生物传感器应用及展望

上一篇 / 下一篇  2010-07-07 15:15:32 / 个人分类:生物传感器

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  0 引言

  有人把21世纪称为生命科学的世纪,也有人把21世纪称为信息科学的世纪。

  生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。 最早的生物传感器发明于1962年,英国Clark利用不同的物质与不同的酶层发生反应的工作原理,在传统的离子选择性电极上固定了具有生物功能选择的酶,从而构成了最早的生物传感器一一酶电极。生物传感器的研究全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。目前,生物传感器正进人全面深人研究开发时期,各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。相信在不久的将来,生物传感器的面貌会焕然一新。

  1 工作原理及分类

  1.1 工作原理

  传感器主要由信号检测器和信号转换器组成,它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号,如电信号、光信号等。生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件。换句话说,它是利用生物的或有生命物质分子的识别功能与信号转换器相结合,将生物反应所引起的化学、物理变化变换成电信号、光信号等。

  Rogers等人将生物传感器定义为:由生物识别单元,如酶、微生物、抗体等和物理转换器相结合所构成的分析仪器,生物部分产生的信号可转换为电化学信号、光学信号、声信号而被检测。可见,任何一个生物传感器都具有两种功能,即分子识别和信号转换功能。

  1.2 主要分类

  生物传感器的分类方式很多,但根据生物学和电子工程学各自的范畴,主要有以下两种分类方式。

  (1)根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分类

  生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同,生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。

  (2)根据生物传感器的信号转换器分类

  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、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法。

  当然,以上两种分类方法之间可以互相交叉.例如:微生物传感器又可以分成电化学微生物传感器,测热型微生物传感器等。总之,生物传感器种类繁多,内容广泛,随着科学技术的不断发展,其内容也将不断丰富。

  2 研究现状及主要应用领域

  2.1 食品工业

  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。

  (1)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、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类,如果糖,啤酒、麦芽汁中的麦芽糖,也有成熟的测定传感器。

  Niculescu等人研制出一种安培生物传感器,可用于检测饮料中的乙醇含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中,酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中,该生物传感器对乙醇的测量极限为lnM。

  (2)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盐含量,测定的线性范围为0-6的四次方mol/L。又如饮料、布丁、昔等食品中的甜味素,Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定,线性范围为2x 10的负五次方- 1 x lO的负三次方mol/L。此外,也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。

  (3)农药残留量分析

  近年来,人们对食品中的农药残留问题越来越重视,各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。

  Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器,利用有机磷杀虫剂水解酶,对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol,在40℃下测定只要4min。 Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面,制成一种可检测浓度为10的负10次方mol/L的对氧磷和10的负11次方 mol/L的克百威的生物传感器,可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。

  (4)微生物和毒素的检验

  食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害,食品中毒素不仅种类很多而且毒性大,大多有致癌、致畸、致突变作用,因此,加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。

  食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染,因此,需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌 0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几min内检测出食物中的病原体(如大肠杆菌0157.H7.),而传统的方法则需要几d。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1d时间,而传统方法需要4d。

  还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物,它是基于细胞质基因组的反应,通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为 16.2ng/ml。一天可以检测20个牛奶样品。

  (5)食品鲜度的检测

  食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。Volpe等人以黄嗦吟氧化酶为生物敏感材料,结合过氧化氢电极,通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌昔(IMP) 肌昔(IIXR)和次黄嗓吟(HX)的浓度,从而评价鱼的鲜度,其线性范围为5x10的负10次方-2x10的负4次方mol/L。

  2.2 环境监测

  近年来,环境污染问题日益严重,人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器,生物传感器满足了人们的要求。目前,已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。

  (1)水环境监测

  生化需氧量(BOD)是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中,生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期,而且操作复杂,重复性差,耗时耗力,干扰性大,不适合现场监测。SiyaWakin 等人利用一种毛抱子菌(Trichosporoncutaneum)和芽抱杆菌(Bacillus licheniformis)制作一种微生物 BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度。测量范围为0.5-40mg/L,灵敏度为5.84 nA/mgL。该生物传感器稳定性好,在58次实验中,标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5-lOmin。

  NO3离子是主要的水污染物之一,如果添加到食品中,对人体的健康极其有害。Zatsll等人提出了一种整体化酶功能场效应管装置检测NO;离子的方法。该装置对NO,’离子的检测极限为7x 10的负5次方mol,响应时间不到50s,系统操作时间约为85s。

