摘要：簡述了生物感測器尤其是微生物感測器近年來在發酵工業及環境監測領域中的研究與應用，對其發展前景及市場化作了預測及展望。生物電極是以固定化生物體組成作為分子識別元件的敏感材料，與氧電極、膜電極和燃料電極等構成生物感測器，在發酵工業、環境監測、食品監測、臨床醫學等方面得到廣泛的應用。生物感測器專一性好、易操作、裝置簡單、測量快速準確、適用範圍廣。隨著固定化技術的發展，生物感測器在市場上具有極強的競爭力。
關鍵詞：生物感測器；發酵工業；環境監測。
中圖分類號：TP212.3文獻標識碼：A文章編號：1006-883X(2002)10-0001-06
一、引言
從1962年，Clark和Lyons最先提出生物感測器的設想距今已有40年。生物感測器在發酵工藝、環境監測、食品工程、臨床醫學、軍事及軍事醫學等方面得到了深度重視和廣泛應用。在最初15年裡，生物感測器主要是以研製酶電極製作的生物感測器為主，但是由於酶的價格昂貴並不夠穩定，因此以酶作為敏感材料的感測器，其應用受到一定的限制。
近些年來，微生物固定化技術的不斷髮展，產生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩定等弱點。此外，還可以同時利用微生物體內的輔酶處理複雜反應。而目前，光纖生物感測器的應用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈式反應技術（PCR）的發展，應用PCR的DNA生物感測器也越來越多。
二、研究現狀及主要應用領域
1、發酵工業
各種生物感測器中，微生物感測器最適合發酵工業的測定。因為發酵過程中常存在對酶的干擾物質，並且發酵液往往不是清澈透明的，不適用於光譜等方法測定。而應用微生物感測器則極有可能消除干擾，並且不受發酵液混濁程度的限制。同時，由於發酵工業是大規模的生產，微生物感測器其成本低裝置簡單的特點使其具有極大的優勢。
(1).原材料及代謝產物的測定
微生物感測器可用於原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產物如頭孢黴素、穀氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青黴素、乳酸等的測定。測量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。
在各種原材料中葡萄糖的測定對過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonasfluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進行檢測，可以估計葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測定結果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重複實用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。
當乙酸用作碳源進行微生物培養時，乙酸含量高於某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要線上測定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物感測器可以測定乙酸的濃度。
此外，還有用大腸桿菌（）組合二氧化碳氣敏電極，可以構成測定穀氨酸的微生物感測器，將檸檬酸桿菌完整細胞固定化在膠原蛋白膜內，由細菌—膠原蛋白膜反應器和組合式玻璃電極構成的微生物感測器可應用於發酵液中頭孢酶素的測定等等。
(2).微生物細胞總數的測定
在發酵控制方面，一直需要直接測定細胞數目的簡單而連續的方法。人們發現在陽極表面，細菌可以直接被氧化併產生電流。這種電化學系統已應用於細胞數目的測定，其結果與傳統的菌斑計數法測細胞數是相同的[1]。
(3).代謝試驗的鑑定
傳統的微生物代謝型別的鑑定都是根據微生物在某種培養基上的生長情況進行的。這些實驗方法需要較長的培養時間和專門的技術。微生物對底物的同化作用可以通過其呼吸活性進行測定。用氧電極可以直接測量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物感測器來測定微生物的代謝特徵。這個系統已用於微生物的簡單鑑定、微生物培養基的選擇、微生物酶活性的測定、廢水中可被生物降解的物質估計、用於廢水處理的微生物選擇、活性汙泥的同化作用試驗、生物降解物的確定、微生物的儲存方法選擇等[2]。
2、環境監測
(1).生化需氧量的測定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的測定是監測水體被有機物汙染狀況的最常用指標。常規的BOD測定需要5天的培養期，操作複雜、重複性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現場監測，所以迫切需要一種操作簡單、快速準確、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，並將其固定在玻璃碳極上以構成微生物感測器用於測量BOD，其重複性在±10%以內。將該感測器用於測量紙漿廠汙水中BOD的`測定，其測量最小值可達2mg/l，所用時間為5min[3]。還有一種新的微生物感測器，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。並且其菌株可長期乾燥儲存，浸泡後即恢復活性，為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法[4]。
除了微生物感測器，還有一種光纖生物感測器已經研製出來用於測定河水中較低的BOD值。該感測器的反應時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個感測器系統幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l範圍內），並且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該感測器已經應用於河水BOD的測定，並且獲得了較好的結果[4]。
現在有一種將BOD生物感測器經過光處理（即以TiO2作為半導體，用6W燈照射約4min）後，靈敏度大大提高，很適用於河水中較低BOD的測量[5]。同時，一種緊湊的光學生物感測器已經發展出來用於同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發光二極體和矽光電二極體，假單胞細菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交聯的樹脂固定在反應器的底層，該測量方法既迅速又簡便，在4℃下可使用六週，已經用於工廠廢水處理的過程中[5]。
(2).各種汙染物的測定
常用的重要汙染指標有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質與致變物質、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質的濃度。目前已經研製出了多種測量各類汙染物的生物感測器並已投入實際應用中了。
測量氨和硝酸鹽的微生物感測器，多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細菌和氧電極組合構成。目前有一種微生物感測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、好氧性氧化硫硫桿菌製成的微生物感測器。在pH=2.5、31℃時一週測量200餘次，活性保持不變，兩週後活性降低20%。感測器壽命為7天，其裝置簡單，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，所用細菌是，與氫電極連線構成[7]。
最近科學家們在汙染區分離出一種能夠發熒光的細菌，此種細菌含有熒光基因，在汙染源的刺激下能夠產生熒光蛋白，從而發出熒光。可以通過遺傳工程的方法將這種基因匯入合適的細菌內，製成微生物感測器，用於環境監測。現在已經將熒光素酶匯入大腸桿菌（）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有了很大的發展。目前，有9種革蘭氏陰性細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感測器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監測極限為510-9mol。該感測器工作的最適條件為：pH=7.4、35℃，連續工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（Pseudomonasrathonis）製成的測量表面活性劑濃度的電流型生物感測器，將微生物細胞固定在凝膠（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，或者是穀氨酸醛引起的微生物細胞在凝膠中的交聯，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。該感測器能在測量結束後很快的恢復敏感元件的活性[10]。
還有一種電流式生物感測器，用於測定有機磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測量極限為10010-9mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發展起來的磷酸鹽生物感測器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動系統CL-FIA臺式電腦結合，可以檢測(32~96)10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩週以上，重複性高[12]。
最近，有一種新型的微生物感測器，用細菌細胞作為生物組成部分，測定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一個電流型氧電極作感測器，微生物細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）細胞的呼吸活性。該生物感測器的反應時間為15~20min，壽命為7~10天（用於連續測定時）。在濃度範圍0.5~6.0mg/l內，電訊號與NP-80E濃度呈線性關係，很適合於汙染的地表水中分子表面活性劑的檢測[13]。
除此之外，汙水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經成功設計了一個完整的，基於固定化微生物和生物體發光測量技術上的重金屬離子生物有效性測定的監測和分析系統。將弧菌屬細菌（Vibriofischeri）體內的一個操縱子在一個銅誘導啟動子的控制下匯入產鹼桿菌屬細菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，細菌在銅離子的誘導下發光，發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中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量範圍廣、儲藏穩定性強的生物感測器。目前，這種微生物感測器可以達