雷娜娜

(資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢理工大學(xué) 湖北武漢 430000)

生物傳感器技術(shù)與生物芯片、生物信息學(xué)、仿生學(xué)、生物控制論、生物計(jì)算機(jī)等眾多學(xué)科一起處在信息科學(xué)和生命科學(xué)的交叉區(qū)域,具有活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域,是一種必不可少的發(fā)展生物技術(shù)的先進(jìn)的檢測(cè)與監(jiān)控裝置。中國(guó)生物傳感器的研究起步于70年代末期。第二種生物傳感器是1992年底研制成功的谷氨酸葡萄糖雙功能生物傳感分析儀。第三種生物傳感器是1993年研制成功的尿素氮的分析儀。而在微型計(jì)算機(jī)中引入生物傳感器的測(cè)定儀器裝置的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了一步直接得到結(jié)果的分析項(xiàng)目的快速測(cè)定,因此大大改善了生物傳感器的性能。例如測(cè)定糖化酶: 碘定量法是經(jīng)典的方法,但是繁瑣。而用SBA生物傳感分析儀測(cè)定,比傳統(tǒng)的測(cè)定方法快了幾十倍。在動(dòng)物細(xì)胞生物工程中,谷氨酸、谷酰胺、葡萄糖和L-乳酸這四種成份是主要的物質(zhì)控制要素,在今后生物傳感器產(chǎn)業(yè)化中將會(huì)發(fā)揮出重要的作用[1]。

1 原理

生物傳感器是一種精密的分析裝置,它有由生物敏感元件和相適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換器相連接而組成的。生物敏感元件由組織、細(xì)胞器、微生物細(xì)胞、酶、細(xì)胞受體、抗體、微生物、核酸等具有生物活性的材料所構(gòu)成的,而信號(hào)轉(zhuǎn)換器則為氧電極、氣敏電極、離子選擇電極等[2]。

生物傳感器的分類(lèi)主要有分子識(shí)別元件分類(lèi)法和器件分類(lèi)法[3]兩種類(lèi)型。生物傳感器根據(jù)分子識(shí)別元件的不同可以分為七大類(lèi),即免疫傳感器(immunosensor)、酶?jìng)鞲衅?enzyme sensor)、細(xì)胞傳感器(organelle sensor)、組織傳感器(tissue sensor)、微生物傳感器(microbial sensor)、核酸傳感器(DNA/RNA sensor)、分子印跡生物傳感器(molecular imprinted biosensor)。

生物傳感器根據(jù)所用換能器的不同進(jìn)行分類(lèi)的方法屬于器件分類(lèi)法,主要包括光生物傳感器(optical biosensor)、電化學(xué)生物傳感器(electrochemical biosensor)或生物電極(bioelec-trode)、半導(dǎo)體生物傳感器(semiconduct biosensor)、熱生物傳感器(calorimetric biosensor或thermal biosensor)、聲波生物傳感器(acoustic wave biosensor)、電導(dǎo)/阻抗生物傳感器(conductive/impedance biosensor)、微懸臂梁生物傳感器(cantilever biosensor)。

傳感器是基本上是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及其相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子線路幾部分所組成的裝置或器件。它能感受特定的被分析物的物質(zhì)量,并將這些物質(zhì)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)。生物傳感器技術(shù)是在固定化酶技術(shù)和固定化細(xì)胞和的基礎(chǔ)之上所建立的,工作原理是被測(cè)分析物由生物分子去識(shí)別,然后將生物分子識(shí)別時(shí)所發(fā)生一系列的物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的電信號(hào),將其放大并輸出,得到檢測(cè)結(jié)果。生物傳感器有生物敏感膜和換能器兩部分構(gòu)成,傳感原理為[4]被測(cè)物擴(kuò)散進(jìn)入到固定化的生物敏感膜層,進(jìn)而經(jīng)過(guò)生物分子識(shí)別后發(fā)生生物學(xué)反應(yīng),由此產(chǎn)生的信息被相對(duì)應(yīng)的化學(xué)或物理?yè)Q能器轉(zhuǎn)變成電信號(hào),再經(jīng)檢測(cè)器放大并輸出,由此可得到待測(cè)物濃度。

(1)將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào);

(2)將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào);

(3)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào);

(4)直接產(chǎn)生電信號(hào)方式。

2 生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

環(huán)境監(jiān)測(cè)目的是準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地反映出環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀,了解發(fā)展趨勢(shì),在為環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃、污染源控制和環(huán)境評(píng)價(jià)等方面提供科學(xué)依據(jù)。離線分析方法是環(huán)境監(jiān)測(cè)采用的傳統(tǒng)方法,但其具有分析速度慢,所需儀器昂貴,操作復(fù)雜,不適宜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)和連續(xù)在線分析的缺點(diǎn)。而生物傳感器可以將生物感應(yīng)元件與信號(hào)傳導(dǎo)器(產(chǎn)生和待測(cè)物濃度成比例的儀器)結(jié)合起來(lái)。相比而言,生物傳感器不僅具有成本低、體積小、靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì),而且還能在復(fù)雜的體系中進(jìn)行快速的連續(xù)在線分析監(jiān)測(cè)[5]。在砷化物和硫化物的檢測(cè)、殺蟲(chóng)劑除草劑殘留物的檢測(cè)、對(duì)水水質(zhì)的在線檢測(cè)、生化需氧量及氨氮的檢測(cè)、酚類(lèi)污染物的檢測(cè)、有氣味的化合物的檢測(cè)、大氣和廢氣的檢測(cè)、水體富營(yíng)養(yǎng)化的檢測(cè)方面都得到了應(yīng)用。生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景,其劉小兵等作出了總結(jié)與分析。

2.2 食品質(zhì)量領(lǐng)域

食品質(zhì)量的傳統(tǒng)控制方法主要有兩種:對(duì)產(chǎn)品定期的進(jìn)行理化分析和微生物檢測(cè)方法,如滴定法、色譜法(GC、HPLC)、分光光度法和各種電泳等技術(shù)。但這些方法具有需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理、分析速度慢、且不能進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)的缺點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)分析方法,生物傳感器則具有靈敏度高、選擇性好、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。生物傳感器在農(nóng)藥殘留的檢測(cè)、食品添加劑的檢測(cè)、食源性致癌微生物檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)、食品毒理學(xué)研究及食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。生物傳感技術(shù)具有靈敏、專(zhuān)一、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),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(jiǎn)便的新型方法,而且在軍事醫(yī)學(xué)方面也具有廣的發(fā)展前景。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。酶電極是臨床醫(yī)學(xué)中最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。生物傳感器在監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素方面已得到應(yīng)用,例如鼠疫耶爾森菌、炭疽芽胞桿菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類(lèi)毒素。

[1]林福玉,陳昭烈 等.大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)[J].生物技術(shù)通報(bào),1999,1:32～35.

[2]王飛.生物傳感器的發(fā)展與未來(lái).湖北省環(huán)境保護(hù)研究所.

[3]張恩現(xiàn)生物傳感器北學(xué)工業(yè)出版社,,2006,8.

[4]許文娟焦晨旭生物傳感器的發(fā)展應(yīng)用及前景化工中間體11 15-17.

[5]王建龍,文湘華.現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.