一、生物传感器的简介及研究历史
生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA,杭体、杭原、生物膜等)与物理化学换能界有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、徽t分析方法。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。各种生物传感器有以下共同的结构:包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器)，二者组合在一起.用现代徽电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想，距今已经有40年。生物传感器在发酵工艺，环境监测，食品工程，临床医学，军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。中国生物传感器的研究起步于70年代末期，早期研究普边采取氧电极作为生物反应中的换能器，以有葡萄糖氧化酶为活性材料，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。
近些年来，微生物固化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件.与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵，提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。目前光纤生物传感器的应用也越来越广泛。
表征我国生物传感器实用化上取得突破性进展的是SBA-30型乳酸分析仪的开发成功，在1979 -1989年的十年中，主要解决了以下四个技术难题:1.研究了使生物材料能够制成薄膜的固定化技术，使酶膜能长时期运行不用更换，并可以长期储存和运送，这是生物传感器实现商品化的一项最基础的前提;2.研制了一种比氧电极更稳定的换能器，即过氛化氢型电极，它可以在生物传感界测定条件下.保持高度稳定的基础电流输出;3.解决了生物传感器信号处理的电子技术;4研制了一系列使生物传感界反应精确进行的分析装置。这些技术难题的解决，为微生物传感器技术的传播创造了良好的技术基础。
二、生物传感器的特点，原理及种类
在生物技术领域迫切需要建立的各种快速分析和优化控制方法中，生物传感器是目前最受到人们注意的一种。生物传感器能对许多过去难以测定的生化物质进行定量分析，已经在实践中开始应用的都是固定化酶酶电极，包括葡萄糖，氨基酸，乳酸，乙醇等多种。它们有以下特征:
(1)采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点;
(2)专一性好，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响;
(3)分析速度快，可以在一分钟得到结果;
(4)准确度高，一般相对误差小于1%;
(5)操作系统比较简单，容易实现自动分析;
(6)成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱;
(7)有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能得到的信息。同时它们还指明了增加产物得率的方向。
生物传感器的工作原理(以葡萄糖传感器为例)甚根据下列酶反应.
固定化葡萄糖氧化酶反应的水和葡萄糖浓度成正比，它可以用电化学方法准确检测。在其他生物传感器中，采用了不同的固定化氧化酶。为了得到准确的结果，生物传感器还需要有配套的结构。
即待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。
种类:(1)按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等等。
(2)按照传感器器件检测的原理分类，可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
(3)按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。
三、研究现状及主要应用领城
1、发较工业
各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器的成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。
(I)原材料及代谢产物的测定
微生物传感器可用于原材料如糖蜜，乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素，谷氨酸，甲酸，甲烷，醇类，青霉素，乳酸等的洲定。测量的原理器本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用徽生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。
在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌(Psoudomonas fluorescens)代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复适用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。
当乙酸用作碳源进行微生物培养时、乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母(Trichosporonbrasaicae),透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。
此外，还有用大肠杆菌( E. coli )组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢霉素的测定等等。
(2)微生物细胞总数的测定
在发酵控制方面，一直需要直按测定细胞数目的筒单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细曹可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的。
(3)代谢试验的鉴定
传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸特性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸特性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定，微生物培养基的选择，微生物酶活性的浏定，废水中可被生物降解的物质估计，用于废水处理的微生物选择，活性污泥的同化作用试验，生物降解物的确定，微生物的保存方法选择等。
2.环境监测
(1)生化需氧量的测定
生化需氧量的测定(biochemical oxygen demand即BOD)是检测尸体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养，操作复杂，重复性差，耗时长，干扰性大，不宜现场检测，所以迫切需要一种操作简单，快速准确，自动化程度高，使用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃炭极上构成微生物传感器，用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中B0D的测定，其测量最小值可达2mg/L，所用时间为5min。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，再高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干操保存，漫泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简单的方法。
除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来并用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30℃, Ph=7。这个传感器系统几乎不受氛氧子的影响(在1000mg/L范围内)，并且不被重金属(Fe', Cu', Mn', Cr`,Zn')所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果。
(2)各种污染物的测定
常用的的重要污染有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物，表面活性剂等物质。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。
测盆氨和硝酸盐的微生物传感器，多是由废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组和构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NO')，他在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用他对河口的NO'进行了测量，其效果较好。
硫化物的测定使用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性，自养，好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH =2.5,31℃时一周测量200余次，活性保持不变，二周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是Chromatium. SP，与氢电极连接构成。
最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌.此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌(E. coli)中，用来监测砷等有毒化合物。
水体中分类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。
目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的炭源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5 x 10-9mol。该传感器工作的最适合条件为:pH=7.4, 35℃，连续工作时间为30h。还有一种假单胞菌属(Pseudomonasrathonie )制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶(琼脂，琼脂箱和海藻酸钙盐)和聚乙醇膜上。可以用层析试纸GF/A,或者是谷氮酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性。
还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100 x 10-9mol，在40℃只要4min。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32-96) x 10-9mol的磷酸盐，在25℃下可以使用二周以上，重复性高。
最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚( nonyl - phenol etoxylate - NP - 80E)的含量。用一个电流型氧电极作传感器，为生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛包子菌属(Trichosporum grabhita)细胞的呼吸特性。该生物传感器的反应时间为l5 - 20min，寿命为7一10天(用于连续测定时)。在浓度范围0. 5 -6. Omg/L内，电信号与NP - 80E浓度成线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测。
