生物传感器技术发展现状和未来展望

上一篇 / 下一篇  2010-07-01 14:25:41

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  从上世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始,生物传感器的发展已经距今已有40 多年的历史了。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科,生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。随着社会的进一步信息化,生物传感器必将获得越来越广泛的应用。一、生物传感器的定义与其发展历史回顾

  作为生物,最基本特征之一就是能够对外界的各种刺激作出反应。其所以能够如此,首先是由于生物能感受外界的各类刺激信号,并将这些信号转换成体内信息处理系统所能接收并处理的信号。例如,人能通过眼、耳、鼻、舌、身等感觉器官将外界的光、声温度及其它各种化学和物理信号转换成人体内神经系统等信息处理系统能够接收和处理的信号。现代和未来的信息社会中,信息处理系统要对自然和社会的各种变化作出反应,首先需要通过传感器将外界的各种信息接下来并转换成信息系统中的信息处理单元(即计算机)能够接收和处理的信号。

  生物传感器定义为"使用固定化的生物分子(immobilized biomolecules)结合换能器,用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置"。生物传感器由两个主要关键部份所构成,一为来自于生物体分子、组织部份或个体细胞的分子辨认组件,此一组件为生物传感器信号接收或产生部份。另一为属于硬件仪器组件部份,主要为物理信号转换组件。因此,如何已生化方法分离、纯化甚或设计合成特定的生物活性分子(biological active materials),结合精确而且响应快速的物理换能器(transducers)组合成生物传感器反应系统,实为研究生物传感器的主要目的。

  生物传感器可以如上述的那样,依照其感受器中所采用的生命物质而称为组织传感器、细胞传感器、酶传感器等等,也可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等,还可根据其用途统称为免疫传感器。药物传感器等等。生物传感器中的信号转换器,与传统的转换器并没有本质的区别。例如,可以利用电化学电极、场效应管、热每器件、压电器件、光电器件等器件作为生物传感器中的信号转换器。依照信号转换器的不同,也可将生物传感器进行分类,如压电晶体生物传感器、场效应管生物传感器等。

  生物传感器的发展,自1962年Clark和Lyon两人提出酵素电极的观念以后,YSI公司于七零年代即积极投入商品化开发与生产,启开了第一代生物传感器于1979年投入医检市场,最早的商品为血糖测试用酵素电极。YSI公司的上市成功与八零年代电子信息业的蓬勃发展有很密切的关系,并且一举带动了生物传感器的研发热潮。Medisense公司继续以研发第一代酵素电极为主,于1988年由于成功的开发出调节(mediator)分子来加速响应时间与增强测试灵敏度而声名大噪,并以笔型(Pen 2)及信用卡型(companion 2)之便携式小型生物传感器产品,于1988年上市后立即袭卷70%以上的第一代产品市场,成为生物传感器业的盟主。第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件,换能器的选用则朝向更为多样化,诸如场效半导体(FET),光纤(FOS),压晶体管(PZ),表面声波器(SAW)等。虽然第二代的生物传感器,自八零年代中期即开始引起广泛的研发兴趣,但一般认为尚未达医检应用阶段,预定相关技术须待世纪末前方能成熟。目前可称的上第二代的生物传感器产品为1991年上市的瑞典商Pharmacia所推出的BIAcore与BIAlite两项产品。

  Pharmacia 公司于1985年成功地开发出表面薄膜共振技术(SPR, Surface Plasma Resonance),利用此一光学特性开发出可以于10-6g/ml到10-11g/ml之低浓度下,进行生物分子间交互作用的实时侦测式生物感测仪器。第三代的生物传感器定位在更具携带式,自动化,与实时测定功能。

  二、生物传感器的分类

  生物传感器微生物电子产品(bioelectronic product)。为了能够获得最佳的信号传递,固定化的生物组件通常与信号转换组件紧密地接合在一起。基本上,由信号产生方式(mode of signal generation)的不同,可以将生物传感器区分成两种主要类型:

  1.生物亲和性传感器 (Bioaffinity sensors)

  当固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结合(bioaffinity binding)时,造成生物分子形状改变与/或引起诸如荷电、厚度、质量、热量或光学等物理量的变化。此种经由分子辨认─结合类型的生物传感器有免疫传感器、化学受体传感器等,其分析可为荷尔蒙、蛋白质、醣类、抗原或抗体,而相对应的受体可为荷尔蒙受体、染剂、外源凝集素(lectins)、抗体或抗原等。

  2.生物催化型感应器(Biocatalytic biosensors)

  此类传感器之信号侦测并不在于分子辨认─结合的阶段,而且当固定划分子与待测物反应后,产生生化代谢物质,再经特定电极侦测特定代谢物后以电子讯号表现出来。最为人所熟悉的为属第一代生物传感器的酵素电极。目前有关此类生物传感器的两个主要研究发展方向为(1)使用酵素共轭物(enzyme conjugates)、环系酵素群(cycling enzymes)和系列酵素来组合生物传感器,(2)使用微生物细胞或动、植物组织切片或可渗透性细胞(permealized cells)等来当作分子辨认组件。

  三、生物传感器在当前的主要应用领域

  1.发酵工业

  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,微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用。

  2.食品工业

  生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来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含量,从而衡量水果的成熟度。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,也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。

  生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用:临床上用免疫传感器等生物传感器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,对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸,以及各种致癌和致变物质。

  4.环境监测

  环保问题已经引起了全球性的广泛关注,用于环境监测的专业仪器市场也越来越大,目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去,在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典,在水质检测过程都采用了生物冷光型的生物传感器。生物传感器因其具有快速,连续在线监测的优点,相信在未来,还会有更广泛的应用。

  四、未来的展望

  生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域,伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展,生物传感器的发展将会有以下新特点:

  1.功能更加全面,并向微型化发展

  未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步,生物传感器将不断地微型化,各种便携式生物传感器的出现使人们面前。

  2. 智能化程度更高

  未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合,能够自动采集数据、处理数据,可以更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。

  但是,要使生物传感器尽快被市场接受,还要具备以下条件:

  (1)足够的敏感性和准确性。

  (2)操作简单。

  (3)价格便宜,容易进行批量生产。

  (4)生产过程中进行质量监测。

  (5)使用寿命长。

  相信随着一些关键技术(如固定化技术)的进一步完善,随着人们对生物体认识的不断深入,随着各学科的不断发展,生物传感器必将在未来必将会更大的作为。

 


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