生物傳感器技術(shù)

1、生物傳感器技術(shù)醫(yī)學(xué)中的生物技術(shù)報(bào)告簡(jiǎn)介生物傳感器(Biosensor)是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器；是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。生物傳感器是用生物活性材料與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活

2、性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。技術(shù)原理組成部分介紹生物傳感器主要由生物感應(yīng)元件和信號(hào)傳導(dǎo)器兩部分組成。可用來(lái)制作生物感應(yīng)元件的物質(zhì)有酶、酶組分、生物體、組織、細(xì)胞、抗體、核酸、有機(jī)物分子等，其主要功能是對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行選擇性作用，即被測(cè)物質(zhì)的識(shí)別。信號(hào)傳導(dǎo)器的主要形式有電視測(cè)量式、電流測(cè)量式、電導(dǎo)率測(cè)量式、阻抗測(cè)定式、光強(qiáng)測(cè)量式、熱量測(cè)定式、聲強(qiáng)測(cè)量式、機(jī)械式等，其主要功能是將生物元件與被測(cè)物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)?；竟ぷ髟?/p>

3、分子識(shí)別生物傳感器的基本工作原理是將具有分子識(shí)別功能的生物物質(zhì)通過(guò)特殊加工技術(shù)涂敷固定在固態(tài)載體上（如高分子膜），形成功能膜，當(dāng)其與被測(cè)物之相接觸時(shí)，膜內(nèi)的感應(yīng)物質(zhì)首先與被測(cè)物質(zhì)選擇性的進(jìn)行吸附，發(fā)生互相作用形成復(fù)合物，從而表現(xiàn)為化學(xué)變化、熱變化、光變化或直接產(chǎn)生電信號(hào)等方式。生物感應(yīng)元件通過(guò)產(chǎn)生的上述變化完成分子識(shí)別。信號(hào)轉(zhuǎn)換分子識(shí)別步驟中產(chǎn)生的各種變化，除了電信號(hào)可以直接被利用意外，其余變化需要進(jìn)行物理化學(xué)轉(zhuǎn)換才能被使用。化學(xué)變化、熱變化、光變化由信號(hào)傳導(dǎo)器轉(zhuǎn)化為容易輸出的且與待測(cè)物質(zhì)濃度成正比的電信號(hào)。信號(hào)傳輸經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線或無(wú)線電波等傳輸介質(zhì)傳輸?shù)侥康奶幚砥魃稀Ｐ盘?hào)顯示目的

4、處理器將接收到的電信號(hào)進(jìn)一步放大、處理、儲(chǔ)存達(dá)到測(cè)量記錄的目的。圖示上圖中的敏感元件即為之前原理介紹中的生物感應(yīng)元件，換能器即為信號(hào)傳導(dǎo)元件。被測(cè)物質(zhì)經(jīng)由分子識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)傳輸及信號(hào)處理完成整個(gè)生物感應(yīng)器的工作流程。技術(shù)應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用臨床醫(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，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(cè)。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測(cè)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(hào)的變化，根據(jù)這一變化，就可測(cè)定某種物質(zhì)的有無(wú)和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可

5、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、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來(lái)代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱(chēng)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(cè)谷酰胺、鳥(niǎo)嘌呤、過(guò)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(shì)，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(guò)程，有助于對(duì)疾病的及時(shí)診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測(cè)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(lèi)抗癌藥物的作用機(jī)理并測(cè)定了血液中

6、該類(lèi)藥物的濃度。軍事醫(yī)學(xué)軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)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(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類(lèi)毒素等。2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測(cè)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(cè)時(shí)間為3lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測(cè)霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測(cè)出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡(jiǎn)單。該方法能夠用于具有多個(gè)信號(hào)識(shí)

7、別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測(cè)。其他應(yīng)用食品工業(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?jìng)鞲衅鳈z測(cè)蘋(píng)果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近幾年，人們?nèi)罕妼?duì)食品安全重視程度越來(lái)越高，特別是食品中的農(nóng)藥殘留以及致病性微生物的檢測(cè)，民以食為天，食品中致病性微生物會(huì)對(duì)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(huì)引起食物中毒，要送醫(yī)院進(jìn)行搶救等。因此，必須要加強(qiáng)對(duì)食品中致病性微生物的檢測(cè)工作，Gossett 等研制了可用于檢測(cè)葡萄球菌腸毒素 B（SEB）的免疫傳感器。環(huán)境監(jiān)測(cè)生物傳感器已廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境污染物的檢測(cè)領(lǐng)域，比如用為生物傳感器對(duì)生物耗氧量的檢測(cè)，其工作原理是用

8、微生物的菌群作為電極，水中生物耗氧量的變化會(huì)引起水中微生物呼吸的變化，最終導(dǎo)致電極電流信號(hào)的變化。通過(guò)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)放大，從而檢測(cè)生物耗氧量。生物傳感器在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也得到很廣泛的應(yīng)用。發(fā)酵工業(yè)微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(lèi)、青霉素、乳酸等的測(cè)定。工作原理是用微生物電極與氧電極組成，通過(guò)測(cè)量氧電極電流變化來(lái)檢測(cè)耗氧量，從而達(dá)到測(cè)量待測(cè)物濃度的作用。在各種原材料中葡萄糖的測(cè)定是發(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(shí)消耗氧氣，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)氧含量，從而計(jì)算出葡萄糖的濃度。技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)成本低

9、，使用固定化酶作催化劑的傳感器課多次重復(fù)使用專(zhuān)一性好，只對(duì)特定的底物產(chǎn)生反應(yīng)，可以減少預(yù)處理分析速度快準(zhǔn)確性高操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析缺點(diǎn)生物活性單元具有不穩(wěn)定性和易變性，傳感器的穩(wěn)定性有影響。參考文獻(xiàn)： HYPERLINK /item/%E7%94%9F%E7%89%A9%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/16825127 l viewPageContent /item/%E7%94%9F%E7%89%A9%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/16825127#viewPageContent生物傳感器的研究現(xiàn)狀及展望 HYPERLINK /a/150954984_468626 /a/150954984_468626 HYPERLINK /article/88/142/2015/20150623374537.html /article/88/142/2015/20150623374537.html HYP