微生物传感器与BOD测定资料.pptx

微生物传感器微生物传感器 测定测定BOD主要内容主要内容1、微生物传感器的特点、微生物传感器的特点2、微生物传感器的原理、微生物传感器的原理3、微生物传感器的制备、微生物传感器的制备4、微生物传感器的应用、微生物传感器的应用5、微生物传感器的应用实例、微生物传感器的应用实例6、微生物传感器的发展展望、微生物传感器的发展展望生生物物传传感感器器按所用分子识按所用分子识别元件的不同别元件的不同按信号转换元件的不同按信号转换元件的不同按对输出电信号按对输出电信号的不同测量方式的不同测量方式酶传感器酶传感器微生物传感器微生物传感器组织传感器组织传感器细胞传感器细胞传感器免疫传感器免疫传感器电化学生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器半导体生物传感器测热型生物传感器测热型生物传感器测光型生物传感器测光型生物传感器测声型生物传感器测声型生物传感器电位型生物传感器电位型生物传感器电流型生物传感器电流型生物传感器伏安型生物传感器伏安型生物传感器 微生物传感器是生物传感器的一个重要分微生物传感器是生物传感器的一个重要分支。支。1975 1975 年年Divies Divies 制成了第一支微生物传感制成了第一支微生物传感器器,由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。由此开辟了生物传感器发展的又一新领域。在不损坏微生物机能情况下，可将微生物固在不损坏微生物机能情况下，可将微生物固定在载体上制作出微生物传感器。定在载体上制作出微生物传感器。1、微生物传感器的特点、微生物传感器的特点同一般酶电极相比，微生物传感器具有以下优点：同一般酶电极相比，微生物传感器具有以下优点：1 1）稳定性好，使用寿命长稳定性好，使用寿命长2 2）微生物传感器响应迟钝时，可将其放在培养介质中浸泡使之恢复微生物传感器响应迟钝时，可将其放在培养介质中浸泡使之恢复3 3）细菌细胞中一般含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感细菌细胞中一般含有多种酶，对于需要多种酶的反应，微生物传感器提供了方便器提供了方便4 4）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5 5）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传感器的不足之处：微生物传感器的不足之处：1 1）由于细菌细胞内含有多种酶，使一些由于细菌细胞内含有多种酶，使一些微生物传感器的选择性和灵敏度受到限制微生物传感器的选择性和灵敏度受到限制2 2）因底物需要通过细胞壁扩散，所以微因底物需要通过细胞壁扩散，所以微生物传感器响应时间较长生物传感器响应时间较长2、微生物传感器的原理、微生物传感器的原理 微生物传感器由微生物传感器由固定化微生物固定化微生物、换能器换能器和和信号输出装置信号输出装置组成组成,利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生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的原理实现待测物质的定量一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定测定,原理见下图：原理见下图：微生物传感器原理示意图微生物传感器原理示意图 固定化微生物固定化微生物是是传感器的信息捕捉功能元件，是影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响传感器性能的核心部件。它既要求将微生物限制在一。它既要求将微生物限制在一定的空间定的空间,不流失，又要求保持微生物的固有活性和良不流失，又要求保持微生物的固有活性和良好的机械性能。固定化技术决定传感器的稳定性、灵敏好的机械性能。固定化技术决定传感器的稳定性、灵敏性和使用寿命等性能指标。性和使用寿命等性能指标。最早应用的最早应用的换能器换能器是是电化学电极电化学电极,主要有氧电极、主要有氧电极、二氧化碳电极等二氧化碳电极等;随后出现了随后出现了燃料电池燃料电池、光敏二极管光敏二极管、场效应晶体管等其他类型的换能器。场效应晶体管等其他类型的换能器。离子敏场效应管离子敏场效应管作作为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段。为换能器被认为是发展新型微生物传感器的有效手段。