酶生物传感器得应用进展
摘要：酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号,实现对目标物定量测定得分析仪器。与传统分析方法相比,酶生物传感器具有独特得优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。本文主要论述生物酶传感器得特征、发展及酶传感器中应用得新技术。
关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术
1概述
生物传感器(Biosensor)就是一类特殊得化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应,然后将反应得程度用离散或连续得信号表达出来,从而得出被测物得浓度[1]。自1962年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物得设想后，1967年Updike与Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，用于定量检测血清中葡萄糖含量、此后，酶生物传感器引起了各领域科学家得高度重视与广泛研究，得到了迅速发展、
酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器、与传统分析方法相比，酶生物传感辑就是由固定化得生物敏感膜与与之密切结合得换能系统组成，它把固化酶与电化学传感器结合在一起，因而
具有独特得优点：(1)它既有不溶性酶体系得优点，又具有电化学电极得高灵敏度;(2)由于酶得专属反应性，使其具有高得选择性，能够直接在复杂试样中进行测定、因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要得地位、生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔得应用前景[4-9]。
2酶生物传感器得基本结构
酶生物传感器得基本结构单元就是由物质识别元件(固定化酶膜)与信号转换器(基体电极)组成、当酶膜上发生酶促反应时，产生得电活性物质由基体电极对其响应、基体电极得作用就是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R电极及相应得修饰电极、
3酶生物传感器得分类
生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器与光化学生物传感器2种。
3、1电化学酶传感器
基于电子媒介体得葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点,得到了广泛得研究与应用。
目前研究得重点就是防止二茂铁等电子媒介体得流失,从而提高生物传感器得稳定性与寿命。提高传感器稳定性得主要方法就是利用环糊精作为载体,形成主客体结构。如孙康等[10]以β-环糊精与戊二醛缩合而成得聚合物(β-CDP)为主体,电子媒介体二茂铁为客体,形成稳定得包络物,制成了葡萄糖、乳糖生物传感器。再如朱邦尚等[10]以电子媒介体1,1-二甲基二茂铁为客体与β-CDP形成稳定得主客体包络物。
利用二茂铁也可以制成组织传感器。如马全红等[12]以二茂铁为电子媒介体,将含有丰富酪氨酸酶得蘑菇组织肉浆固定在二茂铁(PVC膜)修饰石墨电极上制成酶电极。其对L-酪氨酸得线性响应范围为2、0×10-4～4、5×10-3mol/L,响应时间小于5 min,电极寿命至少30 d,可用于实际样品分析。
提高传感器稳定性得另一种方法就是在电极表面覆盖一层Nafion 膜。如贾能勤等[13]以基于丝网印刷技术制作得碳糊电极为基底电极,用二茂铁为电子媒介体,Nafion修饰厚膜碳糊电极制成了葡萄糖传感器。Nafion膜既可以防止二茂铁得流失,又可以防止抗坏血酸、尿酸得干扰,具有防污能力。该传感器得检测上限可达18 mmol/L,响应时间小于60s。
二茂铁及其衍生物对抗坏血酸具有催化作用,易受抗坏血酸得干扰。而N-甲基吩嗪则可以消除抗坏血酸等得干扰。李海虹等[14]通过交联方式将辣根过氧化物酶(HRP)固定在Eastman-AQ—N-甲基吩嗪修饰电极上,制成过氧化氢生物传感器。将它与GOD与半乳糖苷酶结合,
制成双酶与三酶体系得生物传感器,用于葡萄糖与乳糖得测定。王朝瑾[15]利用N-甲基吩嗪作为媒介体,通过牛血清白蛋白与戊二醛使其结合到玻碳电极上制成了HRP生物传感器。该酶电极对H2O2有良好得响应,对H2O2得线性范围为1×10-6～5×10-4mol/L,检出限为10-7mol/L,响应时间小于10 s。
锇配合物也就是一种有效得电子媒介体。龚毅等[16]研究了锇-聚乙烯吲哚[Os(bpy)2(PVI)10Cl]Cl配位聚合物与Nafion双层膜修饰玻碳电极得电化学特性,该膜对肾上腺素得电化学氧化有催化作用,对肾
上腺素得线性范围为1、0×10-6～8、6×10-5mol/L,相关系数为0、9987。
此外,常用得媒介体还有苯醌、对苯二酚与甲苯胺兰等。
3、2光化学酶传感器
宋正华等将具有分子识别功能得β-葡萄糖甙酶与能进行换能反应得Luminol分别固定在壳质胺与大孔阴离子交换剂得柱中,组成流动注射系统。苦杏仁甙在β-葡萄糖甙酶催化下分解生成得CN-(分子识别反应)与溶解氧反应生
成超氧阴离子自由基,继而同Luminol反应产生化学反应(换能反应)。这一新型生物传感器得化学发光强度与苦杏仁甙量在1～200μg之间呈良好线性关系,检出限为0、3μg,相对标准偏差为3、1%,并具有良好选择性。李瑛等首次以碳糊为固定化载体,将GOD固定在碳糊电极上,制成了光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器。葡萄糖得酶催化反应、鲁米诺得电化学氧化与化学发光反应可以在电极表面同
时发生。该传感器制作简单,响应时间仅为10 s,线性范围宽,葡萄糖浓度在1、0×10-5～2、0×10-2mol/L范围内与发光强度呈线性关系,检出限为6、4×10-6mol/L,可应用于市售饮料中葡萄糖得测定。
4酶生物传感器得工作原理
