高勇 郭艷 安維 張娟麗

摘要：生物傳感器是利用生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)原理，將生物化學(xué)反應(yīng)信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)、電信號(hào)的分析檢測(cè)儀器，具有使用方便、快速、準(zhǔn)確靈敏度高等特點(diǎn)。本文主要介紹了微生物細(xì)胞傳感器、酶傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和DNA傳感器的主要特點(diǎn)以及在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

Abstract： Biosensor is an analytical instrument that uses the biochemical and electrochemical reaction principles to convert biochemical reaction signals into optical signals and electrical signals through signal converters. It has the characteristics of convenient， fast， accurate and high sensitivity. This paper reviews the main features of microbial cell sensors， enzyme sensors， immunosensors， tissue sensors and DNA sensors， and the applications and research progress in the fields of environmental monitoring， food industry， fermentation industry and biomedicine.

關(guān)鍵詞：生物傳感器;環(huán)境監(jiān)測(cè);生物醫(yī)學(xué)

Key words： biosenors;environment monitoring;biomedicine

中圖分類號(hào)：R197.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0225-02

0? 引言

1962年， Clark 和Lyons通過葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反應(yīng)的原理來制成了第一個(gè)酶傳感器，早期的生物傳感器主要是以酶傳感器為主，由于酶的價(jià)格高活性不穩(wěn)定，影響了酶傳感器的發(fā)展和應(yīng)用。隨著微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各類新型微生物電極傳感器，微生物電極以微生物活體作為敏感元件，具有成本低、靈敏度高、對(duì)目標(biāo)檢測(cè)物具有高度選擇性等優(yōu)點(diǎn)，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1? 生物傳感器的工作原理

生物傳感器由分子識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，分子識(shí)別元件由生物活性物質(zhì)構(gòu)成，用分子識(shí)別元件識(shí)別目標(biāo)檢測(cè)物，然后產(chǎn)生某種物理或化學(xué)變化，分子識(shí)別元件是生物傳感器選擇性檢測(cè)的基礎(chǔ)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器即換能器，可以將生物識(shí)別反應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以被檢測(cè)到的信號(hào)。當(dāng)分子識(shí)別元件與被檢測(cè)物特異性結(jié)合后，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成光信號(hào)或電信號(hào)等，發(fā)生的信號(hào)經(jīng)過檢測(cè)、分析。在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于待測(cè)物的敏感元件，是非常重要的前提，依據(jù)敏感元件所引起的物理或化學(xué)變化來選擇換能器，是設(shè)計(jì)生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)[1]。

2? 生物傳感器的分類

2.1 酶傳感器

酶傳感器是研究最早和最多的生物傳感器之一，是以生物活性物質(zhì)比如酶、核酸、細(xì)胞等物質(zhì)作為敏感元件，利用生化反應(yīng)所產(chǎn)生的或消耗的物質(zhì)的量，將電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用電化學(xué)測(cè)量裝置（電極）定量地檢測(cè)反應(yīng)中生成或消耗的生物活性物質(zhì)，通過分析待測(cè)物與檢測(cè)的電信號(hào)之間的關(guān)系分析測(cè)定目標(biāo)物的過程。常見的酶傳感器有葡萄糖傳感器、尿素傳感器、膽固醇傳感器等，由于具有良好的穩(wěn)定性能，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

2.2 免疫傳感器

免疫傳感器是基于抗原抗體特異性識(shí)別功能的原理研制成的，將抗原或抗體固定在載體上，用于檢測(cè)待測(cè)物及其濃度的生物傳感器。由于免疫傳感器技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、使用簡便及成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)與生物監(jiān)測(cè)技術(shù)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與處理等領(lǐng)域[2]。電化學(xué)免疫傳感器是一種新型免疫傳感器，能夠?qū)乖蚩贵w進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量測(cè)定。Hao Chen研制出用于白血病細(xì)胞K562A的壓電免疫傳感器，可以定量檢測(cè)白血病細(xì)胞K562A的濃度范圍[3]，并能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)免疫化學(xué)反應(yīng)過程，Yao C等研制出用于乙肝病毒的壓電石英免疫傳感器，具有檢測(cè)速度快，抗干擾能力較強(qiáng)，特異性高等特點(diǎn)[4]。

