生物传感器的发展现状与趋势

生物传感器的应用与发展趋势摘要：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,是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。关键词：生物传感器;应用;发展趋势1生物传感器从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。1.1生物传感器简介生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适当的理化换能器如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。1.2生物传感器的分类生物传感器主要有下面三种分类命名方式：1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器。实际上为了清晰描述一个传感器的性质,三种分类方法可以交叉使用，将同一传感器在不同领域的分类叠加,如以蛋白质为IE分子,酶为识别元素,电化学为表征手段的生物传感器可称为蛋白质酶电化学传感器或是酶电化学蛋白质传感器。1.3生物传感器的组成及结构原理生物传感器是以固定化的生物成分或生物体本身为敏感材料,与适当的化学换能器相结合,用于快速检测物理、化学、生物量的新型器件。最初,以酶电极的生物传感器开始,逐渐扩展到多种技术,如,离子敏场效应管、光纤、声表面波、石英晶体谐振器及表面等离子体谐振技术将生物传感器的发展推向一个新的阶段。生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成（如图1所示），以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。生物化学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。图1生物传感器的组成结构2生物传感器的应用领域及发展现状2.1生物传感器在食品分析中的应用及发展现状⑴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。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中，该生物传感器对乙醇的测量极限为1nmol/L。⑵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盐含量，测定的线性范围为0～6的负四次方mol/L。又如饮料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2×10的负五次方～1×10的负三次方mol/L。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。⑶农药残留量分析人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol，在40℃下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10的负十次方mol/L的对氧磷和10的负十一次方mol/L的克百威的生物传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。⑷微生物和毒素的检验食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体（如大肠杆菌0157.H7.），而传统的方法则需要几天。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1天时间，而传统方法需要4天。还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为16.2ng/mL。一天可以检测20个牛奶样品。⑸食品鲜度的检测食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。Volpe等人以黄嗦吟氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极，通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黄嘌吟(HX)的浓度，从而评价鱼的鲜度，其线性范围为5x10的负10次方～2x10的负4次方mol/L。2.2生物传感器在环境监测中的应用及发展现状环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。⑴水环境监测生化需氧量(BOD）是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差，耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin等人利用一种毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis）制作一种微生物BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度。测量范围为0.5～40mg/L，灵敏度为5.84nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5～lOmin。硝酸根离子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。Zatsll等人提出了一种整体化酶功能场效应管装置检测硝酸根离子的方法。该装置对硝酸根离子的检测极限为7x10的负5次方mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。此外，Han等人发明了一种新型微生物传感器，可用于测定三氯乙烯。该传感器将假单细胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直径：25mm，孔径：0.45μm)上。再将薄膜固定在氯离子电极上。带有AgCl/Ag2S薄膜(7024L,DKK,日本)的氯离子电极和Ag/AgCI参比电极连接到离子计(IOL-50,DKK,日本)上,记录电压的变化,与标准曲线对照,测出三氯乙烯的浓度。该传感器线性浓度范围为0.1～4mg/L,适于检测工业废水。在最优化条件下,其响应时间不到10min。[4]⑵大气环境监测二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类（含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体）固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测，lOmin可以得到稳定的测试结果。NOx不仅是造成酸雨酸雾的原因之一，同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。Charles等人用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器来测定样品中亚硝酸盐含量，从而推知空气中NOx的浓度。其检测极限为0.01xl0负6次方mo1/L。2.3生物传感器在发酵工业中的应用及发展现状在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。⑴原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代谢产物（如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇类、乳酸等）。测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组成，原理是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。2002年，Tkac等人将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵工业中的乙醇含量，13s内可以完成测量，测量灵敏度为3.5nA/mM。该微生物传感器的检测极限为0.85nM，测量范围为2～270nM，稳定性能很好。在连续8.5h的检测中，灵敏度没有任何降低。⑵微生物细胞数目的测定发酵液中细胞数的测定是重要的。细胞数（菌体浓度）即单位发酵液中的细胞数量。一般情况下，需取一定的发酵液样品，采用显微计数方法测定，这种测定方法耗时较多，不适于连续测定。在发酵控制方面迫切需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现：在阳极(Pt）表面上，菌体可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统可以