第五章 微生物傳感器

1、1 第五章第五章 微生物傳感器微生物傳感器 Microbiological sensor 微生物傳感器是生物傳感器的重要分支。微生物傳感器是生物傳感器的重要分支。 1975年，年，Divies制成了第一支微生物傳感器制成了第一支微生物傳感器; 1977年，研制出檢測(cè)精氨酸的微生物電極；年，研制出檢測(cè)精氨酸的微生物電極； 1979年，研制出檢測(cè)谷氨酰胺的組織傳感器。年，研制出檢測(cè)谷氨酰胺的組織傳感器。2微生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)：微生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 微生物中含有多種酶，對(duì)于需要多種酶的微生物中含有多種酶，對(duì)于需要多種酶的反應(yīng)，微生物傳感器提供了方便；反應(yīng)，微生物傳感器提供了方便； 穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)

2、；穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)； 響應(yīng)遲鈍時(shí)，放入培養(yǎng)基使活性恢復(fù)；響應(yīng)遲鈍時(shí)，放入培養(yǎng)基使活性恢復(fù)； 有些酶至今無法分離，可用含有該酶的細(xì)有些酶至今無法分離，可用含有該酶的細(xì)菌組成傳感器；菌組成傳感器； 克服酶價(jià)格昂貴、提取困難以及不穩(wěn)定的克服酶價(jià)格昂貴、提取困難以及不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)。3微生物傳感器的缺點(diǎn)：微生物傳感器的缺點(diǎn)： 由于含有多種酶，使由于含有多種酶，使選擇性選擇性和和靈敏度靈敏度受到受到限制；限制； 底物需要通過細(xì)胞壁擴(kuò)散，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。底物需要通過細(xì)胞壁擴(kuò)散，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。45.1 5.1 微生物的特征微生物的特征一、微生物的營(yíng)養(yǎng)要素一、微生物的營(yíng)養(yǎng)要素 水、碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、

3、水、碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無機(jī)鹽。無機(jī)鹽。 5 微生物要進(jìn)行各種代謝以維持生命活微生物要進(jìn)行各種代謝以維持生命活動(dòng)，就必須從周圍環(huán)境中吸收適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，動(dòng)，就必須從周圍環(huán)境中吸收適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，這些物質(zhì)稱為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生這些物質(zhì)稱為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是微生物新陳代謝和一切生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。物新陳代謝和一切生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 根據(jù)微生物所利用根據(jù)微生物所利用碳源、能源碳源、能源的不同，的不同，可分為四種基本營(yíng)養(yǎng)類型：可分為四種基本營(yíng)養(yǎng)類型：n 光能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型n 光能異養(yǎng)型光能異養(yǎng)型n 化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)型n 化能異養(yǎng)型化能異養(yǎng)型二、微生物的營(yíng)養(yǎng)類型二、微生物的營(yíng)養(yǎng)類型1光能自

4、養(yǎng)型（光能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）光能自養(yǎng)型（光能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型） 以以CO2為主要碳源，以無機(jī)物（如為主要碳源，以無機(jī)物（如H2、H2S、H2O 等）作為供氫體，通過光合作用等）作為供氫體，通過光合作用獲取生長(zhǎng)所需的能量。獲取生長(zhǎng)所需的能量。 光能自養(yǎng)微生物借細(xì)菌葉綠素的光合作光能自養(yǎng)微生物借細(xì)菌葉綠素的光合作用吸收日光的能量。用吸收日光的能量。念珠藍(lán)細(xì)菌念珠藍(lán)細(xì)菌光光菌綠素菌綠素2H2S+CO2 (CH2O)+H2O+2S（綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌）（綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌）光光葉綠素葉綠素H2OCO2 (CH2O)+O2（藍(lán)細(xì)菌）（藍(lán)細(xì)菌） 以有機(jī)碳化合物作為碳源和供氫體，以光為以有機(jī)碳化合物作為碳源和供氫體，以

