生物电化学传感器研究

生物电化学传感器研究摘要：生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支,它具有专一、高效、简便、快速的优点,已应用于生物、医学及工业分析等方面。其工作原理是以固定化的生物成分(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原)或生物体本身(如细胞、微生物、组织等)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。根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。关键词：生物电化学传感器（bioelectrochemicalsensor），敏感材料（sensetivematerial），识别系统（recognitionsystem）1.生物化学传感器基本工作原理传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件,电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件,以电势或电流为特征检测信号的传感器。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。[1]敏感材料是对目标物进行选择性作用的生物活性单元。最先被使用的是具有高度选择催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等)，或是以化学方法(交联、聚合等)被固定在化学传感器的敏感膜中，然后，以化学电极作为换能器测定酶催化目标物反应所生成的特定产物的浓度，从而问接地测定目标物的浓度。随着物理检测手段的引入，人们已成功地把抗体、DNA聚合物、核酸、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元用作了敏感材料。[2]2.生物化学传感器的发展历史与现状[3]1962年，Clark在纽约自然科学学会的论文集中首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物进行选择性分析”的设想。1967年，Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起，制成了第一代生物传感器。经过40年地不断发展，随着研究的深入，各种物理手段不断地被引入到生物传感器，当今的生物传感技术日新月异。1975年，热酶探针(thermalenzymeprobe)和酶热敏电阻器(tnzymethermistor)分别研制成功。20世纪70年代起，人们就开始寻求一种可以直接捕捉敏感源与目标物之间结合过程(如，抗体与抗原的结合)的换能器。直到1983年，Leiberg等人发表了一篇采用表面等离子体共振(SPR)技术实现实时监测亲合反应的报道后，这一问题才得到解决，这一技术随即促成了免疫传感器的产生。1984年，Turner等人报道了用二茂铁及其衍生物作为氧化还原酶的介体以制造廉价酶电极的方法。很快MediSense公司便以此为基础发展了能大规模生产具有高重现性酶电极的丝网印刷技术，该技术推动了生物传感器的发展。20世纪90年代初，生物传感器的研究进入第二阶段，这时期的生物传感器为第二代。第二代生物传感器的特点是使用抗体或受体蛋白作分子识别组件，换能器的选用则更为多样化，诸如场效应管(FET)，光纤(FOS)，压电晶体(PZ)，声表面波(SAW)器件等。1996年，Turner等人研制的一种以DNA为敏感源的传感器，利用液晶分散技术，将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上，所有能影响DNA分子间交联度的化学和物理因素均能被灵敏地捕获，并反映为一个强的、具有“指纹”结构的圆二色谱吸收峰。2l世纪发展的生物传感器为第三代产品，随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器不断地向微型化、集成化方向发展，便携式测试仪已得到快速发展。当今，纳米材料在生物传感器中的应用，使其研究进入崭新阶段。我国生物传感器研究始于20世纪80年代初，20世纪90年代是我国生物传感器应用取得较大发展的l0年，山东省科学院生物研究所是国内首家在该方面研究开发取得成功的单位，从1983年到1998年已研制成功了l0多项产品，有的成果达到国际先进水平。以SBA_40型和50型生物传感分析仪为代表，仪器集成了许多智能化操作程序，其主程序可方便地满足多种自动测定要求。具有多酶协同作用的复合酶膜生物传感器，通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量，应用双电极一差分的方法实现了难以分析的生化样品测定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等。[4]3.生物化学传感器的应用研究生物化学传感器的分类方法很多，通常按照感受器中所采用的生命物质分类，可分为分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、植物组织电极传感器、电化学DNA传感器等。3.1酶电极传感器酶传感器是生物传感器领域中研究最多的一种类型。生物传感器中的生物活性物质是传感器的核心部分,然而它们一般都溶于水,其本身也不稳定,需要固定在各种载体上,才可延长生物活性物质的活性。固定化技术的运用很大程度上决定着传感器的性能,包括选择性、灵敏度、稳定性、检测范围与使用寿命等。随着广大科技工作者的不断努力,我国酶传感器的研究取得了很大的进步,主要表现在防止电子媒介体和酶的流失、提高固定化酶活力的技术、载体选择范围扩大和各种高新技术在酶传感器中的应用等方面。以葡萄糖氧化酶(GOD)电极为例简述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和过氧化氢。根据上述反应,显然可通过氧电极(测氧的消耗)、过氧化氢电极(测H2O2的产生)和pH电极(测酸度变化)来间接测定葡萄糖的含量。因此只要将GOD固定在上述电极表面即可构成测葡萄糖的GOD传感器。这便是所谓的第一代酶电极传感器。这种传感器由于是间接测定法,故干扰因素较多。第二代酶电极传感器是采用氧化还原电子媒介体在酶的氧化还原活性中心与电极之间传递电子。