生物傳感器的研究重點、原理、種類及其應(yīng)用

        一、生物傳感器研究起源

        20世紀(jì)的60年代, Updike和 Hicks把葡萄糖氧化酶 (GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起,首先制成了第一種生物傳感器,即葡萄糖酶電極。到 80年代生物傳感器研究領(lǐng)域已基本形成。其標(biāo)志性事件是: 1985年《生物傳感器》 國際刊物在英國創(chuàng)刊; 1987年生物傳感器經(jīng)典著作在牛津出版社出版;1990年,首屆世界生物傳感器學(xué)術(shù)大會在新加坡召開,并且確定以后。生物傳感器是一個非?；钴S的研究和工程技術(shù)領(lǐng)域,它與生物信息學(xué)、 生物芯片、 生物控制論、 仿生學(xué)、 生物計算機等學(xué)科一起,處在生命科學(xué)和信息科學(xué)的交叉區(qū)域。它們的共同特征是:探索和揭示出生命系統(tǒng)中信息的產(chǎn)生、 存儲、 傳輸、 加工、 轉(zhuǎn)換和控制等基本規(guī)律,探討應(yīng)用于人類經(jīng)濟(jì)活動的基本方法。生物傳感器技術(shù)的研究重點是:廣泛地應(yīng)用各種生物活性材料與傳感器結(jié)合,研究和開發(fā)具有識別功能的換能器,并成為制造新型的分析儀器和分析方法的原創(chuàng)技術(shù),研究和開發(fā)它們的應(yīng)用。生物傳感器中應(yīng)用的生物活性材料對象范圍包括生物大分子、 細(xì)胞、細(xì)胞器、 組織、 器官等,以及人工合成的分子印跡聚合物 (molecularly im2p rinied polymer,MIP)。由于研究 DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識別技術(shù)已形成生物芯片 (DNA芯片、 蛋白質(zhì)芯片)獨立學(xué)科領(lǐng)域。

        二、 生物傳感器的原理

        待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進(jìn)入生物活性材料,經(jīng)分子識別,發(fā)生生物學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號,再經(jīng)二次儀表放大并輸出,便可知道待測物濃度

        三、 生物傳感器的種類

        (1)按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類,可分為:微生物傳感器、免疫傳感器、 組織傳感器、 細(xì)胞傳感器、 酶傳感器、 DNA傳感器等。

        (2)按照傳感器器件檢測的原理分類,可分為:熱敏生物傳感器、 場效應(yīng)管生物傳感器、 壓電生物傳感器、 光學(xué)生物傳感器、 聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、 介體生物傳感器等。

        (3)按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類,可分為親和型和代謝型兩種。

        四、 生物傳感器的特點

        (1)采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑,價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用,克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點。

        (2)專一性強,只對特定的底物起反應(yīng),而且不受顏色、 濁度的影響。

        (3)分析速度快,可以在一分鐘得到結(jié)果。

        (4)準(zhǔn)確度高,一般相對誤差可以達(dá)到 1%

        (5)操作系統(tǒng)比較簡單,容易實現(xiàn)自動分析

        (6)成本低,在連續(xù)使用時,每例測定僅需要幾分錢人民幣。

        (7)有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

        五、 現(xiàn)今生物傳感器介紹

        (1) SPR生物傳感器。藥物分析用生物傳感器其典型代表產(chǎn)品是 SPR生物傳感器,這是一種表面膜共振分析,是實時測定生物分子結(jié)合的技術(shù),在九十年代初由發(fā)瑪西亞公司引入,以抗原抗體結(jié)合分析為例,將抗原 (或抗體)通過表面化學(xué)方法固定在芯片的金箔表面,然后讓抗體 (或抗原 )流過抗原抗體的結(jié)合將改變膜表面液體性狀,從而影響金箔共振性質(zhì),這改變可被實時檢測并記錄下來 (這被稱之結(jié)合相)。如改讓緩沖液流過,結(jié)合的抗體 (或抗原)將解離并被帶走,這同樣改變膜表面液體性狀,檢測并記錄下來的金箔共振性質(zhì)改變就是解離相。它主要用于部份新藥研發(fā)中藥物作用的分子活性基團(tuán)的識別。

        (2)固定化酶生物傳感分析儀。固定化酶生物傳感分析儀是最早出現(xiàn)且精度最高的生物傳感器。固定化酶生物傳感器最重要服務(wù)對象包括:臨床、 食品分析、 發(fā)酵工業(yè)控制、 環(huán)境監(jiān)測、 防衛(wèi)安全檢測等領(lǐng)域。例如在發(fā)酵工業(yè)的氨基酸工業(yè) (味精、 天冬氨酸、 丙氨酸、 賴氨酸等)、 抗生素工業(yè) (葡萄糖等的在線監(jiān)測和控制系統(tǒng) )、 酒類工業(yè) (酒精生物傳感器 1min可得到結(jié)果)、 酶制劑工業(yè) (糖化酶快速分析)、 淀粉糖工業(yè) (葡萄糖、 淀粉、 糖化酶的分析)、 生物細(xì)胞培養(yǎng) (葡萄糖、 乳酸、 谷氨酰胺分析)、 石化工業(yè)中微生物脫硫細(xì)胞培養(yǎng)監(jiān)控、 維生素 C的生產(chǎn)、 發(fā)酵甘油的生產(chǎn)等,生物傳感器檢測技術(shù)是生物加工類企業(yè)改造的重要途徑之一,在線生物傳感器分析是建立生產(chǎn)模擬系統(tǒng)和實時檢測的新工具。

        (3)血糖—乳酸生物傳感自動分析儀。具有自動識別試管位置功能的樣品盤、 自動定量吸入樣品的取樣系統(tǒng)和相應(yīng)的生物傳感敏感膜。組裝成整機,能實現(xiàn)微量取樣、 快速響應(yīng)、 高精度,操作完全自動化的有競爭力的新生物傳感器。

        (4)高精度血糖分析儀。高精度血糖分析儀是采用固定化酶的生物傳感分析儀。其分精度可以達(dá)到 0. 5～2% ,比家用保健類生物傳感器幾乎高一個數(shù)量級,比目前醫(yī)用生化分析儀的精度也高 2～3個百分點。這在血糖分析領(lǐng)域是非常重要的,它們可以用作血糖分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。尤其是在市場銷售的手掌型血糖分析儀出現(xiàn)質(zhì)量事故時,需要另一種有說服力的分析方法證明其分析結(jié)果時,固定化酶葡萄糖生物傳感分析儀可以作為一種理想的仲裁工具。它們既可作為醫(yī)用類型的分析儀,還可用作生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的過程監(jiān)控、 食品分析、 和科研工具。多種酶傳感器研究開發(fā)比較成熟,已形成商品

        六、 家用醫(yī)療保健類生物傳感器

        手掌型血糖分析器:糖尿病人可以自測的手掌型血糖分析器已經(jīng)達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的程度。在上世紀(jì) 70年代血糖自我監(jiān)測儀器就已問市,使血糖的檢驗由醫(yī)院延伸到家中。上個世紀(jì) 80年代,新一代血糖及操作技術(shù)簡單化,使得自我監(jiān)測血糖的準(zhǔn)確度提高了。這是研究者最初沿著干化學(xué)試劑條測定尿糖濃度的思路,采用酶法葡萄糖分析技術(shù),并結(jié)合絲網(wǎng)印刷和微電子技術(shù)制作的電極,以及智能化儀器的讀出裝置,三者完美地組合成微型化的血糖分析儀。