生物传感器研究进展
电信号分子在电化学功能核酸生物传感器中的研究进展
电信号分子在电化学功能核酸生物传感器中的研究进展谢银侠;王蔚然;程楠;许文涛【摘要】电信号分子是应用于功能核酸电化学生物传感器中起着信号转换作用的具有电化学活性且能够和核酸相互作用或是可以标记在核酸链上的一类分子的统称.电信号分子对于功能核酸电化学生物传感器是必不可少的一部分,它对于电化学生物传感器检测的灵敏度和应用的普及性都至关重要.简要介绍了5大类电信号分子,即染料类电信号分子、金属有机配合物类电信号分子、纳米材料类电信号分子、类过氧化氢酶类电信号分子、有机小分子类电信号分子,详细阐述了这些电信号在功能核酸电化学生物传感器中的应用,主要从产生电信号的方式、实际应用以及每种电信号的使用优缺点进行分析,并对新的电信号分子的发现或设计进行了展望,以期对后续有关电信号的研究有借鉴作用.【期刊名称】《生物技术通报》【年(卷),期】2019(035)005【总页数】13页(P157-169)【关键词】电信号分子;功能核酸电化学生物传感器;信号转换【作者】谢银侠;王蔚然;程楠;许文涛【作者单位】中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100081;中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100081;中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100081;中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100081【正文语种】中文核酸除了作为遗传物质的载体之外，还可以与一些天然存在或人工合成的小分子或离子结合，并发生构象的改变；或是在这些靶分子的存在下，具有类似蛋白酶的催化活性，可以催化底物发生切割或连接反应，这一类核酸称为功能核酸（Functional nucleic acids，FNAs）［1-2］。
FNAs 主要有两类［3］，一类是与靶物质结合时可发生构象改变的适配体（Aptamer）；另一类是有酶催化活性的脱氧核酶（DNAzyme）和G-四链体（富含腺嘌呤的DNA所形成的四链体结构）与氯化血红素的复合物（Hemin/G4）。
电子信息工程在生物医学领域的前沿应用研究
电子信息工程在生物医学领域的前沿应用研究1. 引言电子信息工程作为一门交叉学科，与生物医学领域相结合，产生了许多前沿的应用研究。
本文将重点讨论电子信息工程在生物医学领域的前沿应用，包括生物传感器、医学图像处理、生物信号分析和医疗装备等方面的研究进展。
2. 生物传感器生物传感器是将生物信号转换为电信号的设备，广泛应用于生物医学领域。
近年来，随着纳米材料和微纳技术的发展，生物传感器的灵敏度和选择性得到了显著提高。
例如，基于纳米材料的生物传感器可以检测生物标志物、细胞活性和病原体等。
此外，采用微流控技术结合电子信息工程，可以实现高通量的生物分析，如基因测序和蛋白质分析。
3. 医学图像处理医学图像处理是电子信息工程在生物医学领域中的重要应用之一。
通过将图像处理技术应用于医学影像数据，可以实现疾病诊断和治疗的精确性和可靠性的提高。
例如，计算机辅助诊断系统能够通过处理医学图像数据，自动辅助医生识别疾病和异常情况。
此外，深度学习算法的发展为医学图像处理提供了新的机会，例如在肿瘤检测和病变分割方面的应用。
4. 生物信号分析生物信号分析是电子信息工程在生物医学领域中的又一重要应用方向。
通过对生物信号进行分析，可以获得有关生物体功能和健康状态的信息。
例如，脑电图（EEG）信号分析可用于研究脑电波的活动模式，从而诊断神经系统疾病和监测人的认知状态。
心电图（ECG）信号分析可用于诊断心脏病变和评估心脏健康状况。
此外，基于声音和语音的生物信号分析也得到了广泛应用，例如肺部疾病的诊断和中风的早期预警。
5. 医疗装备电子信息工程在医疗装备领域的研究与创新也是生物医学领域的重要方向。
通过将先进的电子信息技术应用于医疗设备，可以提高医疗诊断的准确性和手术治疗的安全性。
例如，微创手术设备和机器人辅助手术系统可以通过灵活的操纵和精准的操作，提高手术的成功率和减少对患者的创伤。
此外，可穿戴设备和健康监测系统也是电子信息工程在医疗装备领域的研究热点，可用于实时监测患者的生理指标和提供个性化的医疗健康服务。
