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'微生物传感器 主要内容1、前言2、微生物传感器的特点及其影响因素3、微生物传感器的原理4、微生物传感器的制备5、微生物传感器的测定系统6、微生物传感器的应用7、微生物传感器的应用实例8、微生物传感器的发展展望 1、前言生物传感器是一门集微电子学、材料科学、生物技术等学科为一体的高新技术。它由分子识别元件(感受器)和与之结合的信号转换器件(换能器)两部分组成的分析工具或系统。前者可以是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA)或生物体本身(细胞、细胞器、组织),它们能特异地识别各种被测物质并与之反应;后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管(ISFET)、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体(PZ)等,其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。 微生物传感器的不足之处：1）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2）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 2.2影响传感器响应的因素1）PH值：微生物传感器中细菌生长于转换器电极要求的PH值不一致时，需要找出一个折衷值2）缓冲溶液的种类和用量：Tris缓冲液可产生氨，而焦磷酸盐缓冲液对微生物有抑制作用，这两种缓冲液均不能用于用氨气敏电极作为转换器而组成的组氨酸微生物传感器。另外缓冲剂的缓冲容量不足时也会造成电极不符合能斯特响应。3）微生物的用量：增加细菌细胞的用量可使能斯特响应区增宽，但增加得太多又会导致响应减慢，而且传感器浸泡在缓冲液恢复到原来响应值的时间也相应增长。4）温度：微生物传感器虽也要求最适温度，但不像酶电极那样敏感。适当提高温度可使细菌细胞新城代谢以及底物的扩撒加快，从而使响应时间缩短。5）活化剂与稳定剂6）气体的影响 3、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的原理实现待测物质的定量测定,原理见下图：微生物传感器原理示意图 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。它既要求将微生物限制在一定的空间,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、灵敏性和使用寿命等性能指标。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。 微生物传感器1、微生物生理特点2、信号测定法呼吸活性测定性微生物传感器代谢活性测定性微生物传感器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速度法3、分子识别的微生物膜所得的信息能转换为电信号方式上考虑电流测定法电位测定法 呼吸活性测定性微生物传感器 呼吸活性型微生物传感器由固定化需氧性细菌膜和氧电极组合而成。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。 代谢活性测定性微生物传感器 代谢活性型微生物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。它是以细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、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，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。 4、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考虑：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二、还需考虑与之配合的电化学装置要干扰少，灵敏度高三、就是将微生物固定化的问题。 