当酶电极漫入被测溶液，待测底物进入酶层得内部并参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可植电极测定得物质，当反应达到稳态时，电话性物质得浓度可以通过电位或电流模式进行测定、因此，酶生物传、器可分为电位型与电流型两类传感器、电位型传感辑就是指酶电极与参比电极间输出得电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系、而电流型传感器就是以酶促反应所引起得物质量得变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关、电流型传、器与电位型传感器相比较具有更简单、直观得效果、
5酶生物传感器得发展
5、1第一代酶生物传感器
第一代酶生物传感器就是以氧为中继体得电催化。缺点就是：(1)响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧得变化可能引起电极响应得波动；
(2)由于氧得糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进行测定；
(3)当由酶促反应产生得过氧化氢以足够高得浓度存在时，可能会使很多酶去活化；
(4)需采用较正得电位，抗坏血酸与尿酸等电活性物质也会披氧化，
产生干扰信号、
5、2第二代酶生物传感器
为了改进第一代酶生物传感器得缺点，现在普遍采用得就是第二代酶生物传感器。第二代生物传感器采用了含有电子媒介体得化学修饰层、此化学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应得线性范围拓宽，电极得工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小，且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器得工作寿命延长、电子媒介体在近十年以来得到迅速发展，使用得媒介体种类也越不越多。
5、3第三代酶生物传感器
第三代酶生物传感器就是酶与电极间进行直接电子传递，就是生物传感器构造中得理想手段、这种传感器与氧或其它电子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器，但由于酶分子得电话性中心深埋在分子得内部，且在电极表面吸附后易发生变形，使得酶与电极间难以进行直接电子转移，因此采用这种方法制作生物传感器有一定难度、
到目前为止，只发现过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、醋氨酸酶、细胞色素C过氧化物酶、超氧化物歧化酶、黄嘿岭氧化酶、微过氧化物酶等少数物质能在合适得电板上进行直接电催化、
6酶传感器中应用得新技术
6、1纳米技术
固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶得催化活性,提高电极得响应电流值。首先,纳米颗粒增强GOD在载体表面上得固定作用;其次就是
定向作用,分子在定向之后,其功能会有所改善;第三,由于金、铂纳米颗粒具有良好得导电性与宏观隧道效应,可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效得电子媒介体,从而使得GOD得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能,酶与电极间可以近似瞧作就是一种导线来联系得。这样就有效地提高了传感器得电流响应灵敏度。孟宪伟等[17]首次研究了二氧化硅与金或铂组成得复合纳米颗粒对葡萄糖生物传感器电流响应得影响,其效果明显优于这3种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器得增强作用。其原因就是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向与量子尺寸颗粒效应,复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场,降低电子在电极与固定化酶间得迁移阻力,提高电子迁移率,有效地加速了酶得再生过程,因此复合纳米颗粒可以显著增强传感器得电流响应
6、2基因重组技术
周亚凤等[18]将黑曲霉GOD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒,转化甲基营养酵母,构建出GOD。GOD力达426、63 u/mg蛋白,就是商品黑曲霉GOD得1、6倍,催化效率更高。重组酵母GOD得高活力特性可有效提高葡萄糖传感器得线性检测范围。
6、3溶胶-凝胶技术
溶胶-凝胶应用于生物传感器领域具有如下一些优点[19]:(1)基质在可见光区就是透明得,适于光化学生物传感器得制作;(2)基质具有一定得刚性,提高了生物活性物质得热稳定性;(3)基质热稳定性好,并且呈化学惰性,对生物活性物质得失活作用很小,保持了活性;(4)通
过溶胶-凝胶制备条件得优化,可控制基质得孔径大小与分布,使酶分子有足够得自由活动空间而又不至于从基质中流失,从而提高传感器得使用寿命;(5)溶胶-凝胶材料还具有生物相容性,为微电极植入人体提供了新得可能性;(6)还可通过对先驱体得功能化赋予溶胶-凝胶新得性能;(7)溶胶-凝胶得制备条件十分温与,生物分子可以在不同得制备阶段加入,并且可以制成不同大小与形状得修饰电极等。溶胶-凝胶材料作为酶固定化载体,开辟了制备生物传感器得新领域。以溶胶-凝胶技术固定生物活性物质得生物传感器得基本构型有电极型生物传感器与导波传感器等。有关溶胶-凝胶法制作生物传感器得文章多见报道,但大多处于实验室阶段。
5、4提高传感器综合性能得其她技术
提高固定化酶活力得根本方法就是保持酶得空间构象不发生改变。如唐芳琼等考察了磺基琥珀酸双2-乙基己基酯钠盐(AOT)反胶束包埋酶对GOD构象与化活性得影响。结果发现随GOD/AOT比值得减小,响应电流大大增加,这意味着大大增加了酶得催化活性与酶构象得稳定性。原因就是表面活性剂可以保护酶得构象不
被破坏,进而保护酶得催化活性,使酶电极得电流响应具有稳定性与宽得响应范围。改变“手臂”分子长度就是获得固定化酶高活力得主要方法。如周祖新通过更换烷基化试剂,即用三乙基氧嗡四氟化硼代替硫酸二甲酯,使固定化过氧化氢酶膜得性能有很大改善。原因就是前者得“手臂”分子长,与其她欲连接得基团接触容易,最后使单位面积上固定化酶得数目增加,性能良好。制备多电子媒介体与联酶得生