电信号分子在电化学功能核酸生物传感器中的研究进展
·综述与专论·2019, 35(5):157-169生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN核酸除了作为遗传物质的载体之外，还可以与一些天然存在或人工合成的小分子或离子结合，并发生构象的改变；或是在这些靶分子的存在下，具有类似蛋白酶的催化活性，可以催化底物发生切割或连接反应，这一类核酸称为功能核酸（Functional nucleic acids，FNAs）［1-2］。
FNAs 主要有两类［3］，一类是与靶物质结合时可发生构象改变的适配体（Aptamer）；另一类是有酶催化活性的脱氧核酶（DNAzyme）和G -四链体（富含腺嘌呤的DNA 所形成的四链体结构）与氯化血红素的复合物收稿日期：2018-07-02基金项目：转基因重大专项（2018ZX08012-001-004）作者简介：谢银侠，女，硕士研究生，研究方向：核酸分子检测；E -mail ：2913130957@ 通讯作者：许文涛，男，副教授，博士生导师，研究方向：功能核酸生物传感器检测技术；E -mail ：xuwentao@电信号分子在电化学功能核酸生物传感器中的研究进展谢银侠 王蔚然 程楠 许文涛（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100081）摘 要： 电信号分子是应用于功能核酸电化学生物传感器中起着信号转换作用的具有电化学活性且能够和核酸相互作用或是可以标记在核酸链上的一类分子的统称。
电信号分子对于功能核酸电化学生物传感器是必不可少的一部分，它对于电化学生物传感器检测的灵敏度和应用的普及性都至关重要。
简要介绍了5大类电信号分子，即染料类电信号分子、金属有机配合物类电信号分子、纳米材料类电信号分子、类过氧化氢酶类电信号分子、有机小分子类电信号分子，详细阐述了这些电信号在功能核酸电化学生物传感器中的应用，主要从产生电信号的方式、实际应用以及每种电信号的使用优缺点进行分析，并对新的电信号分子的发现或设计进行了展望，以期对后续有关电信号的研究有借鉴作用。
纳米增强酶生物传感器原理研究取得重要进展
高技术产业发展 “ 十一五， ， 规期霹拳羞 重 点 培 育 海 洋 生 物 滞
善 大产 业成为重 点发 展目书 ＿
－ 。 。 ≮ 。
７月 ６日， 国务院同意，国家发 经
改 委 印 发 了《 技 术 产 业 发 展 “ 一 五 ” 高 十 规 划 》 （ 下 简 称 《 划 》 ， 首 次 明确 以 规 ） 加 ０ 产 业 ， 快 发 展 深 海 积 ｌ ＿ 资 源 产 业 ， 极 推 进 ｌ ０ ０ ０
台，为安全 、 便捷地进行深海应用 奠定
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声纳系统，使 “ 一 ”具有进行地形 地貌探测和浅地层剖面能力。
读者服 务卡编号
过这批专项工程的实施 ， 力争攻 克一批 具有全局性、带动性的关键共性技术 ，
培 育 一 批 具 有 自主 知 识 产 权 的 高 技 术
的要求，扩大 民用飞机产业规模 ， 提升 航空产业配套能力， 高卫星研发制造 提 水平，着力发展卫星应用产业 。 ４ 、新材 料产业要围绕信息、生物、
员 ，经过 ８年多 时间才最后研制完成 。
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一
海水综合利用 ， 推进海洋 资源 开发从浅
海 向深 海 发 展 。 ８ 用 高 新 技 术 改 造 提 升传 统产 业 、 要 按 照 走 新 型 工 业 化 道 路 的要 求 ， 化 强 农 业 高 新 技 术 推 广 应 用 ， 力促 进 节 能 努 降 耗 ， 快 发 展 环 保 产 业 ， 极 推进 产 加 积 业信息化 ， 强重大技术装备研制 ， 加 加 快关键技术开发和产业化 。
智能材料在生物医学领域的应用研究进展
智能材料在生物医学领域的应用研究进展智能材料是一种能够对外界环境做出响应和变化的材料，其在生物医学领域的应用正在得到越来越多的关注和研究。
这些智能材料，通过其独特的特性，为医学领域提供了许多新的治疗和诊断方法。
本文将介绍智能材料在生物医学领域的应用研究进展，包括智能药物输送系统、智能仿生材料以及智能生物传感器等方面。