4.1微生物的固定化常用的微生物固定化方法：吸附法、共价交联法、包埋法（1）吸附法吸附法是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。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。此法最早被采用，其优点是对微生物无毒害，操作简便；其缺点是微生物易泄漏损失，造成传感器稳定性差。 （2）共价交联法这种方法是通过交联剂把活细胞以共价键结合到载体上。交联剂有异氰酸盐、氨基硅烷、戊二醛及氰尿酰氯等。应用该法时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。 （3）包埋法包埋法是最常用的固定化微生物的方法。该法是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、角叉菜聚糖凝胶、海藻酸钙凝胶、琼脂、骨胶原等。聚丙烯酰胺凝胶是目前包埋细胞用途最广的一种。该法的优点是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。缺点是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。 4.2微生物传感器的电化学装置氧电极是广泛应用于微生物传感器的换能器。在Clark型电极情况下，几何构型十分重要。特别是在阴极和膜之间的电解质层的厚度必须是紧密的，以保证良好的线性和低的背景电流。Clark电极分为极谱电极和电流电极两种。极谱电极由浸入同一饱和氯化钾溶液的铂阳极和银阴极构成。在阳极和阴极之间的极化电压，选择地降低阳极的氧。该反应产生电流，该电流与溶解氧浓度成比例。电流电极有一个引导阳极和一个阴极产生电势差，因此，它是一种自装置的电极，不需外供电压。这类电极简单且经济，但缺点是响应时间慢，稳定性较差。 此外，微生物传感器中应用的换能器还有燃料电池型电极(氢气检测)、二氧化碳电极，氨电极、pH电极，其中除燃料电池型外，其余大部分是以电势为基础的，虽然测定范围比较广，但不足的是它们对其他污染物有响应且检测限度低。许多物理装置也可用于微生物传感器换能器。主要有：①热敏电阻：将固定化微生物膜与一热敏电阻紧连，测定放出的代谢热，即可制备微生物传感器。②光探测器：将光合细菌与光探测器（例如光电倍增管或光电二极管）结合即可制备高敏性微生物传感器。 4.3微生物传感器的组装Clark氧电极由一个聚四氟乙烯膜，一个铂阴极，一个铝阳极和饱和氯酸钾电解质组成，将固定化微生物膜放置在聚四氟乙烯膜上，用O型圈固定透析膜使它紧紧地包住电极即组装成微生物传感器。 5、微生物传感器的测定系统5.1批式测定系统传感器置于一恒温、循环水外套中，室内含有50毫升的0.05mol/L，pH7.0磷酸缓冲液、缓冲液用溶解氧饱和（通气速度200ml/min）并在测量期间电磁搅拌。用数字万用表和电子记录仪测量氧电极输出的电流。 当输出电流变得稳定时，将100μl样品溶液注射入传感器室，下图给出了一个典型的电极响应曲线。稳态表明细菌氧的消耗速率和氧的扩散速率从溶液到膜是相等的，稳态取决于葡萄糖浓度。当电极从试样液移出放入无葡萄糖的溶液时，微生物电极的电流逐渐增加并重新回到初水平。在时间为0时的电流是在用溶解氧饱和的样液中的葡萄糖，于是由细菌消耗氧而引起溶解氧的减少，直至达到稳态。 5.2流动测定系统流室温度通过将温水流过夹套而维持30℃,用溶解氧饱和的0.01mol/min与250mol/min的流速与空气同时流入流室，当电极达到稳态时，样品以0.2mol/min的流速在20分钟内注射入流体室，注射间隙60分钟。 一般来说，微生物传感器具有较长的使用寿命，但其保养也是十分重要的。正常情况下，微生物传感器应贮存于无营养物、40℃的磷酸缓冲液中，以保持固定化微生物的活性无明显变化。如果活性降低，则必须将传感器浸入营养介质一定时间直至新细胞生长而活性重新恢复。此外，因不能试用抗菌试剂（例如叠氮化钠、抗菌素等），所以防止污染比酶生物传感器就显得更为重要。 