生物传感器概述

新建文档 生物传感器概述 生物传感器是指“使用固定化的生物分子（immobilized biomolecules）结合换能器，用来侦测生物体内、外环境化学物质或与之起特异性交互作用，并产生响应的一种分析检测装置”。其工作原理是：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，达到检测待测物浓度的目的。与传统分析方法相比，生物传感器将分离和检测统一为一体，具有体积小、响应快、准确度高，可以实现活体连续在线自动检测，以及成本低和易普及等优点，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，是发展生物技术不可或缺的一种先进检测与监控装置。 生物传感器有多种分类方式：根据生物活性物质的类别，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、DNA 传感器、组织传感器和微生物传感器等；根据检测原理，生物传感器可以分为光学传感器、电化学传感器及压电生物传感器等；根据生物敏感物质相互作用的类型，生物传感器可以分为亲和型和代谢型2种；此外，还可根据所监测的物理量、化学量或生物量而命名为热传感器、光传感器、胰岛素传感器等。 生物传感器由两个主要关键部件所构成，一是分子识别组件，此组件为生物传感器信号接收或产生部件；另一是物理信号转换组件，为硬件仪器部件。因此，如何利用已有的生化分离和纯化方法或设计合成特定的生物活性分子（biological active materials），结合精确而且响应快速的物理换能器（transducers）组合成生物传感器反应系统，是研究生物传感器的主要任务。目前，尽管已有多种生物传感器已经商业化，但是这方面的研究和应用仍然处于起步阶段，如何研究和开发新的专一性强、结构稳定、寿命较长、生产廉价、适应高通量分子识别和监测的分子识别组件是当今生物传感器研究的关键。 自1967年Updike和Hicks采用酶固化技术研制成了世界上第一只酶电极以来，经过40多年来的发展历程，尤其随着生物学、信息学、材料学、微电子学和计算机科学的发展，生物传感器得到了快速发展，目前已发展了许多种已经商业化的生物传感器。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、环境污染物检测和军事科学等领域展示了十分广阔的应用前景，并业已成为生物技术研究和应用的支撑和关键设备之一。但是，目前所使用的大部分生物传感器，由于其生物活性单元存在不稳定性和易变性等缺点，使其稳定性和重现性还较差，所以还有待进一步的完善。未来的生物传感器将具有功能集成化、微型化、智能化、高灵敏度、高稳定性、高寿命、低成本和易使用等特点，在人类生活的各个领域，尤其在基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究中将发挥重要的作用。 分子印迹概述 分子印迹技术（Molecular imprinting technique ，MIT）也称印迹技术，是从仿生角度，采用人工方法制备对特定分子（即印迹分子、模板分子）具有专一性结合作用，同时具有特定空间结构空穴的聚合物——分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers，MIP）的技术。由于MIPs 具有构效预定性、特异识别性、长期稳定性、实施简便性等优点，在分离纯化、生物化学、生物药学以及医学等诸多领域，尤其在生物传感器的研发领域具有巨大应用潜力。 分子印迹的方法是：首先以具有适当功能基团的功能单体与模板分子结合，形成单体—模板分子复合物，然后选择适当的交联剂将功能单体相互交联形成共聚物，从而使功能单体上的功能基在空间排列和空间定向上固定下来，最后采用一定的方法将模板分子脱，由此产生的分子印迹聚合物具有识别专一性、一定的机械稳定性和热稳定性。