微生物传感器

的原理实现待测物质的定量测定
固定 化 微生 物
细菌 类 真菌 类
分析 物
换能 器
电位 式 电流 式 热量 式 压电 式 光度 式
信号 输出 装置
微生物传感器原理示意图
微生物传感器的原理
固定化微生物
固定化微生物是传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件
固定化微生物的要求：1、要求将微生物限制在一定的空间,不流失 2、要求保持微生物的固有活性和良好的机械性能
缺点
χ 由于含有多种酶，使选择性和灵敏度受到限制 χ 底物需要通过细胞壁扩散，响应时间长
影响微生物传感器响应的因素
影响因素
01
PH值
02
缓冲溶液的种类和用量
03 微生物的用量
04
温度与气体的影响
05
活化剂与稳定剂
微生物传感器的原理
微生物传感器由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成 利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热
被测物质
微生 物固 定化膜
新陈代谢变化 （代谢机能）
电化学敏感电极
电信号
代谢机能型微生物传感器
代谢机能型微生物传感器测量有机物浓度
代谢机能型微生物传感器的一个重要应用：测量有机物浓度
根据代谢产物，选择测定方法：
测定方法
代谢产物
电流法
氢、甲酸或各种还原型辅酶等
电位法
二氧化碳、有机酸（氢离子）等
细菌发光传感器检测过程
将发光细菌固定成便于携带、安装与保存的生物膜组件； 使其与经过预处理的外来毒物在反应室内反应，产生光信号变化； 微弱的发光细菌光信号通过多模光纤传输至高灵敏度的光电转换器； 然后通过高精度放大器件制成放大电路将微弱电信号放大到０～５Ｖ； 最后通过数据采集卡对信号进行采集、处理以及进行受试物的毒性评估
被测物质
微生 物固 定化膜
氧消耗变化 （呼吸机能）
封闭式氧电极
电信号
呼吸机能型微生物传感器
呼吸机能型微生物传感器测量有机物浓度
呼吸机能型微生物传感器的一个重要应用：测量有机物浓度
测量有机物浓度原理： 将微生物传感器插入含有饱和溶解氧的试液中时，试液中的有机物受到细菌细胞
的同化作用，细菌细胞呼吸加强，扩散到电极表面上氧的量减少，电流减小 当有机物由试液向细菌膜扩散速度达到恒定时，细菌的耗氧量也达到恒定，此时
甲烷微生物传感系统示意图
代谢机能型微生物传感器
厌氧型微生物同化有机物，生成电化学活性代谢物
微生物同化有机物后,可生成H2、CO2、NH3和有机酸类等电化学活性代谢物 这些代谢物中含有能在电极上响应或与之反应的物质(即电活性物质)
代谢机能型微生wenku.baidu.com传感器
由固定化的厌氧菌膜和相应的电化学传感元件组合而成 电化学传感元件包括：燃料电池型电极、离子选择性电极或气体电极等
检测水质毒性的细菌发光传感器
通常情况下，发光细菌的发光强度与毒性物质的毒性大小呈负相关的关系
外来受试物通过下面两个途径抑制细菌发光：
1.外在毒物直接抑制发光反应酶活性，从而影响代谢反应
2.外在毒物通过抑制细胞内与发光反应有关的其他代谢过程（如细胞呼吸等） 间接影响发光代谢反应
发光微生物传感器在水质检测中的应用
代谢机能型微生物传感器测量有机物浓度原理图
基因工程微生物传感器
基因工程
所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过 体外重组后导入受体细胞内，使基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的 操作
基因工程微生物传感器基本原理
利用基因工程的手段，对敏感元件微生物进行基因改造，从而使微生物对环境 中的某些特殊毒性物质或物理胁迫反应，产生可以测量的信号，与物质浓度成 正比，可以用来检测和量化空气、土壤或水中的特定化学物质
体积分数，为预防瓦斯险情提供准确依据
甲烷微生物传感系统示意图
甲烷微生物传感器
甲烷微生物传感系统是由固定化微生物反应器、Clark 氧电极和记录仪器组成 含甲烷的气体流过有微生物的反应池时，甲烷被微生物同化，微生物呼吸 增强而消耗氧，使得反应器中溶解氧的浓度降低 当微生物的耗氧量与从样品向微生物扩散的氧量之间达到平衡时，电流下 降会达到稳定，稳态电流的大小取决于甲烷的浓度
进样 口
光纤
