[文章编号]1002-0179(2008)06-1517-02生物传感器研究进展高志勇(渭南师范学院环境与生命科学系,陕西渭南 714000) [中图分类号]Q4-33;R31816 [文献标志码]D 基金项目:渭南师范学院研究生专项科研项目(08YK Z 005) 生物传感器(biosens or )是一类特殊形式的传感器[1],是一种对生物物质敏感并将其待测物质转换为声、光、电等信号进行检测的仪器。
它是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质),与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
1 生物传感器的历史发展1962年Clark 等提出了把酶与电极结合来测定酶底物的设想,1967年Updike 和Hicks将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化,再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上,研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极,用于定量检测血清中葡萄糖含量,标志着生物传感器的诞生。
随后改用其它的酶或微生物等固化膜,便可制得检测其对应物的其它传感器。
固定感受膜的方法有直接化学结合法;高分子载体法;高分子膜结合法。
现已发展了第二代生物传感器(微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器),研制和开发第三代生物传感器,将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。
生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA 、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在医学临床诊断[2,3]、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)[4,5]、环境保护以及生物技术[6～8]、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
2 生物传感器的原理在利用生物传感器进行物质检测时,待测物质经扩散作用进入生物活性材料,经分子识别,发生生物学反应,产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的声、光、电等信号,再经二次仪表放大并输出,便可知道待测物浓度。
3 生物传感器的特点(1)速度快,成本低。
固定化酶生物传感分析仪是最早出现且精度最高的生物传感器,它们已经发展成一类可靠的精密分析仪器,由于采用了固定化酶膜作为分析工具,酶法分析试剂可以反复使用数千次,其分析成本只有手掌型血糖分析仪的十分之一;分析速度快,不到20s 可以获得准确的分析结果,这在临床急症室、某些重症患者的监护等许多场合都很重要。
(2)专一性强。
生物传感器只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响,因此一般不需要进行样品的预处理,干扰少。
(3)稳定性好,分析精度高。
像目前市场上应用的高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪,其分析精度可以达到015%～2%。
(4)操作系统简单,容易实现自动分析。
如药物分析中常用的表面等离子体共振(surface plasm on res onance ,SPR )生物传感器,就具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉价等优点,是一种创新性、实用化的现代科学仪器。
(5)作用广,应用价值大。
有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生,在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息,同时它们还指明了增加产物获得率的方向;现在的生物传感器的应用涉及到医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。
4 生物传感器的分类生物传感器可从不同的角度进行分类,主要有以下三种方法:(1)按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器、酶传感器、DNA 传感器等[9]。
(2)按照传感器器件检测的原理分类,可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
(3)按照生物敏感物质相互作用的类型分类,可分为亲和型和代谢型两种。
下面以第一种分类方法对生物传感器的各种类进行介绍。
411 微生物传感器微生物传感器是由载体结合的微生物细胞和电化学器件组成,已发展了两种传感器:一种是以微生物呼吸活性为指标的呼吸型传感器,一种是以微生物的代谢产物为指标的电活性物质测定型传感器。
用微生物代替酶作为识别元件是因为微生物具有较高稳定性、选择性好、廉价实用等优点,并可广泛用于许多酶反应系统、辅酶和能量再生系统[10]。
412 免疫传感器免疫传感器是依赖抗原和抗体之间特异性和亲和性,利用抗体检测抗原或利用抗原检出抗体的传感器。
并非所有的化合物都有免疫原性,一般分子量大、组成复杂、异物性强的分子,如生物战剂和部分毒素具有很强的免疫原性,而小分子物质,如化学战剂和某些毒素则没有免疫原性。
但免疫传感器更适合于研制能连续、重复使用的毒剂监测器材。
免疫分析法选择性好,如一种抗体只能识别一种毒剂,可以区分性质相似的同系物、同分异构体,甚至立体异构体,且抗体比酶具有更好的特异性,抗体与抗原的复合体相对稳定,不易分解[11]。
413 组织传感器直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。
但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足[12]。
414 细胞传感器细胞器传感器是20世纪80年代末出现的一种以真核生物细胞、细胞器作为识别元件的生物传感器。
1987年,Blondin 等提出了固定线粒体评价水质。
Carpentier 及其合作者用类囊体膜构建的生物传感器,可在mg/L 浓度下测定铅与镉的毒性,也可对银或铜进行快速测定。
R ouillon 等用特殊的固定化技术将叶绿体与类囊体膜包埋在光交联的苯乙烯基吡啶聚乙烯醇(PVA -sbQ )中,可以在μg/L 浓度水平下检测到汞(Hg )、铅(Pb )、镉(Cd )、镍(Ni )、锌(Zn )和铜(Cu )等离子的存在[13]。
415 酶传感器酶传感器是最早问世的生物传感器,早在1962年Clark 等就提出了酶传感器原理,1967年Updike 等发展制成为酶电极,它是把无机离子或低分子气体作为测量对象而发展起来的电化学器件,并与同时期发展起来的酶固定技术相结合而产生的传感器[14]。
酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号,实现对目标物定量测定的分析仪器。
与传统分析方法相比,酶生物传感器是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成[15]。
416 DNA 传感器DNA 是一类重要的生命物质,是大多数生物体遗传信息的载体,对DNA 的研究是生命科学研究领域中极为重要的内容。
随着人类基因组计划的顺利实施,基于DNA 探针的基因传感器、基因芯片的研究正成为基因组研究的一个热点[16]。
DNA 生物传感器是一种能将目标DNA 的存在转化为可检测的电、光、声信号的装置[17]。
所检测的是核酸的杂交反应,因此也可以称它为核酸杂交生物传感器(nucleic acid hybridization biosens or )。
每种生物体内都含有其独特的核酸序列,因此检测特定核酸序列的关键是要设计一段寡核苷酸序列作为探针。
这段探针能够专一性与其进行杂交,而与其它非特异性序列不杂交,对靶序列杂交的特异性和敏感性,一直是核酸检测工作者的研究主题。
DNA 生物传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器。
识别层通常由固定在换能器上的探针DNA 以及一些其它的辅助物质组成,它可以特异性地识别靶序列并与其杂交。
换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号,根据杂交前后信号量的变化,可以对靶DNA 进行准确定量。
根据换能器种类不同,可大致分为电化学DNA 传感器、光学DNA 传感器和质量DNA 传感器等[18]。
DNA 生物传感器对基因序列的明确分析近年来得到了快速发展,随着DNA 合成技术以及与微电子技术的发展,DNA 生物传感器的发展更趋于完善[19]。
5 展望生物传感器由于集高效、灵敏、特异、结构小巧、经济实用等优点于一身,目前已成为生命科学领域的研究热点[20],正在成为7151华西医学2008,23(6) C N 51-1356/R一种强有力的通用分析工具[21]。
未来生物传感器的发展趋势和重点走向是微型化、多功能化、智能化和集成化,开发新一代低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命的生物传感器是目前研究的热点[22]。
生物活性材料的固定化是生物传感器制备的关键步骤。
由于生物活性材料生存条件有限,长期以来生物传感器寿命、稳定性及制备的复杂性制约着研究成果商品化与批量生产。
随着生物学、化学、物理学、电子学、材料等技术的不断进步,生物传感器将在医学临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景,愿它为人类生活提供更大的帮助。
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