6、微生物传感器的应用1975年Divies制成了第1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。微生物传感器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、硝酸盐等各类含氮化合物和各类氨基酸等，还可以测定多种化合物的总量和集合效应。 ★在发酵工业领域，微生物传感器已应用于原材料、代谢产物的测定。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，并且不受发酵液混浊程度的限制。★在生物工程领域，微生物传感器已用于酶活性的测定。微生物传感器还能用于测定微生物的呼吸活性，在微生物的简单鉴定、生物降解物的确定、微生物的保存方法的选择等方面也有应用。★在医学领域里，着眼于致癌物质对遗传因子的变异诱发性，人们利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选。 ★环境监测领域是微生物传感器应用最广泛的领域，其典型代表是BOD传感器。它可以测定水中可生物降解有机物的总量即生化需氧量。另外，微生物遇到有害离子CN-，Ag+，Cu2+等会产生中毒效应，可利用这一性质，实现对废水中有毒物质的评价。微生物传感器还可应用于测定多种污染物：NOx气体传感器用于监测大气中氮氧化物的污染；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速并准确地测定焦化、炼油、化工等企业废水中的酚。 7、微生物传感器的应用实例Title:MicrobialBODsensorformonitoringtreatmentofwastewaterfromarubberlatexindustryAuthors:AmpaiKumlanghan,ProespichayaKanatharana,PunneeAsawatreratanakul,BoMattiasson,PanoteThavarungkulToappearin:EnzymeandMicrobialTechnology42(2008)483–491 SchematicdiagramofBODmonitoringsystemforanaerobicwastewatertreatmentprocess BODvaluesfromBOD5standardmethodandbiosensor.Biosensorresultsin(a)and(b)wereanalyzedoff-line. PercentagesofBODreductionareshownin(c)wherethedatawereplottedat5-dayintervals. 8、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，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。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。 谢谢！ 常见动物疾病的治疗 一、发热发热是临床常见的症状之一，见于多种疾病过程中。发热不但指体温升高，也包括口色红、脉数、尿短赤等热象。发热有外感发热和内伤发热之分。 外感发热，发病急，病程短，热势盛，体温高，多属实证。外邪不退，热势不减。有的有恶寒表现。内伤发热，发病缓慢，病程较长，热势不盛，体温稍高，或时作时止，或发有定时，多属虚证。常无恶寒表现。 （一）外感发热1.外感风寒主证：发热，恶寒，无寒，皮紧毛乍，鼻流清涕，口色青白，舌苔薄白，脉浮紧，有时咳嗽，咳声洪亮。治则：发汗散寒，疏风解表方剂：麻黄汤、桂枝汤、荆防败毒散。 2.外感风热主证：发热重，微恶寒，耳鼻俱温，体温升高，鼻流黄色或白色粘稠脓涕，咳嗽，咳声不爽，口干渴，舌苔薄白或薄黄，脉浮数。治则：发汗解表，疏风清热方剂：银翘散 3.热在气分主证：高热不退，但热不寒，出汗，口渴喜饮，食欲废绝，呼吸喘粗，粪便干燥，口色赤红，舌苔黄燥，脉洪数。治则：清热生津方剂：白虎汤 4.热结胃肠主证：高热，肠燥便干，粪球干小难下，甚至粪结不通或稀粪旁流，腹痛，尿短赤，口干舌红，舌苔黄厚而燥，脉沉实有力。