生物傳感器的研究與應(yīng)用

生物傳感器的研究與應(yīng)用

0微生物電極傳感器生物傳感器是一種多學科的綜合集成技術(shù)，在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)甚至人們生活中發(fā)揮著重要作用。在最初15年里,生物傳感器主要以酶作為敏感材料,但是,由于酶的價格昂貴,且性能又不夠穩(wěn)定,所以,其應(yīng)用受到一定的限制。近些年來,隨著微生物固定化技術(shù)地不斷發(fā)展,各類新型生物傳感器不斷涌現(xiàn),產(chǎn)生了微生物電極傳感器。微生物電極以微生物活體作為分子識別敏感物質(zhì),能快速、準確地測量物理、化學和生物量,在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學研究、食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。目前,光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛,而且,隨著聚合酶鏈式反應(yīng)(polyerasechainreaction,PCR)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。20世紀80年代初,新興起一種表面等離子體共振(surfaceplasmonresonce,SPR)技術(shù)將生物傳感器的發(fā)展推向一個新的階段。1電化學傳感器主要作用機理生物傳感器是以固定化的生物成分(酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等)或生物體本身(細胞、微生物、組織等)為敏感材料、與適當?shù)幕瘜W換能器相結(jié)合產(chǎn)生的一種快速檢測各種物理、化學和生物量的器件。它通過各種物理、化學換能器捕捉目標物與敏感材料之間的反應(yīng),然后,將反應(yīng)的程度轉(zhuǎn)變成電信號,根據(jù)電信號推算出被測量的大小。敏感材料是對目標物進行選擇性作用的生物活性單元。最先被使用的是具有高度選擇催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等),或是以化學方法(交聯(lián)、聚合等)被固定在化學傳感器的敏感膜中,然后,以化學電極作為換能器測定酶催化目標物反應(yīng)所生成的特定產(chǎn)物的濃度,從而間接地測定目標物的濃度。隨著物理檢測手段的引入,人們已成功地把抗體、DNA聚合物、核酸、細胞受體和完整細胞等具有特異選擇性作用功能的生物活性單元用作了敏感材料。換能器是能捕捉敏感材料與目標物之間的作用過程的器件。最早應(yīng)用的換能器就是前面所提到的電化學傳感器。這類換能器既可以是電位型的也可以是電流型的,所不同的是前者測量零電流下電極表面的電荷密度變化,后者測量恒定電壓下工作電極在反應(yīng)過程中的電流變化。2生物傳感器技術(shù)的發(fā)展1962年,Clark在紐約自然科學學會的論文集中首次提出了“在化學電極的敏感膜中加入酶以實現(xiàn)對目標物進行選擇性分析”的設(shè)想。1967年,Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧電極組裝在一起,制成了第一代生物傳感器。經(jīng)過40年地不斷發(fā)展,隨著研究的深入,各種物理手段不斷地被引入到生物傳感器,當今的生物傳感技術(shù)日新月異。1975年,熱酶探針(thermalenzymeprobe)和酶熱敏電阻器(tnzymethermistor)分別研制成功。1980年,在光學傳感器—光極(optode)的基礎(chǔ)上,Lubbers等人研制成了測量乙醇的光學生物傳感器。這些換能器都是通過測定生化反應(yīng)中的產(chǎn)物、熱效應(yīng)或是光效應(yīng)而間接地測定目標物的。20世紀70年代起,人們就開始尋求一種可以直接捕捉敏感源與目標物之間結(jié)合過程(如,抗體與抗原的結(jié)合)的換能器。直到1983年,Leiberg等人發(fā)表了一篇采用表面等離子體共振(SPR)技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測親合反應(yīng)的報道后,這一問題才得到解決,這一技術(shù)隨即促成了免疫傳感器的產(chǎn)生。另外,在酶電極中還廣泛應(yīng)用著一種促進酶活性中心與電極表面之間電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)——介體(mediator)。1976年,可溶性的六氰合鐵酸鹽首次被作為介體加入敏感膜中充當酶與電極之間的電子傳遞劑,以提高傳感器的性能?，F(xiàn)在,介體已廣泛應(yīng)用于電流型酶電極制作中。Medisense公司繼續(xù)以研發(fā)第一代酵素電極為主,1984年,Turner等人報道了用二茂鐵及其衍生物作為氧化還原酶的介體以制造廉價酶電極的方法。很快MediSense公司便以此為基礎(chǔ)發(fā)展了能大規(guī)模生產(chǎn)具有高重現(xiàn)性酶電極的絲網(wǎng)印刷技術(shù),該技術(shù)推動了生物傳感器的發(fā)展。20世紀90年代初,生物傳感器的研究進入第二階段,這時期的生物傳感器為第二代。第二代生物傳感器的特點是使用抗體或受體蛋白作分子識別組件,換能器的選用則更為多樣化,諸如場效應(yīng)管(FET),光纖(FOS),壓電晶體(PZ),聲表面波(SAW)器件等。