生物传感器的研究现状和发展方向

　　我们研究和开发生物传感器是为了向社会提供采用生物传感器原理的新仪器和分析 控制方法 ,使之可以广泛地应用于临床诊断和监护、食品分析、工业控制和环境状态的监 测。 中国生物传感器的研究起步于 70年代末期 。早期研究普遍采取氧电极作生物反应 中的换能器 ,以葡萄糖氧化酶为活性材料。虽然在实验室的条件下 ,这种生物传感器比较 容易得到预期的研究结果 ,但是一个难以逾越的困难是生物传感器的稳定性 :在应用中基 础信号容易受到溶解氧变化的影响 ,构建成的测定系统转化成商品十分困难 。因此， 我国 生物传感器研究机构都面临着如何把研究深入到实践中可以应用的阶段的问题。

生物传感器的开发和应用进展

一、生物传感器的特点和原理：

　　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重视的一种。生物传感器能对许多过去难于测定的生化物质进行定量分析。已经在实践中开始应用的生物传感器都是固定化酶电极，包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多种。它们有以下特征：

生物传感器与国家标准中的食品分析方法

　　1996年12月开始实施新国家标准"食品中葡萄糖测定方法酶比色法酶电极法"，这是在国家标准中第一次出现的生物分析方法的法规，它表明我国在食品分析这一领域已进入为数不多的国际先进行列。该标准不仅仅采用了常规的酶法分析方法，还同时采用了比常规酶法分析更进步的生物传感器分析法(固定化酶和酶电极法)，这说明了我国的生物传感器已发展到进入国家标准的时代。

葡萄糖酶电极法快速测定淀粉的含量

　　在淀粉的利用和淀粉生产过程中利用化学法测定其含量，常用的是3，5-二硝基水扬酸法和费林热滴定法等。这些方法是以葡萄糖作为标准，测定样品中的还原糖含量。它们的缺陷是除葡萄糖外的其他还原性物质也干扰测定影响结果，而且操作繁琐、费时。酶电极测定生化物质，是利用酶的专一性、固定化酶的连续稳定性以及电化学的快速敏感性等特点，具有准确、快速、方便等

葡萄糖酶电极在酶法生产葡萄糖工业中的应用

　　在双酶法生产葡萄糖的工业中，多数是采用费林热滴定测定还原糖的量来控制生产，该方法是以还原糖（葡萄糖及其它还原性糖）的量反映葡萄糖的含量，不能准确地反映糖化过程中葡萄糖含量的变化，而且操作费时，无法准确、及时地指导生产。葡萄糖生物传感分析仪具有葡萄糖氧化酶的底物专一性、固定化酶的连续稳定性以及电化学的快速灵敏性等特性，应用在酶法生产某菌糖过程中，可 准确、快速、方便地测出水解液中的葡萄糖含量，及时了解双酶糖生产中淀粉的水解情况，准确判断水解终点，及时终止反应，提高葡萄糖的质量及产量，可指导并控制糖的生产过程。

用葡萄糖酶电极法测定葡萄糖淀粉酶活性的研究

　　葡萄糖淀粉酶 (ＥＣ 3 2 1 3 , 1 , 4 葡聚糖水解酶 )简称糖化酶 ,可连续地从淀粉和糖原 的非还原末端除去葡萄糖单元,它水解淀粉得到的产物是 β 葡萄糖 , β 葡萄糖是葡萄糖 氧化酶的专一性底物。 糖化酶的使用和生产过程的监控中都需要进行酶活力的测定。传统的糖化酶活力测 定方法是把底物可溶性淀粉和酶在特定的条件下保温后 ,用氧化还原滴定法或比色法测 定产生的还原糖量确定葡萄淀粉酶的活性单位 ,不仅繁琐、费时 ,而且是把还原糖的生成 量按葡萄糖量计算 ,样品中的非葡萄糖还原性物质对测定结果有干扰 ,专一性差。酶电极 法快速、准确、专一性好 ,是一种比较理想的分析工具。用葡萄糖酶电极可以测定糖化 酶的活力 ,有关这方面的研究已有一些报道,但这些研究仅仅是利用了葡萄糖分析仪 的功能 ,即以已知浓度的葡萄糖为标准 ,通过测定酶反应在单位时间内产生的葡萄糖量 , 计算出糖化酶的活力单位。因此 ,严格地讲还不是一种专用糖化酶分析仪。本研究利用 已应用于生产的葡萄糖酶电极,设计了生物传感分析仪 ,用已知酶活力的糖化酶作标 准 ,在仪器上直接显示酶活性单位 ,实现了糖化酶的快速测定