2.3 微生物細(xì)胞傳感器

微生物細(xì)胞傳感器是以微生物細(xì)胞作為生物敏感元件，能夠快速監(jiān)測(cè)環(huán)境中的各種污染物的分析裝置，其特點(diǎn)是特異性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、操作簡單、在極低的濃度下，可以檢測(cè)空氣、土壤及環(huán)境中的毒性物質(zhì)。微生物細(xì)胞傳感器的敏感元件是微生物細(xì)胞，可以經(jīng)過遺傳工程重構(gòu)，形成對(duì)環(huán)境中某種特殊物質(zhì)產(chǎn)生生化反應(yīng)，從而產(chǎn)生被檢測(cè)到的信號(hào)。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，微生物細(xì)胞傳感器從利用菌類表達(dá)發(fā)光到導(dǎo)入熒光蛋白基因使微生物細(xì)胞發(fā)光，報(bào)告基因表達(dá)后可以產(chǎn)生被檢測(cè)到的光信號(hào)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)到的光信號(hào)放大、分析，通過對(duì)光信號(hào)的分析就可以定量檢測(cè)目標(biāo)物的濃度。目前，我國的環(huán)境污染情況不容樂觀，出現(xiàn)了許多新的污染物，因此，對(duì)污染物的精準(zhǔn)檢測(cè)要求也越來越高，結(jié)合微生物細(xì)胞傳感器的自身特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境中各類污染物的檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

3? 生物傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 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，比如用酶傳感器檢測(cè)蘋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，當(dāng)樣品溶液流速為1mL/min時(shí)，其檢測(cè)范圍為12.5～50pg/mL[7]。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

生物傳感器已廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，比如用微生物傳感器對(duì)生物耗氧量（BOD）的監(jiān)測(cè)，其工作原理是用微生物的菌群作為電極，水中生物耗氧量（BOD）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，通過轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)放大，從而檢測(cè)出生物耗氧量的含量。生物傳感器在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也得到較好的應(yīng)用，比如馬莉等制成了安培型生物傳感器，利用肝微粒體氧化亞硫酸鹽同時(shí)，降低氧電極周圍的氧濃度，產(chǎn)生電流信號(hào)變化，監(jiān)測(cè)出亞硫酸鹽的濃度，從而分析樣品中SO2的濃度[8]。

3.3 發(fā)酵工業(yè)

微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單等特點(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、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，通過測(cè)量氧電極電流的變化來監(jiān)測(cè)耗氧量，從而達(dá)到測(cè)量出待測(cè)物濃度。在各種原材料中葡萄糖的測(cè)定發(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，通過傳感器監(jiān)測(cè)氧含量，從而計(jì)算出葡萄糖的濃度。目前，葡萄糖酶電極傳感器已經(jīng)使用十分廣泛。

3.4 生物醫(yī)學(xué)

酶傳感器、免疫傳感器及微生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域起著非常重要的作用。其中DNA傳感器是近幾年發(fā)展的熱點(diǎn)，是以已知核苷酸序列的DNA固化在載體上，通過DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)序列的DNA識(shí)別，形成穩(wěn)定的雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)換器對(duì)聲、光及電信號(hào)放大、分析，用于檢測(cè)目標(biāo)DNA[9]。DNA生物傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、疾病診斷及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

4? 展望

生物傳感器主要應(yīng)用了生物信息學(xué)、生物芯片、生物計(jì)算機(jī)、生物控制學(xué)及材料學(xué)等多學(xué)科的最新前沿知識(shí)，微型化、智能化及集成化是生物傳感器未來的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來的生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)，使用更加方便、靈敏度更高，進(jìn)一步拓寬生物傳感器的應(yīng)用空間。

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