生物传感器技术

生物传感器技术

    按传感信息的工作原理不同，传感器可分三大类：即物理型传感器、化学型传感器及生物型传感器。其中的生物型传感器是利用某些生物活性物质具有选择性识别待测物质的能力，制成的一类传感器，它是在分子水平上识别近百种物质的传感器。在医学和兽医工作领域内，已用该技术对血液、尿等临床标本，污染微生物的标本，甚至食品的化学成分、滋味及新鲜度等方面进行了检测，且显示了它具有广阔的应用前景，因此，特别受到检验工作者的重视。   回顾历史，各种类型生物传感器的出现，都经历了一段曲折的发展道路，才出现今日欣欣向荣的局面。早在20世纪40年代，即有人将酶引入化学领域作检测，20年后，电化学分析家克拉克(Clark,1962)嫁接了酶法和离子选择性电极技术，制成了酶电极(enzyme electrode)能准确、快速做检测，事实上,这已是酶传感器雏型的出现，但由于所用的酶是溶解性的，难以重复使用；5年后，Updike采用了当时最新的方法，将葡萄糖氧化酶固定于Clark氧电极表面，这种酶电极能反复使用；随后又报道了一大批类似结构的酶电极，用于糖及氨基酸的检测；1977年，Rechnitz用完整的粪链球菌取代酶，与电极组合成检测精氨酸的微生物电极(microbial sensor)，几乎同时，Karube报道了检测抗原的免疫传感器(immunol sensor)，随后，又相断出现了细胞器传感器(organella sensor)和组织传感器(tissue sensor)等。进入80年代，由于生物技术、生物电子学和微电子学间的不断渗透融合，生物传感器的研制，已不再局限于生物反应的电化学过程，而是根据生物学反应中产生的各种信息如光效应、热效应及场效应等设计出更精密、更灵敏的传感器，如光学生物传感器、半导体生物传感器、压电生物晶体传感器、介体生物传感器及热敏电阻生物传感器等。进入21世纪的今天，在新理论、新技术的指引下，各种新的传感器不断出现，当今已形成一个独立的新兴的检测技术领域。

   (一) 检测原理及应用 生物传感器主要由分子识别的固定化生物敏感膜和转换信号的换能器两部分组成。当待测物质经扩散作用，进入固定化生物敏感膜时，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的化学或物理学转换器转变成可定量和可处理的电信号，再经仪表二次放大并输出，以电子计算机处理后，即完成对产生信号的检测程序。由此，可获得待测物质的种类及浓度的结果。生物敏感膜是生物传感器的关键元件，它直接决定传感器的功能与质量，依所选材料的不同，用固定化技术，选用下述的生物活性材料，如酶、细胞(细菌、真菌、动植物细胞)、组织(动植物组织切片)、细胞器(线粒体、叶绿体)或抗原(抗体)等制成。因为生物敏感膜接受被分析物作用后，发生的生物学反应过程中产生的信息是多元的，依此，可选用不同的换能器，如离子变化用电流器、质子变化用均效应晶体管、热效应用热敏元件、光效应用光敏管、色效应用光纤，质量变化用压电晶体，由此而制成各种相应的生物传感器。

综上所述，生物传感器具有三个主要特点：①发生的生物学反应具有特异性和多样性，故在理论上能制成可以检测所有生物物质的传感器；②系在无试剂条件下操作，故比传统的生物学及化学法的操作更简便、快速、准确，且可反复使用；③可连续分析、联机操作。

   (二) 常见的生物传感器

1. 酶传感器 研制于20世纪60年代，是最早研制成功的生物传感器，系由酶制作的固定化膜和基础电极如氧电极、过氧化氢电极或pH值电极等构成，至于采用何种电极，则决定于酶促反应过程中产生或消耗某种电活性物质而定。其中的葡萄糖酶传感器是使用最早的，也是世界各国应用较广泛的一种。其检测原理是将葡萄糖氧化酶结合在具有微孔的聚氯乙烯或聚四氯乙烯膜上，然后将该膜密封在克拉克电极表面，即制成可用来检测的酶电极。这种传感器目前已用于临床诊断，可检测血清或尿液中葡萄糖的浓度，以及鱼肉和鱼血清中葡萄糖的含量。除上述外，还可用酶电极测定其他临床标本如乳酸、尿素、尿酸、肌酸、谷氨酰胺等；分析食品的成分如氨基酸类、淀粉、维生素C、单胺、果糖、抗生素及酒精；检验环境毒物如有机磷类农药等。