微微生生物物传传感感器器1 1、微生物、微生物生理特点生理特点2 2、信号、信号测定法测定法呼吸活性测定微生物传感器呼吸活性测定微生物传感器代谢活性测定微生物传感器代谢活性测定微生物传感器控制电流或控制电位的恒定法控制电流或控制电位的恒定法测定电流或电位的上升速度或下降速度的测定电流或电位的上升速度或下降速度的速度法速度法3 3、分子识别的微、分子识别的微生物膜所得的信息生物膜所得的信息能转换为电信号方能转换为电信号方式上考虑式上考虑电流测定法电流测定法电位测定法电位测定法 呼吸活性型微生物传感器呼吸活性型微生物传感器由由固定化需氧性细菌固定化需氧性细菌膜膜和和氧电极氧电极组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为组合而成。它是以细菌呼吸活性物质为基础测定被测物的。当将该传感器插入含有饱和溶基础测定被测物的。当将该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，扩散速度达到恒定时，细菌的耗氧量也达到恒定，此时扩散到电极表面上的氧量也变为恒定，因此产此时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。在定量关系，据此可测定有关有机物。代谢活性型微生物传感器代谢活性型微生物传感器由由固定化的厌氧菌固定化的厌氧菌膜膜和和相应的电化学传感元件相应的电化学传感元件组合而成。它是以细组合而成。它是以细菌代谢活性物质为基础测定被测物的。此类细菌菌代谢活性物质为基础测定被测物的。此类细菌摄取有机物产生各种代谢产物，若代谢产物是氢、摄取有机物产生各种代谢产物，若代谢产物是氢、甲酸或各种还原型辅酶等，则可用电流法测定；甲酸或各种还原型辅酶等，则可用电流法测定；若代谢产物是二氧化碳、有机酸（氢离子）等，若代谢产物是二氧化碳、有机酸（氢离子）等，则可用电位法测定。根据测定的电流或电位便可则可用电位法测定。根据测定的电流或电位便可得到有机物浓度的信息。得到有机物浓度的信息。3、微生物传感器的制备、微生物传感器的制备要得到一个好的微生物传感器需要从三方面要得到一个好的微生物传感器需要从三方面考虑考虑：一、要选择一种适合的微生物，它必须活性高，一、要选择一种适合的微生物，它必须活性高，性能稳定且容易取得性能稳定且容易取得二、还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少，二、还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少，灵敏度高灵敏度高三、就是将微生物固定化的问题。三、就是将微生物固定化的问题。4、微生物传感器的应用、微生物传感器的应用 1975 年年Divies制成了第制成了第1支微生物传感器，到支微生物传感器，到目前，微生物传感器可测定物质已达六七十种。目前，微生物传感器可测定物质已达六七十种。微生物传感器微生物传感器不仅可以测定单一成分物质，不仅可以测定单一成分物质，如葡萄糖等各类碳水化合物、甲酸等各类有机酸、如葡萄糖等各类碳水化合物、甲酸等各类有机酸、硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等，还可硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等，还可以以测定多种化合物的总量和集合效应测定多种化合物的总量和集合效应。在在发酵工业领域发酵工业领域，微生物传感器已应用于，微生物传感器已应用于原材料、原材料、代谢产物的测定代谢产物的测定。应用微生物传感器可不受发酵过。应用微生物传感器可不受发酵过程中常存在的干扰物质的干扰，并且不受发酵液混程中常存在的干扰物质的干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。浊程度的限制。在在生物工程领域生物工程领域，微生物传感器已用于，微生物传感器已用于酶活性的测酶活性的测定定。微生物传感器还能用于。微生物传感器还能用于测定微生物的呼吸活性测定微生物的呼吸活性，在在微生物的简单鉴定微生物的简单鉴定、生物降解物的确定生物降解物的确定、微生物的微生物的保存方法的选择保存方法的选择等方面也有应用。等方面也有应用。在在医学领域医学领域里，着眼于里，着眼于致癌物质对遗传因子的变致癌物质对遗传因子的变异诱发性异诱发性，人们，人们利用微生物传感器对致癌物质进行利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选一次性筛选。