生物傳感器及其應(yīng)用

   生物傳感器是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。 最早的生物傳感器發(fā)明于1962年，英國Clark利用不同的物質(zhì)與不同的酶層發(fā)生反應(yīng)的工作原理，在傳統(tǒng)的離子選擇性電極上固定了具有生物功能選擇的酶，從而構(gòu)成了最早的生物傳感器一一酶電極。生物傳感器的研究全面展開是在20世紀(jì)80年代，20多年來發(fā)展迅速，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面得到了高度重視和廣泛應(yīng)用。目前，生物傳感器正進(jìn)人全面深人研究開發(fā) 時(shí)期，各種微型化、集成化、智能化、實(shí)用化的生物傳感器與系統(tǒng)越來越多。相信在不久的將來，生物傳感器的面貌會(huì)煥然一新。



1  工作原理及分類

1.1  工作原理

        傳感器主要由信號檢測器和信號轉(zhuǎn)換器組成，它能夠感受一定的信號并將這種信號轉(zhuǎn)換成信息處理系統(tǒng)便于接收和處理的信號， 如電信號、光信號等。生物傳感器是利用生物分子探測生物反應(yīng)信息的器件。換句話說，它是利用生物的或有生命物質(zhì)分子的識別功能與信號轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，將生物 反應(yīng)所引起的化學(xué)、物理變化變換成電信號、光信號等。

        Rogers等人將生物傳感器定義為:由生物識別單元，如酶、微生物、抗體等和物理轉(zhuǎn)換器相結(jié)合所構(gòu)成的分析儀器，生物部分產(chǎn)生的信號可轉(zhuǎn)換為電化學(xué)信號、光學(xué)信號、聲信號而被檢測�？梢姡�任何一個(gè)生物傳感器都具有兩種功能，即分子識別和信號轉(zhuǎn)換功能。

1.2  主要分類

        生物傳感器的分類方式很多，但根據(jù)生物學(xué)和電子工程學(xué)各自的范疇，主要有以下兩種分類方式。

        (1)根據(jù)生物傳感器中信號檢測器上的敏感物質(zhì)分類

        生物傳感器與其它傳感器的最大區(qū)別在于生物傳感器的信號檢側(cè)器中含有敏感的生命物質(zhì)。這些敏感物質(zhì)有酶、微生物、動(dòng)植物 組織、細(xì)胞器、抗原和抗體等。根據(jù)敏感物質(zhì)的不同，生物傳感器可分酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。生物學(xué)工作者習(xí)慣于 采用這種分類方法。

        (2)根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器分類

        生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。例如:可以利用電化學(xué)電極、場效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電器 件、聲學(xué)裝置等作為生物傳感器中的信號轉(zhuǎn)換器。據(jù)此又將傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物 傳感器等。電子工程學(xué)工作者習(xí)慣于采用這種分類方法。

        當(dāng)然，以上兩種分類方法之間可以互相交叉.例如:微生物傳感器又可以分成電化學(xué)微生物傳感器，測熱型微生物傳感器等�？傊�，生物傳感器種類繁多，內(nèi)容廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)容也將不斷豐富。



2  研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1  食品工業(yè)

        生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。

        (1)食品成分分析

        在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。

        Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為lnM。

        (2)食品添加劑的分析

        亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中 的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為0-6的四次方mol/L。又如飲料、布丁、昔等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結(jié)合氨電極測定，線性 范圍為2x  10^-5-  1  x  lO^-3mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報(bào)道。

        (3)農(nóng)藥殘留量分析

        近年來，人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強(qiáng)對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。

        Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10^-7 mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯(lián)法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制成一 種可檢測濃度為10^-10 mol/L的對氧磷和10^-11mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農(nóng)藥的殘留。

        (4)微生物和毒素的檢驗(yàn)

        食品中病原性微生物的存在會(huì)給消費(fèi)者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強(qiáng)對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關(guān)重要。

        食用牛肉很容易被大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157.H7一類的細(xì) 菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾min內(nèi)檢測出食物中的病原體(如大腸桿菌0157.H7.)，而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。

        還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號。已達(dá)到的檢測極限為16.2ng/ml。一天可以檢測20個(gè)牛奶樣品。

        (5)食品鮮度的檢測

        食品工業(yè)中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏 感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌昔(IMP)肌昔(IIXR)和次黃嗓吟(HX)的濃度，從而評價(jià)魚的鮮度，其線性范圍為 5x10^-10 -2x10^-4 mol/L。

2.2  環(huán)境監(jiān)測

        近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。目前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。