分子印迹技术起源于20 世纪40 年代，近10年来得到了快速发展。理论上，通过分子印迹可以人工制备专一识别任何分子的高分子聚合物，由此，分子印迹技术应用于生物传感器是推动未来生物传感器发展及普及的关键。 分子印迹纳米生物传感器 传统的生物传感器多是以生物物质如酶、受体、抗体、生物组织等作为分子识别元件，这些物质往往不易长期保存，且操作稳定性不高，因此在商业上并未取得很大成功。分子印迹纳米生物传感器是将纳米级厚度的分子印迹聚合物层覆盖在传感器探针的表面，再综合应用光、声、电、色等种种先进检测技术实现检测的一项高新技术。随着纳米科学与界面科学的蓬勃发展，分子印迹纳米生物传感器引起了世人前所未有的极大关注。分子印迹纳米传感器系纳米科技与生物传感器的链接与融合，其研究范围涉及到生物技术、信息技术、纳米科技、界面科学等等众多领域，并综合应用光、声、电、色等种种先进检测技术，因而成为当前国际上的研究热点，其应用广阔，开发迅猛。 分子印迹生物传感器的应用 在制备能够模拟自然系统、具有一定强度的识别材料方面，分子印迹聚合物已成为一种重要的选择，与各种不同换能装置相结合可制备出基于电、光、质量等的生物传感器。 Kriz等用吗啡印迹的MIPs成功地研制了竞争型电流传感器。首先吗啡选择性地结合到传感器中被印迹过的MIPs上，接着加入过量电惰性竞争物可待因，用电流法测定释放出来的吗啡。检测范围为0.1～10 mg/L，检出限为0.05 mg/L。该传感器最大的特色是适于苛刻的化学环境。等使用分子印迹技术通过循环伏安电聚合方式制备了对胆固醇响应的聚苯并咪唑（PMB I）膜修饰金电极，选用铁氰化物作为印迹电极与底物溶液之间电活性媒介体。传感器微分脉冲信号与胆固醇在20～100μmol/L范围内有线性关系，检出限0.7μmol/L。研究结果表明用分子印迹技术制备对电惰性底物敏感的装置是可行的。Suedee[等采用多步溶胀聚合（MSP）方法制备了三氯乙酸MIP膜，并以该MIP膜组装了电导型传感器用于饮用水中氯乙酸（HAAs）混合物的筛分。该传感器在25～1000μg/L HAAs范围内有线性响应（R2 = 0.970），对HAA的检出限在0.2～5.0μg/L。。用于实际样品分析时该方法简洁、可靠、灵敏。Liao等[以间氨基酚为单体，在0～0.8 V，5 mV / s扫描10个循环制备了5-氟-1-（四氢-2-呋喃）尿嘧啶MIP膜修饰的金或镀金石英晶体电极，通过测量该传感器的电容信号变化检测模板分子，浓度上限0.08 mmol/L，响应时间7 min。 荧光以其灵敏度和稳定性成为传感器中一种很重要的换能装置。荧光应用于MIPs系统有几种不同的方式：利用有荧光标记的被分析物；荧光物质直接作为功能单体参与形成空腔，其既为识别元件亦为探测元件；直接用荧光物质做模板。       Kriz等用丹酰苯丙氨酸MIPs研制了光纤传感器，表明了MIP用于传感装置中的优点，为在传感技术中使用人工识别系统设计具有选择性和稳定性的传感器提供了一种选择。镧系离子与适当的配体形成配合物时能显示出极长的发光时间和极强的发光强度。利用镧系的Eu3 +做光纤的探针，镧系光谱窄的激发和发射峰能提供极好的灵敏性和选择性，具有很强的抗干扰能力。Jenkins等将分子印迹技术与镧系发光结合起来制备了用于检测神经毒剂梭曼的水解产物的分子印迹聚合物磷光型传感器，当水解产物与印迹聚合物敏感层中Eu3 +络合时引起光谱的变化。检出限7 ng/L，线性范围10 ng/L～10μg/L。 Ji等研制了M IPs修饰压电传感器，用于气味物质如二甲萘烷醇（2-methylisoborneol （M IB））等的测定，检出限5 mg/L，上限高至1000 mg/L。采用相转移沉积方法制备了咖啡因MIP膜，压电晶体微天平为能量转换器，研究了对咖啡因选择性响应的性能。Feng等采用循环伏安法电聚合邻苯二胺合成了山梨（糖）醇MIPs，以QCM为敏感装置制备了检测山梨（糖）醇的生物传感器，表现出良好的灵敏度、选择性和重复性。