    2. 微生物传感器 利用酶电极测定底物和细菌产物无疑具有良好的效果，然而由于许多酶尚未提纯，已经纯化的酶有的又不够稳定，相比之下，微生物细胞是极为丰富的酶源，而且细胞膜系统本身就是良好的酶活动载体，因此，利用微生物细胞作为分子识别元件，有其独特的优点，这种电极识别部分为固定化微生物，即将活微生物直接包埋在固相膜上，然后将其密封在电极上即成。用于这种传感器的电极有O2电极、CO2电极、NH3电极、pH值电极及晶体管电极等。根据其检测原理，可将这种传感器分为两型：一种为呼吸活性测定型传感器，由需氧性微生物固定化膜及O2电极组合制成。检测时，将其置于含有有机物的待测标本液中，有机物随即扩散到生物敏感膜上，并被微生物摄取，其结果是使微生物的呼吸活性增加，通过装有微生物的氧电极即可测出。另一种为电极活动物质测定型传感器，例如建立在自养菌基础上的CO2传感器即属此型，当微生物摄取有机物后，即产生CO2、H2及HCOOH等电活性物质，用燃料电池型电极测电活性物质的浓度后，便可测算出标本中有机物质的浓度。

应用这种电极在生物工业生产中可以测定葡萄糖、醋酸、甲烷、酒精、谷氨酸和头孢菌素等。在环境质量监测方面，可以通过对生物化学需氧量的测定，评价水质有机物污染和污水生物处理效率的指标。

    3. 免疫传感器应用固定有抗原或抗体的电极制造的一类传感器。研制于20世纪70年代，是巧妙地利用抗体与相应抗原间具有特异性识别和结合能力的原理设计而成。这种传感器的特点是不仅能识别生物大分子，而且选择性好，故能广泛用于蛋白质、肽类、激素、药物等的测定。当电极上的固定化抗原与待测抗体相近时，即于电极表面发生抗原抗体反应，因为抗体是带电荷的蛋白质，故能引起固定化抗原膜的电荷状态发生改变，并产生感应膜电位差，通过对膜电位差的测定，即可测算出标本的抗体量。

因为免疫传感器是以特异的抗原抗体反应为基础建立起来的，所以这类传感器又根据所用抗体是否用标记物标记，可再分为标记免疫传感器和非标记免疫传感器两类，前者是在免疫电极的基础上，用酶标记抗体后，制成了酶标免疫电极，其特点是利用酶的化学放大作用，以提高电极的灵敏度，增大信息量，故可用于超微量抗原的测定，用做分子识别部分的抗体膜，可用IgG、IgA或IgM等制备，以克拉克电极作为信息转换部分构成；后者，是由于在传感器的表面上形成了抗原抗体复合物，因而引起物理学变化，用电化学装置，直接转换成电信号后，便可做检测。

另外，还有光学生物传感器、热敏电阻生物传感器、压电晶体生物传感器及多功能生物传感器等。

综上所述，不论制备哪一种生物传感器，其敏感成分都必须固定化，因为许多重要的生命功能都是以生物膜为舞台而展现出来的，所以没有固化的生物功能膜，就不可能研制出生物感器，解决的办法通常是采用固化技术，即将生物活性物质固定在不同种类的微孔径多孔滤膜上，或通过化学结合，使生物活性分子在分子间通过共价键交联结合在不溶性载体上，或利用物理作用将活性蛋白分子吸附于活性炭、高岭土、羟基石灰石上等，由此即可将敏感的生物活性物质紧密地固定在传感基础电极末端的表面上，生物活性材料固定化后的优点是，将其限制在一定的空间，且又不妨碍底物的自由扩散，有利于检测，电极能重复使用，以及有利于延长传感器生物膜的寿命等。

(三) 生物传感器技术的发展前景 生物传感技术的建立，国外始于20世纪60年代，迄今仅约30年的历史，就取得了令人满意的效果，特别是生物高技术及传感技术取得的重要成果，均对生物传感器的发展作出了重要贡献，例如McAb研制成功，提高了免疫传感器的特异性，固定化技术使生物传感器实现了器件化，分子生物学实验技术的建立，为制备各种识别元件提供了必要的技术。另外，各种基础元件在生物反应信息的转化和传递方面也起了关键作用，使传感器的性能大为提高，出现了所谓的多功能生物传感器、微型生物传感器及高灵敏度生物传感器等。生物传感技术的发展及应用，在英、美、德、荷兰、瑞士和比利时等国处于较大的优势，我国起步较晚，在进入80年代时，才有研究报告发表，现已研制成功葡萄糖传感器和尿素传感器等，并正在试用中。

今后的发展方向，除应扩大使用范围的研究外，在传感器的装置上仍应继续研究改进，除向智能化、微型化和多功能方向发展外，还应设法解决目前所用生物传感器只能在液相而不能在气相状态下工作的局限；另外，识别物质易受损，如何保证传感装置的稳定性，就成为生物传感器能否进一步发展的重要关键。