生物传感器

生物传感器信研1402摘要：生物传感器是一种以生物活性单元为敏感元件，结合化学、物理转换元件，对被分析物具有高度选择性的装置,它具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。本文在介绍生物传感器发展现状、组成及工作原理以及输入输出信号的基础上，对生物传感器的应用进行了综述。引言生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域,它与生物信息学、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,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控装置。一、生物传感器组成生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和测定实现测量，主要由两大部分组成（如图1所示）：一为功能识别物质（分子识别元件又称生物敏感膜），由其去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础；其二是电、光信号转换装置（换能器），由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。图1.生物传感器组成结构图生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为：首先，待测物分子与识别元素接触；然后，识别元素把待测物分子从样品中分离出来；接着，转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号；最后，使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换，将输出信号转化为可识别的信号。二、工作原理生物传感器工作方式分为两种：直接转换为电信号和间接转换为电信号型，间接型是将化学信号、光信号或者热信号等其他信号转换为电信号。图2.生物传感器工作原理图三、生物传感器的分类根据识别元素的不同，生物传感器可分为酶免疫传感器、细胞传感器、微生物传感器、传感器等，，根据输出信号产生的方式生物传感器可分为生物亲和型传感器或催化型生物传感器等。也可依据分子的类型进行分类生物传感器的命名与其分类一一对应，为清晰描述一个传感器的性质，也可将同一传感器在不同领域的分类叠加，如以蛋白质为分子，酶为识别元素，电化学为表征手段的生物传感器可称为蛋白质酶电化学传感器或是酶电化学蛋白质传感器。根据所用换能器和监测物理量、化学量和生物量可分为电化学生物传感器光学生物传感器。光化学生物传感器是基于待测物能够引起传感器表面某种特定指示剂光吸收率或光传播发生反射、折射、散射等性质的变化进行设计的。表面等离子共振生物传感器是一种常用的光学生物传感器。其光源为偏振光，传感芯片表面镀有一层金膜，金膜与微流体流动系统相联，当金膜表面键结合了目标分析物后，检测器能够跟踪溶液中的分子与芯片表面的分子结合、解离整个过程的变化。电化学生物传感器通常包括电流型电位型和电阻型三种类型。它的工作原理是由于待测物的引入使得传感器表面发生物理或者化学变化，这些变化经电化学转换器将其转化为可检测的电信号销电极金电极和玻碳电极是最常用的工作电极，一方面是因为它们具有良好的导电性；另一方面，它们容易处理，在检测过程尤其是生物检测过程中对待测物无污染。丝网印刷电极也是一种常用的工作电极，常用作电位生物传感器，电位生物传感器（在零电流下产生电压）能够在很宽的动力学范围内给出相应的对数响应。这种电极虽然只有两个电极，但是具有很高的灵敏度及良好的稳定性，而且即使分析物的制备过程不是很严格，也可以对分析物的检测达到同用和技术相同的水平。压电生物传感器，是一种质量敏感型生物传感器，它利用对电压敏感的石英晶体产生弹性形变而引起其本身共振频率产生变化来进行检测的。传感过程中交流电压（在晶体中产生驻波的特征频率，这个特征频率依赖于晶体的弹性形变。当表面覆盖有生物识别元素的受体键合上目标分析物后，引起晶体共振频率的改变，这样就能获得检测信号。四、误差来源生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性，是生物定性识别的决定因素；识别元素与待测分子的亲合力，以及换能器和检测仪表的精密度，在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。此外环境的温度湿度以及反应时间等其他环境因素也是生物传感器的误差来源。因此针对传感器的特异性，选择合适的生物传感器是减小误差的有效方法。此外温度会影响酶的活性，因此在正确的有效的温度下进行试验也是减小误差的方法。五、应用1.生物传感器应用于医学检测人体中血糖的浓度正常值为3.9-6.0mmol/L，对血液中葡萄糖的检测研究一直是生物传感器发展的主要方向。癌症严重危害了人类的生命健康，是造成人力资源丧失的主要原因之一，严重影响着社会发展。对目标细胞的直接检测可以实现对疾病的监测，这也是近年来各国科学家努力的方向。一般来讲，电化学细胞传感器主要是基于测定细胞吸附于传感器界面引起的电流和阻抗变化，从而对细胞状态和数量实现间接的分析测定。电化学阻抗和循环伏安法常被用于监测癌细胞的點连、活性、增殖和凋亡等生理过程。生物传感器在疾病检测中有着广泛的应用范围，随着新材料、新方法的不断发展，其在疾病检测中的应用将有更为广泛。2.生物传感器应用于食品检测食品安全问题，严重影响着人类的身体健康，对食品中各种有毒物质的检测也变得越来越复杂。生物传感器的使用使得检测方法更简单，检测结果更可靠。3.生物传感器应用于环境检测环境污染问题，在近年来变得日趋严重，生物传感器也已经被广泛的用于大气污染、水污染等方面的检测。甲酸是化工工业的重要原料，在人们的日常生活被广泛的使用，如建筑涂料、装饰材料等。由于其较低的溶沸点和良好的水溶性，甲酸常以气态或液态的形式存在于自然界中。过量的甲酵会对人类的呼吸系统和消化系统产生极大的危害，尤其是对呼吸系统有巨大的毒性，用生物传感器可以实现对甲酵的快速检测。生物传感器在近年来得到了迅速发展。针对识别元素种类的千差万别，生物传感器对目标物的特异性更强，对同一目标物的检测方法也多种多样。随着换能器质量的不断提高，生物传感器的灵敏度也获得极大提高。这些不仅推动着社会的发展，也推动着人类健康的发展。4.生物传感器的发展近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点：功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前,生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。六、生物传感器的优点生物传感器的优点是：费用和成本低，采用固定化酶作催化剂，可重复多次使用；专一性好，只对特定的底物起反应，因此一般不需要进行样品的预处理，干扰少；分析速度快，通常可在1分钟内得到结果；准确性高，一般相对误差小于1%；操作系统简单，容易实现自动化分析。