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生物传感器的原理及应用1


现代化学传感技术

生物传感器
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山东师范大学化学化工与材料科学学院

生物传感器
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摘要: 生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学 科互相渗透成长起来的高新技术,是一种将生物感应元件的专一性与一 个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置 .由 于其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中 进行在线连续监测的特点,已在生物、医学、环境监测、食品、医药、及 军事医学等领域显示出广阔的应用前景,引起了世界各国的极大关注.综 述了生物传感器的基本原理、分类、特点及在环境监测、食品分析、生 物医学和军事上的应用,并对其发展前景进行了展望.

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关键词:生物传感器;原理;应用;发展

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目录 一. 引言 ............................................ 3 二. 生物传感器的基本原理 ............................ 3 三. 生物传感器的分类 ................................ 4 四. 生物传感器的应用 ................................ 4 4.1 生物传感器在医学领域的应用 .................... 4 4.1.1. 基于中医针灸针的传感针 .................. 4 4.1.2. 生物芯片 ................................ 5 4.1,3. 生物传感器的临床应用 .................... 5 4.2 生物传感器在非传统医学领域的应用 .............. 6 4.2.1. 在空间生命科学发展中的应用 ............. 6 4.2.2.在环境监测中的应用 ...................... 6 4.2.3.在食品工程中的应用 ...................... 6 4.2.4.在军事领域的应用 ........................ 7 五. 生物传感器的未来 ................................ 7 六. 结束语 .......................................... 8 七. 参考文献 ........................................ 8

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一.引言
传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是 国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。 在国内有自动化方面的专家指出塑料工 业网,传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势,认为“传感器技术强,则 自动化产业强” 。 由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。 生物传感器是生物技术群的一个领域,也是典型的多学科交叉生长点,涉及到生 命科学、物理、化学、信息科学等众多学科和技术。由于生物传感器具有操作简便、 快速、准确、易于联机及重复使用等特点,在生命科学研究、医学生物工程临床诊断 与分析、生物工艺过程检测与监控、环境质量检测、食品科学、化学化工过程分析及 分析化学研究等许多方面都有广泛的应用前景。

二.生物传感器的基本原理
生物传感器的传感原理如(图 1)表示,其构。成包括两部分:生物敏感膜和换能 器。被分析物扩散进入固定化生物敏感膜层,经分子识别,发生生物学反应,产生的 信息继而被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号, 再经检 测放大器放大并输出,便可知道待测物浓度。 生 物 敏 感 膜 又 称 分

子识别元件,它们是 生物传感器的关键元 件(表 1), 直接决定传 感器的功能与质量。 依生物敏感膜所选材
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料不同,其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或它们的不同组 合,近年来还引人了高分子聚合物模拟酶,使分子识别元件概念进一步延伸。 换能器的作用是将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电信号。生物学反应 过程产生的信息是多元化的, 微电子学和传感器技术的现代成果为检测这些信息提供 了丰富的手段,使得研究者在设计生物传感器时换能器的选择有足够的回旋余地。

三.生物传感器的分类
生物传感器,具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等特点,目前在国 民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广 泛的应用前景。生物传感器主要有下面三种分类命名方式: 1、根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类:酶传感器,微生物传感 器, 细胞传感器, 组织传感器和免疫传感器。 显而易见, 所应用的敏感材料依次为酶、 微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2、根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有:生物电极传感器,半导体生物传 感器,光生物传感器,热生物传感器,压电晶体生物传感器等,换能器依次为电化学 电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3、以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、 代谢型或催化型生物传感器。

