生物傳感器的研發(fā)及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用(綜述)
生物傳感器的研發(fā)及其在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用(綜述)
馮德榮 朱思榮 周萬里 馮東 黃加棟 畢春元
一、生物傳感器研究和開發(fā)歷史
生物傳感器研究和開發(fā)的目的是向社會(huì)提供采用生物傳感器原理的新儀器和分析方法，它們可以廣泛地應(yīng)用于安全預(yù)警、臨床診斷監(jiān)護(hù)、食品分析、工業(yè)控制和環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
20多年來，我們研制開發(fā)了一系列可以實(shí)用的生物傳感器和分析儀器(圖1-5)。這些生物傳感器分析儀代表了不同時(shí)期生物傳感器研究開發(fā)的歷史。
八十年代是我國(guó)生物傳感器研究開發(fā)的起步階段，我們與中科院北微所、病毒所、生化所、電子所等單位同步，曾先后研究開發(fā)了幾種生物傳感器，它們作為實(shí)驗(yàn)室的成果都還面臨實(shí)踐中應(yīng)用的困境。SBA-30型乳酸分析儀的開發(fā)成功(圖1) 是我們?cè)谏飩鞲衅鲗?shí)用化上取得突破性進(jìn)展的標(biāo)志，它成為我國(guó)九十年代耐力競(jìng)技體育訓(xùn)練的主要科學(xué)儀器之一。我們主要解決了以下三個(gè)技術(shù)難題：①研制成功生物傳感器配套的試劑盒，其中生物材料用固定化技術(shù)制成酶膜，既能長(zhǎng)時(shí)期反復(fù)運(yùn)行，還可以貯存和運(yùn)送。②研制了過氧化氫型電極，能高度穩(wěn)定地保持基礎(chǔ)電流輸出；③解決了生物傳感分析儀的自動(dòng)清冼，采樣的簡(jiǎn)易控制。這些技術(shù)難題的解決，為生物傳感器技術(shù)傳播創(chuàng)造了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
九十年代是我國(guó)生物傳感器應(yīng)用取得較大發(fā)展的十年，以SBA-40型和50型生物傳感分析儀(圖2、3) 為代表，儀器集成了許多智能化操作程序，其主程序可方便地滿足了多種自動(dòng)測(cè)定。谷氨酸傳感器的研制成功并進(jìn)入實(shí)用是國(guó)際首創(chuàng)，它與葡萄糖、乳酸傳感器一起成龍配套地監(jiān)測(cè)控制發(fā)酵罐內(nèi)的物質(zhì)成分的變化，實(shí)現(xiàn)分析150萬次/年。我們還研制成多酶協(xié)同作用的復(fù)合酶膜生物傳感器，通過自動(dòng)測(cè)定程序?qū)崿F(xiàn)了糖化酶活性的快速自動(dòng)測(cè)量，應(yīng)用雙電極-差分的方法獲得原先難于分析的生化樣品測(cè)定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麥芽糖等。在九十年代中，生物傳感分析儀品種得到更新?lián)Q代，還建立了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
進(jìn)入新世紀(jì)以來，我們?cè)谏飩鞲蟹治鰞x的醫(yī)用、自動(dòng)、精密分析繼續(xù)研發(fā)，獲得幾項(xiàng)新的研究成果。研制了生物傳感在線分析系統(tǒng)(圖4)和醫(yī)用的生物傳感自動(dòng)分析儀(圖5)。
實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的生物傳感器得到市場(chǎng)和政府的認(rèn)可，1999年研究室被正式命名為山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為生物傳感器的創(chuàng)新研究和持續(xù)地為社會(huì)服務(wù)提供了基地。
二、生物傳感器和發(fā)酵生產(chǎn)
在微生物發(fā)酵過程中，檢測(cè)多種有關(guān)的生化參數(shù)（生物量/細(xì)胞活性、底物/營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)物/ 代謝物）, 是生物技術(shù)領(lǐng)域研究者和工程師們有效地對(duì)過程進(jìn)行控制的必要前提。生物傳感器類分析儀器得到普及應(yīng)用改變了我國(guó)在發(fā)酵控制新分析儀器方面的落后面貌。與國(guó)外同類儀器比較，我們研發(fā)的生物傳感器分析儀具有方便、快速、精確、容易操作、價(jià)格低廉、維修及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。
生物傳感器在發(fā)酵工業(yè)上的應(yīng)用：
1、發(fā)酵中葡萄糖測(cè)定，過去用操作繁瑣時(shí)間長(zhǎng)的還原糖方法只能近似地估計(jì)葡萄糖的變化。現(xiàn)在提供了快速而準(zhǔn)確的固定化酶的測(cè)定方法，發(fā)酵中可根據(jù)糖消耗確定微生物的生長(zhǎng)速率，觀察是否染菌，隨時(shí)與產(chǎn)物的產(chǎn)生一起估算轉(zhuǎn)化率，確定補(bǔ)料效果和及時(shí)判斷發(fā)酵結(jié)束的時(shí)間。發(fā)酵過程或設(shè)備異常現(xiàn)象通過葡萄糖分析得到及時(shí)預(yù)報(bào)。
