生物傳感器技術及其應用

生物傳感器技術及其應用一生物傳感器技術簡介二生物傳感器基本分類及原理三生物傳感器技術的應用四前景

隨著生物技術的發(fā)展，生物檢測技術廣泛的應用到食品，環(huán)境，醫(yī)學各個領域，如生物酶技術，PCR技術，生物傳感器技術，生物芯片技術等，本文重點介紹生物傳感器技術及其在各領域的應用。

生物感應器技術簡介

生物傳感器起源于20世紀中期，1962年，Clark和Lyons首次把嫁接酶法和離子敏感氧電極技術結合，研制了測定葡萄糖含量的酶電極，開創(chuàng)了生物傳感器研究的先河。7O年代中期開始，生物傳感器不再局限于生物反應的電化學過程，而是根據(jù)生物學反應中產生的各種信息(如熱效應、光效應、場效應和質量變化等)來設計各種精密的探測裝置。9O年代后生物傳感器的市場開發(fā)獲得顯著成績，以表面等離子體和生物芯片為代表的生物親和傳感器技術成為生物傳感器發(fā)展的又一高潮。經過30多年的不斷發(fā)展，生物傳感器技術現(xiàn)已廣泛應用在環(huán)境監(jiān)測、食品分析、醫(yī)療保健、醫(yī)藥和軍事醫(yī)學等方面。

生物傳感器的分類及原理分類根據(jù)傳感器輸出信號的產生方式：親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器、催化型生物傳感器。根據(jù)生物傳感器中信號檢測器（分子識別元件）上的敏感物質分類：生物傳感器可分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞及細胞器傳感器、基因傳感器、免疫傳感器等。根據(jù)生物傳感器的信號轉換器分類：電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、熱學型生物傳感器、光學型生物傳感器、聲學型生物傳感器等。根據(jù)檢測對象的多少：以單一化學物質為檢測對象的單功能型生物傳感器和同時檢測微量多種化學物質的多功能型生物傳感器。根據(jù)生物傳感器的用途：免疫傳感器、藥物傳感器等?；驹砩飩鞲衅饕陨锘钚圆牧?如酶、抗體、核酸、細胞等)作為敏感元件。生物傳感器由生物識別元件(biore—ceptor)和換能器(transducer)兩個部分組成。待測樣品中被分析物經擴散進入固定化生物功能膜層，通過固定化生物功能分子對待測分子的識別作用發(fā)生生物或化學反應，引起某些物理量或化學量的變化，這些信息的變化經物理、化學及其它換能器轉變成可定量和可處理的信號，并經信號放大器放大后輸出，從而得出待測物的分析量。生物識別元件或稱生物敏感膜(biosensitivemembrane)或生物功能膜(biofunctionmembrane)，是生物傳感器的核心器件，其分子識別能力決定生物傳感器的選擇性和靈敏度，直接影響傳感器的性能和質量。生物膜中固定的生物活性材料可以是酶、核酸、抗原和抗體、細胞及生物組織或它們的組合，隨著相關技術的發(fā)展還引入了高分子聚合物模擬酶及人工合成的受體等，使生物識別元件的概念進一步延伸。換能器的作用則是將生物或化學反應過程中產生的各種信息轉變成可方便測量的信號，反應的信息是多元化的，包括各種生物、化學和物理信息，現(xiàn)代電子學、微電子學及傳感技術的成果為檢測這些信息提供了豐富的手段。生物傳感在線分析系統(tǒng)在食品安全上的應用

可用于食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。

Rasooly等的用抗體作為檢測器做成丁一個實時生物傳感器，用于檢測牛奶、熱狗等食品的葡萄糖球菌腸毒素，靈敏度可達10—100ng／g，而且檢測過程不

超過4min。陶濤等研制了一種檢測蝮蛇毒的壓電免傳感器，用巰基丙酸在鍍銀電極石英晶體表面自組裝巰基丙酸單分子膜，偶聯(lián)抗蝮蛇毒球蛋白構建傳感器探頭，組成的檢測器對蝮蛇毒響應良好。傳感器最低檢測濃度為0.1μg

／mL，檢測限范圍為O.1—5.0μg

／mL。

Vo1pe等以氧化酶為生物敏感材料，結合過氧化氫電極制備出的生物傳感器，可通過測定魚降解過程中產生的代謝物如：一磷酸肌苷(IMP)、次黃嘌呤(HX)、和肌苷(HXR)的濃度來評測魚的新鮮度。

在醫(yī)學領域中的應用生物傳感技術因為專一、靈敏、響應快等特點為基礎醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，具有廣泛的應用前景。

zeng等將白血病單克隆抗體通過納米金一蛋白A(Gold

NanopaIticle—labeledProteinA)固定在晶體表面，研制出臨床檢測急性白血病的石英晶體微天平免疫傳感器，傳感器為2×2型探針，經過技術改進的傳感器能在5min內迅速檢測出白血病樣品，并可以動態(tài)地監(jiān)測免疫反應過程。

在環(huán)境檢測中的應用生物傳感器能對污染物進行連續(xù)、快速、實時監(jiān)測。

Timur等，以惡臭假單細胞菌——DSM50026細胞作為敏感元件研究出的測酚生物傳感器，其工作原理為：假單細胞菌催化氧化酚，最終生成CO2和H2O。在此過程中的電子轉移通過鋨絡合物傳遞給電極，從而根據(jù)電流變化檢測環(huán)境中酚的濃度。

在軍事領域中的應用生物戰(zhàn)劑將是對國家安全造成嚴重威脅的高科技武器，其危險性僅次于核武器。所以，未來世界各國國防的重點將會側重于研究簡捷、迅速、便于野外作業(yè)的生物傳感器，用于監(jiān)測生物戰(zhàn)劑。因此在軍事上有著更為寬廣的應用前景。

clareJTaylor等研發(fā)了兩種受體生物傳感器：煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器，在10s內，二者皆可偵檢濃度級為10-9的生物戰(zhàn)劑(流感病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌等)。在海灣戰(zhàn)爭中，美國海軍成功使用DNA探針生物傳感器檢生物戰(zhàn)劑。

前景生物傳感器是多學科綜合交叉的一門技術，主要的發(fā)展趨勢是微型化、多功能化、智能化和集成化。