一、智能材料在药物输送系统中的应用智能药物输送系统是将药物通过智能材料载体，精确、定时地释放到患者体内的方法。
这种方法可以增加药物的疗效，降低不良反应，并提高患者的生活质量。
智能材料通常通过对外部刺激如温度、pH值等的响应来控制药物的释放。
例如，一些智能材料可以在特定的温度下保持稳定，但在其他温度下会释放药物，从而实现药物的定向输送。
另外，还有一些智能材料通过对光、电、磁等刺激的响应来实现药物的控制释放。
这些智能药物输送系统的研究成果为药物治疗的个性化提供了可行的途径。
二、智能材料在仿生医学领域的应用仿生医学是模拟生物体内的结构和功能，开发新型的医疗材料和技术，用于替代和修复组织和器官的研究领域。
智能材料在仿生医学领域的应用，可以帮助人们更好地理解和模拟生物体内的复杂结构和功能。
例如，智能生物支架可以模拟组织的生物相容性和力学性能，用于修复受损的组织。
同时，一些智能材料还可以模拟生物体内的微环境，为细胞生长和分化提供适宜的环境。
三、智能材料在生物传感器中的应用智能生物传感器是一种将生物学反应与物理信号转换的设备，可以用于检测和监测生物分子的浓度和活性。
智能材料作为传感器组件的关键材料，在生物传感器中具有重要的应用价值。
智能材料可以通过与生物分子的特异性相互作用来产生信号响应，并将其转换为可观测的物理信号。
例如，一些智能材料可以通过与特定蛋白质的结合，改变其光学性质，从而在传感器上产生光学信号。
这些智能生物传感器以其高灵敏度和快速检测的特性，为药物筛选、癌症早期诊断、环境监测等提供了新的解决方案。
电化学生物传感器的应用研究进展
公司制造 ，之后又 由 Ｌ ｅｓ ｏｔｒｐ和 Ｂｃ ｍ ｎ仪器公 司 ｅｄ ，Ｎ ｒ ｕ ｈ ｅｋ ａ 相继推 出，这些传 感器均 是用 于血糖 和尿糖 检测 的 电化 学
传感 器。２ 世 纪 ８ Ｏ Ｏ年代新型的生物传感器在实验室取得了
电化学 生物传感 器主要 由生物 分子识别 和信息转 换部 件两部分组合构成 。其设 计原 理是待 测物通 过生 物分 子识
存 储 、便 于 患 者 盲 接 傅 用 、易 与 医 院 联 网等 功 能 申 化 学
理作用过程彼此联 系。当待测 物 与分 子识别 元件 特异性 结 合后 ，所产 生 的复 合物 （ 光 、热等 ） 或 通过 信 号转 换器变 为
可 以输 出 的 申 信 号 、光 信 号 等 ．从 而 到分 析 柃测 的 目的
别部件将被感 知物 质 的非 电信 号转 换成 可测 量 的 电信息 ， 再经过放大信号处理 ，进行信号输 出（ １ 。其 中识别器件 图 ）
主要用来感知样 品 中是 否含有待 测物质 ，转换器 件则将 识 别器件感知的信 号转 化 为可 以观 察记 录 的信 号 （ 电流 大 如
科研进展 ，商 家对生 物传感 器种类 进～ 步扩展 ，相 继 出现 了血电介 质传感器 、有毒气 体和 易燃气体 传感 器、ＩＦ Ｔ ＳＥ — Ｄ Ｈ计 ，其 中电化学 传感 器 占多数 。２ 纪 ９ Ｏ世 Ｏ年代 以来 ， 微机电系统 （ ＭＳ ＭＥ ）加工技 术使 该类 传感器 及其 生化 分
式生物传感器等 （ ２ 。 图 ） ３ 电化学 生物传感器 的应 用
根据所采 用 的生 物相 关物 质 或所 匹配 换 能器 的 不 同 ，
电化学生物传感 器有 不同 的形 式 。根据 生物传 感器 中生 物 分子识别元件 上的敏感物质 町分 为酶传感器 、微生物传感
普鲁士蓝类似物作为电化学生物传感器电极材料
一、概述电化学生物传感器作为一种重要的生物分析技术，在医学诊断、环境监测、食品安全等领域发挥着重要作用。
而电极作为传感器的核心组成部分，其性能直接影响着传感器的灵敏度、稳定性和检测限等重要指标。
近年来，普鲁士蓝及其类似物作为电化学生物传感器电极材料备受关注，其优异的电化学性能和生物相容性使其成为一种理想的传感器材料。
本文将对普鲁士蓝类似物作为电化学生物传感器电极材料的研究现状和发展趋势进行综述。
二、普鲁士蓝及其类似物的电化学性质普鲁士蓝，又称六氰铁(Ⅲ)铁(Ⅱ)盐，是一种具有深蓝色的配合物。
在电化学领域，普鲁士蓝及其类似物表现出良好的电化学活性和可逆性。
这种特性使得普鲁士蓝类似物成为一种理想的电化学传感器材料。
其电化学性质主要包括在电极表面的可逆氧化还原反应、电子传递速率快、稳定性好等特点。
