I. 소개
Clark 와 Lyons 가 1962 에서 바이오 센서를 처음 제안한 지 40 년이 지났다. 바이오 센서는 발효 기술, 환경 모니터링, 식품공학, 임상의학, 군사, 군사의학 등에서 광범위하게 중시되고 응용되었다. 지난 15 년 동안 바이오 센서는 주로 효소 전극의 발전에 기반을 두고 있다. 그러나, 이 효소는 비싸고 불안정하기 때문에 민감한 재료로서의 응용이 제한되어 있다.
최근 몇 년 동안 미생물 고정화 기술이 발달하면서 미생물 전극이 생겨났다. 효소 전극에 비해 미생물 전극은 미생물 생체를 분자로 식별하여 독특한 성질을 가지고 있다. 그것은 높은 가격, 추출어려움, 불안정한 단점을 극복할 수 있다. 게다가, 우리는 미생물의 보조효소를 이용하여 복잡한 반응을 처리할 수 있다. 현재 광섬유 바이오 센서의 응용이 갈수록 광범위해지고 있다. 또한 폴리효소 체인형 반응 (PCR) 이 발달하면서 PCR 을 사용하는 DNA 바이오 센서가 늘고 있다.
둘째, 연구 현황 및 주요 응용 분야
1. 발효공업의 각종 바이오 센서 중 미생물센서가 발효공업의 검사에 가장 적합하다. 발효 과정에서 종종 간섭 물질이 존재하기 때문에 발효액은 종종 맑고 투명하지 않아 스펙트럼 측정에 적합하지 않다. 미생물 센서의 응용은 발효액 탁도에 관계없이 간섭을 제거할 가능성이 높다. 동시에 발효공업은 대규모 생산이기 때문에 미생물 센서 비용이 낮고 설비가 간단하여 큰 장점이 있다.
(1), 원료 및 대사 산물 측정
미생물 센서는 당밀과 아세트산과 같은 원료뿐만 아니라 세 팔로 스포린, 글루탐산, 포름산, 메탄, 알코올, 페니실린 및 젖산과 같은 대사 산물을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 측정 원리는 기본적으로 적절한 미생물 전극과 산소 전극으로 이루어져 있다. 미생물의 동화작용을 통해 산소를 소모하고, 산소 전극 전류의 변화를 측정하여 산소의 감소량을 측정하여 기질 농도를 측정한다.
각종 원자재 중 포도당을 측정하는 것은 과정 통제에 특히 중요하다. 형광 가짜 단포균을 이용하여 포도당의 대사와 소비를 이용하여 산소 전극 검사를 통해 포도당의 농도를 추정할 수 있다. 포도당효소 전극 유형에 비해 이 미생물 전극은 고감도, 반복성, 실용성을 갖추고 있으며 값비싼 포도당효소를 사용할 필요가 없다.
아세트산을 탄소원으로 미생물 배양을 할 때 일정 농도보다 높은 아세트산 함량은 미생물의 성장을 억제하므로 온라인 측정이 필요하다. 아세트산의 농도는 고정화 효모, 기체 침투막, 산소 전극으로 구성된 미생물 센서를 통해 측정할 수 있다.
또한 대장균과 이산화탄소 가스 센서를 결합하면 글루탐산 측정을 위한 미생물 센서가 형성되고 구연산균의 전체 세포가 콜라겐막에 고정된다. 세균-콜라겐막반응기와 조합유리전극으로 구성된 미생물 센서는 발효액 중 세 팔로 스포린 측정에 사용할 수 있다.
(2) 총 미생물 세포 수 결정
발효 통제 방면에서, 항상 간단하고 연속적인 세포 수를 직접 측정하는 방법이 필요하다. 세균이 직접 산화되어 양극 표면에 전류를 생산할 수 있다는 것을 발견했다. 이 전기화학시스템은 이미 세포 수 측정에 적용되었으며, 결과는 전통적인 균반 계산법 [1] 과 같다.