物传感器也就是提高生物传感器综合性能得重要方法。如郭鼎力等[31]研制了以四氰二甲苯醌等与四甲联苯胺等为介体得双介体多酶生物催化-氧化还原体系构成得电流型生物传感系统,具有灵敏度高、准确性好、取样少、测量迅速得夹心式生物传感器。该传感器对正常到高度异常得血糖含量,测量相对误差就是3、9%～7、5%,相关系数为0、9881;而对胆固醇得测量相对误差与相关系数分别为5、8%～7、6%与0、9549。
7结束语
酶生物传感器自产生以后得到了迅速发展[20],实现酶氧化还原活性中心与电极之间得直接电子传递就是发展第三代酶生物传感器得研究重点之一,此问题得关键就是要缩短电子隧道距离。就目前酶生物传感器得发展来瞧,由电化学法控制有机导电高分子材料制作酶生物传感器,就是一种很有发展前途得酶生物传感器;通过纳米复合材料来增强酶生物传感器得响应信号与稳定性也就是一种行之有效得方法。但这2种研究均处于初步阶段,还需要对它们进行大量得研究工作。如果能将这2种方法有效地结合起来,可能会推动第三代生物传感器得研究。例如:在导电单体成膜之前,探讨在合适条件下,向底液中加入改性得纳米二氧化硅粒子,通过电化学法有效地控制电极上导电复合材料膜得厚度,同时,利用纳米二氧化硅大得比表面积具有吸附生物酶得特性,实现响应速度快得第三代酶生物传感器得研制。
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电化学生物传感器 生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法 1电化学生物传感器的基本结构及工作原理 1.1 基本结构 通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。 图1 电化学生物传感器的基本结构 1.2 工作原理 电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 2电化学生物传感器的分类
由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。 2.1 电化学免疫传感器 电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而实现对目标检测物的分析测定。 根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。 图2 竞争法 图3 夹心法 2.2 DNA生物传感器 DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子
酶生物传感器得应用进展 摘要：酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号,实现对目标物定量测定得分析仪器。与传统分析方法相比,酶生物传感器具有独特得优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。本文主要论述生物酶传感器得特征、发展及酶传感器中应用得新技术。 关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术 1概述 生物传感器(Biosensor)就是一类特殊得化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应,然后将反应得程度用离散或连续得信号表达出来,从而得出被测物得浓度[1]。自1962年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物得设想后，1967年Updike与Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，用于定量检测血清中葡萄糖含量、此后，酶生物传感器引起了各领域科学家得高度重视与广泛研究，得到了迅速发展、 酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器、与传统分析方法相比，酶生物传感辑就是由固定化得生物敏感膜与与之密切结合得换能系统组成，它把固化酶与电化学传感器结合在一起，因而
具有独特得优点：(1)它既有不溶性酶体系得优点，又具有电化学电极得高灵敏度;(2)由于酶得专属反应性，使其具有高得选择性，能够直接在复杂试样中进行测定、因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要得地位、生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔得应用前景[4-9]。 2酶生物传感器得基本结构 酶生物传感器得基本结构单元就是由物质识别元件(固定化酶膜)与信号转换器(基体电极)组成、当酶膜上发生酶促反应时，产生得电活性物质由基体电极对其响应、基体电极得作用就是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R电极及相应得修饰电极、 3酶生物传感器得分类 生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器与光化学生物传感器2种。 3、1电化学酶传感器 基于电子媒介体得葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点,得到了广泛得研究与应用。
