生物传感器的研究与应用

生物传感器的研究与应用

0微生物电极传感器生物传感器是一种多学科的综合集成技术，在科学研究、工业生产甚至人们生活中发挥着重要作用。在最初15年里,生物传感器主要以酶作为敏感材料,但是,由于酶的价格昂贵,且性能又不够稳定,所以,其应用受到一定的限制。近些年来,随着微生物固定化技术地不断发展,各类新型生物传感器不断涌现,产生了微生物电极传感器。微生物电极以微生物活体作为分子识别敏感物质,能快速、准确地测量物理、化学和生物量,在环境监测、医学研究、食品工业、发酵工业等方面得到广泛的应用。目前,光纤生物传感器的应用也越来越广泛,而且,随着聚合酶链式反应(polyerasechainreaction,PCR)技术的发展,应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。20世纪80年代初,新兴起一种表面等离子体共振(surfaceplasmonresonce,SPR)技术将生物传感器的发展推向一个新的阶段。1电化学传感器主要作用机理生物传感器是以固定化的生物成分(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)或生物体本身(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产生的一种快速检测各种物理、化学和生物量的器件。它通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感材料之间的反应,然后,将反应的程度转变成电信号,根据电信号推算出被测量的大小。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,从而间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。换能器是能捕捉敏感材料与目标物之间的作用过程的器件。最早应用的换能器就是前面所提到的电化学传感器。这类换能器既可以是电位型的也可以是电流型的,所不同的是前者测量零电流下电极表面的电荷密度变化,后者测量恒定电压下工作电极在反应过程中的电流变化。2生物传感器技术的发展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。1980年,在光学传感器—光极(optode)的基础上,Lubbers等人研制成了测量乙醇的光学生物传感器。这些换能器都是通过测定生化反应中的产物、热效应或是光效应而间接地测定目标物的。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。另外,在酶电极中还广泛应用着一种促进酶活性中心与电极表面之间电子转移的物质——介体(mediator)。1976年,可溶性的六氰合铁酸盐首次被作为介体加入敏感膜中充当酶与电极之间的电子传递剂,以提高传感器的性能。现在,介体已广泛应用于电流型酶电极制作中。Medisense公司继续以研发第一代酵素电极为主,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。目前,第二代的生物传感器的代表产品为1991年上市的瑞典商家Pharmacia所推出的BIAcore与BIAlite两项产品。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。21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。过去4年中,生物传感器研发的方向有了显著变化,许多新的生物技术的出现,如,生物表达化学、表面定性、分子标记以及纳米科技,带动了生物传感器在各种环境下应用的增长。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。纳米颗粒对酶生物传感器的敏感性有增强作用,酶电极的性能是由酶的催化活性、酶活性中心和电极表面之间电子交换速率决定的。纳米颗粒比表面积大、表面自由能高,吸附能力较强,使更多的酶分子可以固定在纳米颗粒表面。另外,由于纳米颗粒尺寸很小,有可能与酶内部的亲水基团发生作用,从而引起酶构型上的变化。这种变化使得酶的活性中心更接近底物,提高了酶的催化效率。比如:纳米Au颗粒是电的良导体,具有很好的生物相容性,而改性纳米SiO2颗粒对生物分子又具有很好的选择吸附性。因此,可望实现纳米Au和SiO2颗粒与酶分子活性中心及电极表面之间的直接电化学作用,大大增强生物传感器的灵敏度。在生物传感器研究领域内,集纳米技术、生物技术和自组装方法于一体,实现具有高酶活性的三维有序组装制备生物传感器的报道不多。从已有的一些报道来看,加入纳米粒子后制备的生物传感器的灵敏度得到了很大提高。响应时间的缩短,检测的线性范围的增大,都表明了生物传感器性能的提高。Morrin等人基于可加工的传导聚苯胺纳米颗粒制成了生物传感器。国内外学者还对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶(GOD)生物传感器开展了大量研究。结果表明:葡萄糖生物传感器具有选择性高、测试简便、快速的特点,是检测葡萄糖浓度最常用的方法。人的血液和体液中含有许多干扰物质,通过引入纳米颗粒,还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。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10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10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。在20世纪90年代中期,生物传感分析仪品种得到更新换代,还建立了相关的国家标准。3生物传感器的应用研究[11、12、13、14、15、16、17、18、19和20]3.1生物传感器技术生物传感器在医学领域发挥着重大的作用。