2、谷氨酸發(fā)酵中，隨時(shí)跟蹤目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生。分析時(shí)間縮短了幾十倍。
3、乳酸測(cè)定是生物傳感器出現(xiàn)后新增加的控制參數(shù)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它的控制是獲得發(fā)酵高產(chǎn)的關(guān)鍵。乳酸是需氧發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過程中的中間產(chǎn)物，是過程控制的敏感參數(shù)，與生物素的加入量、補(bǔ)糖、活菌數(shù)、菌活力、空氣補(bǔ)給等控制直接相關(guān)。發(fā)酵旺盛期，乳酸必然產(chǎn)生，適度的乳酸濃度是高產(chǎn)罐的重要指示。此時(shí)單純地通過通風(fēng)是達(dá)不到乳酸下降的目的，反而引起能源的浪費(fèi)及減產(chǎn)。發(fā)酵后期、放罐前應(yīng)控制乳酸下降，才能達(dá)到高產(chǎn)。
4、監(jiān)控離交回收谷氨酸或濃縮物的濃度：谷氨酸傳感器可測(cè)出0.1%的谷氨酸濃度變化，而瓦氏法不可能達(dá)到這樣的精確度。過去離子交換單用pH躍變點(diǎn)來控制回收會(huì)造成谷氨酸的大量流失。使用谷氨酸傳感器可以使離交回收率提高30- 50%。(圖6)
5、監(jiān)控淀粉糖的水解，葡萄糖與還原糖的比值可衡量糖質(zhì)量。發(fā)酵中糖液質(zhì)量是至關(guān)重要的，糖化不好時(shí)不僅浪費(fèi)了糧食而且會(huì)造成發(fā)酵中泡沫增多，通氣不良，乳酸增高；對(duì)后提取也帶來很多麻煩；并將增加污水排放的BOD量。
6、糖化酶活力的快速測(cè)定，正確控制糖水解時(shí)的加酶量，提高糖液的質(zhì)量。
7、木糖醇產(chǎn)品純度檢驗(yàn)中可檢測(cè)殘留不到1%的葡萄糖量，在99%以上的木糖醇產(chǎn)品中方便地檢測(cè)葡萄糖的含量。使產(chǎn)品符合出口要求。
8、環(huán)境保護(hù)中高效過濾設(shè)備的過濾效果快速檢測(cè)。
9、在線過程分析系統(tǒng)。至今在占我國(guó)新型發(fā)酵60%以上產(chǎn)值的谷氨酸發(fā)酵中還沒有實(shí)質(zhì)性地應(yīng)用好自動(dòng)控制系統(tǒng)，生物傳感在線分析可能是這一領(lǐng)域技術(shù)改造和進(jìn)步的標(biāo)志。
三、生物傳感器的發(fā)展
21世紀(jì)將是生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代，其表現(xiàn)是生物技術(shù)與信息技術(shù)的融合，生物工藝過程的數(shù)字化。生物傳感器是極具有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科領(lǐng)域，作為知識(shí)經(jīng)濟(jì)的新增長(zhǎng)點(diǎn)，它將促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)和常規(guī)生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以為許多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的過程中提供控制上的不可缺少的信息、新的快速分析方法、新的生物儀器設(shè)備的來源。生命科學(xué)中遇到的問題，絕大多數(shù)是非常復(fù)雜的體系，而其中的重要物質(zhì)又往往是痕量成分。在未來生化武器的偵查中，化學(xué)傳感器與生物傳感器都將是重要的偵查工具。生物傳感器正在向微型化、集成化方向發(fā)展，手掌型測(cè)試儀生物傳感器已得到快速發(fā)展。生物傳感器與納米技術(shù)信息技術(shù)、微電子技術(shù)的交叉，將孕育出更多、更新的新型的生物傳感器。國(guó)家"十五"863中除傳統(tǒng)的生物技術(shù)領(lǐng)域外，在新材料、微電子MEMS系統(tǒng)、環(huán)境生態(tài)資源等研究領(lǐng)域中的課題招標(biāo)中都列入新型生物傳感器項(xiàng)目。生物醫(yī)用納米傳感器正成為新的研究熱點(diǎn)。
參 考 文 獻(xiàn)
1. Feng Derong, Biosensors and their application in the People's Republic of China. Advances In Biosensors, Vol 4.JAI Press INC., 1999.289～313
2. 馮德榮.生物傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向.山東科學(xué)，1999，12（4）：1～6
3. 馮德榮，尚雪芹等 適用于發(fā)酵生產(chǎn)過程的SBA－４０型谷氨酸－葡萄糖雙功能分析儀的研制食品與發(fā)酵工業(yè)，1993（4）：33～37
4. 馮德榮，朱思榮等 SBA-60型四電極生物傳感分析系統(tǒng)的研制山東科學(xué)，1998，11（2）：45～49
