生物傳感器的研究重點、原理、種類及其應用

        一、生物傳感器研究起源

        20世紀的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域已基本形成。其標志性事件是: 1985年《生物傳感器》 國際刊物在英國創刊; 1987年生物傳感器經典著作在牛津出版社出版;1990年,首屆世界生物傳感器學術大會在新加坡召開,并且確定以后。生物傳感器是一個非常活躍的研究和工程技術領域,它與生物信息學、 生物芯片、 生物控制論、 仿生學、 生物計算機等學科一起,處在生命科學和信息科學的交叉區域。它們的共同特征是:探索和揭示出生命系統中信息的產生、 存儲、 傳輸、 加工、 轉換和控制等基本規律,探討應用于人類經濟活動的基本方法。生物傳感器技術的研究重點是:廣泛地應用各種生物活性材料與傳感器結合,研究和開發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技術,研究和開發它們的應用。生物傳感器中應用的生物活性材料對象范圍包括生物大分子、 細胞、細胞器、 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分子或蛋白質分子的識別技術已形成生物芯片 (DNA芯片、 蛋白質芯片)獨立學科領域。

        二、 生物傳感器的原理

        待測物質經擴散作用進入生物活性材料,經分子識別,發生生物學反應,產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號,再經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分類,可分為:微生物傳感器、免疫傳感器、 組織傳感器、 細胞傳感器、 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、 場效應管生物傳感器、 壓電生物傳感器、 光學生物傳感器、 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作催化劑,價值昂貴的試劑可以重復多次使用,克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。

        (2)專一性強,只對特定的底物起反應,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果。

        (4)準確度高,一般相對誤差可以達到 1%

        (5)操作系統比較簡單,容易實現自動分析

        (6)成本低,在連續使用時,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系統內的供氧狀況和副產物的產生。

        五、 現今生物傳感器介紹

        (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合的技術,在九十年代初由發瑪西亞公司引入,以抗原抗體結合分析為例,將抗原 (或抗體)通過表面化學方法固定在芯片的金箔表面,然后讓抗體 (或抗原 )流過抗原抗體的結合將改變膜表面液體性狀,從而影響金箔共振性質,這改變可被實時檢測并記錄下來 (這被稱之結合相)。如改讓緩沖液流過,結合的抗體 (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改變就是解離相。它主要用于部份新藥研發中藥物作用的分子活性基團的識別。

        (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對象包括:臨床、 食品分析、 發酵工業控制、 環境監測、 防衛安全檢測等領域。例如在發酵工業的氨基酸工業 (味精、 天冬氨酸、 丙氨酸、 賴氨酸等)、 抗生素工業 (葡萄糖等的在線監測和控制系統 )、 酒類工業 (酒精生物傳感器 1min可得到結果)、 酶制劑工業 (糖化酶快速分析)、 淀粉糖工業 (葡萄糖、 淀粉、 糖化酶的分析)、 生物細胞培養 (葡萄糖、 乳酸、 谷氨酰胺分析)、 石化工業中微生物脫硫細胞培養監控、 維生素 C的生產、 發酵甘油的生產等,生物傳感器檢測技術是生物加工類企業改造的重要途徑之一,在線生物傳感器分析是建立生產模擬系統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和相應的生物傳感敏感膜。組裝成整機,能實現微量取樣、 快速響應、 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。其分精度可以達到 0. 5～2% ,比家用保健類生物傳感器幾乎高一個數量級,比目前醫用生化分析儀的精度也高 2～3個百分點。這在血糖分析領域是非常重要的,它們可以用作血糖分析的標準方法。尤其是在市場銷售的手掌型血糖分析儀出現質量事故時,需要另一種有說服力的分析方法證明其分析結果時,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。它們既可作為醫用類型的分析儀,還可用作生物技術產業的過程監控、 食品分析、 和科研工具。多種酶傳感器研究開發比較成熟,已形成商品

        六、 家用醫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達到大規模應用的程度。在上世紀 70年代血糖自我監測儀器就已問市,使血糖的檢驗由醫院延伸到家中。上個世紀 80年代,新一代血糖及操作技術簡單化,使得自我監測血糖的準確度提高了。這是研究者最初沿著干化學試劑條測定尿糖濃度的思路,采用酶法葡萄糖分析技術,并結合絲網印刷和微電子技術制作的電極,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。