生物技术导论论文

《现代生命科学与生物技术》

论文题目：生 物 传 感 器

生物传感器

【摘要】生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件，结合化学、物理转换元件，对被分析物具有高度选择性的装置，它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态检测等优点。在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理的基础上，对生物传感器在医学、环境检测、食品工程及军事等领域中的应用研究进行了综述，并探讨了生物传感器的发展前景。

【关键词】生物传感器；应用；发展趋势

生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起处在生命科学和信息科学的交叉区域，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。生物传感器以其高选择性、高灵敏度和可连续测定等突出优点，在医学、生物工程、食品工业和环境污染物检测等领域展示了十分广阔的应用前景。

一、 生物传感器基本原理及特点

生物传感器的传感原理示于图1，其构成包括两部分:生物敏感膜和换能器。被分析物扩散进人固定化生物敏感层，经分子识别，发生生物学反应，产生一次信息继而被相应的物理换能器、化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经过二次仪表（检测放大器）放大输出，从而测得待测物的浓度[1]。Turner教授将生物传感器定义为:一种精致的分析器件，它结合一种生物的或生物衍生的敏感元件与一只理化换能器，能够产生间断或连续的数字电信号，信号的强度与被分析物成比例[2]。

图1生物传感器传感原理

与传统的分析方法相比，这种新的检测装置具有以下特点：1）体积小、响应快、准确度高，可以实现连续在线检测；2）一般不需进行样品的预处理，可将样品中被测组分的分离和检测统一为一体，使整个测定过程简便迅速，容易实现自动分析；3）可进行活体分析；4）成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。

二、 生物传感器的研究现状

当今，纳米材料在生物传感器中的应用，使其研究进入崭新阶段。纳米颗粒对酶生物传感器的敏感性有增强作用，酶电极的性能是由酶的催化活性、酶活性中心和电极表面之间电子交换速率决定的。纳米颗粒比表面积大、表面自由能高，吸附能力较强，使更多的酶分子可以固定在纳米颗粒表面。另外，由于纳米颗粒尺寸很小，有可能与酶内部的亲水基团发生作用，从而引起酶构型上的变化。这种变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:纳米Au颗粒是电的良导体，具有很好的生物相容性，而改性纳米SO2颗粒对生物分子又具有很好的选择吸附性。因此，可望实现纳米Au和SO2颗粒与酶分子活性中心及电待分析物 生物敏感器 一次信号 换能器 可定量加工

的电信号 极表面之间的直接电化学作用，大大增强生物传感器的灵敏度。

在生物传感器研究领域内，集纳米技术、生物技术和自组装方法于一体，实现具有高酶活性的三维有序组装制备生物传感器的报道不多。从已有的一些报道来看，加入纳米粒子后制备的生物传感器的灵敏度得到了很大提高。响应时间的缩短，检测的线性范围的增大，都表明了生物传感器性能的提高。Morrin等人基于可加工的传导聚苯胺纳米颗粒制成了生物传感器。国内外学者还对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶（GOD）生物传感器开展了大量研究。结果表明：葡萄糖生物传感器具有选择性高、测试简便、快速的特点，是检测葡萄糖浓度最常用的方法。人的血液和体液中含有许多干扰物质，通过引入纳米颗粒，还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。

生物传感器在近几十年来得到广泛的研究，日本有五个政府部门和五十多个公司致力于生物传感器的研制工作，欧洲有四个国家经“尤里卡计划”批准共同进行生物传感器方面的研究，二十世纪八十年代后，我国有关生物传感器的研究也飞速发展，并被列入未来高新技术项目。目前，国内从事生物传感器研究较多的有清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室、中国科学院理化技术研究所、哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院、湖南大学化学化工学院、西安交通大学材料科学与工程学院等研究机构。山东省科学院生物研究所是国内首家在该方面研究开发取得成功的单位，从1983年到1998年已研制成功了10多项产品，有的成果达到国际先进水平，以SBA- 40型和50型生物传感分析仪为代表，仪器集成了许多智能化操作程序，其主程序可方便地满足多种自动测定要求。具有多酶协同作用的复合酶膜生物传感器，通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量，应用双电极-差分的方法实现了难以分析的生化样品测定，包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等。在20世纪90年代中期，生物传感分析仪品种得到更新换代，还建立了相关的国家标准。可以预料，随着固定化技术的进一步完善，随着人们对生物体认识的不断深入，生物传感器必将在市场上开辟出一片新的天地。

三、 生物传感器的应用

3.1在医学领域中的应用

生物传感器可以广泛地应用于对体液中的微量蛋自（如肿瘤标志物、特异性抗体、神经递质）、小分子有机物（如葡萄糖、抗生素、氨基酸、胆固醇、乳酸及各种药物的体内浓度）、核酸（如病原微生物、异常基因）等多种生化指标检测。在现代医学检验中，这些项目是临床诊断和病情分析的重要依据。血糖传感器和尿酸传感器使糖尿病和痛风患者能在家中对病情进行自我监测。目前，我国已开发了多种用于临床诊断的生物芯片[3]，如地中海贫血检测生物芯片、丙型肝炎病毒分型检测生物芯片、苯丙酮酸尿毒症检测生物芯片和肿瘤基因检测生物芯片等。