环境监测领域环境监测领域是微生物传感器应用最广泛的领域，是微生物传感器应用最广泛的领域，其典型代表是其典型代表是BOD 传感器。它可以传感器。它可以测定水中生物降测定水中生物降解有机物的总量即生化需氧量解有机物的总量即生化需氧量。另外，微生物遇到有。另外，微生物遇到有害离子害离子Ag+，Cu2+等会产生中毒效应，可利用这一性等会产生中毒效应，可利用这一性质，质，实现对废水中有毒物质的评价实现对废水中有毒物质的评价。微生物传感器。微生物传感器还还可应用于测定多种污染物可应用于测定多种污染物：硫化物微生物传感器用于：硫化物微生物传感器用于测定煤气管道中含硫化合物；酚微生物传感器能够快测定煤气管道中含硫化合物；酚微生物传感器能够快速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。BOD:生化需氧量，简称生化需氧量，简称BOD(Biochemical oxygen demand)，是指在有氧的条件下，是指在有氧的条件下，水中微生物分解有机物的生物化学过程水中微生物分解有机物的生物化学过程中所需溶解氧的质量浓度。中所需溶解氧的质量浓度。5、微生物传感器的应用实例、微生物传感器的应用实例BOD5:一般有机物一般有机物20天才能够基本完成在第一天才能够基本完成在第一阶段的氧化分解过程（完成过程的阶段的氧化分解过程（完成过程的99）。就是说，）。就是说，测定测定第一第一阶段的生化需氧量，需要阶段的生化需氧量，需要20天，这在实际天，这在实际工作中是难以做到的。为此又规定一个标准时间，工作中是难以做到的。为此又规定一个标准时间，一般以一般以5日作为测定日作为测定BOD的标准时间，因而称之为的标准时间，因而称之为五日生化需氧量，以五日生化需氧量，以BOD5表示之。表示之。BOD5约为约为BOD20的的70左右。左右。测定方法五天培养法：五天培养法：五天培养法也称标准稀释法或稀释接种五天培养法也称标准稀释法或稀释接种法。水样经稀释后在法。水样经稀释后在20条件下培养五天，条件下培养五天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值为值为BOD5。如果水样五日生化需氧量未超过。如果水样五日生化需氧量未超过7mg/L,则不必进行稀释，可直接测定。则不必进行稀释，可直接测定。五天培养法的缺点五天培养法的缺点 BOD作为水中有机污染的一项重要指标，其反映的可作为水中有机污染的一项重要指标，其反映的可生化降解性是其他参数无法替代的。生化降解性是其他参数无法替代的。但此法测定时间冗长，测定一个样品需要五天，不能迅但此法测定时间冗长，测定一个样品需要五天，不能迅速反映水样污染状况，因而给环境监测带来诸多不便，特别速反映水样污染状况，因而给环境监测带来诸多不便，特别是对于受污染地表水的监测，随着测定稀释倍数的增大，水是对于受污染地表水的监测，随着测定稀释倍数的增大，水样中溶解氧含量的增高，导致了微生物数量和群落结构的变样中溶解氧含量的增高，导致了微生物数量和群落结构的变化，随之造成微生物繁殖空间变大，使同一水体化，随之造成微生物繁殖空间变大，使同一水体BOD 5的的测测定结果因稀释倍数的不同发生很大差异。定结果因稀释倍数的不同发生很大差异。微生物传感器测BOD产生 为了达到及时监测水质污染程度的目的为了达到及时监测水质污染程度的目的,多年来人们一多年来人们一直在寻求快速测定直在寻求快速测定BOD 的方法的方法,快速快速BOD方法泛指在短时间方法泛指在短时间内可以得到水样内可以得到水样BOD值的一种新方法，包括微生物传感器、值的一种新方法，包括微生物传感器、微生物反应器、微生物燃料电池及媒介体反应器等诸多方法，微生物反应器、微生物燃料电池及媒介体反应器等诸多方法，其中以微生物传感器方法最具有代表性。其中以微生物传感器方法最具有代表性。微生物传感器快速测定法测定生化需氧量，不需培养箱微生物传感器快速测定法测定生化需氧量，不需培养箱培养，可直接测定，能满足车载监测使用，稀释倍数易于掌培养，可直接测定，能满足车载监测使用，稀释倍数易于掌握。并且采用微生物传感器快速测定法测定单个样品的生化握。并且采用微生物传感器快速测定法测定单个样品的生化需氧量仅需需氧量仅需8 min，可大大缩短实验周期，适合于地表水、，可大大缩短实验周期，适合于地表水、生活污水和工业废水的监测。生活污水和工业废水的监测。BOD传感器的组成：传感器的组成：1.识别元件识别元件BOD传感器的生物识别元件可以由不传感器的生物识别元件可以由不同的微生物群体构成。同的微生物群体构成。2.