生物传感器

生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学转换器敏感元件待测物开端于20世纪60年代。1962年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果,最早提出了生物传感器(酶传感器)的原理。1967年实现了酶的固定化技术,研制成功酶电极,这被认为是世界上第一个生物传感器20世纪70年代中期，生物传感器技术的成功主要集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生物电信息的转换以及生物传感器等研究，如Divies首先提出用固定化细胞与氧电极配合，组成对醇类进行检测所谓“微生物电极”。1977年，钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报告，并在微生物传感器对发酵过程的控制等方面作了详细报导，正式提出了对生物传感器的命名。生物传感器(biosensor)是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性来识别待测化学物质的一类传感器。生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合，对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是对物质在分子水平上进行快速和微量分析的方法。1.原理生物传感器的结构一般是在基础传感器(如电化学装置）上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质上时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等或光声等信号，并通过信号转换元件转换为电信号。生物敏感膜利用生物体内具有特殊功能的物质制成的膜与被测物质接触时伴有物理、化学变化的生化反应可以进行分子识别。生物敏感膜是生物传感器的关键元件，它直接决定着传感器的功能与质量。信号转换器信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的生物传感器称为电化学生物传感器。将化学变化转变成电信号以酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应，从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。常用转换装置有氧电极、过氧化氢电极。将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，因此如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。还有很多细菌能与特定底物发生反应，产生荧光，也可以用这种方法测定底物浓度。2.生物传感器的特点操作简单，需用样品少，能在短时间内完成测定。一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。可进入生物体内，进行活体分析。对被检测物质具有极好的选择性，噪音低。经固定化处理后，可保持长期生物活性，传感器可反复使用。传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪，因而便于推广普及。主要缺点是寿命较短。3.生物传感器分类根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。根据生物传感器的信号转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。生物亲合型传感器被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化，如电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：S（底物）+R（受体）=SR代谢型或催化型传感器底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为：S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）生物活性材料固定化技术使用生物活性材料作为生物敏感膜，必须研究如何使用生物活性材料固定在载体（或称基质）上，这种结合技术称为固定化技术。在研制传感器时，关键是把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。固定化生物敏感膜应该具有的特点：①对被测物质选择性好、专一性好②性能稳定③可以反复使用，长期保持其生理活性④使用方便常用载体：①丙烯酰胺聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子②胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等天然高分子③陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物常用的固定化方法：夹心法、吸附法、包埋法、共价连接法、交联法1)酶生物传感器酶传感器是由酶传感器和电化学器件构成的。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应。酶的催化效率极高，而且具有高度专一性，即能对待测生物量（底物）进行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利用酶的特性可以制造出高灵敏度、选择性好的传感器。葡萄糖酶传感器工作原理与检测过程当测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而产生耗氧(过氧化氢)，其反应式为葡萄糖氧化酶葡萄糖＋H2O＋O2葡萄糖酸＋H2O2在Pt阳极上加0.6V电压，则H2O2在Pt电极上产生的氧化电流为0.6VPtH2O2O2＋2H+＋2e-式中，2e-为形成电流的电子。不同酶传感器检测物质机理是不同的。有些酶对物质具有催化转化能力(如酪氨酸酶对酚类)，有些物质对酶活性有特异性抑制作用(如有机磷酸酯类对乙酰胆碱酯酶)或作为调节、辅助因子对酶活性进行修饰（如Mn(Ⅱ)对辣根过氧化酶）。