物联网与传感器技术:微生物传感器

微生物传感器是由固定化微生物膜和换能器紧密结合而成的。常用的微生物有细菌、酵母菌、霉菌等。微生物的固定方法主要有吸附法、包埋法、共价交联法等，其中包埋法用得最多，载体有胶原、醋酸纤维素和聚丙烯酰胺凝胶等。固定时需采用温和的固定化条件，以便保持微生物生理功能不变。转换器件可以是电化学电极或场效应晶体管等，其中以电化学电极为转换器的称为微生物电极电化学微生物传感器。

电化学微生物传感器的种类很多，可以从不同的角度进行分类。其中，根据测量信号的不同，可分为如下两类：①电流型微生物传感器，换能器输出的是电流信号，根据氧化还原反应产生的电流值测定被测物，常用的信号转换器件有氧电极、过氧化氢电极及燃料电池型电极等；②电位型微生物传感器，换能器输出的是电位信号，电位值的大小与被测物的活度有关，两者呈能斯特响应，常用电极为各种离子选择性电极、CO₂气敏电极、氨气敏电极等。根据微生物与底物作用原理的不同，电化学微生物传感器又可分为以下两类：呼吸机能型微生物传感器和代谢机能型微生物传感器。呼吸机能型微生物传感器是基于微生物在同化样品中有机物的同时，微生物细胞的呼吸活性有所提高，依据反应中氧的消耗或二氧化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度。代谢机能型微生物传感器的原理是微生物使有机物分解而产生各种代谢产物，这些代谢产物中含有电活性物质。

电化学微生物传感器的应用范围十分广泛，种类已达六七十种，现已应用于食品与发酵工业、环境检测等领域，其中一个典型的应用是环境分析中生化需氧量（BOD）的测定。表6-2列出了一些电化学微生物传感器。

表6-2 电化学微生物传感器

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BOD是有机污染处理中使用最广泛的检测指标，常规方法的测定时间需5天，操作也复杂，所以迫切希望有新的BOD快速测量方法。有人把污水处理常用的丝孢酵母吸附固定在多孔性醋酸纤维素膜上，与氧电极构成微生物传感器。把这种微生物传感器插入含有有机物质的试样液中，测得稳定的电流值。再插入不含有机物的试样液中得另一电流值。此两电流值之差和废水的BOD值（60mg/L以下）呈正比。用这种传感器测量的最低BOD值是3mg/L，电流值在相对误差±6%以内有重复性。根据该原理制成的传感器已实用化，正应用于废水的BOD监测。表6-3列举了部分BOD传感器的类型及特征。

表6-3 微生物传感器的类型及特征

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