酶电化学生物传感器 摘要 生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支，它具有专一、高效。简便、快速的优点，已应用于生物、医学及工业分析等方面。目前，生物传感器正进入全面深入研究开发的时期，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。本文就酶电化学生物传感器特点基本结构、原理及其应用展开综述。 关键词： 生物传感器应用结构酶生物传感器 正文： 自1962年Clark等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想后. 1967年Updike和Hicks 研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极，用于定量检测血清中葡萄糖含量。此后，酶生物传感器引起了各领域科学家的高度重视和广泛研究，得到了迅速发展。酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器.与传统分析方法相比，酶生物传感辑是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具有独特的优点：(1)它既有不榕性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度。(2) 由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定.因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要的地位. 酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件(固定化酶膜)和信号转换器(基体电极)组成.当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应.基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R 电极及相应的修饰电极。 当酶电极漫入被测溶液，待测底物进入酶层的内部并参与反应，大部分酶反应都会产生或消耗一种可植电极测定的物质，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流模式进行测定。因此，酶生物传感器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感辑是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关。电流型传感器与电位型传感器相比较具有更简单、直观的效果。 其发展也是经历了许多代的更替。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化。其缺点(1)响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧的变化可能引起电极响应的波动；(2) 由于氧的糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进行测定；(3) 当由酶促反应产生的过氧化氢以足够高的浓度存在时，可能会使很多酶去活化；(4) 需采用较正的电位，抗坏血酸和尿酸等电活性物质也会披氧化，产生干扰信号。 第二代酶生物传感器（电子媒介体型）为了改进第一代酶生物传感器的缺点，现在普遍采用的是第二代酶生物传感器，即介体型酶生物传盛器。第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层.此化学修饰层不仅能促进电子传递过程，使得响应的线性范围拓宽，电极的工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小，且由于排除了过氧化氢，使得酶生物传感器的工作寿命延长.电子媒介体在近十年以来得到迅速发展，使用的媒介体种类也越不越多。 第三代酶生物传感器（直接电子传递型）是酶与电极间进行直接电子传递，是生物传感器构造中的理想手段.这种传感器与氧或其它电子受体无关，无需媒介体，即所谓无媒介体传感器，但由于酶分子的电活性中心深埋在分子的内部，且在电极表面吸附后易发生变形，使得酶与电极间难以进行直接电子转移，因此采用这种方法制作生物传感器有一定难度.。到目前为止，只发现辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、醋氨酸酶、细胞色素C过氧化物酶、
生物传感器课程论文 论文题目：生物传感器技术在环境分析 与检测方面的应用研究进展专业：分析化学 姓名：雷杰 学号： 12015130529 指导教师：晋晓勇 时间：2015年10月23日
生物传感器技术在环境分析与检测方面的应用研究进展 摘要：生物传感器作为一类新兴传感器,它是以生物分子敏感元件,将化学信号、热信号、光信号转换成电信号或者直接产生电信号予以放大输出,从而得到检测结果。文章综述了生物传感器在环境监测,包括水环境、大气环境等领域的应用和最新进展,并展望了环境监测生物传感器的发展前景及发展方向。 关键词：生物传感器技术；环境分析检测；
0．前言 生物传感器这门课属于分析化学和生物化学的一门交叉学科，它涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。就目前生物传感器研究的历史阶段，它仍然处于十分活跃的研究阶段，生物传感器的研究逐渐变得专业化、微型化、集成化、也有一些生物相容的生物传感器，生物可控和智能化的传感器制成[1]。基于生物传感器的基本结构和性能，从它的选择性，稳定性，灵敏度和传感器系统的集成化发展的特点和趋势,科研人员主要研究生物传感器在医疗、食品工业和环境监测等方面，它的发展对生产生活都有极大影响，尤其是生物传感器专一性好、易操作、设备简单、可现场检测、便携式、测量快速准确、适用范围广，从而深受研究者的青睐。本文主要概述了近三年来生物传感器在环境分析与检测方面的应用研究，从而对以后生物传感器技术的研究有所帮助与借鉴。 1.生物传感器技术 1.1生物传感器的组成及工作原理 生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成。生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成，包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸。信号分析部分通常叫换能器。它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等，物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号，比如电信号、焚光信号等，再经过信号读取设备的转换过程，最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据[2]。 生物传感器识别和检测待测物的工作原理：首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性，是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