目前,第二代的生物傳感器的代表產(chǎn)品為1991年上市的瑞典商家Pharmacia所推出的BIAcore與BIAlite兩項產(chǎn)品。1996年,Turner等人研制的一種以DNA為敏感源的傳感器,利用液晶分散技術(shù),將DNA聚陽離子配合物固定在換能器上,所有能影響DNA分子間交聯(lián)度的化學和物理因素均能被靈敏地捕獲,并反映為一個強的、具有“指紋”結(jié)構(gòu)的圓二色譜吸收峰。21世紀發(fā)展的生物傳感器為第三代產(chǎn)品,隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進步,生物傳感器不斷地向微型化、集成化方向發(fā)展,便攜式測試儀已得到快速發(fā)展。過去4年中,生物傳感器研發(fā)的方向有了顯著變化,許多新的生物技術(shù)的出現(xiàn),如,生物表達化學、表面定性、分子標記以及納米科技,帶動了生物傳感器在各種環(huán)境下應(yīng)用的增長。當今,納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用,使其研究進入嶄新階段。納米顆粒對酶生物傳感器的敏感性有增強作用,酶電極的性能是由酶的催化活性、酶活性中心和電極表面之間電子交換速率決定的。納米顆粒比表面積大、表面自由能高,吸附能力較強,使更多的酶分子可以固定在納米顆粒表面。另外,由于納米顆粒尺寸很小,有可能與酶內(nèi)部的親水基團發(fā)生作用,從而引起酶構(gòu)型上的變化。這種變化使得酶的活性中心更接近底物,提高了酶的催化效率。比如:納米Au顆粒是電的良導體,具有很好的生物相容性,而改性納米SiO2顆粒對生物分子又具有很好的選擇吸附性。因此,可望實現(xiàn)納米Au和SiO2顆粒與酶分子活性中心及電極表面之間的直接電化學作用,大大增強生物傳感器的靈敏度。在生物傳感器研究領(lǐng)域內(nèi),集納米技術(shù)、生物技術(shù)和自組裝方法于一體,實現(xiàn)具有高酶活性的三維有序組裝制備生物傳感器的報道不多。從已有的一些報道來看,加入納米粒子后制備的生物傳感器的靈敏度得到了很大提高。響應(yīng)時間的縮短,檢測的線性范圍的增大,都表明了生物傳感器性能的提高。Morrin等人基于可加工的傳導聚苯胺納米顆粒制成了生物傳感器。國內(nèi)外學者還對納米顆粒增強葡萄糖氧化酶(GOD)生物傳感器開展了大量研究。結(jié)果表明:葡萄糖生物傳感器具有選擇性高、測試簡便、快速的特點,是檢測葡萄糖濃度最常用的方法。人的血液和體液中含有許多干擾物質(zhì),通過引入納米顆粒,還可以改善葡萄糖傳感器抗干擾性能。我國生物傳感器研究始于20世紀80年代初,20世紀90年代是我國生物傳感器應(yīng)用取得較大發(fā)展的10年,山東省科學院生物研究所是國內(nèi)首家在該方面研究開發(fā)取得成功的單位,從1983年到1998年已研制成功了10多項產(chǎn)品,有的成果達到國際先進水平。以SBA-40型和50型生物傳感分析儀為代表,儀器集成了許多智能化操作程序,其主程序可方便地滿足多種自動測定要求。具有多酶協(xié)同作用的復合酶膜生物傳感器,通過自動測定程序?qū)崿F(xiàn)了糖化酶活性的快速自動測量,應(yīng)用雙電極差分的方法實現(xiàn)了難以分析的生化樣品測定,包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麥芽糖等。在20世紀90年代中期,生物傳感分析儀品種得到更新?lián)Q代,還建立了相關(guān)的國家標準。3生物傳感器的應(yīng)用研究[11、12、13、14、15、16、17、18、19和20]3.1生物傳感器技術(shù)生物傳感器在醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型檢測方法,而且,因其專一、靈敏、響應(yīng)快等特點,在軍事醫(yī)學方面,也具有廣闊的應(yīng)用前景。在臨床醫(yī)學中,酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。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。免疫傳感器等生物傳感器可用來檢測體液中的各種化學成分,為醫(yī)生的診斷提供依據(jù)。在軍事醫(yī)學中,對生物毒素地及時、快速檢測是防御生化武器的有效措施,生物傳感器除用于監(jiān)測多種細菌、病毒及其毒素,還可以用來測量乙酸、乳酸、乳糖尿酸、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸,以及各種致癌物質(zhì)。生物傳感器技術(shù)的不斷進步,必然要求不斷降低產(chǎn)品成本,提高靈敏度、穩(wěn)定性和延長使用壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化、商品化的進程。1975年,YellowSpringsInstrument公司首次成功地將葡萄糖酶電極推向市場。1976年,Miles公司將酶電極用于人造胰臟中的血糖監(jiān)控。1987年,MediSense公司推出絲網(wǎng)印刷電極。1990年,Pharmacia公司將SPR技術(shù)市場化。目前,Quantech公司也正準備以SPR技術(shù)為基礎(chǔ)推出一系列用于診斷早期心肌梗塞的儀器。據(jù)KaloramaInformation近日發(fā)布的一項新研究報告《醫(yī)療與生物傳感器和傳感器系統(tǒng):市場、應(yīng)用和全球競爭》稱,2005年,生物傳感器營業(yè)收入達到了29億美元,而醫(yī)療應(yīng)用占該銷售額的最大份額。