传感器传感器(换能器换能器)BOD传感器的换能器部分传感器的换能器部分,目前目前大致有溶解氧电极、光纤大致有溶解氧电极、光纤(op tical fiber)和光伏特计和光伏特计(surface pho2tovoltage device,SPV)等几种。等几种。BOD传感器大多是由微生物固定化膜和氧电极所构传感器大多是由微生物固定化膜和氧电极所构成。成。流程图装置方法对照 在确保了实验室质量控制体系的基础上，进在确保了实验室质量控制体系的基础上，进行对不同行业和环境水体的实际样品进行了大量的行对不同行业和环境水体的实际样品进行了大量的BOD微生物传感器快速测定法微生物传感器快速测定法 与国标五日生化需氧与国标五日生化需氧量法的比对试验。比对结果以相应的量法的比对试验。比对结果以相应的BOD5检测数检测数据为基准，以两者的相对误差为衡量尺度，对适用据为基准，以两者的相对误差为衡量尺度，对适用于于BOD微生物传感器快速测定法检测的行业与水体微生物传感器快速测定法检测的行业与水体进行遴选，数据结果见表。进行遴选，数据结果见表。结果数据对比结果数据对比结果数据对比数据对比结论 制造行业及有机合成类行业其水样成分复杂，制造行业及有机合成类行业其水样成分复杂，常含有各种过酸、过碱、含游离氯等氧化性物质，常含有各种过酸、过碱、含游离氯等氧化性物质，重金属及其他对菌膜中的微生物菌种有毒的无机或重金属及其他对菌膜中的微生物菌种有毒的无机或有机物，两种方法数据可比性差，见表有机物，两种方法数据可比性差，见表5，无论，无论BOD5值为何取值范围，相对误差值均远远大干实值为何取值范围，相对误差值均远远大干实验室质量控制最大指标验室质量控制最大指标25 的要求。因此，在本实的要求。因此，在本实验范畴内所能涉及的制造行业及有机合成类行业水验范畴内所能涉及的制造行业及有机合成类行业水样均不适用于用微生物传感器样均不适用于用微生物传感器B OD快速测定法进行快速测定法进行测定。测定。适用水体 微生物传感器快速测定法作为国家标准方法五微生物传感器快速测定法作为国家标准方法五日生化需氧量法的辅助方法，适用于地表水、地下日生化需氧量法的辅助方法，适用于地表水、地下水、生活饮用水、制药行业废水的日常监测。能适水、生活饮用水、制药行业废水的日常监测。能适应准确高效的环境管理的时代化要求，为迅速反映应准确高效的环境管理的时代化要求，为迅速反映环境污染状况、处理应急事故提供科学依据。而对环境污染状况、处理应急事故提供科学依据。而对于大部分生活污水和部分化工行业废水的监测，建于大部分生活污水和部分化工行业废水的监测，建议在进行了相应的微生物传感器快速测定法与国家议在进行了相应的微生物传感器快速测定法与国家标准五日生化需氧量法的方法比对后，对适用水体标准五日生化需氧量法的方法比对后，对适用水体采用微生物传感器快速测定法进行测定。若无比对采用微生物传感器快速测定法进行测定。若无比对条件，建议仍采用国家标准五条件，建议仍采用国家标准五Et生化需氧量法生化需氧量法(BOD5)进行常规监测分析。进行常规监测分析。问题与展望局限性对于监测多组分和含有高浓度聚合物对于监测多组分和含有高浓度聚合物的废水缺乏可靠性；的废水缺乏可靠性；对于废水中含有的很多有毒物质缺乏对于废水中含有的很多有毒物质缺乏抵抗性抵抗性;传感器的维护较为复杂传感器的维护较为复杂;在很多国家没有得到推广和标准化在很多国家没有得到推广和标准化,致致使使BOD不具有全球的数据共享能力。不具有全球的数据共享能力。问题与展望尝试选择降解有机物种类更广泛的微生物；选择降解有机物种类更广泛的微生物；对不同的污水采用不同的微生物；对不同的污水采用不同的微生物；选择两种以上的混合菌固定到同一生选择两种以上的混合菌固定到同一生物膜上构造传感器物膜上构造传感器,以扩大对有机物的以扩大对有机物的降解范围；降解范围；对含有机大分子物质的污水进行预处对含有机大分子物质的污水进行预处理。理。参考文献1.周勤等周勤等,BOD微生物传感器快速测定法的适用性探究微生物传感器快速测定法的适用性探究.上海上海市环境监测中心上海市环境监测中心上海 2000302.赵利民等赵利民等,快速生化需氧量微生物传感器的应用快速生化需氧量微生物传感器的应用.应用化学应用化学.第第29卷第卷第7期期2012年年7月月3.郏建波等郏建波等,生化需氧量微生物传感器的研究进展生化需氧量微生物传感器的研究进展.分析化学分析化学(FENXI HUAXUE)评述与进展评述与进展.第第6 期期 7427484.叶裕才等叶裕才等,生物传感器快速测定生化需氧量的研究生物传感器快速测定生化需氧量的研究.