治则：滋阴增液，清热泻下方剂：大承气汤、增液承气汤 5.营分热主证：高热不退，夜甚，躁动不安，或甚至昏迷，黏膜有出血点或出血斑，舌质红绛，脉细数。治则：清营解毒，透热养阴方剂：清营汤 6.血分热主证：高热、神昏，黏膜、皮肤发斑，尿血、便血，口色红绛，脉洪数或细数。严重者，抽搐、惊厥。治则：清热凉血，熄风安神方剂：犀角地黄汤、羚羊钩藤汤 （二）内伤发热1.阴虚发热主证：低热不退，午后更甚，耳鼻微热，烦躁不安，皮肤弹性降低，唇干口燥，粪球干小，尿少色黄，口色红或淡红，少苔或无苔，脉细数。严重者，盗汗。治则：滋阴清热方剂：青蒿鳖甲汤 2.血瘀发热有因外伤所致和产后血瘀两种。主证：因外伤引起者，局部瘀血肿胀，疼痛，发热，体温升高；产后血瘀者，除发热外，伴有腹痛、恶露不尽。口色红或暗紫。方剂：外伤血瘀，用桃红四物汤或血府逐瘀汤；产后血瘀，用生化汤。 二、泄泻泄泻是指排粪次数增多，粪便稀薄，甚至泻粪如水样的一类病证。 1.寒泻（冷肠泄泻）主证：发病急，泻粪稀薄如水，甚至呈喷射状排出，肠鸣如雷，食欲减少或废绝，精神倦怠，头低耳耷，耳寒鼻冷，口色青白或青黄，苔白，口津滑利，脉沉迟。治则：温中散寒，利水止泻方剂：猪苓散、桂心散 2.热泻（湿热泄泻）主证：发热，精神沉郁，食欲减少或废绝，口渴多饮，有时轻微腹痛，蜷腰卧地，泻粪稀薄，粘腻腥臭，或赤白相间，尿短赤，口色赤红，舌苔黄腻，脉沉数。方剂：郁金散、白头翁汤 3.伤食泄泻主证：食欲废绝，肚腹胀满，腹痛，粪稀粘稠，粪中夹有未消化的食物，气味酸臭，嗳气酸臭，肠伴有呕吐，吐后痛减。治则：消食导滞，调和脾胃方剂：保和丸加减 4.脾虚泄泻主证：形体羸瘦，毛焦肷吊，精神倦怠，四肢无力；泄泻，粪便稀软，甚至呈水样，粪渣粗大，或完谷不化，严重者，肛迟粪淌。舌色淡白，舌面无苔，脉迟缓。严重者，四肢浮肿。治则：益气健脾，利水止泻方剂：参苓白术散、补中益气汤 三、咳嗽 1.风寒咳嗽主证：发热恶寒，无汗，被毛逆立，有时寒颤，鼻流清涕；咳嗽，声音洪亮，口色青白，舌苔薄白，脉浮紧。治则：疏风散寒，宣肺止咳方剂：荆防败毒散、止嗽散 2.风热咳嗽主证：发热重，恶寒轻，咳嗽，声音不爽，鼻流粘涕，白色或黄色，舌苔薄黄，口红少津，脉浮数。治则：疏风清热，化痰止咳方剂：饮翘散、桑菊饮 3.肺热咳嗽主证：精神倦怠，食欲减少，口渴喜饮冷水，咳嗽，气促喘粗，呼出气热，鼻流粘稠脓涕，口色赤红，舌苔黄燥，脉洪数。治则：清肺泻火，止咳平喘方剂：麻杏石甘汤、清肺散、苇茎汤 4.湿痰咳嗽主证：精神倦怠，毛焦体瘦，咳嗽，气喘，喉中痰鸣，痰液白滑，鼻液量多，色白而粘稠；咳时，腹部扇动，肘头外张，胸胁疼痛；口色青白，舌苔白滑，脉滑。治则：燥湿化痰，止咳平喘方剂：二陈汤合三子养亲汤 5.气虚咳嗽主证：食欲减退，精神倦怠，毛焦肷吊，日渐消瘦，久咳不已，咳声低微无力，动则咳甚，鼻流粘涕，口色淡白，舌质绵软，脉迟细。治则：益气补肺，化痰止咳方剂：四君子汤合止嗽散 5.阴虚咳嗽主证：频频干咳，昼轻夜重，痰少津干，低烧不退，或午后发热，舌红少苔，脉细数。治则：滋阴生津，润肺止咳方剂：百合固金汤、清燥救肺汤 四、黄疸黄疸是以眼、口、鼻黏膜黄染为主要症状的一类病证。 1.阳黄（肝胆湿热）主证：发病较急，黏膜黄染，黄色鲜明如橘，患病动物精神沉郁，食欲减少，粪干或泄泻，常伴有发热，口色红黄，舌苔黄腻，脉弦数。治则：清热利湿，退黄方剂：茵陈蒿汤 2.阴黄（肝胆寒湿）主证：可视黏膜发黄，晦暗无光；动物精神沉郁，四肢无力，耳、鼻末梢发凉，舌苔白腻，脉沉细无力。治则：健脾益气，温中化湿方剂：茵陈术附汤 五、淋证淋证是指排尿频数、涩痛、淋漓不尽的病证。中兽医中有五淋（热淋、血淋、砂淋、劳淋、膏淋）之说。 1.热淋主证：排尿时弓腰努责，淋漓不畅，疼痛，尿频，尿少，尿色黄赤；口色红，苔黄腻，脉滑数。治则：清热降火，利尿通淋方剂：八正散加减。 2.血淋主证：排尿困难，疼痛不安，尿中带血，尿色鲜红。治则：清热利湿，凉血止血方剂：小蓟饮子（生地黄、小蓟、滑石、炒蒲黄、淡竹叶、藕节、通草、栀子、炙甘草、当归）、八正散加减。 3.砂淋主证：尿道不完全堵塞时，尿频，排尿困难，疼痛不安，尿淋漓不尽，有时排尿中断，尿液浑浊，混有砂石，有时尿中带血；尿道完全堵塞时，常做排尿姿势但无尿液排出，触诊膀胱胀大。治则：清热利湿，消石通淋。方剂：八正散加减（鸡内金、海金沙、金钱草）'