频率位移与山梨（糖）醇的浓度在1～15 mmol/L范围内呈线性关系。Lin等将白蛋白溶解在3-二甲基氨丙基甲基丙烯酰胺单体中，加入不同交联剂，将该混合溶液旋涂于镀金（具有不同官能团）的压电石英晶体电极表面，采用紫外光光引发方式制备了白蛋白MIPs。频率的变化通过QCM连续检测。发现交联剂的种类对MIP - QCM传感器有显著影响（如：吸附容量、获得稳态频率的时间等）。在60～150 mg/L范围内对白蛋白有线性响应。对人血清白蛋白的检测结果与临床分析结果一致。等以甲基丙烯酸为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，采用UV光引发聚合制备了L -丝氨酸M IP石英晶体传感器，为消除环境因素对石英晶体频率的影响，采用了双石英晶体浸入乙醇溶液中的方式，其一为参比。该传感器对液相中的L -丝氨酸响应浓度达0.4 mg/L，检出限为2μg/L，对L .丝氨酸、D-丝氨酸的对映选择性系数为4.8。 体声波（BAW）传感器作为一种微天平可检测气相或液相中的微量物质，分子在改性表面上的特定键合会导致压电石英晶体金属电极的细微质量改变。可将MIP固定于传感器表面进行改性。以邻苯二胺、苯胺为单体，通过循环伏安法现场制备了阿托品硫酸盐MIP体声波传感器，频率位移（ -Δf）与浓度的对数（logc）在8.0 ×10- 6 ～4.0 ×10- 3 mol/L范围内有线性关系，检出限2.0 ×10- 6 mol/L。方法成功地应用于血清及尿样中阿托品硫酸盐的测定。等将肾上腺素MIP旋涂于体声波（BAW）装置上，制备了对肾上腺素具有高选择性和灵敏度的仿生BAW 传感器。线性响应范围5.0 ×10- 8 ～2.0×10- 5 mol/L，2.0 ×10 - 8 mol/L，回收率93%～109%。Tan等采用4-VP和MAA混合单体制备了扑热息痛非共价MIP作为敏感材料，BAW为转换器，用于检测实际样品中的扑热息痛，线性范围5.0 ×10- 3 ～0.1 mol/L。动态石英晶体阻抗分析表明，检测过程中M IP的粘弹性没有变化，该传感器具有良好的稳定性和重复性。同时使用两种不同单体获得的聚合物有较高的选择性和灵敏度。  分子印迹传感器的现状与前景 分子印迹技术正在迅猛发展，广泛用于各种传感器设计。虽然目前主要处于实验室阶段，但其巨大的科研和商业潜力已经展露无遗。就目前各国的研究状况和各大公司的资助来看，最可能首先进入市场的是固相萃取，而亲和分离可能是M IP技术最理想的应用。生物模拟传感器和催化领域的发展还很不成熟，现在越来越多的研究者和资金进入了该领域。在化学传感器方面，利用和开发膜技术制备分子印迹聚合物是这方面研究的发展方向。 对MIP传感器而言: ①传统聚合方法存在两个问题：一是不能提供足够薄的涂层，并使之在适当的时间内达到聚合平衡：二是被分析物键合产生的信号变化太小以致于难以检测。使用光嫁接方法制备的MIP化学传感器及采用电合成方法制备MIP模拟生物传感器]可望解决这些问题：②文献报道各种类型M IP传感器制备过程繁琐，响应时间过长：③分子印迹聚合物大多只能在有机相中进行聚合和应用，而天然的分子识别系统大多是在水溶液中进行的，如何能在水溶液或极性溶剂中进行分子印迹和识别仍是一大难题：④将M IP合成与传感器制备有机结合还需大量研究工作。 结束语 生物传感器可以取代常规的化学分析方法，因此，它的出现可以说是一场技术革命。人类基因组计划的实施大大加速了与生物学、医学、信息学等学科息息相关的各类新型生物传感器的发展，这给当前生物传感器的研究提供了前所未有的发展机遇。生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，如何组织各方面的科技力量和财力、物力来推动这一高科技领域在我国的发展，不仅是对生物、信息、物理、化学、医学、微电子、材料等相关领域中科技人员的挑战，也是有关行政管理部门面临的一个课题。