5、光為能源進(jìn)行光合作用而生長(zhǎng)繁殖的微生物。能源進(jìn)行光合作用而生長(zhǎng)繁殖的微生物。 2光能異養(yǎng)型（光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）光能異養(yǎng)型（光能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）光能光能 細(xì)菌葉綠細(xì)菌葉綠 CH3 CO2+2CHOH CH2O+2CH3COCH3+H2O CH3(紅螺菌紅螺菌)3. 化能自養(yǎng)型（化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）化能自養(yǎng)型（化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型） 以以CO2作為主要碳源，利用無機(jī)化合物作為主要碳源，利用無機(jī)化合物（如銨、亞硝酸鹽、硫化氫、鐵離子等）氧（如銨、亞硝酸鹽、硫化氫、鐵離子等）氧化時(shí)釋放的能量作為能源進(jìn)行生長(zhǎng)的一類微化時(shí)釋放的能量作為能源進(jìn)行生長(zhǎng)的一類微生物生物。產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)甲烷細(xì)菌11 化能自養(yǎng)微生物不含細(xì)菌葉綠素，

6、不能化能自養(yǎng)微生物不含細(xì)菌葉綠素，不能利用日光的能量，但可在無機(jī)物的培養(yǎng)基中利用日光的能量，但可在無機(jī)物的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)。生長(zhǎng)。 不同的化能自養(yǎng)微生物在氧化各自所需不同的化能自養(yǎng)微生物在氧化各自所需的無機(jī)物時(shí)獲得能量。的無機(jī)物時(shí)獲得能量。 如：硫化細(xì)菌如：硫化細(xì)菌 硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌 產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌 H2 H2S S H2SO4NH3 HNO2 HNO34. 化能異養(yǎng)型（化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型）化能異養(yǎng)型（化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型） 以有機(jī)化合物為碳源，利用有機(jī)化合物氧以有機(jī)化合物為碳源，利用有機(jī)化合物氧化過程中產(chǎn)生的能量作為能源而生長(zhǎng)的一類微化過程中產(chǎn)生的能量作為能源而生長(zhǎng)的一類微生物。生物。 大多數(shù)微生物屬于

7、這種營(yíng)養(yǎng)類型。大多數(shù)微生物屬于這種營(yíng)養(yǎng)類型。分為：分為： 腐生菌：利用無生命的有機(jī)物腐生菌：利用無生命的有機(jī)物(如動(dòng)植物尸體如動(dòng)植物尸體 和殘?bào)w和殘?bào)w)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 寄生菌：只能在活寄主體吸收營(yíng)養(yǎng)物生活的。寄生菌：只能在活寄主體吸收營(yíng)養(yǎng)物生活的。 兼性寄生菌：既營(yíng)寄生又營(yíng)腐生生活的。兼性寄生菌：既營(yíng)寄生又營(yíng)腐生生活的。 (結(jié)核桿菌結(jié)核桿菌)小結(jié)：小結(jié)：（1）微生物營(yíng)養(yǎng)劃分主要依據(jù)：碳源和能源。）微生物營(yíng)養(yǎng)劃分主要依據(jù)：碳源和能源。（2）營(yíng)養(yǎng)劃分具有相對(duì)性，如紅螺菌）營(yíng)養(yǎng)劃分具有相對(duì)性，如紅螺菌 。能源能源碳源碳源光能自養(yǎng)光能CO2光能異養(yǎng)光能有機(jī)物化能自養(yǎng)無機(jī)物CO2化能異養(yǎng)有