(3) 대사 검사의 확인
전통적인 미생물 대사 유형의 식별은 어떤 배양기에서 미생물의 성장에 기반을 두고 있다. 이 실험방법들은 긴 배양 시간과 특수한 기술이 필요하다. 미생물의 기질에 대한 동화작용은 호흡활성으로 측정할 수 있다. 산소 전극은 미생물의 호흡 활성을 직접 측정할 수 있다. 따라서 미생물 센서는 미생물의 대사 특성을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 미생물의 간단한 감정, 미생물 배양기의 선택, 미생물효소 활성 측정, 폐수 중 생분해성 물질의 추정, 폐수 처리용 미생물의 선택, 활성 슬러지의 동화 실험, 생분해성 물질의 측정, 미생물 보존 방법의 선택 [2] 에 사용되었다.
2. 환경 모니터링
(1) 생화학 산소 요구량 (BOD) 측정) 은 유기물로 오염된 수역을 모니터링하는 데 가장 많이 사용되는 지표입니다. 일반적인 BOD 측정에는 5 일간의 잠복기, 복잡, 반복, 시간 소모, 노력이 필요하며 현장 모니터링에 적합하지 않습니다. 따라서 간단하고, 빠르고, 정확하며, 자동화 수준이 높고, 광범위하게 응용되는 새로운 방법이 절실히 필요하다. 현재 연구원들은 두 개의 새로운 효모종 SPT 1 및 SPT2 를 분리해 유리탄소 전극에 고정시켜 BOD 를 측정하는 미생물 센서를 형성하고 있으며 반복성은 10% 이내이다. 이 센서는 펄프 공장 폐수의 BOD 를 측정하는 데 사용되며 최소 측정치는 2 mg/l 이고 시간은 5min[3] 입니다. 또한 높은 삼투압에 내성이 있는 효모주를 민감한 재료로 사용하는 새로운 미생물 센서가 있어 높은 삼투압 하에서 정상적으로 작동할 수 있다. 또한 이 균주는 장기간 건조하고 보존될 수 있으며, 물에 담그면 활성화가 회복되어 바닷물 속 BOD 측정을 빠르고 쉽게 할 수 있는 방법 [4] 을 제공한다.
미생물 센서 외에도 광섬유 바이오 센서를 개발하여 강물의 낮은 BOD 값을 측정했다. 센서의 반응 시간은 65438 05 분, 최적 작동 조건은 30°C, pH=7 입니다. 센서 시스템은 염소 이온 (1000mg/l 범위 내) 과 중금속 (Fe3, Cu2, Mn2, Cr3, Zn2) 의 영향을 거의 받지 않습니다. 이 센서는 강물 BOD 측정에 적용되어 좋은 효과를 거두었다 [4].
현재 BOD 바이오 센서가 있는데, 조명 처리 후 (즉, TiO2 를 반도체로, 6 W 램프로 약 4 분) 감도가 크게 높아 강물 중 낮은 BOD 측정에 적합하다 [5]. 이와 동시에 여러 샘플의 BOD 값을 동시에 측정할 수 있는 컴팩트한 광학 바이오 센서가 개발되었습니다. 그것은 세 쌍의 발광 다이오드와 실리콘 광전다이오드를 사용하며, 슈도모나스는 광가교 수지로 리액터 바닥에 고정된다. 이 측정 방법은 빠르고 간단하며 4 C 에서 6 주 동안 사용할 수 있으며 공장 폐수 처리 중 [5] 에 사용되었습니다.
(2) 암모니아, 아질산염, 황화물, 인산염, 발암물질과 유인제, 중금속 이온, 페놀류 화합물, 표면활성제 등의 물질 농도는 각종 오염물 측정에 자주 쓰인다. 현재 각종 오염물을 측정하는 각종 바이오 센서가 개발되어 실제 응용에 투입되고 있다.
