组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
综述覆盖多类被测物：有机磷农药（paraoxon、parathion、methyl parathion、fenitrothion、EPN等）、生化需氧量（BOD）、酚类（phenol、p-nitrophenol）、重金属离子（Cu2+、Cd2+、Zn2+、Fe2+、Cr2O7^2-）、糖类（glucose、galactose、mannose、xylose等）、醇类（ethanol、1,3-propanediol等）、抗生素（cephalosporins、penicillins、tetracycline、chloramphenicol、ofloxacin等）、BTEX（benzene、toluene、ethylbenzene、xylene）、甲烷、基因毒性物（nalidixic acid、mitomycin C、MNNG等）；样品基质包括环境水样、废水、食品、组织、土壤、发酵液。
检测原理
微生物生物传感器以固定化微生物或工程菌作为识别元件。目标物进入传感体系后，可诱导特定启动子表达报告基因，或改变微生物呼吸代谢，使耗氧、产离子、产电活性代谢物或荧光/发光/颜色变化。例如，有机磷化合物被OPH水解生成PNP，PNP在碳糊电极上氧化/还原产生电流；或微生物同化PNP消耗O2，使Clark氧电极电流下降。介体如铁氰化钾或Os基红ox聚合物可在细胞与电极间穿梭电子，降低工作电位并放大响应。光学体系中，GFP、luxCDABE或resazurin将剂量依赖的基因表达或代谢还原转化为荧光/生物发光信号。信号经电极、光纤或比色计读出，并与分析物浓度相关。
检测灵敏度
综述未报告单一传感器统一灵敏度；代表性数值：LOD: 1 nM；线性范围: 至2 μM；LOD: 0.1 μM；线性范围: 至0.05 mM；LOD: 1 ppb；LOD: 54 nM；线性范围: 0.5–10 μM；LOD: 0.1 nM；线性范围: 0.2–40 mg/L。
效应效果
综述报道的微生物传感器在环境水样、废水、食品和生物样品中表现出一定选择性。电导法C. vulgaris传感器对Cd2+和Zn2+的LOD为10 ppb，Pb2+因优先吸附于BSA膜而不显著干扰；另一Cd2+传感器LOD达1 ppb。BOD传感器响应时间3–5 min，MFC-BOD传感器电流与BOD在线性关系至350 mg BOD/mL且重现性好。乙醇传感器连续监测72 h稳定，LOD 3.3 μM；1,3-丙二醇传感器连续运行140 h，选择性比118或145。荧光赖氨酸传感器与HPLC和鸡生物测定结果一致；双报告基因mitomycin C传感器LOD降至0.1 nM。比色甲基对硫磷传感器LOD 0.3 μM，与GC结果一致。
传感器的构成
- 换能器/工作电极：碳糊电极(CPE)、Clark氧电极、铂互指电极(Pt IDE)、丝网印刷碳电极(SPE)、玻璃碳电极(GCE)等，用于将生物响应转换为电流、电位、电导或光信号。
- 固定化/修饰层：溶胶-凝胶(silicate sol-gel)、导电聚合物(CP)、碳纳米管(CNT)、ormosil-PVA、牛血清白蛋白膜(BSA)、琼脂糖等，用于固定微生物并改善传质或电子传递。
- 识别元件：微生物或工程菌(GEM)，如Pseudomonas putida、Escherichia coli、Saccharomyces cerevisiae、Chlorella vulgaris，通过代谢、启动子诱导或报告基因响应目标物。
- 信号标记/报告元件：绿色荧光蛋白(GFP)、红色荧光蛋白(RFP/mCherry)、luxCDABE荧光素酶、resazurin、FMNH2/RCHO/O2等，将识别事件转换为荧光、生物发光或颜色信号。
- 电子介体/代谢底物：铁氰化钾、Os基红ox聚合物、phenazine methosulphate、葡萄糖、PNP等，用于电子穿梭或代谢产物的电化学检测。
中文摘要
微生物生物传感器是将微生物与物理换能器集成的分析装置，可产生与分析物浓度成比例的可测信号。近年来，大量微生物生物传感器被开发用于环境、食品和生物医学应用。本文首先讨论微生物传感中常用的各种传感技术，然后重点总结基于安培法、电位法、电导法、伏安法、微生物燃料电池、荧光、生物发光和比色法的微生物生物传感器在制备与应用方面的最新进展。文章还讨论了未来微生物生物传感器设计的潜在策略，包括通过基因工程提高选择性、传感器阵列、纳米材料、微流控和新型固定化方法等。
英文摘要
A microbial biosensor is an analytical device which integrates microorganism(s) with a physical transducer to generate a measurable signal proportional to the concentration of analytes. In recent years, a large number of microbial biosensors have been developed for environmental, food, and biomedical applications. Starting with the discussion of various sensing techniques commonly used in microbial biosensing, this review article concentrates on the summarization of the recent progress in the fabrication and application of microbial biosensors based on amperometry, potentiometry, conductometry, voltammetry, microbial fuel cell, fluorescence, bioluminescence, and colorimetry, respectively. Prospective strategies for the design of future microbial biosensors will also be discussed.