酶传感器-百替生物

@[e-mail]@[e-mail]第七章酶传感器本章提要：传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。酶传感器是生物传感器中最早被研究和应用的一类，它由固定化的生物活性物质酶和信号转换器两部分组成。根据信号转换器的不同，酶传感器可分为酶电极传感器、离子敏场效应晶体管酶传感器、热敏电阻酶传感器和光纤酶传感器等几类；有机相酶传感器是从溶剂体系的角度分类的，是目前生物传感技术中一个新的研究领域。酶传感器具有测定过程简单，体积小、携带方便、便于野外现场检测，响应快，样品用量少，成本低，可反复多次使用和联机操作等特点；在环境监测、医疗诊断、食品发酵以及军事等领域均有许多应用，并具有很好的发展前景。第一节概述传感器（sensor/transducer）是一种信息获取与处理的装置。在新韦氏大词典中的定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。由此可知，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以又有“换能器”的别称。我国国家标准（GB7665-87）对传感器的定义为：是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指能直接感测或响应被测量的部件，转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号（通常是电信号）的部件。传感器种类繁多，应用广阔。按检测对象（被测量）划分，基本上可分为物理传感器和化学传感器两大类。物理传感器是检测热、光、磁、力等物理量的传感器，它们开发较早，也比较成熟，早已有商品供应。化学传感器则是能检测化学量的传感器。第一个化学传感器就是由Gremer在20世纪初首先研制的pH玻璃电极。事实上高等动物的感觉器官就是一套完美的传感系统，通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度等物理信息，由鼻、舌感知气味和味道等化学信息。生物传感器（biosenors）是一类特殊的化学传感器，这类传感器的诞生以第一个酶电极——葡萄糖电极的出现为标志，它是由Updike和Hicks根据Clark等1962年最先提出的酶电极的设想，于1967年制造出的；经过几十年的发展，已形成独立的门类，而且仍在不断飞速发展，以至于有些学者把生物传感器与物理和化学传感器并列起来，看作是传感器的第三个类别。一、生物传感器的概念及分类（一）概念K.R.Rogers等将生物传感器定义为：由生物识别单元（如酶、微生物、抗体等）和物理转换器相结合所构成的分析仪器。一般要求识别单元对被测物具有高度的敏感性和选择性。它并非指只应用于生物领域的传感器，被测量也并非限于生物量，而是基于它的敏感材料来自生物体。（二）分类生物传感器一般可以从以下三个角度分类：1．根据生物传感器输出信号的产生方式分类被测物与分子识别元件相作用以产生传感器输出信号的方式有两类，一是被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用，即两者间能特异地结合，同时引起敏感材料的生物分子的结构和/或固定介质发生物理变化，如电荷、厚度、温度、光学性质（颜色或荧光）等的变化。这类传感称为生物亲合型生物传感器。二是底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器。2．根据生物传感器中分子识别元件上的敏感物质分类生物传感器中分子识别元件上的敏感物质有酶、细胞器、全细胞、动植物组织、微生物、抗原和@[e-mail]@[e-mail]抗体、核酸等。据此可将生物传感器分为酶传感器（enzymesensor）、细胞器传感器（cellorganellesensor）、组织传感器（tissuesensor）、微生物传感器（microbesensor）、免疫传感器（immunosensor）、基因传感器（genesensor）等。3．根据生物传感器的信号转换器分类可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。上述后两种分类方法之间还可相互交叉，因此生物传感器的类别就更复杂，如酶传感器又可分为酶电极、酶热敏电阻、酶光极等。以上所述都是类别的名称，每一类又都包含许多具体的生物传感器，如在酶电极一类，根据所用酶的不同就有几十种之多，如葡萄糖电极、尿素电极、胆固醇电极、乳酸电极等等，即便是葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等。总之，生物传感器的类别较多，内容涉及广泛，随着科学技术的不断发展，它所包含的内容也必将更为丰富。二、生物传感器的一般结构与工作原理（一）一般结构如同传感器，生物传感器的结构也由两个主要部分组成，其一是生物分子识别元件（感受器），是具有分子识别能力的生物活性物质，如酶、核酸、抗体、细胞等；其二是信号转换器（换能器），主要有电化学电极（如电流、电位的测量）、光学检测元件、热敏电阻、离子敏场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异结合后，所产生的复合物（或热、光等）通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，从而达到分析检测之目的。（二）工作原理生物传感器的一般工作原理（图7-1）主要取决于分子识别元件与待测物之间的相互作用，有下列几种类型：1．将化学变化转换为电信号如酶传感器。酶能催化底物反应，从而使特定物质的量发生变化，用能把这种变化转换为电信号的装置与固定化的酶组合，就可构成酶传感器。