四.生物传感器的应用

4.1.生物传感器在医学领域的应用 4.1.1.基于中医针灸针的传感针 基于中医针炙针的传感针是以中医针灸针为基体,应用多种现代技术加工制作 后,赋予其传感人体微区中的温度、pH 值、氧分压、多巴胺,Ca2+,K+,Na+等信息的新 功能而得的一种特殊传感针。它具有传感与治疗两种功能,既能实时传感出人体微区 中各种生理、生化参数,并进行人体微区的动态监测,又能按中医针刺的实施治病理 疗法。与其它生物传感器相比,它具有能直接进入被测对象体内,不需取样,操作简 单,测量快速,结果可靠,实时显示测量结果等优点。
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传感针的基本设计:它是以普通针灸针(或根据应用学科的具体外形要求用外直 径为 0.3~ 0.4mm 的空心不锈钢竹)作为基体加工而成 的。一般制备过程为:对针灸表 面进行清洁处理或用处理液浸泡;针尖上镀相应的合金和相应参数的敏感膜,然后再 覆盖上有机高分子功 能保护的材料;针体镀绝缘膜,使之有耐、提、插、捻、转的 经过反复浸泡、冲洗实 机械作用, 这一点是由它的传感和治疗双重功能决定的;用戊二醛消毒液消毒;根据不 同的参数特性配上相应的测量仪,进行直接读数;在实验室 漂移、寿命等)达到要求标准。 目前己制成的有温度传感针、氧分压传感针、pH 传感针、Ca2+传感针和多巴胺传 感针等。若还能进一步微型化,还可用于细胞内环境的监测。此外,还可研制离了生 物传感针,如 K+传感针、N a+传感针、中枢神经递质传感针、酶传感针、抗体传感针、 受体传感针、激素传感针、DNA 传感针、RNA 传感针,并进而研制多参数、微型化与 智能化的传感针。 4.1.2. 生物芯片 是具有某些特种功能的分子器件。如细胞色素 C 的传导性,其氧化态与还原态之 间的传感性相差一千倍。除了上述传感器,国外正在开发半导体生物传感器,它包括 一个参考电极和一个 PH 值量子场效应品体管感应膜,膜上固定有酶和微生物,当固 定酶和微生物分别与待测物反应时,PH 值发生变化,那么输出的电流或电压就可测 定,这就完成了对参加反应的化学物质的定量分析。如果把这些信号同计算机输人端 联接,按一定的软件程序,那么,可开发生物模拟计算机。4.1.3. 生物传感器的临 床应用 1、在预防医学中,应用生物传感器可将内外环境的监测统一起来。例如,乙酸 胆碱传感器既可用于外环境中有机磷农药的监测, 又可用于评价这种农药进入人体后 可能对神经传递过程产生的影响。 2、由于现代医学研究已进人细胞和生物分子水平,微型生物传感器的问世为了 解细胞内的代谢过程和生物大分子的运动变化提供了信息。 目前的微型传感器已能插 入细胞内进行监测。日本研究的一种蚊子型生物传感器,其探头只有 0.5 微米粗,可 直接刺入人体病变细胞,边检查边由计算机显示出病变信号。 3、血液探针:日本和北美的几家公司研制出一种外形象电子笔一样的生物传感 器。在这种传感器的“笔尖”上滴一滴血,3 分钟后便可由液晶数字显示器读出血糖 浓度。它的问世使糖尿病患者呆在家中即可自己测血糖变化。 4、神经传导性传感器:目前,科学家们正在研制能植入人体的生物传感器,并已 取得了突破性进展。 如植入机体内的生物传感器能帮助恢复神经系统损伤所留下的后 遗症。建立起人工传感器和大脑之间的联系。放于静脉或动脉中的葡萄糖传感器能持 续不断地监测血糖浓度,并将指令送人一个植人的胰岛素泵,帮助病人直接控制胰岛
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验并进行动物实验,使它们的主要性能指标(如线性范围、响应时间、分辨率、零点

