器,多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細(xì)菌和氧電極組合構(gòu)成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx),它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的NOx進(jìn)行了測量,其效果較好[6]。硫化物的測定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=、31℃時一周測量200余次,活性保持不變,兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天,其設(shè)備簡單,成本低,操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量,與氫電極連接構(gòu)成[7]。最近科學(xué)家們在污染區(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細(xì)菌,此種細(xì)菌含有熒光基因,在污染源的刺激下能夠產(chǎn)生熒光蛋白,從而發(fā)出熒光??梢酝ㄟ^遺傳工程的方法將這種基因?qū)牒线m的細(xì)菌內(nèi),制成微生物傳感器,用于環(huán)境監(jiān)測?,F(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌()中,用來檢測砷的有毒化合物[8]。水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前,有9種革蘭氏陰性細(xì)菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來,以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監(jiān)測極限為5180。109mol。該傳感器工作的最適條件為:pH=、35℃,連續(xù)工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬(Pseudomonasrathonis)制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器,將微生物細(xì)胞固定在凝膠(瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽)和聚乙醇膜上,可以用層析試紙GF/A,或者是谷氨酸醛引起的微生物細(xì)胞在凝膠中的交聯(lián),長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結(jié)束后很快的恢復(fù)敏感元件的活性[10]。還有一種電流式生物傳感器,用于測定有機(jī)磷殺蟲劑,使用的是人造酶。利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶,對硝基酚和二乙基酚的測量極限為100180。109mol,在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來的磷酸鹽生物傳感器,使用丙酮酸氧化酶G,與自動系統(tǒng)CLFIA臺式電腦結(jié)合,可以檢測(32~96)180。109mol的磷酸鹽,在25176。C下可以使用兩周以上,重復(fù)性高[12]。最近,有一種新型的微生物傳感器,用細(xì)菌細(xì)胞作為生物組成部分,測定地表水中壬基酚(nonylphenoletoxylateNP80E)的含量。用一個電流型氧電極作傳感器,微生物細(xì)胞固定在氧電極上的透析膜上,其測量原理是測量毛孢子菌屬(Trichosporumgrablata)細(xì)胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應(yīng)時間為15~20min,壽命為7~10天(用于連續(xù)測定時)。~,電信號與NP80E濃度呈線性關(guān)系,很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測[13]。除此之外,污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計了一個完整的,基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細(xì)菌(Vibriofischeri)體內(nèi)的一個操縱子在一個銅誘導(dǎo)啟動子的控制下導(dǎo)入產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌(Alcaligeneseutrophus(AE1239))中,細(xì)菌在銅離子的誘導(dǎo)下發(fā)光,發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質(zhì)中,可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量范圍廣、儲藏穩(wěn)定性強(qiáng)的生物傳感器。目前,這種微生物傳感器可以達(dá)到最低測量濃度1180。109mol[14]。還有一種專門測量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母(Saccharomycescerevisiae)重組菌株作為生物元件,這些菌株帶有酒釀酵母CUP1基因上的銅離子誘導(dǎo)啟動子與大腸桿菌lacZ基因的融合體。其工作原理,首先是CUP1啟動子被Cu2+誘導(dǎo),隨后乳糖被用作底物進(jìn)行測量。如果Cu2+存在于溶液中,這些重組體細(xì)菌就可以利用乳糖作為碳源,這將導(dǎo)致這些好氧細(xì)胞需氧量的改變。該生物傳感器可以在濃度范圍(~2)180。103mol范圍內(nèi)測定CuSO4溶液。目前已經(jīng)將各類金屬離子誘導(dǎo)啟動子轉(zhuǎn)入大腸桿菌中,使得大腸桿菌會在含有各種金屬離子的的溶液中出現(xiàn)發(fā)光反應(yīng)。根據(jù)它發(fā)光的強(qiáng)度可以測定重金屬離子的濃度,其測量范圍可以從納摩爾到微摩爾,所需時間為60~100min[15][16]。用于測量污水中鋅濃度的生物傳感器也已經(jīng)研制成功,使用嗜堿性細(xì)菌Alcaligenescutrophus,并用于對污水中鋅的濃度和生物有效性進(jìn)行測量,其結(jié)果令人滿意[17]。估測河口出水流污染情況的海藻傳感器是由一種螺旋藻屬藍(lán)細(xì)菌(cyanobacteriumSpirlinasubsalsa)和一個氣敏電極構(gòu)成的。通過監(jiān)測光合作用被抑制的程度來估測由于環(huán)境污染物的存在而引起水的毒性變化。以標(biāo)準(zhǔn)天然水為介質(zhì),對三種主要污染物(重金屬、除草劑、氨基甲酸鹽殺蟲劑)的不同濃度進(jìn)行了測定,均可監(jiān)測到它們的有毒反應(yīng),重復(fù)性和再生性都很高[18]。近來由于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)(PCR)的迅猛發(fā)展及其在環(huán)境監(jiān)測方面的廣泛應(yīng)用,不少科學(xué)家開始著手于將它與生物傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。有一種應(yīng)用PCR技術(shù)的DNA壓電生物傳感器,可以測定一種特殊的細(xì)菌毒素。將生物素?;奶结樄潭ㄔ谘b有鏈酶抗生素鉑金表面的石英晶體上,用1180。106mol的鹽酸可以使循環(huán)式測量在同一晶體表面進(jìn)行。用細(xì)菌中提取的DNA樣品進(jìn)行同樣的雜交反應(yīng)并由PCR放大,產(chǎn)物為氣單胞菌屬(Aeromonashydrophila)的一種特殊基因片斷。這種壓電生物傳感器可以鑒別樣品中是否含有這種基因,這為從水樣中檢測是否含帶有這種病原的各種氣單胞菌提供了可能[19]。還有一種通道生物傳感器可以檢測浮游植物和水母等生物體產(chǎn)生的腰鞭毛蟲神經(jīng)毒素等毒性物質(zhì),目前已經(jīng)能夠測量在一個浮游生物細(xì)胞內(nèi)含有的極微量的PSP毒素[20]。DNA傳感器也在迅速的得到應(yīng)用,目前有一種小型化DNA生物傳感器,能將DNA識別信號轉(zhuǎn)換為電信號,用于測量水樣中隱孢子和其他水源傳染體。該傳感器著重于改進(jìn)核酸的識別作用和加強(qiáng)該傳感器的特異性和靈敏性,并尋求將雜交信號轉(zhuǎn)化為有用信號的新方法,目前研究工作為識別裝置和轉(zhuǎn)換裝置的一體化[21]。微藻素是一種從藍(lán)藻細(xì)菌引起的水華中產(chǎn)生的細(xì)菌肝毒素,一種固定有表面細(xì)胞質(zhì)?;蚪M的生物傳感器已經(jīng)制得,用于測量水中微藻素的含量,它直接的測量范圍是50~1000180。106g/l[22]。
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