常用的这类信号转换装置有氢离子电极、Clark氧电极、过氧化氢电极、氨气敏电极、二氧化碳气敏电极、其他离子选择性电极、离子敏场效应晶体管等。2．将热变化转换为电信号固定化的生物活性材料与相应的被测物作用时常拌有热的变化，把这种热变化借热敏电阻转换为阻值的变化，然后经放大器的电桥输入到记录仪中。3．将光效应转换为电信号有些酶如过氧化氢酶（catalase，CAT），能催化过氧化氢-鲁米诺体系发光。把过氧化氢酶膜固定在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢的含量。许多酶促反应伴随有过氧化氢的产生，如葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase，GOD）在催化葡萄糖氧化时产生过氧化氢，如果把GOD和CAT一起做成复合酶膜，则可用上述方法测定葡萄糖含量。4．直接产生电信号这种方式可使酶促反应伴随的电子转移直接通过电子传递作用在电极表面上发生。除上述四种外，随着科学技术的发展，基于新的原理的生物传感器将会不断出现，如正在研究利用细胞受体和自激振荡等作用现象的新型生物传感器。@[e-mail]@[e-mail]图7-1生物传感器的一般工作原理（引自司士辉，2003）三、生物传感器的特点生物传感器是一种新的检测手段，与传统的分析检测方法相比，具有明显的优越性：1．测定过程简单生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件，因此一般不需要对样品进行预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，除了缓冲液之外，测定时一般不需另加其他试剂。2．体积小，携带方便，便于野外现场检测。3．响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。4．与大型分析仪器相比，成本很低，便于推广使用。5．可连续进行分析，联机操作。6．可置于生物体内，如安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含量，并将指令传给植入人体的胰岛素泵，控制胰岛素释放量，从而使糖尿病人获得解放。生物传感器的出现和发展依赖于生物技术、生物电子学和微电子学的最新成果的不断渗透。其意义在于它已经超越了化学传感器测定生物反应时局限于反应的电化学过程的限制，而是根据生物学反应中产生的各种信息流效应、热效应、场效应和质量变化等来设计出各种各样更精确、更灵敏的探测装置。虽然生物传感器有不少优点，但至今商品化的还不够多，这是由于生物传感器还存在一些尚待解决的问题，如它的长期稳定性、可靠性和一致性还不够理想，批量生产工艺还不够成熟等。尽管如此，它的发展前景仍十分乐观，其产品在全球的销售额在迅速增加。四、生物传感器的发展生物传感器自20世纪60年代诞生至今已有约40年的历史，其发展历程大体经历了三个阶段。20世纪60年代是生物传感器的摇篮期，第一代的生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜（透析膜或反应膜）和电化学电极所组成。该期以酶电极的研制为其主要特征。第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器的表面，而无需非活性的基质膜，测定时不必向样品中加入其他试剂。该期主要发生在20世纪70年代，是生物传感器的成长壮大阶段，出现了免疫电极、酶热敏电阻、多种酶电极、以及微生物电极、组织电极、细胞器电极等各种衍生类型。20世纪80年代以来是生物电子传感器时期，以酶场效应晶体管传感器、微生物场效应晶体管传感器、免疫场效应晶体管传感器、测光型生物传感器、以及其他类型的微型传感器的研制成为该期的发展主线。这些第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子元件上，它们可以直接感知和放大界面物质的变化，从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。20世纪90年代，随着分子生物学技术的发展，出现了基因传感器。此外，随着有机相酶学的发展，有机相生物传感器（主要是有机相酶传感器）也得到了快速发展。目前，生物传感器的功能已经发展到活体测定、多指标测定和联机在线测定，检测对象包括百余种常见的生化物质，在临床、发酵、食品和环保等方面显示出广阔的应用前景。生物传感器的应用使过去认为极难进行的科学实验变的相对容易，它的研制开发也是酶工程的重要领域之一。@[e-mail]@[e-mail]第二节酶传感器的类型根据信号转换器的不同，酶传感器主要有酶电极传感器、离子敏场效应晶体管酶传感器、热敏电阻酶传感器和光纤酶传感器等几类。根据酶促反应的溶剂体系，可分为有机相酶传感器和非有机相酶传感器。本节除介绍上述四类酶传感器外，对近些年来发展很快的有机相酶传感器也给予介绍。一、电极传感器酶电极（enzymeelectrode）是由固定化酶与离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极组合而成的生物传感器。因此它具有酶的分子识别和选择催化功能，又有电化学电极响应快、操作简便的特点，能快速测定试液中某一给定化合物的浓度，而且所需样品量很少。目前，酶电极在环境监测、临床检验、食品分析等领域均有广泛应用，用于测定糖类、醇类、有机酸、氨基酸、核苷酸、激素等成分。根据电化学测量信号，酶电极主要分为电位型和电流型（也称安培型）两类。（一）电位型酶电极电位型酶电极是将酶促反应所引起的物质量的变化转化为电位信号输出从而来测定物质浓度的分析装置，输出信号的强弱与底物浓度的对数值呈线性关系。所用