淺談生物傳感器研究現(xiàn)狀與展望范文

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摘要：生物傳感器是利用生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)原理，將生物化學(xué)反應(yīng)信號通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號、電信號的分析檢測儀器，具有使用方便、快速、準(zhǔn)確靈敏度高等特點。本文主要介紹了微生物細(xì)胞傳感器、酶傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和DNA傳感器的主要特點以及在環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：生物傳感器；環(huán)境監(jiān)測；生物醫(yī)學(xué)

引言

1962年，Clark和Lyons通過葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反應(yīng)的原理來制成了第一個酶傳感器，早期的生物傳感器主要是以酶傳感器為主，由于酶的價格高活性不穩(wěn)定，影響了酶傳感器的發(fā)展和應(yīng)用。隨著微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各類新型微生物電極傳感器，微生物電極以微生物活體作為敏感元件，具有成本低、靈敏度高、對目標(biāo)檢測物具有高度選擇性等優(yōu)點，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1生物傳感器的工作原理

生物傳感器由分子識別元件和信號轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，分子識別元件由生物活性物質(zhì)構(gòu)成，用分子識別元件識別目標(biāo)檢測物，然后產(chǎn)生某種物理或化學(xué)變化，分子識別元件是生物傳感器選擇性檢測的基礎(chǔ)，信號轉(zhuǎn)換器即換能器，可以將生物識別反應(yīng)產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為可以被檢測到的信號。當(dāng)分子識別元件與被檢測物特異性結(jié)合后，產(chǎn)生的信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成光信號或電信號等，發(fā)生的信號經(jīng)過檢測、分析。在設(shè)計生物傳感器時，選擇適合于待測物的敏感元件，是非常重要的前提，依據(jù)敏感元件所引起的物理或化學(xué)變化來選擇換能器，是設(shè)計生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)[1]。

2生物傳感器的分類

2.1酶傳感器酶傳感器是研究

最早和最多的生物傳感器之一，是以生物活性物質(zhì)比如酶、核酸、細(xì)胞等物質(zhì)作為敏感元件，利用生化反應(yīng)所產(chǎn)生的或消耗的物質(zhì)的量，將電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后用電化學(xué)測量裝置（電極）定量地檢測反應(yīng)中生成或消耗的生物活性物質(zhì)，通過分析待測物與檢測的電信號之間的關(guān)系分析測定目標(biāo)物的過程。常見的酶傳感器有葡萄糖傳感器、尿素傳感器、膽固醇傳感器等，由于具有良好的穩(wěn)定性能，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.2免疫傳感器

免疫傳感器是基于抗原抗體特異性識別功能的原理研制成的，將抗原或抗體固定在載體上，用于檢測待測物及其濃度的生物傳感器。由于免疫傳感器技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、使用簡便及成本低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)與生物監(jiān)測技術(shù)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與處理等領(lǐng)域[2]。電化學(xué)免疫傳感器是一種新型免疫傳感器，能夠?qū)乖蚩贵w進(jìn)行動態(tài)定量測定。HaoChen研制出用于白血病細(xì)胞K562A的壓電免疫傳感器，可以定量檢測白血病細(xì)胞K562A的濃度范圍[3]，并能動態(tài)監(jiān)測免疫化學(xué)反應(yīng)過程，YaoC等研制出用于乙肝病毒的壓電石英免疫傳感器，具有檢測速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，特異性高等特點[4]。

2.3微生物細(xì)胞傳感器

微生物細(xì)胞傳感器是以微生物細(xì)胞作為生物敏感元件，能夠快速監(jiān)測環(huán)境中的各種污染物的分析裝置，其特點是特異性強(qiáng)、檢測速度快、操作簡單、在極低的濃度下，可以檢測空氣、土壤及環(huán)境中的毒性物質(zhì)。微生物細(xì)胞傳感器的敏感元件是微生物細(xì)胞，可以經(jīng)過遺傳工程重構(gòu)，形成對環(huán)境中某種特殊物質(zhì)產(chǎn)生生化反應(yīng)，從而產(chǎn)生被檢測到的信號。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，微生物細(xì)胞傳感器從利用菌類表達(dá)發(fā)光到導(dǎo)入熒光蛋白基因使微生物細(xì)胞發(fā)光，報告基因表達(dá)后可以產(chǎn)生被檢測到的光信號，通過信號轉(zhuǎn)換器將檢測到的光信號放大、分析，通過對光信號的分析就可以定量檢測目標(biāo)物的濃度。目前，我國的環(huán)境污染情況不容樂觀，出現(xiàn)了許多新的污染物，因此，對污染物的精準(zhǔn)檢測要求也越來越高，結(jié)合微生物細(xì)胞傳感器的自身特點，對環(huán)境中各類污染物的檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

