生物传感器

雷娜娜

(资源与环境工程学院武汉理工大学 湖北武汉 430000)

生物传感器技术与生物芯片、生物信息学、仿生学、生物控制论、生物计算机等众多学科一起处在信息科学和生命科学的交叉区域,具有活跃的技术研究领域,是一种必不可少的发展生物技术的先进的检测与监控装置。中国生物传感器的研究起步于70年代末期。第二种生物传感器是1992年底研制成功的谷氨酸葡萄糖双功能生物传感分析仪。第三种生物传感器是1993年研制成功的尿素氮的分析仪。而在微型计算机中引入生物传感器的测定仪器装置的应用,实现了一步直接得到结果的分析项目的快速测定,因此大大改善了生物传感器的性能。例如测定糖化酶: 碘定量法是经典的方法,但是繁琐。而用SBA生物传感分析仪测定,比传统的测定方法快了几十倍。在动物细胞生物工程中,谷氨酸、谷酰胺、葡萄糖和L-乳酸这四种成份是主要的物质控制要素,在今后生物传感器产业化中将会发挥出重要的作用[1]。

1 原理

生物传感器是一种精密的分析装置,它有由生物敏感元件和相适当的信号转换器相连接而组成的。生物敏感元件由组织、细胞器、微生物细胞、酶、细胞受体、抗体、微生物、核酸等具有生物活性的材料所构成的,而信号转换器则为氧电极、气敏电极、离子选择电极等[2]。

生物传感器的分类主要有分子识别元件分类法和器件分类法[3]两种类型。生物传感器根据分子识别元件的不同可以分为七大类,即免疫传感器(immunosensor)、酶传感器(enzyme sensor)、细胞传感器(organelle sensor)、组织传感器(tissue sensor)、微生物传感器(microbial sensor)、核酸传感器(DNA/RNA sensor)、分子印迹生物传感器(molecular imprinted biosensor)。

生物传感器根据所用换能器的不同进行分类的方法属于器件分类法,主要包括光生物传感器(optical biosensor)、电化学生物传感器(electrochemical biosensor)或生物电极(bioelec-trode)、半导体生物传感器(semiconduct biosensor)、热生物传感器(calorimetric biosensor或thermal biosensor)、声波生物传感器(acoustic wave biosensor)、电导/阻抗生物传感器(conductive/impedance biosensor)、微悬臂梁生物传感器(cantilever biosensor)。

传感器是基本上是由敏感元件、转换元件及其相应的机械结构和电子线路几部分所组成的装置或器件。它能感受特定的被分析物的物质量,并将这些物质量按照一定的规律转换成可用信号。生物传感器技术是在固定化酶技术和固定化细胞和的基础之上所建立的,工作原理是被测分析物由生物分子去识别,然后将生物分子识别时所发生一系列的物理或化学变化转化为相对应的电信号,将其放大并输出,得到检测结果。生物传感器有生物敏感膜和换能器两部分构成,传感原理为[4]被测物扩散进入到固定化的生物敏感膜层,进而经过生物分子识别后发生生物学反应,由此产生的信息被相对应的化学或物理换能器转变成电信号,再经检测器放大并输出,由此可得到待测物浓度。

(1)将化学变化转变成电信号;

(2)将热变化转换成电信号;

(3)将光信号转变为电信号;

(4)直接产生电信号方式。

2 生物传感器的应用领域

2.1 环境监测领域

环境监测目的是准确、及时、全面地反映出环境质量现状,了解发展趋势,在为环境管理、环境规划、污染源控制和环境评价等方面提供科学依据。离线分析方法是环境监测采用的传统方法,但其具有分析速度慢,所需仪器昂贵,操作复杂,不适宜进行现场快速监测和连续在线分析的缺点。而生物传感器可以将生物感应元件与信号传导器(产生和待测物浓度成比例的仪器)结合起来。相比而言,生物传感器不仅具有成本低、体积小、灵敏度高、选择性好、响应快等优势,而且还能在复杂的体系中进行快速的连续在线分析监测[5]。在砷化物和硫化物的检测、杀虫剂除草剂残留物的检测、对水水质的在线检测、生化需氧量及氨氮的检测、酚类污染物的检测、有气味的化合物的检测、大气和废气的检测、水体富营养化的检测方面都得到了应用。生物传感器在环境监测领域中有着广阔的发展前景,其刘小兵等作出了总结与分析。

2.2 食品质量领域

食品质量的传统控制方法主要有两种:对产品定期的进行理化分析和微生物检测方法,如滴定法、色谱法(GC、HPLC)、分光光度法和各种电泳等技术。但这些方法具有需要对样品进行前处理、分析速度慢、且不能进行连续检测的缺点。相对于传统分析方法,生物传感器则具有灵敏度高、选择性好、分析速度快等优点。生物传感器在农药残留的检测、食品添加剂的检测、食源性致癌微生物检测、转基因食品的检测、食品毒理学研究及食品营养学研究方面得到了广泛的应用。

2.3 医学领域

生物传感器在医学领域方面的应用发挥着越来越大的作用。生物传感技术具有灵敏、专一、响应快等优点,不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法,而且在军事医学方面也具有广的发展前景。在法医学中,生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。酶电极是临床医学中最早研制且应用最多的一种传感器。生物传感器在监测多种细菌、病毒及其毒素方面已得到应用,例如鼠疫耶尔森菌、炭疽芽胞杆菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素。

[1]林福玉,陈昭烈 等.大规模动物细胞培养[J].生物技术通报,1999,1:32～35.

[2]王飞.生物传感器的发展与未来.湖北省环境保护研究所.

[3]张恩现生物传感器北学工业出版社,,2006,8.

[4]许文娟焦晨旭生物传感器的发展应用及前景化工中间体11 15-17.

[5]王建龙,文湘华.现代环境生物技术[M].北京:清华大学出版社,2001.