光 信 号 光视 窗
生物 膜组 件
反应室示意图
光电 倍增 管
检测 系统
出样 口
废液 桶
光纤 光视窗
暗盒 蠕动 泵
水通 道
生物 膜组 件
原水
发光细菌传感器示意图
呼吸机能型微生物传感器
好氧型微生物呼吸时要消耗氧气、产生二氧化碳
把固定化好氧微生物膜和氧电极或二氧化碳电极组合起来, 就可以通过测量溶解氧
聚丙烯酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一种
包埋法的优缺点
优点： 对微生物细胞活性影响较小 微生物不易流失 膜的孔径和几何形状可以控制 膜稳定性高,可长时间储藏
χ 缺点： 分子过大的底物在凝胶网格内扩散较困难 不适合大分子底物的测定
微生物传感器的分类
从微生物传感器的工作原理上对其进行分类，可以分为四类：
吸附法也可借助于载体和细胞表面的静电作用，将细胞吸附在离子交换树脂膜上
吸附法的优缺点
优点：对微生物无毒害，操作简便，条件温和 χ 缺点：微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差
微生物固定化方法—交联法
交联法又称无载固定化法，是一种不用载体的工艺，通过化学、物理手段 使生物体细胞间彼此附着交联
发光微生物发光原理
细菌发光的生物学机制：
细菌荧光酶
FMNH2+RCHO+O2
光 +FMN+H2O+RCOOH
发光细菌在自然环境下可以以还原型黄素单核苷酸、长链脂肪醛为底物，在氧的 参与下，经细菌荧光素酶催化而发光
发光微生物传感器工作原理
当环境中存在有毒物质时, 因为细菌荧光素酶活性或细胞呼吸受到抑制,发光能力 受到影响而减弱, 其减弱程度与毒物的毒性大小和浓度呈一定的比例关系。因此, 通过灵敏的光电检测装置, 检测在毒物作用下发光菌的光强度变化,可以评价待测 物质的毒性。
微生物固定化的要求：
固定化过程的反应条件和所用化学试剂对活细胞无害； 固定化过程适宜在无菌条件下操作； 固定后的菌稳定性要好
微生物固定化常用的方法：
吸附法 共价交联法 包埋法
微生物固定化方法—吸附法
吸附法是最早被采用的方法 吸附法基本原理
吸附法利用载体与微生物细胞间简单的物理吸附进行固定，即将菌悬液离心， 过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜上
扩散到电极表面上的氧量也变为恒定，因此产生一个恒定电流 此电流与试液中的有机物浓度存在定量关系，据此可测定有关有机物浓度
甲烷微生物传感器
甲烷检测的应用
甲烷与空气可以形成爆炸性混合物，空气中甲烷含量在5-14％之间具有爆炸性 甲烷的生产过程是一个发酵过程，控制发酵过程也需要测定各发酵阶段的甲烷含量
发光微生物传感器
发光细菌
微生物传感器
呼吸机能型微生物传感器 代谢机能型微生物传感器
好氧型微生物 厌氧型微生物
基因工程微生物传感器
基因改造的微生物
发光微生物传感器
发光微生物：1.自然界存在的细胞内有生物发光代谢系统的原核和真核微生物 2.导入发光基因的微生物具备发光特性的基因工程发光微生物
常用的两种发光细菌是弧菌属和明亮发光杆菌，均为海洋细菌
交联法基本原理
化学交联法 利用醛类、胺类等具有双功能或多功能基团的交联剂与生物体之间形成共价键
相互联结形成不溶性的大分子而加以固定 使用的交联剂主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等 物理交联法
利用微生物自身的自絮凝能力形成颗粒的一种固定化技术
在微生物培养过程中，适当改变细胞悬浮液的培养条件(如离子强度、温度、 pH值等)，使微生物细胞之间发生直接作用而颗粒化或絮凝来实现固定化
分析工作者研究采用各种生物方法来检测水质毒性，包括微生物、藻、底栖软体 动物、浮游生物、鱼等 发光细菌因其独特的生理发光特性以及与现代光电检测手段完美结合的特点而得 到了人们广泛的关注
发光细菌传感器系统组成
原水
过滤器
传感器 电信号 I/V转换
放大电路
数据采集
计算机
出水
检测水质毒性的细菌发光传感器
甲烷微生物传感器
甲烷微生物传感系统是由固定化微生物反应器、Clark 氧电极和记录仪器组成 甲烷微生物传感系统如下图所示，简要说明各个部分作用：
