一、 引言

從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設想距今已有40 年。生物傳感器在發酵工藝、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年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價格昂貴并不夠穩定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，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發展，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復雜反應。而目前，光纖生物傳感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生物傳感器也越來越多。

二、 研究現狀及主要應用領域

1、 發酵工業

各種生物傳感器中，微生物傳感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，并且發酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測定。而應用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發酵液混濁程度的限制。同時，由于發酵工業是大規模的生產，微生物傳感器其成本低設備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

微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、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(Psoudomonas fluorescens)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，重復實用性好，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，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母(Trichosporon brassicae)，透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測定乙酸的濃度。

此外，還有用大腸桿菌(E.coli)組合二氧化碳氣敏電極，可以構成測定谷氨酸的微生物傳感器，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傳感器可應用于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并產生電流。這種電化學系統已應用于細胞數目的測定，其結果與傳統的菌斑計數法測細胞數是相同的[1].

(3)。 代謝試驗的鑒定

傳統的微生物代謝類型的鑒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，可以用微生物傳感器來測定微生物的代謝特征。這個系統已用于微生物的簡單鑒定、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、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2].

2、 環境監測

(1)。 生化需氧量的測定

生化需氧量(biochemical oxygen dem–BOD)的測定是監測水體被有機物污染狀況的最常用指標。常規的BOD測定需要5天的培養期，操作復雜、重復性差、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，并將其固定在玻璃碳極上以構成微生物傳感器用于測量BOD，其重復性在±10%以內。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2 mg/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研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7.這個傳感器系統幾乎不受氯離子的影響(在1000mg/l范圍內)，并且不被重金屬(Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+)所影響。該傳感器已經應用于河水BOD的測定，并且獲得了較好的結果[4].

現在有一種將BOD生物傳感器經過光處理(即以TiO2作為半導體，用6 W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，一種緊湊的光學生物傳感器已經發展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發光二極管和硅光電二極管，假單胞細菌(Pseudomonas fluorescens)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℃下可使用六周，已經用于工廠廢水處理的過程中[5].