8、機(jī)物有機(jī)物1516 根據(jù)微生物反應(yīng)對(duì)氧的要求將微生物根據(jù)微生物反應(yīng)對(duì)氧的要求將微生物分為：分為： 需氧型微生物，需氧型微生物，如枯草桿菌、青霉菌、如枯草桿菌、青霉菌、假單胞菌等假單胞菌等 厭氧型微生物，厭氧型微生物，如丙酮丁醇梭菌、巴氏如丙酮丁醇梭菌、巴氏菌、破傷風(fēng)菌等菌、破傷風(fēng)菌等17二、微生物的生長(zhǎng)與控制微生物的生長(zhǎng)與控制 根據(jù)微生根據(jù)微生物的生長(zhǎng)速率，物的生長(zhǎng)速率，可分為四個(gè)主可分為四個(gè)主要生長(zhǎng)期要生長(zhǎng)期： 停滯期停滯期 對(duì)數(shù)期對(duì)數(shù)期 恒定期恒定期 衰亡期衰亡期18三、微生物的代謝三、微生物的代謝 微生物從周圍環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物從周圍環(huán)境中攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過酶的作用，在體內(nèi)進(jìn)行

9、一系列的生并通過酶的作用，在體內(nèi)進(jìn)行一系列的生物分解和生物合成反應(yīng)，以保持正常的生物分解和生物合成反應(yīng)，以保持正常的生長(zhǎng)和繁殖，這一過程稱為微生物的代謝。長(zhǎng)和繁殖，這一過程稱為微生物的代謝。 包括包括分解代謝和合成代謝分解代謝和合成代謝。191.1.微生物的分解代謝（異化作用）微生物的分解代謝（異化作用） 微生物從周圍環(huán)境中吸取營(yíng)養(yǎng)，通過微生物從周圍環(huán)境中吸取營(yíng)養(yǎng)，通過一系列酶促作用進(jìn)行分解，并一系列酶促作用進(jìn)行分解，并釋放能量釋放能量稱稱為分解代謝。把為分解代謝。把自己變成非己自己變成非己。 包括：碳水化合物的分解包括：碳水化合物的分解 脂肪和脂肪酸的分解脂肪和脂肪酸的分解 蛋白質(zhì)的分解蛋白

10、質(zhì)的分解 202.2.微生物的合成代謝（同化作用）微生物的合成代謝（同化作用） 微生物把從周圍環(huán)境中獲取的營(yíng)養(yǎng)物微生物把從周圍環(huán)境中獲取的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)變成自身的組成物質(zhì)，并且質(zhì)變成自身的組成物質(zhì)，并且儲(chǔ)存能量?jī)?chǔ)存能量。簡(jiǎn)單地說就是把簡(jiǎn)單地說就是把非己變成自己非己變成自己。21合成代謝主要包括：合成代謝主要包括： 氨基酸的合成、氨基酸的合成、 蛋白質(zhì)的合成、蛋白質(zhì)的合成、核苷酸的合成、核苷酸的合成、RNARNA的合成、的合成、DNADNA的合成。的合成。 分解代謝和合成代謝是生物體內(nèi)不分解代謝和合成代謝是生物體內(nèi)不可分割的兩個(gè)方面，兩個(gè)過程共同維持可分割的兩個(gè)方面，兩個(gè)過程共同維持微生物的生命。微生

11、物的生命。225.2 5.2 微生物敏感膜的制備技術(shù)微生物敏感膜的制備技術(shù) 微生物固定化的要求：微生物固定化的要求： 固定化過程的反應(yīng)條件和所用化學(xué)試固定化過程的反應(yīng)條件和所用化學(xué)試劑對(duì)活細(xì)胞無害；劑對(duì)活細(xì)胞無害； 固定化過程適宜在無菌條件下操作；固定化過程適宜在無菌條件下操作； 固定后的菌穩(wěn)定性要好。固定后的菌穩(wěn)定性要好。23微生物固定化方法常用夾心法和包埋法。微生物固定化方法常用夾心法和包埋法。245.3 微生物傳感器的類型微生物傳感器的類型 微生物傳感器從工作原理上可分為微生物傳感器從工作原理上可分為兩種類型兩種類型: : 呼吸機(jī)能型微生物傳感器呼吸機(jī)能型微生物傳感器 代謝機(jī)能型微生物傳