三、普鲁士蓝及其类似物在电化学生物传感器中的应用1. 作为催化剂普鲁士蓝类似物可以作为电化学传感器中的催化剂，促进氧化还原反应的进行，提高传感器的灵敏度和响应速度。
2. 作为电子传递介质普鲁士蓝类似物在生物传感器中还可以作为电子传递介质，加速生物分子的电化学反应，提高传感器对生物分子的检测能力。
3. 应用于生物标记物检测普鲁士蓝类似物可以与生物标记物结合，通过其特有的电化学性质实现对生物标记物的快速、准确检测，具有很高的应用潜力。
四、普鲁士蓝类似物作为电化学生物传感器电极材料的研究进展1. 目前的研究状况近年来，普鲁士蓝及其类似物在电化学生物传感器中的应用得到了广泛的研究。
学者们通过合成改性普鲁士蓝类似物，设计新型电化学生物传感器，并不断优化其性能，取得了诸多研究成果。
2. 存在的问题和挑战然而，普鲁士蓝类似物作为电化学生物传感器电极材料仍然存在一些问题和挑战。
如其在生物体系中的生物相容性、稳定性、检测灵敏度等方面仍需进一步改进。
3. 发展趋势未来，普鲁士蓝类似物作为电化学生物传感器电极材料的研究将朝着以下方向发展：一是进一步提高其生物相容性，使之更适合于生物样品的检测；二是探索普鲁士蓝类似物与其他功能材料的复合应用，以期提高其在电化学生物传感器中的性能。
纳米生物传感器的应用前景
纳米生物传感器的应用前景随着纳米技术的发展，纳米生物传感器的应用前景越来越受到广泛关注。
纳米生物传感器是一种将生物分子及其相互作用通过纳米技术转化为电信号或光信号的装置。
由于其高灵敏度、高特异性和高分辨率等特点，纳米生物传感器在生物学、医学、食品安全等领域有着广泛应用前景。
一、医学领域在医学领域，纳米生物传感器可以用于疾病的诊断、治疗及预防。
例如，纳米生物传感器可以通过检测体液中特定蛋白质、基因或病原体等，实现疾病的早期诊断和高效治疗。
此外，纳米生物传感器还可以运用于药物传递及监测，不仅可以提高药物的疗效和安全性，还可以解决传统药物治疗中存在的药效不足和副作用等问题。
二、生物学领域在生物学领域，纳米生物传感器可以用于细胞和分子生物学研究。
例如，可以通过在纳米材料表面修饰上生物分子，实现对细胞膜或细胞核膜的检测，以及细胞内特定分子的检测和定位。
此外，还可以通过纳米材料的表面修饰实现对生物分子的拦截、结合和分离等。
这些研究可以进一步推动细胞和分子生物学研究的进展。
三、食品安全领域在食品安全领域，纳米生物传感器可以用于检测食品中的有害物质、病原体及其代谢产物等。
例如，可以对食品中的酸奶菌、乳酸菌等进行快速检测，或对肉类、蔬菜等食品中的激素和农药等进行检测和监测。
此外，还可以通过纳米材料的表面修饰实现对食品中的有害物质的拦截和去除等方法，提高食品的安全性和卫生性。
四、环境监测领域在环境监测领域，纳米生物传感器可以用于检测环境中的污染物及其代谢产物。
例如，可以对水体中的重金属、有机物、微生物等进行检测和监测，或对空气中的粉尘、气体、细菌等进行检测。
此外，还可以通过纳米材料的表面修饰实现对污染物的拦截和去除等方法，提高环境的清洁度和安全性。
总之，随着纳米技术和生物技术的发展，纳米生物传感器的应用前景越来越广阔。
未来，纳米生物传感器将在医疗、生物学、食品安全和环境监测等领域发挥更加重要的作用，为人类的健康、环境的保护和经济的发展做出更大的贡献。
压电生物传感器及其研究进展
（ 西 北 师 范 大 学 化 学 化 工 学 院 ，兰 州 ７ ０ ７ 军 事 医 学 科 学 院 卫 生 学 与 环 境 医 学 研 究 所 ，天 津 ３０ ５ ） ３０ ０； ０ ００
摘 要 ： 物 传 感 器 的研 究 是 近 年 来 生 物 化 学 、 子 生 物 学 、 感 器 技 术 等 领 域 的 研 究 热 点 。 本 文 简 要 生 分 传 介 绍 了压 电生 物传 感器 （ Ｅ Ｓ 的基本 原理 、 成 和 分 类 ， 点对 近 年 来 国 内外 Ｐ Ｂ ＰＢ ） 组 重 Ｅ Ｓ方 面 的研 究 进 展 、 物 识别 元 件 的固定 化 技术 和 Ｐ Ｂ 生 Ｅ Ｓ的 发 展 趋 势 进 行 了 综 述 。
压 电 生 物 传 感 器 （ ｅｚｅｅｔ ｃ ｉ ｅ ｓｒ， ｐ ｉ ｌｃｒ ｂｏ ｎｏｓ ｏ ｉ ｓ
Ｐ Ｂ ） 把 电子 学 、 械学 、 之 生 物学 等 学 科 结 合 Ｅ Ｓ是 机 分 在 一 起 的 新 型 生 物 传 感 器 。 这 类 传 感 器 最 大 的优 点