암모니아 질소와 질산염을 측정하는 미생물 센서는 대부분 폐수 처리 설비와 산소 전극에서 분리된 질산화 세균으로 구성되어 있다. 현재, 어둠과 조명 조건 하에서 질산염과 아질산염 (질소 화합물) 을 측정할 수 있는 미생물 센서가 있는데, 소금 환경에서의 측정은 다른 종류의 질소 산화물의 영향을 받지 않게 한다. 강어귀의 질소 및 산소 화합물을 측정하는 데 사용되며 효과가 좋습니다 [6].
황화물의 측정은 황철광 부근의 산성 토양에서 선별된 특화, 자양, 호기성 산화황균으로 만든 미생물 센서이다. PH = 2.5,365438 0 C 에서 일주일에 200 회 이상 측정해도 활성은 그대로 유지되고 2 주 후 20% 감소했다. 이 센서의 수명은 7 일이며, 설비는 간단하고, 비용은 낮으며, 조작이 편리하다. 현재 미생물 전극을 이용하여 황화물 함량을 측정하고, 사용하는 세균은 염색질이다. SP 는 수소 전극 [7] 에 연결되어 있습니다.
최근 과학자들은 오염 지역에서 형광을 낼 수 있는 세균을 분리했다. 이 세균에는 형광유전자가 함유되어 있어 오염원의 자극으로 형광단백질을 만들어 형광을 방출할 수 있다. 이 유전자는 유전 공학을 통해 적절한 세균에 유입되어 환경 모니터링을 위한 미생물 센서를 만들 수 있다. 형광소 효소는 이미 대장균에 도입되어 비소의 독성 화합물 [8] 을 검출했다.
수중페놀류와 표면활성제의 측정은 큰 진전을 이루었다. 현재 서시베리아 석유 분지의 토양에서 9 종의 그람 음성균이 분리되고 있는데, 페놀은 유일한 탄소원과 에너지원이다. 이 균주들은 바이오센서 수용체 부분의 감도를 높일 수 있다. 페놀 모니터링은 5' 10-9mol 로 제한됩니다. 센서의 최적 작동 조건은 PH = 7.4,35 C, 연속 작동 시간은 30h[9] 입니다. 또 가짜 단포균으로 만든 전류형 바이오 센서는 미생물 세포를 젤 (한천, 진지당, 해조산칼슘) 에 고정시킨다. 단층 시험지 GF/A 또는 글루타메이트알데히드로 인한 젤에 있는 미생물세포의 교착은 장거리 고농도 표면활성제 검사에서 활성성과 성장을 유지할 수 있다. 센서는 측정 후 민감한 구성요소의 활성 [10] 을 빠르게 복원할 수 있습니다.
유기 인 농약을 측정하는 전류형 바이오 센서도 있는데, 그것은 인공효소를 사용한다. 유기 인 농약 가수 분해 효소를 사용하면 p-니트로 페놀과 디 에틸 페놀의 검출 한계는 100' 10-9mol 이고 40 ℃에서는 4min [1/kloc 새로 개발된 인산염 바이오 센서도 있는데, 아세톤산 산화효소 G 를 이용하여 자동화 시스템 CL-FIA 데스크탑 컴퓨터 검사 (32) 와 결합한다.
최근에는 세균세포를 바이오성분으로 사용하여 지표수 중 노닐 페놀 -NP-80e 의 함량을 측정하는 새로운 미생물 센서가 등장했다. 전류형 산소 전극을 센서로 사용하여 미생물 세포를 산소 전극의 투석막에 고정시키는데, 그 측정 원리는 모포자균 세포의 호흡 활성화를 측정하는 것이다. 이 바이오 센서의 반응 시간은 15~20min 이고 수명은 7~ 10 일 (연속 측정용) 입니다. 0.5~6.0mg/l 의 농도 범위 내에서 전기 신호는 NP-80E 의 농도와 선형적으로 관련되며 오염된 지표수에서 분자 표면활성제 검출 [13] 에 매우 적합합니다.
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