12、感器代謝機(jī)能型微生物傳感器 25微生物傳感器類型微生物傳感器類型26呼吸機(jī)能型微生物傳感器呼吸機(jī)能型微生物傳感器 以以需氧型微生物需氧型微生物作為生物活性物質(zhì)，作為生物活性物質(zhì)，它在與有機(jī)底物作用的同時(shí)，細(xì)胞的呼吸它在與有機(jī)底物作用的同時(shí)，細(xì)胞的呼吸活性提高，耗氧量增大，通過電極測(cè)定呼活性提高，耗氧量增大，通過電極測(cè)定呼吸活性變化而轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散電流值從而間接吸活性變化而轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散電流值從而間接測(cè)定有機(jī)物濃度。測(cè)定有機(jī)物濃度。 27呼吸機(jī)能型微生物傳感器呼吸機(jī)能型微生物傳感器28代謝機(jī)能型微生物傳感器代謝機(jī)能型微生物傳感器 以厭氧型微生物以厭氧型微生物作為生物活性物質(zhì)，作為生物活性物質(zhì)，它的原理是

13、微生物分解有機(jī)物，產(chǎn)生各它的原理是微生物分解有機(jī)物，產(chǎn)生各種代謝生成物，如種代謝生成物，如NH3，CO2，有機(jī)酸，有機(jī)酸，可用相應(yīng)的離子選擇性電極測(cè)得代謝物可用相應(yīng)的離子選擇性電極測(cè)得代謝物濃度，進(jìn)而測(cè)定底物濃度。濃度，進(jìn)而測(cè)定底物濃度。29代謝機(jī)能型微生物傳感器代謝機(jī)能型微生物傳感器 30 微生物傳感器按照信號(hào)轉(zhuǎn)換器的不同微生物傳感器按照信號(hào)轉(zhuǎn)換器的不同分為：分為： 電化學(xué)微生物傳感器電化學(xué)微生物傳感器 光微生物傳感器光微生物傳感器 熱敏電阻型微生物傳感器熱敏電阻型微生物傳感器 壓電微生物傳感器壓電微生物傳感器 燃料電池型微生物傳感器等燃料電池型微生物傳感器等311.1.電化學(xué)微生物傳感器電

14、化學(xué)微生物傳感器 電流型微生物傳感器電流型微生物傳感器 微生物敏感膜與待測(cè)物發(fā)生反應(yīng)后，微生物敏感膜與待測(cè)物發(fā)生反應(yīng)后，通過輸出電流信號(hào)的變化來檢測(cè)某一物質(zhì)通過輸出電流信號(hào)的變化來檢測(cè)某一物質(zhì)含量的變化。含量的變化。 常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器件有氧電極、過氧常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器件有氧電極、過氧化氫電極?；瘹潆姌O。 （1）甲烷微生物傳感器）甲烷微生物傳感器33 甲烷與空氣可以形成爆炸性混合物，甲烷與空氣可以形成爆炸性混合物，空氣中甲烷含量在空氣中甲烷含量在5-145-14之間具有爆炸性；之間具有爆炸性；另外，甲烷的生產(chǎn)過程是一個(gè)發(fā)酵過程，另外，甲烷的生產(chǎn)過程是一個(gè)發(fā)酵過程，控制發(fā)酵過程也需要測(cè)定各發(fā)酵階段的