电化学生物传感器 蔡新霞, 李华清, 饶能高, 王利, 崔大付 (中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地, 北京100080 E 2mail :. ac. cn 摘要:介绍了电化学生物传感器的分类、基本测试原理和研究进展, 该类传感器可对多种生化参数 进行直接实时动态检测, 基于微机电系统(M EMS 加工技术和微电子IC , 电化学传感器在向着微型化、集成化方向发展。关键词:生物传感器; 电化学器件; M EMS 技术; 中图分类号:TP212文献标识码:(07/0820359203 biosensors CAI Xin 2xia , L I Hua 2qing , RAO Neng 2gao , WAN G Li , CU I Da 2fu (S tate Key L ab of T ransducer Technology (North Base , Instit ute of Elect ronics , Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100080, Chi na Abstract :The system , principle and research progress of electrochemical biosensors were introduced. The electrochemical biosensors can be used for real time detection to various biochemical molecules and would take development on microsystem and integration using M EMS and IC technologies. K ey w ords :biosensors ; electrochemical devices ; M EMS technology ; integration 1引言 第一个商业化的生物传感器于1972年由Y el 2low Springs 仪器公司制造, 之后又由Leeds , Northrup 和Beckman 仪器公司相继推出, 这些传感器均用于血糖和尿糖检测的电化学传感器。80年代新型的生物传感器在实验室取得了科研进展, 商家
传感器技术（JournaI of Transducer TechnoIogy）2005年第24卷第7期 酶生物传感器的研究进展! 伍林，曹淑超，易德莲，刘娟，秦晓蓉，欧阳兆辉 （武汉科技大学应用化学研究所，湖北武汉430081） 摘要：介绍了酶生物传感器的原理、特性及其分类；阐述了第一代传感器获得电信号的途径；引入电子 传递介体后的第二代传感器的灵敏性和准确性得到提高；实现第三代传感器的酶在电极上固定的方法和 材料。对基于直接电子传递的第三代生物传感器的研究现状进行了评述。最后，展望了生物传感器的发 展方向。 关键词：酶；葡萄糖氧化酶；生物传感器；进展 中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1000-9787（2005）07-0004-03 Progress on study of enzyme biosensor WU Lin，CAO Shu-chao，YI De-Iian，LIU Juan，OIN Xiao-rong，OUYANG Zhao-hui （Res Inst of Applied Chem，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan430081，China） Abstract：The principIe，character and cIassification of enzyme biosensor are introduced.The ways to achieve eIectric signaI of the first generation biosensor，the superiorities of the second generation biosensor with medium and the methods and materiaIs to fixate enzyme of the third generation enzyme biosensor are expounded.The present conditions of the third generation enzyme biosensor are commented on.FinaIIy，the progressive directions of biosensor have aIso been prospected. Key words：enzyme；gIucose oxidase（GOD）；biosensor；progress 0 引言 21世纪是生命科学的世纪，随着“人类基因组工作草图”的完成、纳米生物技术和纳米微电子加工技术的出现，使得无论在原理上还是加工技术上，都将为生物传感器的发展带来巨大的变革。 生物传感器是一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元（如，酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感基元，对被测目标物具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应，然后，将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被测物的浓度［1］。