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素释放量。这种传感器还能为癌症患者监测所用的抗癌药物的血液浓度。 4.2 生物传感器在非传统医学领域的应用 生物传感器除了应用于传统的医学领域,如动态检测人体血压、体温、血液酸碱 度、血氧含量,检测酶活性、蛋白质等生化指标方面,还在其它非传统医学领域获得 了应用。 4.2.1 在空间生命科学发展中的应用 空间飞行对生命系统产生重大影响的问题很多。 如调查在微重力环境和空间飞行 中对大鼠生命的影响,必须在一段长时间内允许它们相对自由行动中进行。这些研究 用现在的仪器检测技术和数据收集系统是无法做到的, 而可植入的生物传感器和微型 生物遥测术的结合在这方面有着巨大的发展潜力。 可以预计可植入生物体内传感器和 生物遥测技术的结合将使得灵活方便地远距离测量连续在线的资料获得成为可能。 关 于它的研究将推动现代医学和空间生命科学的迅速发展。 4.2.2 在环境监测中的应用 传统的环境监测通常采用离线分析方法,操作复杂,所需仪器昂贵,且不适宜进 行现场快速监测和连续在线分析。随着环境污染问题日益严重,生物传感器在建立和 发展连续、在线、快速的现场监测体系中发挥着重要作用。 (1) 水质监测 生化需氧量(BOD)是衡量水体有机污染程度的重要指标,BOD 的研究对于水质监 测及处理都是非常重要的此研究也成为水质检测科技发展的方向。BOD 的传统标准稀 释法所需时间长,操作繁琐,准确度差,BOD 传感器不仅能满足实际监测的要求,并 具有快速、灵敏的特点。自 1977 年首次将丝孢酵母菌分别用聚丙酰胺和骨胶原固定 在多孔纤维素膜上,利用 BOD 微生物传感器测定水中 BOD 以来,此项技术得到了迅速 的发展。目前,已有可用于测定废水中 BOD 值的生物传感器和适于现场测定的便携式 测定仪 。随着 BOD 快速测定研究的不断深入,研究发现 BODst(快速 BOD 测定值)还 可作为在线监测生物处理过程的一个重要参数 。 (2)大气质量监测 生物传感器可监测大气中的 CO2,NO ,NH3 及 CH,等。Antonelli M 等人 采用地 衣组织研制了一种传感器,有望用于对大气、水和油等物质中苯的浓度的监测。用多 孔渗透膜、固定化硝化细菌和氧电极组成的微生物传感器,可测定样品中亚硝酸盐含 量,从而推知空气中 NO 的浓度,其检测极限为 1 xl0 mol/L。 4.2.3.在食品工程中的应用 食用牛肉很容易被大肠杆菌 0157. H7.所感染,因此需要快速、灵敏的方法检测 和防御大肠杆菌 0157. H7.一类的细菌。2002 年,Kramer 等人研究的光纤生物传感 器可以在几分钟内检测出食物中的病原体,如大肠杆菌 0157. H7.,而传统的方法则 需要几天。生物传感器可以直接测量 102CFU(菌落形成单位)的大肠杆菌 0157. H7.。
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检测病原体之后即可以将它分离到培养基上生长。 从检测出病原体到从样品中重新获 得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需 1 天时间,而传统方法需要 4 天。 还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余 物。它是基于细胞质基因组的反应,通过光学系统传输信号,己达到的检测极限为 16. 2nd/ mL。一天可以检测 20 个牛奶样品。 4.2.4 在军事领域的应用 生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势。生物传感器已应用于 监测多种细菌、病毒及其毒素(如炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶尔森菌、埃博拉出血热病毒、 肉毒杆菌类毒素等) ,2000 年,美军报道已研制出可检测土拉弗菌、蓖麻素、肉毒 毒素和葡萄球菌肠毒素 B 等 4 种生物战剂的免疫传感器。 在化学战剂检测中研究和使 用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器。20 世纪 5O 年代,就有人设计了沙林毒剂的酶检测 方法,可检出 0.1—0.5×10 的沙林,这一方法至今仍被国际上普遍用于神经性毒 剂侦毒包和报警器中。

五.生物传感器的未来
未来生物传感器在医学领域中将有很大的发展潜力, 发展趋势将在以下几个方 面: ① 应用领域不断拓宽 由于生物传感器潜在的巨大优势 , 它必将向更广阔的 应用范围发展。如向心理学方面发展。研制心理传感器, 传感人们的心理活动, 这对 心理学、生理学以及社会科学的研究都将有推动作用。此外, 传感器在仿生学方面将 有更大发展。光导纤维可代替人的神经纤维 , 效应管生物传感器可起到细胞膜的作 用。总之生物传感器将向医学所有领域伸展。 ② 小型化、集成化 未来的生物传感器将趋于小型化, 向体内监测、在线监 测的方向发展。 已报道有植入体内的微小传感器实时监测血糖变化或通过病人脑电波 的监测预知癫痫的发作。同时芯片技术将愈加进入传感器, 实现检测系统的集成化、 一体化。 ③ 智能化 ④ 联用技术 力。 未来的生物传感器必定与计算机紧密结合, 自动采集数据、 处理数 生物传感器将不断与其它分析技术联用, 如流动注射技术、 色谱 据, 更科学、 更准确地提供结果, 采样、 进样、 结果一条龙, 形成检测的自动化系统。 等, 互相取长补短。生物传感器必将在发展中不断完善 , 成为医学发展的巨大推动

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六.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。 传感器行业在未来的几十年将无可置疑地处于一个快速发展的时期, 这就对我国当前 传感器行业的发展带来了新的机遇,也带来了新的挑战。

参考文献: [1]许文娟,焦晨旭.生物传感器的发展应用及前景[J].化工中间体.2010(11) [2]谢佳胤,李捍东,王平,李霁.微生物传感器的应用研究[J].现代农业科技 体.2010(6) [3]马莉萍,毛斌,刘斌,李工农,韩根亮,刘国汉.生物传感器的应用现状与发展趋势 [J].传感器与微系统.2009,28(4) [4]杨艳.生物传感器的发展及应用[J].茂名学院学报.2006.8 [5]孙幼娟,袁启明.生物传感器的发展趋势[J].上海生物医学工程.1996.17(3)

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