15、甲控制發(fā)酵過程也需要測(cè)定各發(fā)酵階段的甲烷含量。烷含量。 34測(cè)量系統(tǒng)的組成測(cè)量系統(tǒng)的組成 原理：甲烷電極所用微生物是甲烷原理：甲烷電極所用微生物是甲烷氧化細(xì)菌（鞭毛甲基單胞菌）。從天然氧化細(xì)菌（鞭毛甲基單胞菌）。從天然物質(zhì)中提取并在一定的培養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)物質(zhì)中提取并在一定的培養(yǎng)環(huán)境中生長(zhǎng)的甲烷氧化細(xì)菌，通過氧化甲烷而生長(zhǎng)，的甲烷氧化細(xì)菌，通過氧化甲烷而生長(zhǎng)，甲烷是它的主要碳源和能源。甲烷是它的主要碳源和能源。35 甲烷微生物傳感器系統(tǒng)示意圖甲烷微生物傳感器系統(tǒng)示意圖361,10-1,10-真空泵；真空泵； 2-2-氣體樣品袋；氣體樣品袋； 3-3-氣體管道；氣體管道； 4-4-過濾膜；過濾膜；5

16、-5-可控反應(yīng)器；可控反應(yīng)器；6-6-甲烷甲烷- -微生物反應(yīng)器；微生物反應(yīng)器；7-7-氧電極；氧電極；8-8-放大器放大器9-9-記錄儀；記錄儀；11,12,13,14,15,16,17-11,12,13,14,15,16,17-玻璃閥玻璃閥 甲烷微生物傳感器連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)甲烷微生物傳感器連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)37 含甲烷的氣體流過有微生物的反應(yīng)池時(shí)，含甲烷的氣體流過有微生物的反應(yīng)池時(shí)，甲烷被微生物同化，微生物呼吸增強(qiáng)而消耗氧，甲烷被微生物同化，微生物呼吸增強(qiáng)而消耗氧，使得反應(yīng)器中溶解氧的濃度降低。當(dāng)微生物的使得反應(yīng)器中溶解氧的濃度降低。當(dāng)微生物的耗氧量與從樣品向微生物擴(kuò)散的氧量之間達(dá)到耗氧量與從樣品向

17、微生物擴(kuò)散的氧量之間達(dá)到平衡時(shí)，電流下降會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)電流的大平衡時(shí)，電流下降會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)電流的大小取決于甲烷的濃度。小取決于甲烷的濃度。 參比電極所在反應(yīng)池中不含微生物，氧含參比電極所在反應(yīng)池中不含微生物，氧含量及電流不變，所以兩電流之間的最大差值與量及電流不變，所以兩電流之間的最大差值與氣體中甲烷含量有關(guān)。氣體中甲烷含量有關(guān)。原理原理 38(2)致癌物微生物傳感器致癌物微生物傳感器 利用枯草桿菌利用枯草桿菌的的DNA修復(fù)修復(fù)機(jī)構(gòu)缺損菌機(jī)構(gòu)缺損菌株（株（ ）和野生菌株（）和野生菌株（ ）兩種細(xì)菌，）兩種細(xì)菌，分別固定在兩個(gè)氧電極上，并將兩個(gè)氧電極分別固定在兩個(gè)氧電極上，并將兩個(gè)氧電極的

18、電信號(hào)輸入差分電路，即構(gòu)成檢驗(yàn)致癌物的電信號(hào)輸入差分電路，即構(gòu)成檢驗(yàn)致癌物質(zhì)的傳感器系統(tǒng)。質(zhì)的傳感器系統(tǒng)。 Rec-Rec+39Rec+Rec-1- ；2- ； 3-過濾器；過濾器； 4-聚四氟乙烯膜；聚四氟乙烯膜；5-鉑陰極；鉑陰極； 6-鉛陽(yáng)極；鉛陽(yáng)極； 7-記錄儀；記錄儀；，-為含為含DNA修復(fù)機(jī)構(gòu)缺損株修復(fù)機(jī)構(gòu)缺損株和野生株的枯草桿菌和野生株的枯草桿菌測(cè)定變異原的微生物傳感器系統(tǒng)測(cè)定變異原的微生物傳感器系統(tǒng)40 兩個(gè)氧電極同時(shí)放入待測(cè)溶液中，若溶兩個(gè)氧電極同時(shí)放入待測(cè)溶液中，若溶液中含液中含有致癌物質(zhì)，則有致癌物質(zhì)，則 內(nèi)的內(nèi)的DNA將受到將受到損傷而死亡，氧電極由于停止呼吸而不再消損