检测酶反应所产生的信号，可以间接测定物质的含量。由于单酶传感器只能测定数目有限的环境污染物，可以在一个生物传感器上偶联几种酶促反应来增加可测分析物的数目。多酶传感器的例子之一就是糖原磷酸化酶与一个碱性磷酸酶／变旋酶／葡萄糖氧化酶相结合以测定无机磷酸盐。结合多种酶之后，分析物的数目就可以增加，如共固定酪氨酸酶和漆酶之后就能检测多种酚类化合物。2)微生物传感器细胞除含有各种酶外，还含有辅酶及酶促反应的其他必要成分，它们存在于细胞内，直接参加酶促反应，在使用中不需纯化，亦不需添加其它成分。可直接用活细胞代替纯酶用于生物传感器。微生物传感器分为两类：利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用利用不同的微生物含有不同的酶。装置由适合的微生物电极与氧电极组成。原理：利用微生物的同化作用耗氧,通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量,从而达到测量底物浓度的目的。例如，荧光假单胞菌能同化葡萄糖；芸苔丝孢酵母可同化乙醇，因此可分别用来制备葡萄糖和乙醇传感器，这两种细菌在同化底物时，均消耗溶液中的氧，因此可用氧电极来测定。微生物反应的特点微生物反应过程是利用生长微生物进行生物化学反应的过程。也就是说，微生物反应是将微生物作为催化剂进行的反应。酶在微生物反应中起最基本的催化作用。微生物反应与酶促反应的共同点①同属生化反应，都在温和条件下进行；②凡是酶能催化的反应，微生物也可以催化；③催化速度接近，反应动力学模型近似。3)免疫传感器抗原：具有能够引起免疫反应的物质;抗体：由抗原刺激机体产生的特异性免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。抗原－抗体反应:选择性强,灵敏度高免疫传感器利用抗体对相应的抗原具有的识别和结合的双重功能，将抗体或抗原和换能器组合而成的装置。由于蛋白质分子(抗体或抗原)携带有大量电荷、发色基团等,当抗原抗体结合时,会产生电学、化学、光学等变化,通过适当的传感器可检测这些参数，从而构成不同的免疫传感器。基本原理采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶连接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定。在这种测定方法中有3种必要的试剂：①固相的抗原或抗体（免疫吸附剂）②酶标记的抗原或抗体（标记物）③酶作用的底物（显色剂）4)生物组织传感器生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为识别元件，并与相应的变换元件构成生物组织传感器。①生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境中，可以得到相当稳定的酶活性，许多组织传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；②在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以得到足够高的酶活性；③组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。肝组织电极动物肝组织中含有丰富的H2O2酶，可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物的组织电极．1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物（鸟、鱼、龟）的肝组织电极，报道了基于牛肝组织的H2O2电极。牛肝-H2O2电极取0.1mm厚牛肝一片，覆盖于氧电极的特氟隆膜上，用“O”型橡皮圈固定，即成牛肝组织电极。在pH6.8的缓冲液中，使电极与空气中的氧平衡，然后加入底物，底物为浓度大于1O-5mol／LH2O2溶液．反应产生的氧气到达氧电极的特氟隆膜时，使电极输出增加．在1×10-4mol/L底物浓度时，1.5min即可获得稳定电流。若向溶液中通以氮气，以降低氧的溶解度，减少空气平衡溶液中氧的残余电流（约10μA）至十分之几微安，检测下限可降低至1×10-5mol／L，相关系数R=0.997(n＝9)。5)核酸传感器依据生物体内核苷酸顺序相对稳定,核苷酸碱基顺序互补的原理而设计出核酸探针传感器，即基因传感器。基因传感器一般有10~30个核苷酸的单链核酸分子,能够专一地与特定靶序列进行杂交从而检测出特定的目标核酸分子。生物传感器的主要应用领域（1）食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。（2）环境监测大气环境监测：二氧化硫是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。硫化物的测定硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=2.5、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。乙酰胆碱在乙酰胆碱酯酶的催化下可以分解为乙酸和胆碱：CH3COO(CH2)2N+(CH3)3Cl-+H2O——CH3OOH+HO（CH2）2N+(CH3)3Cl-在水溶液中，乙酸电离，从而使溶液的pH值发生变化：CH3COOH——CH3COO-+H+有机磷农药或氨基甲酸酯类农药可以有效地结合到乙酰胆碱酯酶的活性位点上，抑制酶的活性，减少pH值的变化。通过检测这种微小的变化，便可以测得溶液中的有机磷农药的含量。阴离子表面活性剂传感器生活污水中烷基苯磺酸(LAS)这类阴离子表面活性剂比较多，它们的自然降解性差，在水面产生不易消失的泡沫，并消耗溶解氧，甚至能改变污水处理装置中活性污泥的微生物生态系统。用LAS降解细菌制成的生物传感器，利用当LAS存在时，LAS降解菌的呼吸作用增强，引起溶解氧变化，从而导致氧电极电流变化来测定LAS浓度。德国研发的环境废水BOD分析仪BOD测定传统的稀释法：在(20土1)℃培养5d，分别测定样品培养前后的溶解氧，二者之差即为5d的生化需氧量B0D。这种方法操作繁杂，重现性差，不能及时反应水质情况和反馈信息，不适