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1、 生物傳感器1簡介2定義與分類3結(jié)構(gòu)和原理4 應(yīng)用領(lǐng)域5應(yīng)用實例 一.簡介 傳感器是一種可以獲取并處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統(tǒng)通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知氣味和味道這樣的化學(xué)刺激。 而生物傳感器是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細胞等）作為生物敏感單元，對目標測物具有高度選擇性的檢測器。 一.簡介 生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進行在線連續(xù)監(jiān)測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化

2、的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國民經(jīng)濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動植物學(xué)的面貌。 生物傳感器(biosensor)對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器,是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。 二.定義與分類 用固定

3、化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗等。生物傳感器主要有三種分類命名方式。 l 1根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類： 酶傳感器，微生物傳感器，細胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。l 2根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉(zhuǎn)換器分類有： 生物電極傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體

4、等。l 3以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有：生物親合型生物傳感器。 三.結(jié)構(gòu)和原理l生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細胞等。這些分子識別功能物質(zhì)通過識別過程可與被測目標結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。 三.結(jié)構(gòu)和原理l在設(shè)計生物傳感器時，選擇適合于測定對象的識別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起

5、的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當?shù)膿Q能器。 四.應(yīng)用領(lǐng)域 l 1 .食品工業(yè)l 2 .環(huán)境監(jiān)測l 3 .發(fā)酵工業(yè)l 4 .醫(yī)學(xué) 1 .食品工業(yè)l食品成分分析l在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。l Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白

6、醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進行的實驗中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為1 nmol/L。 1 .食品工業(yè)l食品添加劑的分析l亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為06的負四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結(jié)合氨電極測定，線性范圍為21 0的負五次方11 0的負三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。 1 .食品工業(yè)l農(nóng)藥殘留量分析l近年來，人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題

7、越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。l Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為1 0的負七次方mol，在4 0 下測定只要4 min。Albareda等用戊二醛交聯(lián)法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制成一種可檢測濃度為1 0的負十次方mol/L的對氧磷和1 0的負十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農(nóng)藥的殘留。 1 .食品工業(yè)l微生物和毒素的檢驗l食品中病原性微生物的存在會給消費者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大

8、，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關(guān)重要。l食用牛肉很容易被大腸桿菌0 1 5 7 .H7 .所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0 1 5 7 .H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測出食物中的病原體（如大腸桿菌0 1 5 7 .H7 .），而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨立生長總共只需1天時間，而傳統(tǒng)方法需要4天。l還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌 素的殘余物，它是基于細胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號。

9、已達到的檢測極限為1 6 .2 ng/mL。一天可以檢測2 0個牛奶樣品。 1 .食品工業(yè)l食品鮮度的檢測l食品工業(yè)中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質(zhì)量的一個主要指標。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價魚的鮮度，其線性范圍為5 x1 0的負1 0次方2 x1 0的負4次方mol/L。 2 .環(huán)境監(jiān)測水環(huán)境監(jiān)測l生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機污染程度的綜合性指標。在水體監(jiān)測和污水處理廠的運行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標之一。常規(guī)的

10、BOD測定需要5 d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場監(jiān)測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）制作一種微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時精確測量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測量范圍為0 .54 0 mg/L，靈敏度為5 .8 4 nA/mgL。該生物傳感器穩(wěn)定性好，在5 8次實驗中，標準偏差僅為0 .0 3 6 2。所需反應(yīng)時間為5lOmin。 2 .環(huán)境監(jiān)測l水環(huán)境監(jiān)測l硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等

11、人提出了一種整體化酶功能場效應(yīng)管裝置檢測硝酸根離子的方法。該裝置對硝酸根離子的檢測極限為7 x1 0的負5次方mol，響應(yīng)時間不到5 0 s，系統(tǒng)操作時間約為8 5 s。 2 .環(huán)境監(jiān)測l大氣環(huán)境監(jiān)測l二氧化硫(S0 2 )是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S0 2形成的酸雨酸霧樣品溶液進行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。l NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時也是光化學(xué)煙霧的罪魁禍首。Charles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器

12、來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0 .0 1 xl0負6次方mo1 /L。 3 .發(fā)酵工業(yè)l原材料及代謝產(chǎn)物的測定l微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產(chǎn)物（如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等）。測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。l 2 0 0 2年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細胞生物傳感器用于測量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，1 3 s內(nèi)可以完成測量，測量靈敏度為3 .5 nA/mM。該微生

13、物傳感器的檢測極限為0 .8 5 nM，測量范圍為22 7 0 nM，穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8 .5 h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。 3 .發(fā)酵工業(yè)l微生物細胞數(shù)目的測定l發(fā)酵液中細胞數(shù)的測定是重要的。細胞數(shù)（菌體濃度）即單位發(fā)酵液中的細胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用顯微計數(shù)方法測定，這種測定方法耗時較多，不適于連續(xù)測定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測定細胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)：在陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細胞數(shù)目的測定。測定結(jié)果與常規(guī)的細胞計數(shù)法測定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線

14、的測定。 4 .醫(yī)學(xué)l臨床醫(yī)學(xué)l在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，目前，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號的變化，根據(jù)這一變化，就可測定某種物質(zhì)的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，

15、可分別用于檢測谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。 4 .醫(yī)學(xué)l軍事醫(yī)學(xué)l軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。l 2 0 0 0年，美軍報道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測時間為3lOmin，靈敏度分別為1 0，5 Omg/L,5 x1 0的5次方，和5 x1 0的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在3 0 min內(nèi)檢測出低于1 xlO的

16、負5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個信號識別位點的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測。 l此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。 五.應(yīng)用實例 l各種類型的傳感器有許多潛在的應(yīng)用。在研究與商用領(lǐng)域?qū)τ谏飩鞲衅鞯男枨笾饕獊碜杂趯τ谔囟繕朔肿拥谋鎰e、生物識別成分的實用性以及在某些場合中優(yōu)于實驗室技術(shù)的可以一次性使用的檢測系統(tǒng)。下面是一些實例5 ：l糖尿病人的血糖監(jiān)測，來自于市場需求的動力l其它與醫(yī)療相關(guān)的目標：l環(huán)保方面的應(yīng)用，如殺蟲劑檢測以及河流污染物檢測；l空氣傳播細菌的遙測，如對抗生物恐怖襲擊的活動；l病原體的檢測；l生物修

17、復(fù)之前及之后毒素量的確定； l有機磷酸酯的檢測與定量分析；l日常的葉酸、微生物H、維生素B1 2以及泛酸分析測量，取代微生物鑒定；l測定食物尤其是肉食及蜂蜜中抗生素、生長促進素等的藥物殘留；l藥品開發(fā)以及新化合物生物活性的評測。 五.應(yīng)用實例l特點l采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點。l專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。l分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。l準確度高，一般相對誤差可以達到1 %l操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)自動分析l成本低，在連續(xù)使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。l有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在產(chǎn)控制中能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用 才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產(chǎn)物得率的方向。 前景與展望l概述l近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。但是，目前，生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉(zhuǎn)換器的使用壽命；生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。可以預(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點。