第二代酶电极传感器可不受测定体系的限制,测量浓度线性范围较宽,干扰少。现在不少研究者又在努力发展第三代酶电极传感器,即酶的氧化还原活性中心直接和电极表面交换电子的酶电极传感器。目前已有的商品酶电极传感器包括:GOD电极传感器、L乳酸单氧化酶电极传感器、尿酸酶电极传感器等。在研究中的酶电极传感器则非常多。3.1.1电化学酶传感器基于电子媒介体的葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点,得到了广泛的研究和应用。目前研究的重点是防止二茂铁等电子媒介体的流失,从而提高生物传感器的稳定性和寿命。提高传感器稳定性的主要方法是利用环糊精作为载体,形成主客体结构。如孙康等[5]以β-环糊精与戊二醛缩合而成的聚合物(β-CDP)为主体,电子媒介体二茂铁为客体,形成稳定的包络物,制成了葡萄糖、乳糖生物传感器。由于包络物的形成,避免了二茂铁的流失,生物传感器的稳定性得到提高,使用寿命得到延长。再如朱邦尚等[6]以电子媒介体1,1-二甲基二茂铁为客体与β-CDP形成稳定的主客体包络物。用牛血清白蛋白-戊二醛交联法,把葡萄糖氧化酶(GOD)和主客体包络物固定到电极上,成功地制成了葡萄糖传感器。该传感器具有稳定性高、选择性好和较长的使用寿命等优点,线性响应范围为0.01～18mmol/L。利用二茂铁也可以制成组织传感器。3.1.2光化学酶传感器宋正华[7]等将具有分子识别功能的β-葡萄糖甙酶和能进行换能反应的Luminol分别固定在壳质胺和大孔阴离子交换剂的柱中,组成流动注射系统。苦杏仁甙在β-葡萄糖甙酶催化下分解生成的CN-(分子识别反应)与溶解氧反应生成超氧阴离子自由基,继而同Luminol反应产生化学反应(换能反应)。这一新型生物传感器的化学发光强度与苦杏仁甙量在1～200μg之间呈良好线性关系,检出限为0.3μg,相对标准偏差为3.1%,并具有良好选择性。每次测定时间为2min,β-葡萄糖甙酶柱寿命为6个月,Luminol柱可使用200次以上。3.1.3酶传感器中应用的新技术3.1.3.1纳米技术固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性,提高电极的响应电流值。首先,纳米颗粒增强GOD在载体表面上的固定作用;其次是定向作用,分子在定向之后,其功能会有所改善;第三,由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应,可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效的电子媒介体,从而使得GOD的氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能,酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提高了传感器的电流响应灵敏度。3.1.3.2基因重组技术周亚凤等[8]将黑曲霉GOD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒,转化甲基营养酵母,构建出GOD的高产酵母工程菌株。重组酵母GOD比活力达426.63u/mg蛋白,是商品黑曲霉GOD的1.6倍,催化效率更高。重组酵母GOD的高活力特性可有效提高葡萄糖传感器的线性检测范围。3.1.3.3溶胶-凝胶技术溶胶-凝胶应用于生物传感器领域具有如下一些优点[9]:(1)基质在可见光区是透明的,适于光化学生物传感器的制作;(2)基质具有一定的刚性,提高了生物活性物质的热稳定性;(3)基质热稳定性好,并且呈化学惰性,对生物活性物质的失活作用很小,保持了活性;(4)通过溶胶-凝胶制备条件的优化,可控制基质的孔径大小和分布,使酶分子有足够的自由活动空间而又不至于从基质中流失,从而提高传感器的使用寿命;(5)溶胶-凝胶材料还具有生物相容性,为微电极植入人体提供了新的可能性;(6)还可通过对先驱体的功能化赋予溶胶-凝胶新的性能;(7)溶胶-凝胶的制备条件十分温和,生物分子可以在不同的制备阶段加入,并且可以制成不同大小与形状的修饰电极等。溶胶-凝胶材料作为酶固定化载体,开辟了制备生物传感器的新领域。3.1.3.4酶的定向取向技术经典的固定化酶方法主要有物理吸附、化学偶联、交联、凝胶包埋和微胶囊法等。酶在固定化过程中活力降低的因素主要有:(1)固定过程中的化学损伤;(2)酶分子不适合的空间取向使得与底物发生邻近定向效应受阻,催化作用减弱。因此,酶或蛋白质分子空间沉积的方向控制是制备高质量固定化酶、酶标试剂和生物器件的前提。固定化酶空间取向方法主要有共价键法、氨基酸置换法、抗体偶联法、生物素-亲和素亲和法和疏水定向固定法等。应用较多的是生物素-亲和素亲和法。生物素-亲和素之间具有高度专一和强烈的相互作用,在pH值、温度、有机溶剂或变性剂等较大的变化范围内均能稳定存在,已经广泛应用于蛋白质的固定化及生物传感器。3.2微生物电极传感器由于离析酶的价格昂贵且稳定性较差,限制了其在电化学生物传感器中的应用,从而使研究者想到直接利用活的微生物来作为分子识别元件的敏感材料。这种将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称为微生物电极传感器。其工作原理大致可分为三种类型:其一,利用微生物体内含有的酶(单一酶或复合酶)系来识别分子,这种类型与酶电极类似;其二,利用微生物对有机物的同化作用,通过检测其呼吸活性(摄氧量)的提高,即通过氧电极测量体系中氧的减少间接测定有机物的浓度;其三,通过测定电极敏感的代谢产物间接测定一些能被厌氧微生物所同化的有机物。3.2.1微生物传感器的结构微生物传感器是使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件与电化学换能器来制备生物传感器。[10]主要由2部分组成：第1部分是微生物膜，此膜是由微生物与基质（如PVA，海藻酸钠等）以一定的方式固化形成；第2部分是信号转换器（如O2电极、气敏电极或离子选择电极等）。3.2.2微生物传感器的工作原理及分类微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中，将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物数量和活性保持不变的情况下，其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映了被检测物质的量，再