19、傷而死亡，氧電極由于停止呼吸而不再消耗氧，氧電流增加。耗氧，氧電流增加。 但但 內(nèi)的內(nèi)的DNA雖受到短暫損傷卻能自雖受到短暫損傷卻能自動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，因此呼吸反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行而不斷動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，因此呼吸反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行而不斷消耗氧，使電流保持初始時(shí)的水平，差分電消耗氧，使電流保持初始時(shí)的水平，差分電路顯示出的電流差值表示被測(cè)物質(zhì)是致癌可路顯示出的電流差值表示被測(cè)物質(zhì)是致癌可疑物質(zhì)。疑物質(zhì)。Rec-Rec+原理原理 41（3）BOD微生物傳感器微生物傳感器 BOD（生化需氧量（生化需氧量Biochemical oxygen demand ）的測(cè)定是監(jiān)測(cè)水體被有機(jī)物污染）的測(cè)定是監(jiān)測(cè)水體被有機(jī)物污染狀況的最常用

20、指標(biāo)。狀況的最常用指標(biāo)。 常規(guī)的常規(guī)的BOD測(cè)定法測(cè)定法操作復(fù)雜、重復(fù)性操作復(fù)雜、重復(fù)性差、耗時(shí)耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。差、耗時(shí)耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。 BODBOD（生化需氧量）微生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖（生化需氧量）微生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 BODBOD微生物傳感器的電流響應(yīng)微生物傳感器的電流響應(yīng) 44 將傳感器放在緩沖液中，微生物處于內(nèi)將傳感器放在緩沖液中，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，當(dāng)氧的擴(kuò)散作用于內(nèi)源呼吸的源呼吸狀態(tài)，當(dāng)氧的擴(kuò)散作用于內(nèi)源呼吸的耗氧量達(dá)到平衡時(shí)，傳感器輸出恒定的電流。耗氧量達(dá)到平衡時(shí)，傳感器輸出恒定的電流。 將傳感器放在待測(cè)樣品中，微生物由內(nèi)將傳感器放在待測(cè)樣品中，

21、微生物由內(nèi)源呼吸變?yōu)橥庠春粑?，耗氧量增大，擴(kuò)散到源呼吸變?yōu)橥庠春粑?，耗氧量增大，擴(kuò)散到氧電極的氧降低，輸出電流降低，電流的下氧電極的氧降低，輸出電流降低，電流的下降值與有機(jī)物的濃度呈一定的線性關(guān)系。降值與有機(jī)物的濃度呈一定的線性關(guān)系。原理原理 商業(yè)化BOD微生物傳感器 目前利用的微生物有假單胞菌、活性目前利用的微生物有假單胞菌、活性淤泥菌、絲孢酵母菌、枯草芽孢桿菌。淤泥菌、絲孢酵母菌、枯草芽孢桿菌。46（4）甲）甲醇和乙醇微生物傳感器醇和乙醇微生物傳感器 用固定化的甲用固定化的甲醇細(xì)菌或絲孢醇細(xì)菌或絲孢菌母與氧電極菌母與氧電極組成。組成。47甲醇甲醇（5）醋酸）醋酸微生物傳感器微生物傳感器用固

