生物传感器的发展及应用

生物传感器的发展及应用

程哲灏陈辉芳

程哲灏陈辉芳

（广州广东岭南职业技术学院510663）

【摘要】近年来,生物传感器发展迅速。从新技术和新材料方面介绍了传感针、DNA传感器、纳米传感器、生物芯片等几种新型生物传感器的结构与特点,并阐述了生物传感器在空间生命科学、食品工业、环境监测等领域的应用。

【关键词】生物传感器检测发酵生化过程

【中图分类号】R318【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2014）06-0099-02

TheDevelopmentandApplicationoftheBio-sensor

ChengZhehao

（LinnanInstituteOfTechnology，Guangzhou，China，510663）

【Abstract】Inrecentyears,thedevelopmentofbio-sensorsisrapid.Newtechnologyandnewmaterialsintroducedsensingneedle,DNAsensors,nano-sensors,bio-chips,suchasseveralnewtypesofbiosensorsstructureandcharacteristics,anddescribedthebiologicalsensorinspacelifescience,foodindustry,environmentalmonitoringandfermentationengineering,etc.fields.

【Keywords】Bio-sensors\Monitor\Fermentation\Biochemicalprocess

1生物传感器简介

生物传感技术是研究和工程技术领域一个非常活跃的课题,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等科学一起,处在生命科学和信息科学的交叉区域。而生物传感器它是一个典型的多学科交叉产物,是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信号,信号强度与被分析物成比例[1]。

2生物传感器的工作原理[2]

生物传感器则是利用固定化的生物体本身作为敏感元件的传感器。生物传感器的基本结构由分子识别元件(感受器)和转换部分(换能器)构成。分子识别部分用来识别被测对象，它是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能部件。在生物体中，有许多能够选择性地分辨特定物质的分子识别功能物质，它能识别一些特定的物质，并与之结合成复合物。这些物质的大多数独自就有分子识别功能，但由于生物体内分子识别多是关联到种种控制系统，所以不只是利用单独的分子，也可利用分子集合体或细胞来作为传感器的感受器。分子识别部分与被识别物质相接触，可以发生化学变化、热变化、光变化以及直接诱导电信号。这几种变化可通过各种电极、热敏器件和光敏器件等转换为电信号，然后利用电学测量方法检测和控制。把具有分子识别功能的生物物质固定在固态载体上，例如分子膜等。当它与检测对象相接触时，首先是埋入膜内的感受物质与被测物质选择性地吸附，形成复合物。然后通过两种方法取出因复合物而产生的电输出:一种是由于复合物的形成而引起的膜电势的变化，直接得到电输出；另一种是间接变换型，形成的复合物又产生化学反应或热变化或光变化，在通过化学电极或热电极器件或光电极器件转换为输出。

3生物传感器的特点和分类[3]

生物传感器的主要特点有以下几个方面:A.它是一种无试剂快速检测仪器，不仅不需要其他试剂，也不需处理备件样品。B.检测方法简便、准确、敏感和快速，能在数分钟内出结果。另外，体积小便于随身携带。C.可联机监测、连续分析和反复使用。D.成本低，易推广。E.根据生物反应的多样性和特异性，理论上可研制出测定所有生物物质的生物传感器。

生物传感器依分子识别元件可分为酶传感器、免疫传感器、酶免疫传感器、细胞器传感器、微生物传感器、组织传感器等；依所用的换能器可分为电极生物传感器、场效应晶体管生物传感器、光学式生物传感器、热敏电阻式生物传感器等；依监测对象的多少又可分为单功能型和多功能型两大类，大部分的生物传感器是以单一化学物质为测量对象的单功能传感器，能同时检测微量多种化学物质的多功能传感器也正在研制中，如模拟人体感官的味觉、嗅觉、冷暖感觉的传感器。

4生物传感器在发酵工业中的应用

主要用于检测：氨基酸类物质、糖类、酒精含量的测定、淀粉的测定。

5生物传感器在细胞工程中的应用

由于生物传感器有着其他传感器无法比拟的简单、可靠、准确、尤其是可以深入极其微小空间进行检测的优点，生物传感器在细胞工程中有着极大的应用价值。它不仅可以通过细胞的代谢物来进行细胞计数，更重要的是它可以成功地深入细胞甚至细胞器，对细胞进行检测。它将在细胞工程的各个领域中得到广泛的应用。