3.2發(fā)酵工業(yè)生物傳感器的應(yīng)用和復配在微生物發(fā)酵過程中,檢測多種有關(guān)的生化參數(shù)(生物量/細胞活性、底物/營養(yǎng)、產(chǎn)物/代謝物),是生物技術(shù)領(lǐng)域研究者和工程師們有效地對過程進行控制的必要前提。在各種生物傳感器中,微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)諸多化學、生物參數(shù)的測定。因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(zhì),并且,發(fā)酵液往往不是清澈透明的,不適用于光譜等方法測定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾,并且,不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時,由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn),微生物傳感器成本低、設(shè)備簡單的特點使其在應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢。生物傳感器類分析儀器得到普及應(yīng)用,改變了我國在發(fā)酵控制分析儀器方面的落后面貌。我國研發(fā)的生物傳感器分析儀具有方便、快速、精確、容易操作、價格低廉等優(yōu)點。3.3糖酸糖的檢測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。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重要指標。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中葡萄糖的含量。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含量。此外,也用生物傳感器測定色素和乳化劑。3.4玻璃碳極上生物傳感器大氣環(huán)境監(jiān)測中,SO2是酸雨酸霧形成的主要原因,傳統(tǒng)的檢測方法很復雜。Marty等人將亞細胞類脂類固定在醋酸纖維膜上,和氧電極制成安培型生物傳感器,可對酸雨和酸霧樣品溶液進行檢測。生化需氧量(biochemicaloxygendemand,BOD)的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標,常規(guī)的BOD測定需要5天的培養(yǎng)期,操作復雜、重復性差、耗時耗力、干擾性大,不宜現(xiàn)場監(jiān)測。目前,研究人員分離了2種新的酵母菌種SPT1和SPT2,并將其固定在玻璃碳極上以構(gòu)成微生物傳感器,用于測量BOD,其重復性誤差為±10%。該傳感器用于紙漿廠污水中BOD的測定,其測量最小值可達2mg/L,所用時間為5min。用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料的一種新型微生物傳感器,在高滲透壓下可以正常工作,并且,其菌株可長期干燥保存,浸泡后即恢復活性,為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法。除微生物傳感器外,一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來,用于測定河水中較低的BOD值,該傳感器的反應(yīng)時間是15min,最適工作條件為30℃,pH=7,傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響(在1000mg/L范圍內(nèi)),并且,不被重金屬(Fe3+,Cu2+,Mn2+,Cr3+,Zn2+)所影響,該傳感器已經(jīng)應(yīng)用于河水BOD的測定,并且,獲得了較好的結(jié)果。將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理(即以TiO2作為半導體,采用6W燈照射約4min)后,靈敏度將大大提高,適用于河水中較低BOD的測量。一種緊湊的光學生物傳感器也已經(jīng)研制成功,能同時測量多種樣品的BOD值,它使用3對發(fā)光二極管和硅光電二極管,假單胞細菌(pseudomonasfluorescens)用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層,該測量方法既迅速又簡便,在4℃下可使用6周,已被用于工廠廢水處理。隨著生物傳感器在食品、醫(yī)藥、環(huán)境和過程監(jiān)控等方面應(yīng)用范圍的擴大,要求傳感器既不干擾測定對象而又不被測定對象中的其他相關(guān)組分影響,要滿足這一要求,同時又能得出高精度的測量結(jié)果,不能只依靠對敏感元件的改進,而需要建立一套一體化、微型化的優(yōu)化系統(tǒng)(包括進樣、處理和測量)才能得到滿意的結(jié)果。4生物醫(yī)用納米傳感器的發(fā)展趨勢生物傳感器是極具有發(fā)展?jié)摿Φ膶W科領(lǐng)域,作為知識經(jīng)濟的新增長點,它將促進生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)和常規(guī)生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,可為許多經(jīng)濟領(lǐng)域提供不可缺少的信息。新的快速分析方法、新的生物儀器設(shè)備的來源