22、定化的絲孢菌母用固定化的絲孢菌母與氧電極組成。與氧電極組成。48醋酸醋酸（6）葡萄糖）葡萄糖微生物傳感器微生物傳感器49n用固定化的假單用固定化的假單孢菌與氧電極組孢菌與氧電極組合而成。合而成。50（7 7）氨微生物傳感器）氨微生物傳感器 氨的測(cè)定在醫(yī)療、環(huán)境及工業(yè)領(lǐng)域氨的測(cè)定在醫(yī)療、環(huán)境及工業(yè)領(lǐng)域的檢驗(yàn)中都很重要。用氨氣敏電極測(cè)定的檢驗(yàn)中都很重要。用氨氣敏電極測(cè)定必須在強(qiáng)堿（必須在強(qiáng)堿（pH11)pH11)條件下進(jìn)行，有些條件下進(jìn)行，有些揮發(fā)性化合物如胺會(huì)干擾測(cè)定。揮發(fā)性化合物如胺會(huì)干擾測(cè)定。 由固定化硝化菌、聚四氟乙烯透氣由固定化硝化菌、聚四氟乙烯透氣膜和氧電極組成的微生物電極可用于氨膜和

23、氧電極組成的微生物電極可用于氨的測(cè)定。的測(cè)定。51 硝化菌硝化菌(Nitrosomonas.sp)可利用氨可利用氨作為唯一的能源，在反應(yīng)中消耗氧，即作為唯一的能源，在反應(yīng)中消耗氧，即 2NH3+3O2 3HNO2+H2O 氨的濃度可以通過檢測(cè)附著在氧電氨的濃度可以通過檢測(cè)附著在氧電極上的固定化微生物的呼吸量來測(cè)定。極上的固定化微生物的呼吸量來測(cè)定。 5253電位型微生物傳感器電位型微生物傳感器 電位型微生物傳感器以電位型電極作電位型微生物傳感器以電位型電極作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)是電位。為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，輸出的信號(hào)是電位。 常用的轉(zhuǎn)換器件有：常用的轉(zhuǎn)換器件有：pH電極、氨氣電極、氨氣敏電極、二氧

24、化碳電極等，各種電位型傳敏電極、二氧化碳電極等，各種電位型傳感器的電位值與被測(cè)離子活度之間的關(guān)系感器的電位值與被測(cè)離子活度之間的關(guān)系符合能斯特方程。符合能斯特方程。（1 1）谷氨酸微生物傳感器）谷氨酸微生物傳感器 是一種酸性氨基酸。是一種酸性氨基酸。 在生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)代謝在生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)代謝過程中占重要地位，參與過程中占重要地位，參與動(dòng)物、植物和微生物中的動(dòng)物、植物和微生物中的許多重要化學(xué)反應(yīng)。許多重要化學(xué)反應(yīng)。54谷氨酸谷氨酸谷氨酸鈉谷氨酸鈉 大腸桿菌具有谷氨酸脫羧酶，大腸桿菌具有谷氨酸脫羧酶，與與CO2電電極組成微生物傳感器測(cè)定谷氨酸的含量。極組成微生物傳感器測(cè)定谷氨酸的含量。55（2

25、 2）尿素微生物傳感器）尿素微生物傳感器56 用谷氨酸棒狀桿菌作為酶源，可以制用谷氨酸棒狀桿菌作為酶源，可以制備尿素傳感器。備尿素傳感器。 根據(jù)電極電位響應(yīng)便可對(duì)尿素含量進(jìn)根據(jù)電極電位響應(yīng)便可對(duì)尿素含量進(jìn)行測(cè)定。行測(cè)定。57部分電位型微生物傳感器部分電位型微生物傳感器582. 光微生物傳感器光微生物傳感器 原理：原理：有些微生物具有光合作用能力，有些微生物具有光合作用能力，在光照作用下能將待測(cè)物轉(zhuǎn)變成電極敏感物在光照作用下能將待測(cè)物轉(zhuǎn)變成電極敏感物質(zhì)或其本身能釋放氧，將這類微生物固定化質(zhì)或其本身能釋放氧，將這類微生物固定化并與氧電極、氫電極等結(jié)合即制得光微生物并與氧電極、氫電極等結(jié)合即制得光微