泵的作用是将溶液体由低位送至高位，避免了液体试剂的回流； 煤气阀结合流量计控制液体试剂的流量； 恒温磁力搅拌器保证了在温度恒定的条件下均匀搅拌液体溶剂； 磁条起耐高温、耐酸碱、抗撕裂、抗划伤作用，有效保护了仪器的正常运作； 数据记录器和计算机接收到实时监测数据，并进行分析，由溶解氧含量转换成甲烷
化学交联法的局限性
χ 由于共价键形成往往毒害了活细胞，故其应用受到一定限制
微生物固定化方法—包埋法
包埋法是最常用的方法
包埋法基本原理
将生物体细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络中，将微生物活细胞包埋 于适当的立体网状材料中
常用的包埋材料有聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙凝胶、琼脂、骨胶原等
甲烷微生物传感器的原理
甲烷电极所用微生物是甲烷氧化细菌 从天然物质中提取并在一定的培养环境中生长的甲烷氧化细菌，通过氧化甲烷而
生长，甲烷是它的主要碳源和能源
基本原理： 通过甲烷氧化细菌催化氧化甲烷，在催化过程中消耗氧，产生了溶解氧分子 经Clark 氧电极吸收转化传输到计算机上进行实时检测
基因工程微生物传感器的原理
基因工程微生物传感器
基因工程微生物传感器检测原理
当目标物质存在或物理胁迫出现时，微生物中的调节基因/启动子增强表达或启动 同时连在调节基因/启动子下游的报告基因转录成信使RNA（mRNA） 进一步翻译成报告蛋白，产生可以检测的信号 通过某些特定的方式放大、测量该信号，实现对目标物质的检测 基因工程微生物传感器很早就被应用于对环境污染物的检测，并在医学诊断、
精确农业、食品安全保证和营养物质含量控制等领域快速发展 将报告基因与对目标化学物质或生理信号有剂量依赖性反应的调控基因融合后，通过 修饰调节基因，可以提高其生物传感器的能力，如靶标范围和灵敏度等
抗原 抗体 微生物 细胞
组织
生物传感器
核酸
换能器 信号转换器件
将感知的生物化学信号 转变为可测量的电信号
电化学电极 热敏电阻器
光电管 氧电极 压电晶体
生物传感器的分类
根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件
生物传感器类型
敏感元件
酶传感器
酶
微生物传感器
微生物
细胞传感器
细胞器
组织传感器
动植物组织
消耗量或二氧化碳的生成量来探知其生理状态, 即呼吸机能型微生物传感器
呼吸机能型微生物传感器
由固定化微生物膜和溶解氧电极(或二氧化碳电极)组成 溶解氧电极采用极谱式电极，阳电极为Ag/AgCl、阴电极为铂金（Pt）组成，两者 之间充满特殊成份的是电解液，由硅橡胶渗透膜包裹于电极四周 溶氧电极用来测量用来对氧含量会影响反应速度、流程效率或环境的流程进行监控
固定化技术的重要性：决定传感器的稳定性、灵敏性和使用寿命等性能指标
换能器
最早应用的换能器是电化学电极,主要有氧电极、二氧化碳电极等 随后出现了燃料电池、光敏二极管、场效应晶体管等其他类型的换能器 离子敏场效应管作为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段
微生物敏感膜的制备技术
固定化微生物是传感器的信息捕捉功能元件，是影响传感器性能的核心部件
免疫传感器
抗原和抗体
根据生物传感器的换能器即信号转换器
生物传感器种类
信号转换器
电化学生物传感器
电化学电极
半导体生物传感器
半导体
光生物传感器
光电转换器
热生物传感器
热敏电阻
压电晶体生物传感器
压电晶体
微生物传感器的优缺点
优点
稳定性好，使用寿命长 响应迟钝时，放入培养基使活性恢复 细菌细胞中含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感器提供了方便 有些酶至今尚无分离办法，可用含有该酶的细菌组成传感器 微生物传感器可以克服酶价格昂贵、提取困难和不稳定的缺点 微生物细胞更容易被操纵且在体外具有更好的生存力和稳定性
微生物传感器
生物传感器简介
生物传感器就是把生物成分和物理化学检测器结合在一起的设备，是由固定化的生物 敏感材料作识别元件、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
生物传感器把待分析物种类、浓度等性质通过一系列的反应转变为容易被人们接受的
量化数据，便于分析 酶
感受器 分子识别元件
特异地识别各种被测物质 并与之反应