生物传感技术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检测方法,而且,因其专一、灵敏、响应快等特点,在军事医学方面,也具有广阔的应用前景。在临床医学中,酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶,可制成微生物传感器。免疫传感器等生物传感器可用来检测体液中的各种化学成分,为医生的诊断提供依据。在军事医学中,对生物毒素地及时、快速检测是防御生化武器的有效措施,生物传感器除用于监测多种细菌、病毒及其毒素,还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖尿酸、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌物质。生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本,提高灵敏度、稳定性和延长使用寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。1975年,YellowSpringsInstrument公司首次成功地将葡萄糖酶电极推向市场。1976年,Miles公司将酶电极用于人造胰脏中的血糖监控。1987年,MediSense公司推出丝网印刷电极。1990年,Pharmacia公司将SPR技术市场化。目前,Quantech公司也正准备以SPR技术为基础推出一系列用于诊断早期心肌梗塞的仪器。据KaloramaInformation近日发布的一项新研究报告《医疗与生物传感器和传感器系统:市场、应用和全球竞争》称,2005年,生物传感器营业收入达到了29亿美元,而医疗应用占该销售额的最大份额。3.2发酵工业生物传感器的应用和复配在微生物发酵过程中,检测多种有关的生化参数(生物量/细胞活性、底物/营养、产物/代谢物),是生物技术领域研究者和工程师们有效地对过程进行控制的必要前提。在各种生物传感器中,微生物传感器最适合发酵工业诸多化学、生物参数的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质,并且,发酵液往往不是清澈透明的,不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰,并且,不受发酵液混浊程度的限制。同时,由于发酵工业是大规模的生产,微生物传感器成本低、设备简单的特点使其在应用中具有更大的优势。生物传感器类分析仪器得到普及应用,改变了我国在发酵控制分析仪器方面的落后面貌。我国研发的生物传感器分析仪具有方便、快速、精确、容易操作、价格低廉等优点。3.3糖酸糖的检测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、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量。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。此外,也用生物传感器测定色素和乳化剂。3.4玻璃碳极上生物传感器大气环境监测中,SO2是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。Marty等人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,可对酸雨和酸雾样品溶液进行检测。生化需氧量(biochemicaloxygendemand,BOD)的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标,常规的BOD测定需要5天的培养期,操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大,不宜现场监测。目前,研究人员分离了2种新的酵母菌种SPT1和SPT2,并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器,用于测量BOD,其重复性误差为±10%。该传感器用于纸浆厂污水中BOD的测定,其测量最小值可达2mg/L,所用时间为5min。用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料的一种新型微生物传感器,在高渗透压下可以正常工作,并且,其菌株可长期干燥保存,浸泡后即恢复活性,为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。除微生物传感器外,一种光纤生物传感器已经研制出来,用于测定河水中较低的BOD值,该传感器的反应时间是15min,最适工作条件为30℃,pH=7,传感器系统几乎不受氯离子的影响(在1000mg/L范围内),并且,不被重金属(Fe3+,Cu2+,Mn2+,Cr3+,Zn2+)所影响,该传感器已经应用于河水BOD的测定,并且,获得了较好的结果。将BOD生物传感器经过光处理(即以TiO2作为半导体,采用6W灯照射约4min)后,灵敏度将大大提高,适用于河水中较低BOD的测量。一种紧凑的光学生物传感器也已经研制成功,能同时测量多种样品的BOD值,它使用3对发光二极管和硅光电二极管,假单胞细菌(pseudomonasfluorescens)用光致交联的树脂固定在反应器的底层,该测量方法既迅速又简便,在4℃下可使用6周,已被用于工厂废水处理。随着生物传感器在食品、医药、环境和过程监控等方面应用范围的扩大,要求传感器既不干扰测定对象而又不被测定对象中的其他相关组分影响,要满足这一要求,同时又能得出高精度的测量结果,不能只依靠对敏感元件的改进,而需要建立一套一体化、微型化的优化系统(包括进样、处理和测量)才能得到满意的结果。4生物医用纳米传感器的发展趋势生物传感器是极具有发展潜力的学科领域,作为知识经济的新增长点,它将促进生物技术产业和常规生物产业的发展,可为许多经济领域提供不可缺少的信息。新的快速分析方法、新的生物仪器设备的来源