生物传感器和谷氨酸发酵生产

　　在生化反应和微生物发酵过程中， 连续检测多种有关的生物、生化参数（生物量/细胞活性、底物/营养、产物/ 代谢物), 是生物技术领域研究者和工程师们有效地对过程进行控制的必要前提。一位长期从事发酵研究的学者由此憾慨:"我们可以将生物工艺放大1万吨规模,但接种后便祈祷,我们试图根据有限的参数在掌握平衡, ……我们才刚刚触及到在线控制的边缘"。在我国谷氨酸行业已开发了实用的生物传感器，应用结果表明了它们在控制上的重大作用。三年来生物传感器在我国最大的两个新兴味精企业集团周口和济宁（96年合计总产量为18万吨味精）倍受青睐。

离子交换过程中谷氨酸和pH传感器的应用

　　离交回收工序中生化成分变化的在线检测是提高谷氨酸总提取率的重要途径。 据发酵科技通讯96年第2期报道，我国95年十家味精企业的谷氨酸提取率为91.76-87.90%,如谷氨酸等电提取率以80％计，那末离交工序的提取率占总提取率的11.76-7.9%,实际提取率约为39.5-59.5%，其中浪费损失还不少。离交回收率低的重要原因之一是等电上清液的离子交换回收装置的在线跟踪缺乏科学的检测手段,大量的谷氨酸因没有检测到而流失。为了探索谷氨酸离交回收的规律，我们对等电上清液回收离子交换冼脱过程进行了模拟实验。

乳酸传感器在需氧发酵上的新用途

　　1992年，谷氨酸传感器研制成功后，在国内外都没有先例的情况下，我们进行三种生物传感器的同时应用于发酵控制研究。发现：在谷氨酸发酵中乳酸产生与供氧状况有兀灿刖寤钚院褪俊⑸锼亓俊⒉沽咸橇亢褪奔溆忻芮械墓叵怠Ｋ谏で捌谥甘揪宓纳ぷ纯觯谏ぶ泻笃诳刂撇缓媒现赜跋旆⒔筒俊７殴奘比樗岷坑牍劝彼岷砍矢合喙毓叵怠? 在乳酸传感器得到的发酵数据指示下，周口和济宁两家国内最大的味精厂，针对性地改造了发酵中的通风系统，并研究相应的发酵中乳酸的变化规律，使两个厂的产酸水平达到国内先进水平。

谷氨酸发酵中乳酸值变化规律的研究

　　发酵控制是长期以来生物发酵行业关注的问题。近六年以来生物传感器引入谷氨酸行业，为谷氨酸发酵界提供了快速可靠的新的检测工具，也为控制问题提供了新思路。在谷氨酸的发酵控制中，乳酸指标格外引人注目。尤其是通过生物传感在线分析系统提供了精确的连续在线分析手段，方便地获取得到发酵过程中有关物质的变化信息，使发酵过程中乳酸变化的规律性得到一定程度认识和阐明。 本项研究通过对谷氨酸发酵过程的多种生物传感器指标连续在线检测，在收集大量小罐发酵数据基础上，根据发酵过程中乳酸值变化及其与产量、光密度关系的研究，总结了发酵参数变化的规律性，并提出了以控制乳酸参数为基础的发酵控制模型。

一种高产的谷氨酸发酵模型

　　谷氨酸发酵过程中的乳酸发生规律是：

1. 谷氨酸的正常发酵过程中，前期和产酸初期出现乳酸峰值，发酵高峰期后下降到一个最低值，是正常发酵的普遍规律，发酵前期维持乳酸峰较高水平是发酵高产的前提条件。 　　　　　　　　　　　　　　　2. 分批补糖数量过多、时间过晚是引起发酵中后期乳酸升高的重要原因。　　　　　　　　　　　　　 3. 发酵后期乳酸含量居高不下将造成谷氨酸产率的下降。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　本文我们研究了一种高产的低糖连续补糖的谷氨酸发酵模型，在发酵产酸高峰期可以延迟乳酸峰值的下降，从而得较高的谷氨酸发酵产率。

SBA-50型葡萄糖生物传感分析仪测定麦芽糖的研究

　　麦芽糖是一种可发酵糖 ,广泛用于食品加工及发酵行业中。在食品发酵尤其在啤酒 发酵行业 ,以及在麦芽糖和异麦芽低聚糖的生产中 ,麦芽糖的检测是控制生产、提高产品 质量的重要指标。在生产中 ,一般采用费林热滴定法测还原糖值来测定麦芽糖 ,完全是手 工操作 ,费时费力 ,不准确 ;用液相色谱技术测定麦芽糖 ,虽测定精度高 ,但操作繁琐 ,时间 长 ,费用高 ,不适用于生产过程的控制。采用固定化酶电极测糖的方法 ,具有测定迅速、简 便、精确度高的特点 ,适用于生产的在线或半在线控制 ,目前已有用复合酶电极测定麦芽 糖的报导。本文研究了用葡萄糖酶电极测定麦芽糖的方法 ,该方法快速准确 ,操作简 便 ,费用低廉 ,可为麦芽糖的生产及有关的发酵控制提供有力的依据。