3生物傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1食品工業(yè)生物傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域，比如用酶傳感器檢測蘋果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近幾年，人們?nèi)罕妼κ称钒踩匾暢潭仍絹碓礁撸貏e是食品中的農(nóng)藥殘留以及致病性微生物的檢測，民以食為天，食品中致病性微生物會對消費(fèi)者的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，輕者，胃腸道不適、惡心、嘔吐，嚴(yán)重者，會引起食物中毒，要送醫(yī)：進(jìn)行搶救等。因此，必須要加強(qiáng)對食品中致病性微生物的檢測工作，Gossett等研制了可用于檢測葡萄球菌腸毒素B（SEB）的免疫傳感器，當(dāng)樣品溶液流速為1mL轅min時，其檢測范圍為12.5耀50pg/mL[7]。

3.2環(huán)境監(jiān)測

生物傳感器已廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境污染物的監(jiān)測領(lǐng)域，比如用微生物傳感器對生物耗氧量（BOD）的監(jiān)測，其工作原理是用微生物的菌群作為電極，水中生物耗氧量（BOD）的變化會引起水中微生物呼吸的變化，最終導(dǎo)致電極電流信號的變化，通過轉(zhuǎn)換器將電信號放大，從而檢測出生物耗氧量的含量。生物傳感器在大氣監(jiān)測領(lǐng)域也得到較好的應(yīng)用，比如馬莉等支撐了安培型生物傳感器，利用肝微粒體氧化亞硫酸鹽同時，降低氧電極周圍的氧濃度，產(chǎn)生電流信號變化，監(jiān)測出亞硫酸鹽的濃度，從而分析樣品中SO2的濃度[8]。

3.3發(fā)酵工業(yè)

微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單等特點，非常適合發(fā)酵工業(yè)的應(yīng)用，微生物傳感器可應(yīng)用于乙酸、頭孢霉素、谷氨酸、醇類、青霉素、乳酸等的測定。工作原理是用微生物電極與氧電極組成，通過測量氧電極電流的變化來監(jiān)測耗氧量，從而達(dá)到測量出待測物濃度。在各種原材料中葡萄糖的測定發(fā)酵工業(yè)的重要指標(biāo)之一，用葡萄糖氧化酶的氧化作用，催化葡萄糖的同時消耗氧，通過傳感器監(jiān)測氧含量，從而計算出葡萄糖的濃度。目前，葡萄糖酶電極傳感器已經(jīng)使用十分廣泛。

3.4生物醫(yī)學(xué)

酶傳感器、免疫傳感器及微生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域起著非常重要的作用。其中DNA傳感器是近幾年發(fā)展的熱點，是以已知核苷酸序列的DNA固化在載體上，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補(bǔ)序列的DNA識別，形成穩(wěn)定的雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換器對聲、光及電信號放大、分析，用于檢測目標(biāo)DNA[9]。DNA生物傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、疾病診斷及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

4展望

生物傳感器主要應(yīng)用了生物信息學(xué)、生物芯片、生物計算機(jī)、生物控制學(xué)及材料學(xué)等多學(xué)科的最新前沿知識，微型化、智能化及集成化是生物傳感器未來的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來的生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化檢測，使用更加方便、靈敏度更高，進(jìn)一步拓寬生物傳感器的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]張先恩.生物傳感器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1-15.

[5]陳高，董元華.微生物細(xì)胞傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報，2008，45（2）：348-354.

[6]蔡豪斌.微生物活細(xì)胞檢測生物傳感器的研究[J].華夏醫(yī)學(xué)，2000，13（3）：252-256.

[8]馬莉，崔建升，王曉輝.微生物傳感器研究進(jìn)展[J].河北工業(yè)科技，2004，21（6）：50-53.

作者：高勇 郭艷 安維 張娟麗 單位：河南省食品藥品審評查驗中心