分析化学分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展评述与进展.第第3期期4054105.肖美丽等肖美丽等,微生物传感器快速测定生化需氧量微生物传感器快速测定生化需氧量.济南市环境济南市环境保护科学研究所，济南保护科学研究所，济南250016.HJT862002水质生化需氧量水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感的测定微生物传感器快速测定法器快速测定法6、微生物传感器的发展展望、微生物传感器的发展展望 微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单，其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。现已备简单，其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。现已有报道有报道加入专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题加入专门抑制剂以解决微生物电极的选择性问题。另外，测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是另外，测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。因此，生物传感器市场化的主要控制因素。因此，开发新的固开发新的固定化技术，利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术定化技术，利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研工作者面临的课题工作者面临的课题。相信微生物传感器作为一个具有发。相信微生物传感器作为一个具有发展潜力的研究方向，定会随着生物技术、材料科学、微展潜力的研究方向，定会随着生物技术、材料科学、微电子技术等的发展取得更大的进步，并逐步趋向微型化、电子技术等的发展取得更大的进步，并逐步趋向微型化、集成化、智能化。集成化、智能化。谢谢大家谢谢大家微生物的固定化微生物的固定化 常用的微生物固定化方法：常用的微生物固定化方法：吸附法、共价交吸附法、共价交联法、包埋法联法、包埋法（1 1）吸附法吸附法 吸附法是利用载体与微生物吸附法是利用载体与微生物细胞间简单的细胞间简单的物理吸附物理吸附进行固定，即将菌进行固定，即将菌悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼悬液离心，过滤到醋酸纤维膜、滤纸或尼龙网膜上。也可借助于载体和细胞表面的龙网膜上。也可借助于载体和细胞表面的静电作用静电作用，将细胞吸附在离子交换树脂膜，将细胞吸附在离子交换树脂膜上。此法最早被采用，其上。此法最早被采用，其优点优点是是对微生物对微生物无毒害，操作简便无毒害，操作简便；其；其缺点缺点是是微生物易泄微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差漏损失，造成传感器稳定性差。（2 2）共价交联法共价交联法 这种方法是通过这种方法是通过交联剂把活细交联剂把活细胞以共价键结合到载体上胞以共价键结合到载体上。交联剂交联剂有异氰酸盐、氨有异氰酸盐、氨基硅烷、戊二醛及氰尿酰氯等。基硅烷、戊二醛及氰尿酰氯等。应用该法时由于共应用该法时由于共价键形成往往毒害了活细胞价键形成往往毒害了活细胞，故其应用受到一定限，故其应用受到一定限制。制。（3 3）包埋法包埋法 包埋法是最常用的固包埋法是最常用的固定化微生物的方法。该法是定化微生物的方法。该法是将微生将微生物活细胞包埋于适当的立体网状材物活细胞包埋于适当的立体网状材料中料中，常用的，常用的包埋材料包埋材料有聚丙烯酰有聚丙烯酰胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸胺凝胶、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一种。的一种。该法的该法的优点优点是是对微生物细胞活性影响较小对微生物细胞活性影响较小,微生物不微生物不易流失易流失,膜的孔径和几何形状可以控制膜的孔径和几何形状可以控制,膜稳定性高膜稳定性高,可可长时间储藏长时间储藏。缺点缺点是是分子过大的底物在凝胶网格内扩散分子过大的底物在凝胶网格内扩散较困难，因此不适合大分子底物的测定较困难，因此不适合大分子底物的测定。