测定转氨酶生物传感器的研究

　　谷丙转氨酶GPT（又称丙氨酸转氨酶ALT）和谷草转氨酶GOT（又称天冬氨酸转氨酶AST）存在于人体一切组织之中，在肝脏、心肌和骨骼肌中含量较高，当上述组织发生病变或损伤时将有大量的GPT和GOT进入循环系统，血清中两种转氨酶活性高低及二者的比例是诊断急性肝炎、急性心肌炎最敏感的指标之一，另外对其它肝病也有重要的诊断价值。

胆碱氧化酶电极生物传感器研究

　　胆碱是生物体组织中乙酰胆碱、卵磷脂和神经脂的组成成分 ,胆碱的测定方法分为两 类 :化学法和酶法。化学法是目前饲料、医药、食品行业分析胆碱的主要手段 ,该法 虽成本较低但专一性差 ,操作复杂 ,费时费力 ;酶法分析先用3 2 Ｐ 标记的ＡＴＰ在胆碱激酶 作用下生成3 2 Ｐ 磷酰胆碱 ,层析分离后用液体闪烁谱仪测定 ,该法专一性较好 ,但分析成 本高 ,难以推广应用。 近年来采用固定化酶电极生物传感器测定胆碱及其衍生物的研究较多,但多以 Ｏ2 电极为基础电极 ,本文采用固定化胆碱氧化酶复合Ｈ2 Ｏ2 电极构成胆碱酶电极生物传 感分析仪 ,并用于氯化琥珀胆碱注射液中的氯化琥珀胆碱和胆碱的测

快速测定有机磷中毒生物传感器研究

　　有机磷毒剂是胆碱酯酶的强烈抑制剂 ,测定人体血液中胆碱酯酶活性是有机磷中毒 诊断及预后估计的重要指标 ,因此胆碱酯酶测定主要用于有机磷农药中毒、战争化学毒剂 伤的检测。 胆碱酯酶主要存在于脑、肝、胰、心、神经细胞和肌肉等组织中 ,与其它病理改变时酶 活力增高的情况相反 ,胆碱酯酶测定的临床意义在于酶活力的降低。目前我国医院化验室 采用的测定胆碱酯酶的方法是比色法。该法从样品处理到完成测定约费时 60～ 90 min。由 于分析速度太慢 ,难以作为临床治疗的依据。因此研制价格低廉、操作简便、测定快速的胆 碱酯酶酶电极分析仪有着广阔的前景。

SBA-60型四电极生物传感分析仪的研制

　　各种各样物理和化学传感器广泛地用于过程的控制中 ,检测温度、ｐＨ、溶解氧、二氧 化碳、压力、流量、搅拌功率等参数的传感器和计算机连接 ,构成了用于生化和发酵过程中 的控制系统。由于它只能间接地对生化物质进行控制 ,并不能直观地了解复杂的生化过 程中物质的变化情况 ,导致许多发酵行业微机控制生产的应用得不到普及。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　生物传感器解决了许多过去难于进行的物质分析。十多年来我们已经在实践中使用 的生物传感器包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、尿素、转氨酶、糖化酶、胆碱、次黄嘌呤等多 种。它们具有专一性好、酶可以重复多次使用、分析速度快、准确度高、操作系统比 较简单等特点 ,为计算机直接控制生物技术反应系统准备了可行的传感器条件。本研究 的目的是 ,在已研制一系列生物传感器和配套分析仪的基础上 ,研制发酵在线分析和控制 系统的关键设备———直接用计算机控制的多参数生物传感分析系统 ,为进一步实现生物 传感器对生产的自动控制打下基础。

中华人民共和国国家标准 GB／T 16285－96

食品中葡萄糖的测定方法

前 言 　

　食品中葡萄糖的测定方法，一般采用《国际食糖分析方法统一委员会》规定的“兰━ 挨农法”(Lane and Eynon's Method)和“姆松━华尔格法”(Munson and Walker's Met- hod)，即菲林氏溶液氧化还原滴定法。此法虽沿用已久，但测定结果只是近似值。因使用 菲林氏溶液滴定葡萄糖(还原糖)时,其他具有还原能力的单糖会干扰测定结果。本标准采 用的酶━比色法和酶━电极法是在检索了近20年107篇国外文献的基础上，经过反复实验、 验证而制定的。酶━比色法和酶━电极法使用的葡萄糖氧化酶(GOD)具有专一性，只能催化葡萄糖水溶液中的β─D─葡萄糖起反应(被氧化)，因此测定结果是真实值。