生物傳感器技術(shù)

1、生物傳感器技術(shù)醫(yī)學(xué)中的生物技術(shù)報(bào)告簡介生物傳感器(Biosensor)是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器；是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。生物傳感器是用生物活性材料與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活

2、性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。技術(shù)原理組成部分介紹生物傳感器主要由生物感應(yīng)元件和信號傳導(dǎo)器兩部分組成?？捎脕碇谱魃锔袘?yīng)元件的物質(zhì)有酶、酶組分、生物體、組織、細(xì)胞、抗體、核酸、有機(jī)物分子等，其主要功能是對被測物質(zhì)進(jìn)行選擇性作用，即被測物質(zhì)的識別。信號傳導(dǎo)器的主要形式有電視測量式、電流測量式、電導(dǎo)率測量式、阻抗測定式、光強(qiáng)測量式、熱量測定式、聲強(qiáng)測量式、機(jī)械式等，其主要功能是將生物元件與被測物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘??；竟ぷ髟?/p>

3、分子識別生物傳感器的基本工作原理是將具有分子識別功能的生物物質(zhì)通過特殊加工技術(shù)涂敷固定在固態(tài)載體上（如高分子膜），形成功能膜，當(dāng)其與被測物之相接觸時(shí)，膜內(nèi)的感應(yīng)物質(zhì)首先與被測物質(zhì)選擇性的進(jìn)行吸附，發(fā)生互相作用形成復(fù)合物，從而表現(xiàn)為化學(xué)變化、熱變化、光變化或直接產(chǎn)生電信號等方式。生物感應(yīng)元件通過產(chǎn)生的上述變化完成分子識別。信號轉(zhuǎn)換分子識別步驟中產(chǎn)生的各種變化，除了電信號可以直接被利用意外，其余變化需要進(jìn)行物理化學(xué)轉(zhuǎn)換才能被使用。化學(xué)變化、熱變化、光變化由信號傳導(dǎo)器轉(zhuǎn)化為容易輸出的且與待測物質(zhì)濃度成正比的電信號。信號傳輸經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過導(dǎo)線或無線電波等傳輸介質(zhì)傳輸?shù)侥康奶幚砥魃?。信號顯示目的

4、處理器將接收到的電信號進(jìn)一步放大、處理、儲存達(dá)到測量記錄的目的。圖示上圖中的敏感元件即為之前原理介紹中的生物感應(yīng)元件，換能器即為信號傳導(dǎo)元件。被測物質(zhì)經(jīng)由分子識別、信號轉(zhuǎn)換、信號傳輸及信號處理完成整個(gè)生物感應(yīng)器的工作流程。技術(shù)應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用臨床醫(yī)學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號的變化，根據(jù)這一變化，就可測定某種物質(zhì)的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可

5、制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。DNA傳感器是目前生物傳感器中報(bào)道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從DNA,RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時(shí)診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點(diǎn)。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機(jī)理并測定了血液中

6、該類藥物的濃度。軍事醫(yī)學(xué)軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時(shí)快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測時(shí)間為3lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個(gè)信號識

7、別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測。其他應(yīng)用食品工業(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蘋果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近幾年，人們?nèi)罕妼κ称钒踩匾暢潭仍絹碓礁?，特別是食品中的農(nóng)藥殘留以及致病性微生物的檢測，民以食為天，食品中致病性微生物會對消費(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)對食品中致病性微生物的檢測工作，Gossett 等研制了可用于檢測葡萄球菌腸毒素 B（SEB）的免疫傳感器。環(huán)境監(jiān)測生物傳感器已廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境污染物的檢測領(lǐng)域，比如用為生物傳感器對生物耗氧量的檢測，其工作原理是用

8、微生物的菌群作為電極，水中生物耗氧量的變化會引起水中微生物呼吸的變化，最終導(dǎo)致電極電流信號的變化。通過轉(zhuǎn)換器將信號放大，從而檢測生物耗氧量。生物傳感器在大氣監(jiān)測領(lǐng)域也得到很廣泛的應(yīng)用。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、乳酸等的測定。工作原理是用微生物電極與氧電極組成，通過測量氧電極電流變化來檢測耗氧量，從而達(dá)到測量待測物濃度的作用。在各種原材料中葡萄糖的測定是發(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)消耗氧氣，通過傳感器監(jiān)測氧含量，從而計(jì)算出葡萄糖的濃度。技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)成本低

9、，使用固定化酶作催化劑的傳感器課多次重復(fù)使用專一性好，只對特定的底物產(chǎn)生反應(yīng)，可以減少預(yù)處理分析速度快準(zhǔn)確性高操作簡單，可實(shí)現(xiàn)自動化分析缺點(diǎn)生物活性單元具有不穩(wěn)定性和易變性，傳感器的穩(wěn)定性有影響。參考文獻(xiàn)： HYPERLINK /item/%E7%94%9F%E7%89%A9%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/16825127 l viewPageContent /item/%E7%94%9F%E7%89%A9%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/16825127#viewPageContent生物傳感器的研究現(xiàn)狀及展望 HYPERLINK /a/150954984_468626 /a/150954984_468626 HYPERLINK /article/88/142/2015/20150623374537.html /article/88/142/2015/20150623374537.html HYP