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ６ ２ ０ — ２ ０
Ｍ ａ ｎ Ｍ． Ｎａ ｉｔ ｃ ｎ １ １ ９ ｎ ｔｂｏ ｅ ｈ ｏ ． ９ ９． ７： ５ １ ９ ４—＿ ５ ９ ５ Ｏｄ ｅ １ ａ Ｙ ｔａ ．ＰｒｃＮａ ｌ ａ ｃ ｏ ｔ Ａｃ ｄ Ｓ ｉ
参 考 文 献
［ ２］ ［ ４］ ［ ５］ ［ ６］ ［ ７］ ［８ ］ ［ Ｏ］ １
Ｒａ ｌ ｕ ｅ １ Ｐｒ ｔｏ ｃ ． ０ ｂｉ ｏ ｄ Ｔ ｔａ ． ｌ ｏ ｅ ｍｉｓ ２ ０１． ６ ９— ７ ４ １： ９ ０
ｂ ｌ ｕ ．Ａ ｅ ２ ｏ ７ （ ） ４ Ａ－ ５ ｌ ａ Ｃ ［ Ｒａ ｉｏ ｄ Ｔ ｎ Ｚ ｈ ｍ ， Ｏ ｏ ， ２ １ ： ８ － ５ Ａ ３］
生物传感器的开发与应用前景
生物传感器的开发与应用前景在当今科技飞速发展的时代，生物传感器作为一种能够实时、灵敏、特异性地检测生物体内或环境中各种物质的分析工具，正逐渐展现出其巨大的潜力和广阔的应用前景。
生物传感器是一种将生物识别元件与物理化学换能器相结合的装置。
其工作原理通常是通过生物识别元件（如酶、抗体、核酸、细胞等）与目标分析物发生特异性结合或反应，产生的生物化学信号再被换能器转化为可测量的电信号、光信号或热信号等。
这种独特的设计使得生物传感器能够在复杂的生物体系中快速、准确地检测到微量的目标物质。
生物传感器的开发涉及多个学科领域的交叉融合，包括生物学、化学、物理学、电子工程学等。
在生物识别元件的选择和优化方面，研究人员致力于寻找具有高特异性、高亲和力和高稳定性的生物分子。
例如，酶作为一种常见的生物识别元件，具有高效的催化活性和特异性，但往往存在稳定性较差的问题。
通过对酶进行固定化处理、蛋白质工程改造或使用模拟酶等策略，可以显著提高酶的性能和使用寿命。
抗体也是一种重要的生物识别元件，其对目标抗原具有高度的特异性。
然而，抗体的制备过程较为复杂，成本较高。
近年来，随着生物技术的发展，如噬菌体展示技术和单克隆抗体技术的不断完善，为抗体的筛选和优化提供了更高效的手段。
此外，核酸适配体作为一种新型的生物识别元件，由于其易于合成、修饰和筛选，且具有与抗体相当甚至更高的特异性和亲和力，逐渐成为生物传感器领域的研究热点。
除了生物识别元件，换能器的性能也是影响生物传感器性能的关键因素。
常见的换能器包括电化学传感器、光学传感器和压电传感器等。
电化学传感器具有灵敏度高、响应速度快、易于微型化等优点，但容易受到干扰；光学传感器如荧光传感器和表面等离子体共振传感器具有检测限低、选择性好等优点，但仪器设备相对复杂；压电传感器则具有操作简单、无需标记等优点，但灵敏度相对较低。
为了提高生物传感器的性能，研究人员不断探索新型的换能器材料和结构，如纳米材料、量子点、石墨烯等，以及多种换能器的集成和联用。
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[文章编号]1002-0179(2008)06-1517-02生物传感器研究进展高志勇(渭南师范学院环境与生命科学系,陕西渭南 714000) [中图分类号]Q4-33;R31816 [文献标志码]D 基金项目:渭南师范学院研究生专项科研项目(08YK Z 005) 生物传感器(biosens or )是一类特殊形式的传感器[1],是一种对生物物质敏感并将其待测物质转换为声、光、电等信号进行检测的仪器。
它是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质),与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
1 生物传感器的历史发展1962年Clark 等提出了把酶与电极结合来测定酶底物的设想,1967年Updike 和Hicks将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化,再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上,研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极,用于定量检测血清中葡萄糖含量,标志着生物传感器的诞生。