德国Infineon技术公司和马克斯布朗克生化研究所(MPI)已经成功地把一种新研制的生物传感器芯片和活神经细胞连接起来，读取神经细胞产生的电信号。这个生物传感器芯片被命名为Neuro-Chip[4,5]。Neuro-Chip把128×128个传感器集成为一个仅有1m2的阵列。传感器下面有复杂的电路，用来放大和处理神经细胞的微弱电信号(最大5mV)。一个个神经细胞被放在传感器阵列上面的营养液里，保持神经细胞活性的同时允许重建神经组织。Neuro-Chip的传感器密度比目前常用的神经细胞研究方法提高了大约300倍。芯片上的每一个传感器间距8μm确保每一个神经细胞(大小通常介于10μm－50μm)至少接触到一个传感器。在规定的时间内，该芯片同时检测几个神经细胞并记录神经组织内的电活动的操作顺序。Neuro-Chip可以为16384个传感器中的每一个传感器纪录2,000个单值。然后数据被转化成彩色图像供目视分析。科学家可以用这些数据观察神经组织如何对电刺激或某些化学物质作出反应。2000年[6]我国学者曾报道了利用血红细胞阻抗特性引起传感器响应来检测红细胞凝集时间和沉降速率的压电石英晶体阻抗传感器。实验研究了红细胞变形性、渗透压以及溶液中其他大分子物质对检测的影响，并通过与目前常规使用方法比较，证实了用此传感器检测红血细胞凝集时间和沉降速率具有较好的敏感性，且操作简便而无热效应干扰。

6生物传感器在酶工程中的应用

酶生物传感器的发展，直接推动了酶工程的进步，在酶工程的研究中有着举足轻重的作用。酶生物传感器的原理是这样的:用固定化技术将酶装在生物敏感膜上，检测样品中若含有相应的酶底物，则可反应产生可接受的信息物质，指示电极发生响应即可转换成电信号变化，根据这一变化，就可测定某种物质的有无和多少。酶电极是最早研制并应用最多的一种传感器，已经用于临床检测成分有血糖、乳糖、Vc、尿酸、尿素、管酸和转氨酶等。

7在医学领域中的应用

生物传感器在医学领域发挥着重大的作用。生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型检测方法，而且，因其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。

在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。免疫传感器等生物传感器可用来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据。在军事医学中，对生物毒素地及时、快速检测是防御生化武器的有效措施，生物传感器除用于监测多种细菌、病毒及其毒素，还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖尿酸、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌物质[7]。

生物传感器技术的不断进步，必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长使用寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。1975年，YellowSpringsInstrument公司首次成功地将葡萄糖酶电极推向市场。1976年，Miles公司将酶电极用于人造胰脏中的血糖监控。1987年，MediSense公司推出丝网印刷电极。1990年，Pharmacia公司将SPR技术市场化。目前，Quan-tech公司也正准备以SPR技术为基础推出一系列用于诊断早期心肌梗塞的仪器。据KaloramaInformation近日发布的一项新研究报告《医疗与生物传感器和传感器系统:市场、应用和全球竞争》称，2005年，生物传感器营业收入达到了29亿美元，而医疗应用占该销售额的最大份额[8]。

8在食品工业中的应用

生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

食品成分分析:在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中葡萄糖的含量。

食品添加剂的分析:亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也用生物传感器测定色素和乳化剂。

9在环境监测中的应用[9-12]

大气环境监测中，SO2是酸雨酸雾形成的主要原因，传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上，和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨和酸雾样品溶液进行检测。

生化需氧量(biochemicaloxygendemand，BOD)的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标，常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测。目前，研究人员分离了2种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器，用于测量BOD，其重复性误差为±10％。该传感器用于纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2mg/L，所用时间为5min。用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料的一种新型微生物传感器，在高渗透压下可以正常工作，并且，其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法。

10小结

提高生物工程研究工作效率的一个重要因素就是努力简化生物工程研究工作的本身，使之能够在普通和常规条件下进行，并尽量减少操作步骤和操作技巧。在生物工程研究中任何分析系统如果能够稍微简化一下操作步骤和操作技巧，就将被看作生物工程研究工作方面的重大突破和进步。为实现此目标，种种尝试大大推动了生物传感器的研究发展。近几年，各种新型生物传感器不断涌现，生物传感器的灵敏度不断提高。固态生物传感器(生物芯片)、多功能生物传感器、智能化生物传感器和基因探头等极富潜力的生物传感器均得到了飞速的发展。作为生物工程研究工作的重要工具，生物传感器的巨大发展将推动生物工程向着更深、更广、更高的研究领域迈进。

参考文献

[1]张珩,陶桓齐.生物传感器在发酵工业中的应用[J].科技信息2007,32:52.

[2]张广.生物传感器在生物工程研究中的应用[J].太原师范学院学报,2005,3(9):82-84.

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[5]FENGDe-rong.BiosensorsandtheirapplicationinthePeople'sRepublicofChina[J].AdvancesInBiosensors,1999,289-313.

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