免疫传感器是集免疫测试和生物传感技术两种优点为一体的新型生物传感器。作为人类杀手的癌症，能否用最快最短最早的实践发现诊断出癌症的前期预兆是帮助患者更好更快恢复的重要关键因素。为了有效的检测肿瘤的发展，临床医学上通常会对某些特异性蛋白做肿瘤标记，作为临床检验和诊断的重要依据。而这些特异性蛋白就是在肿瘤发展过程中，肿瘤组织或细胞释放出一些特异性的蛋白质，这些蛋白质进人循环体系后，可以用其在血液中的含量水平来标志着肿瘤发展的阶段故被称为肿瘤标记物[4]。尽管目前有很多方法可以用作肿瘤标记物的检测，例如：生物化学、酶联免疫分子生物学等，但是除去其高选择性、准确性之外，仍存在着辐射威胁、耗时耗力、费用高等缺点。而对于免疫传感器，由于其结合了免疫反应的特异性分子识别和便利的检测技术而受到了研究者的关注，因此，目前来说，快速发展肿瘤标记物的免疫传感器是目前生物医学检测的研究热点。

药物分析用生物传感器其典型代表产品是SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术，在九十年代初由发玛西亚公司引入，以抗原抗体结合分析为例，将抗原（或抗体）通过表面化学方法固定在芯片的金箔表面，然后让抗体（或抗原）流过抗原抗体的结合将改变膜表面液体性状，从而影响金箔共振性质，这一改变可被实时检测并记录下来（这被称之结合相）如改让缓冲液流过，结合的抗体（或抗原）将解离并被带走，这同样改变膜表面液体性状，检测并记录下来的金箔共振性质改变就是解离相。SPR生物传感器是一种昂贵的生物传感器分析仪，国内只有少许有条件的实验室从国外购进，并以对外收费的服务形式运行。它主要用于部分新药研发中药物作用的分子活性基团的识别。清华大学和中国科学院电子研究所均自行研制了SPR生物传感器。其中中国科学院电子研究所的产品配有小型流动注人系统、温控测试池及可批量制备的SPR生物传感芯片。具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、可靠、耗材廉价等优点，是一种创新性、实用化的现代科学仪器。目前，这种光、机、电-体化、智能化和实用化的SPR生化分析仪已提供几家科研单位使用。

美国Cygnus公司正在开发的手表式血糖监测仪是一种连续的自动血糖监测装置。在对其校准之后，该装置无疼痛地进行监测并显示大量的血糖数据，可帮助糖尿病患者更好地控制其忽高忽低的血糖值。该装置像一块戴在腕部的手表，使用低电流无痛地将血糖抽取到自耗式经皮透渗贴片（自动传感器）。该自动传感器内置一个生物传感器，安放在手表式血糖监测仪的背面，紧贴在皮肤上。收集到的血糖在自动传感器内引发电化学反应，产生电子。

高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪。其分析精度可以达到0.5-2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2-3个百分点。这在血糖分析领域是非常重要的，它们可以用作血糖分析的标准方法。

3.2在环境监测中的应用

大气环境中较为常见的污染因子有NOX、SO2、CH4、C02等，传统的监测方法对于其中的NOX 、SO2监测方法较为复杂，监测的结果重现性也较差。采用生物传感器就可以克服这些不足，NOX传感器使用多孔气体渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的生物传感器可以测定样品中的亚硝酸盐含量，进而推算出空气中的NOX浓度；SO2传感器将含亚硫酸盐氧化酶的肝微粒体和氧电极制成生物传感器，可以对酸雨和酸雾样品溶液中SO2进行检测。该传感器通过测定雨水中的亚硫酸盐浓度来反映SO2含量，具有准确度和重现性好的优点，CO2传感器利用自氧微生物和氧电极制成的电位传感器，可抗各种离子和挥发性酸的干扰，线性响应范围为3%—12%之间，可以进行连续自动在线分析，而且灵敏度也较高；甲烷传感器固定化CH4氧化菌与氧电极组成测定甲烷的微生物传感器，可以用于大气中甲烷含量的连续快速监测。

BOD是衡量水体有机污染程度的重要指标。测定BOD的传统标准稀释法所需时间长、操作繁琐、准确度差。BOD传感器不仅能满足实际监测的要求，并且有快速、灵敏的特点。BOD传感器的工作原理[5]：以微生物的单一菌种或混合种群作为BOD微生物电极，由于水体中BOD物质的加入或降解代谢的发生，导致水中的微生物内外源呼吸方式的变化或转化，耦联着电流强弱信号的改变，一定条件下传感器输出的电流值与BOD的浓度呈线性关系。用于制作BOD生物传感器的微生物主要有酵母、假单胞菌、芽孢杆菌、发光菌和嗜热菌等。

张悦等[6]研制的BOD测定仪采用聚乙烯醇凝胶包埋方式固定酵母，并将固定化酵母直接分散悬浮在溶液中，将DO探头插入溶液中测量BOD，实验表明，最佳测量条件为温度30℃，pH5.0、固定化细胞15g，可在20 min内实现BOD的快速测定。在BOD为0-200 mg/L的范围内有较好的线性测量关系，且有较好的准确性。但离实际应用还有相当距离，需做进一步的研究。国外，两种新的酵母菌种SPT1和SPT2被分离出来并且被固定在玻璃碳极上，以构成用于测量BOD的微生物传感器。其误差为±10%。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD浓度，其最小值可达到2mg/L，所用的时间仅为5min。

生物传感器除了在大气监测中被广泛应用，还被应用于残留有毒有害物的检测，如采用