26、生物傳感器。傳感器。3. 熱敏電阻微生物傳感器熱敏電阻微生物傳感器4.4.壓電微生物傳感器壓電微生物傳感器壓電石英晶體諧振頻率變化量與晶體表面均勻壓電石英晶體諧振頻率變化量與晶體表面均勻沉積的極薄層剛性物質(zhì)質(zhì)量之間成正比，即沉積的極薄層剛性物質(zhì)質(zhì)量之間成正比，即2200002/fKfm Afm A 605.5.燃料電池型微生物傳感器燃料電池型微生物傳感器 有機(jī)分子被氧化時(shí)能釋放一定能量，稱有機(jī)分子被氧化時(shí)能釋放一定能量，稱為為“燃料燃料”，使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?，使燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑姵匮b置稱為原電池裝置稱為燃料電池燃料電池。 如果在電池中發(fā)生的反應(yīng)由生物所催化，如果在電池中發(fā)生的

27、反應(yīng)由生物所催化，這種裝置便稱為這種裝置便稱為生物燃料電池生物燃料電池（bio-fuel cells）。）。61燃料電池型微生物傳感器信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理燃料電池型微生物傳感器信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理 有機(jī)物作為燃料在陽(yáng)極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的有機(jī)物作為燃料在陽(yáng)極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子傳遞給電池陽(yáng)極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而電子傳遞給電池陽(yáng)極，電子通過外電路到達(dá)陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流。其陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如下所示：形成回路產(chǎn)生電流。其陽(yáng)極和陰極反應(yīng)式如下所示：陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極反應(yīng)： (CH2O)nnH2O nCO24ne-4nH+陰極反應(yīng)陰極反應(yīng)： 4e-O24H+ 2H2O(1) 生生物燃料電池的原

28、理物燃料電池的原理63部分燃料電池型微生物傳感器部分燃料電池型微生物傳感器(2)(2)生物燃料電池的特點(diǎn)生物燃料電池的特點(diǎn)n原料來源廣泛；原料來源廣泛；n操作條件溫和；操作條件溫和；n資源利用率高，無污染。資源利用率高，無污染。(3)(3)生物燃料電池的應(yīng)用前景生物燃料電池的應(yīng)用前景n作為新能源；作為新能源；n改善汽車的燃料結(jié)構(gòu)；改善汽車的燃料結(jié)構(gòu)；n為可植入人體的設(shè)備提供能量。為可植入人體的設(shè)備提供能量。66(1) 酶酶微生物混合型傳感器微生物混合型傳感器 敏感材料由酶和微生物混合構(gòu)成，這敏感材料由酶和微生物混合構(gòu)成，這樣可使敏感膜的性能更加完善。樣可使敏感膜的性能更加完善。 6.其他類型微

29、生其他類型微生物傳感器物傳感器22232(NH ) CO+H O2NH +CO 脲酶2NH3+3O2 3HNO2+H2O硝化菌硝化菌222222+H OH OH OOHCHOH O 肌酸酐水解酶脒基肌酸水解酶肌氨酸氧化酶肌酸酐肌酸肌酸肌氨酸脲肌氨酸甘氨酸69(2) 嗜熱菌傳感器嗜熱菌傳感器 又稱高溫細(xì)菌、嗜熱微又稱高溫細(xì)菌、嗜熱微生物。生物。生活在高溫環(huán)境中，如生活在高溫環(huán)境中，如火山口、溫泉、工廠高火山口、溫泉、工廠高溫廢水排放區(qū)。溫廢水排放區(qū)。70 用嗜熱菌作為敏感材料，可在較高用嗜熱菌作為敏感材料，可在較高溫度下使用，同時(shí)具有抗酸、堿能力，可溫度下使用，同時(shí)具有抗酸、堿能力，可克服常溫菌不耐酸、堿和高溫的不足?？朔鼐荒退?、堿和高溫的不足。717. 生生物組織傳感器物組織傳感器 生物組織傳感器是以活的動(dòng)植物細(xì)胞生物組織傳感器是以活的動(dòng)植物細(xì)胞切片作為分子