生物传感器具有选择性高、分析速度快、仪器操作简单和价格低廉等特点，而且，可以进行在线及活体分析，从而为环境监测、食品医药工业、生物医学及军事医学领域带来新技术革命。自20世纪80年代起，国际上对生物传感器进行了广泛的研究和探索，近些年来，已经研制出一系列在环境监测、临床检验和生化分析等方面具有实用价值的生物传感器［2~4］，其中，以酶生物传感器的研究最为广泛。酶生物传感器的发展经历了3个阶段，即以氧为中继体的电催化，基于人造媒介体的电催化和直接电催化。1 第一代生物传感器 1962年，CIark和Lyons［5］提出了葡萄糖生物传感器的原理，他们表示用一薄层葡萄糖氧化酶覆盖在氧电极表面，通过氧电极检测溶液中溶解氧的消耗量，间接测定葡萄糖的含量。1967年，Updike和Hicks［6］根据此原理首次将葡 萄糖氧化酶膜覆盖在铂电极上制成酶传感器，用于定量检测血清中葡萄糖的含量，成功地制成了第一支葡萄糖生物传感器，这标志着第一代生物传感器的诞生。从此以后，基于酶电极生物传感器研究得到了迅速发展。第一代葡萄糖生物传感器对葡萄糖响应的机理为：O 2 在葡萄糖氧化酶作 用下，催化氧化葡萄糖，生成H 2 O 2 。 由于还原态葡萄糖氧化酶（GODred）的氧化还原活性中心在酶分子内部，被蛋白质包围，不易直接与常规电极交换电子，因而得不到可测量的电信号。可以通过测量反应 物中O 2 的减少量或生成物中H 2 O 2 的产生量这2种方法获得电信号。 1.1 测量反应物O 2 的减少 葡萄糖将葡萄糖氧化酶还原后，溶液中的溶解氧再将 其氧化，使得葡萄糖氧化酶得以循环使用，而O 2 本身则被 收稿日期：2004-12-20 !基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（2003ABA075）；湖北省教育厅自然科学基金资助项目（2003A011）4
电化学生物传感器的应用实例 摘要：生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支, 它具有专一、高效、简便、快速的优点, 已应用于生物、医学及工业分析等方面。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。 关键词：生物传感器，应用 引言 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[1]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。 1 工作原理及其分类 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[2]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
酶生物传感器的应用进展 摘要：酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号,实现对目标物定量测定的分析仪器。与传统分析方法相比,酶生物传感器具有独特的优点:选择性高、反复多次使用、响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。本文主要论述生物酶传感器的特征、发展及酶传感器中应用的新技术。 关键词：酶生物传感器;进展;应用新技术 1概述 生物传感器(Biosensor)是一类特殊的化学传感器,通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的信号表达出来,从而得出被测物的浓度[1]。自1962年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想后，1967年Updike和Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，用于定量检测血清中葡萄糖含量.此后，酶生物传感器引起了各领域科学家的高度重视和广泛研究，得到了迅速发展. 酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成
比例关系的可测信号，实现对目标物定量测定的分析仪器.与传统分析方法相比，酶生物传感辑是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成，它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具有独特的优点：(1)它既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度;(2)由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定.因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要的地位. 生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点,已在食品发酵工业、临床医学、环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔的应用前景[4-9]。2酶生物传感器的基本结构 酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件(固定化酶膜)和 信号转换器(基体电极)组成.当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活性物质由基体电极对其响应.基体电极的作用是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极(石噩电板、玻碳电极、碳棚电极)、R电极及相应的修饰电极. 3酶生物传感器的分类 生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器和光化学生物传 感器2种。 3.1电化学酶传感器 基于电子媒介体的葡萄糖传感器,具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点,尤为受到重视。二茂铁由于