随后改用其它的酶或微生物等固化膜,便可制得检测其对应物的其它传感器。
固定感受膜的方法有直接化学结合法;高分子载体法;高分子膜结合法。
现已发展了第二代生物传感器(微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器),研制和开发第三代生物传感器,将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。
生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA 、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在医学临床诊断[2,3]、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)[4,5]、环境保护以及生物技术[6～8]、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
2 生物传感器的原理在利用生物传感器进行物质检测时,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声、光、电等信号,再经二次仪表放大并输出,便可知道待测物浓度。
3 生物传感器的特点(1)速度快,成本低。
固定化酶生物传感分析仪是最早出现且精度最高的生物传感器,它们已经发展成一类可靠的精密分析仪器,由于采用了固定化酶膜作为分析工具,酶法分析试剂可以反复使用数千次,其分析成本只有手掌型血糖分析仪的十分之一;分析速度快,不到20s 可以获得准确的分析结果,这在临床急症室、某些重症患者的监护等许多场合都很重要。
(2)专一性强。
生物传感器只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响,因此一般不需要进行样品的预处理,干扰少。
(3)稳定性好,分析精度高。
像目前市场上应用的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015%～2%。
(4)操作系统简单,容易实现自动分析。
如药物分析中常用的表面等离子体共振(surface plasm on res onance ,SPR )生物传感器,就具有体积小、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。
(5)作用广,应用价值大。
有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生,在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息,同时它们还指明了增加产物获得率的方向;现在的生物传感器的应用涉及到医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。
4 生物传感器的分类生物传感器可从不同的角度进行分类,主要有以下三种方法:(1)按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器、酶传感器、DNA 传感器等[9]。
(2)按照传感器器件检测的原理分类,可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
(3)按照生物敏感物质相互作用的类型分类,可分为亲和型和代谢型两种。
下面以第一种分类方法对生物传感器的各种类进行介绍。
411 微生物传感器微生物传感器是由载体结合的微生物细胞和电化学器件组成,已发展了两种传感器:一种是以微生物呼吸活性为指标的呼吸型传感器,一种是以微生物的代谢产物为指标的电活性物质测定型传感器。
用微生物代替酶作为识别元件是因为微生物具有较高稳定性、选择性好、廉价实用等优点,并可广泛用于许多酶反应系统、辅酶和能量再生系统[10]。
412 免疫传感器免疫传感器是依赖抗原和抗体之间特异性和亲和性,利用抗体检测抗原或利用抗原检出抗体的传感器。
并非所有的化合物都有免疫原性,一般分子量大、组成复杂、异物性强的分子,如生物战剂和部分毒素具有很强的免疫原性,而小分子物质,如化学战剂和某些毒素则没有免疫原性。
但免疫传感器更适合于研制能连续、重复使用的毒剂监测器材。