        (1)水環(huán)境監(jiān)測

        生化需氧量(BOD)是一種廣泛采用的表征有機(jī)污染程度的綜合性指標(biāo)。在水體監(jiān)測和污水處理廠的運(yùn)行控制中，生化需氧量 也是最常用、最重要的指標(biāo)之一。常規(guī)的BOD測定需要5d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時(shí)耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場監(jiān)測。 SiyaWakin  等人利用一種毛抱子菌(Trichosporoncutaneum)和芽抱桿菌 (Bacillus  licheniformis)制作一種微生物  BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時(shí)精確測量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測量范圍 為0.5-40mg/L，靈敏度為5.84  nA/mgL。該生物傳感器穩(wěn)定性好，在58次實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.0362。所需反應(yīng)時(shí)間為5- 10min。

        NO₃離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能 場效應(yīng)管裝置檢測NO_3^-離子的方法。該裝置對NO,’離子的檢測極限為7x  10^-5mol，響應(yīng)時(shí)間不到50s，系統(tǒng)操作時(shí)間約為85s。

        此外，還有報(bào)道Han等人將假單胞菌固定在抓離子電極上，實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)廢水中三氯乙烯，檢測范圍0.1--4  mg/L，檢測時(shí)間在l0min內(nèi)。

        (2)大氣環(huán)境監(jiān)測

        二氧化硫(S0₂)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)胞類脂類(含亞硫酸鹽氧化 酶的肝微粒體)固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S0₂形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測，l0min可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。

        NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時(shí)也是光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)�。Charles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì) 菌和氧電極組成的微生物傳感器來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0.01  x l0^-6 mo1/L。

2.3  發(fā)酵工業(yè)

        在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。

        (1)原材料及代謝產(chǎn)物的測定

        微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料(如糖蜜、乙酸等)和代謝產(chǎn)物(如頭抱霉素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等)。 測量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達(dá)到測量底 物濃度的目的。

        2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細(xì)胞生物傳感器用于測量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，13s 內(nèi)可以完成測量，測量靈敏度為3.SnAlnmol.L^-1。該微生物傳感器的檢測極限為0.85nmo1.L^-1，測量范圍為2-270nmo1.L^{- 1},穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。

        (2)微生物細(xì)胞數(shù)目的測定

        發(fā)酵液中細(xì)胞數(shù)的測定是重要的。細(xì)胞數(shù)(菌體濃度)即單位發(fā)酵液中的細(xì)胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用 顯微計(jì)數(shù)方法測定，這種測定方法耗時(shí)較多，不適于連續(xù)測定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測定細(xì)胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn):在陽極(Pt)表面 上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞目的側(cè)定。側(cè)定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計(jì)數(shù)法測定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感 器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。

2.4  醫(yī)學(xué)

        醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因?yàn)槠鋵Ｒ弧㈧`敏、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣的應(yīng)用前景。

        (1)臨床醫(yī)學(xué)

        在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，目前，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨 酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測。其原理是:用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng) 可轉(zhuǎn)換成電信號的變化，根據(jù)這一變化，就可測定某種物質(zhì)的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳 感器有葡萄糖、乙醉、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南 瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。

        DNA傳感器是目前生物傳感器中報(bào)道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從 DNA、RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時(shí)診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮 點(diǎn)。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機(jī)理并測定了血液中該類藥物的濃度。

        (2)軍事醫(yī)學(xué)

        在軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時(shí)快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。

        2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B,蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測 時(shí)間為3-l0min，靈敏度分別為10，50mg/L,5  x  10⁵，和5x10⁴cfu/ml。  Song等人制成了檢測霍亂病 毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測出低于1  x  l0^-5 mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。 該方法能夠用于具有多個(gè)信號識別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測。

        此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。



3  前景與展望

        近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動(dòng)，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。但是，目前，生物傳感器的廣泛應(yīng)用 仍面臨著一些困難，今后一段時(shí)間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強(qiáng)、選擇性高的生物傳感元件;提高信號檢測器的使用壽命;提高信號轉(zhuǎn)換器的使 用壽命;生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題�？梢灶A(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點(diǎn)。

3.1  功能多樣化

        未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。目前，生物傳感器研究中的 重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，這就是仿生傳感器，也稱為以生物系統(tǒng)為模型的生物傳感器。
3.2  微型化
        隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進(jìn)行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。

3.3  智能化集成化
        未來的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測的自動(dòng)化系統(tǒng)。同時(shí)，芯片技術(shù)將愈加進(jìn)人傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。

3.4  低成本高靈教度高穗定性高壽命

        生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和壽命。這些特性的改善也會(huì)加速生物傳感器市場化，商品化的進(jìn)程。在不久的將來，生物傳感器會(huì)給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應(yīng)用前景，必將在市場上大放異彩。