  此外,还有报道Han等人将假单胞菌固定在抓离子电极上,实时监测工业废水中三氯乙烯,检测范围0.1一4 mg/L,检测时间在lOmin内。

  (2)大气环境监测

  二氧化硫(S02)是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。Martyr等人将亚细胞类脂类(含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体)固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器,对S02形成的酸雨酸雾样品溶液进行检测,lOmin可以得到稳定的测试结果。

  NOx不仅是造成酸雨酸雾的原因之一,同时也是光化学烟雾的罪魁祸首。Charles等人用多孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器来测定样品中亚硝酸盐含量,从而推知空气中NO=的浓度。其检测极限为0.01 x l0负6次方mo1/L。

  2.3 发酵工业

  在各种生物传感器中,微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、可能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此,在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。

  (1)原材料及代谢产物的测定

  微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料(如糖蜜、乙酸等)和代谢产物(如头抱霉素、谷氨酸、甲酸、醇类、乳酸等)。测量的装置基本上都是由适合的微生物电极与氧电极组成,原理是利用微生物的同化作用耗氧,通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量,从而达到测量底物浓度的目的。

  2002年,Tkac等人将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵工业中的乙醇含量,13s内可以完成测量,测量灵敏度为3.SnAlnmol.L-1。该微生物传感器的检测极限为 0.85nmo1.L-1,测量范围为2-270nmo1.L-1,稳定性能很好。在连续8.5h的检测中,灵敏度没有任何降低。

  (2) 微生物细胞数目的测定

  发酵液中细胞数的测定是重要的。细胞数(菌体浓度)即单位发酵液中的细胞数量。一般情况下,需取一定的发酵液样品,采用显微计数方法测定,这种测定方法耗时较多,不适于连续测定。在发酵控制方面迫切需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现:在阳极 (Pt)表面上,菌体可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统可以应用于细胞目的侧定。侧定结果与常规的细胞计数法测定的数值相近。利用这种电化学微生物细胞数传感器可以实现菌体浓度连续、在线的测定。

  2.4 医学

  医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。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方法,而且因为其专一、灵敏、响应快等特点,在军事医学方面,也具有广的应用前景。

  (1) 临床医学

  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,目前,已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、转氨酶等物质的检测。其原理是:用固定化技术将酶装在生物敏感膜上,检测样品中若含有相应的酶底物,则可反应产生可接受的信息物质,指示电极发生响应可转换成电信号的变化,根据这一变化,就可测定某种物质的有无和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶,可制成微生物传感器,在临床中应用的微生物传感器有葡萄糖、乙醉、胆固醇等传感器。若选择适宜的含某种酶较多的组织,来代替相应的酶制成的传感器称为生物电极传感器。如用猪肾、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黄瓜叶制成的传感器,可分别用于检测谷酰胺、鸟嘌呤、过氧化氢、酪氨酸、维生素C和胱氨酸等。

  DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种,用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势,它可以帮助医生从DNA ,RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程,有助于对疾病的及时诊断和治疗。此外,进行药物检测也是DNA传感器的一大亮点。 Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并测定了血液中该类药物的浓度。

  (2)军事医学

  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,如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、肉毒杆菌类毒素等。

  2000年,美军报道已研制出可检测葡萄球菌肠毒素B,蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒杆菌等4种生物战剂的免疫传感器。检测时间为3-lOmin,灵敏度分别为10,5Omg/L,5 x 10的5次方,和5x10的4次方cfu/ml。 Song等人制成了检测霍乱病毒的生物传感器。该生物传感器能在30min内检测出低于1 x l O的负5次方mol/L的霍乱毒素,而且有较高的敏感性和选择性,操作简单。该方法能够用于具有多个信号识别位点的蛋白质毒素和病原体的检测。

  此外,在法医学中,生物传感器可用作DNA鉴定和亲子认证等。

  3 前景与展望

  近年来,随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动,生物传感器技术飞速发展。但是,目前,生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难,今后一段时间里,生物传感器的研究工作将主要围绕选择活性强、选择性高的生物传感元件;提高信号检测器的使用寿命;提高信号转换器的使用寿命;生物响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。可以预见,未来的生物传感器将具有以下特点。

  3.1 功能多样化

  未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前,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、嗅觉、味觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,这就是仿生传感器,也称为以生物系统为模型的生物传感器。

  3.2 微型化

  随着微加工技术和纳米技术的进步,生物传感器将不断的微型化,各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断,在市场上直接检测食品成为可能。

  3.3 智能化集成化

  未来的生物传感器必定与计算机紧密结合,自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将愈加进人传感器,实现检测系统的集成化、一体化。

  3.4 低成本高灵教度高穗定性高寿命

  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。在不久的将来,生物传感器会给人们的生活带来巨大的变化,它具有广阔的应用前景,必将在市场上大放异彩。

 

 

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