免疫分析法选择性好,如一种抗体只能识别一种毒剂,可以区分性质相似的同系物、同分异构体,甚至立体异构体,且抗体比酶具有更好的特异性,抗体与抗原的复合体相对稳定,不易分解[11]。
413 组织传感器直接采用动植物组织薄片作为敏感元件的电化学传感器称组织电极传感器,其原理是利用动植物组织中的酶,优点是酶活性及其稳定性均比离析酶高,材料易于获取,制备简单,使用寿命长等。
但在选择性、灵敏度、响应时间等方面还存在不足[12]。
414 细胞传感器细胞器传感器是20世纪80年代末出现的一种以真核生物细胞、细胞器作为识别元件的生物传感器。
1987年,Blondin 等提出了固定线粒体评价水质。
Carpentier 及其合作者用类囊体膜构建的生物传感器,可在mg/L 浓度下测定铅与镉的毒性,也可对银或铜进行快速测定。
R ouillon 等用特殊的固定化技术将叶绿体与类囊体膜包埋在光交联的苯乙烯基吡啶聚乙烯醇(PVA -sbQ )中,可以在μg/L 浓度水平下检测到汞(Hg )、铅(Pb )、镉(Cd )、镍(Ni )、锌(Zn )和铜(Cu )等离子的存在[13]。
415 酶传感器酶传感器是最早问世的生物传感器,早在1962年Clark 等就提出了酶传感器原理,1967年Updike 等发展制成为酶电极,它是把无机离子或低分子气体作为测量对象而发展起来的电化学器件,并与同时期发展起来的酶固定技术相结合而产生的传感器[14]。
酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号,实现对目标物定量测定的分析仪器。
与传统分析方法相比,酶生物传感器是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合的换能系统组成[15]。
416 DNA 传感器DNA 是一类重要的生命物质,是大多数生物体遗传信息的载体,对DNA 的研究是生命科学研究领域中极为重要的内容。
随着人类基因组计划的顺利实施,基于DNA 探针的基因传感器、基因芯片的研究正成为基因组研究的一个热点[16]。
DNA 生物传感器是一种能将目标DNA 的存在转化为可检测的电、光、声信号的装置[17]。
所检测的是核酸的杂交反应,因此也可以称它为核酸杂交生物传感器(nucleic acid hybridization biosens or )。
每种生物体内都含有其独特的核酸序列,因此检测特定核酸序列的关键是要设计一段寡核苷酸序列作为探针。
这段探针能够专一性与其进行杂交,而与其它非特异性序列不杂交,对靶序列杂交的特异性和敏感性,一直是核酸检测工作者的研究主题。
DNA 生物传感器的结构包括一个靶序列识别层和一个信号换能器。
识别层通常由固定在换能器上的探针DNA 以及一些其它的辅助物质组成,它可以特异性地识别靶序列并与其杂交。
换能器可将此杂交过程所产生的变化转变为可识别的信号,根据杂交前后信号量的变化,可以对靶DNA 进行准确定量。
根据换能器种类不同,可大致分为电化学DNA 传感器、光学DNA 传感器和质量DNA 传感器等[18]。
DNA 生物传感器对基因序列的明确分析近年来得到了快速发展,随着DNA 合成技术以及与微电子技术的发展,DNA 生物传感器的发展更趋于完善[19]。
5 展望生物传感器由于集高效、灵敏、特异、结构小巧、经济实用等优点于一身,目前已成为生命科学领域的研究热点[20],正在成为7151华西医学2008,23(6) C N 51-1356/R一种强有力的通用分析工具[21]。
未来生物传感器的发展趋势和重点走向是微型化、多功能化、智能化和集成化,开发新一代低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命的生物传感器是目前研究的热点[22]。
生物活性材料的固定化是生物传感器制备的关键步骤。
由于生物活性材料生存条件有限,长期以来生物传感器寿命、稳定性及制备的复杂性制约着研究成果商品化与批量生产。
随着生物学、化学、物理学、电子学、材料等技术的不断进步,生物传感器将在医学临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景,愿它为人类生活提供更大的帮助。
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