电化学生物传感器的应用研究进展

电化学生物传感器的应用研究进展 ? 62? 武警医学院学报 ActaAcademiaeMedicinaeCPAF 第17卷第1期2008年1月 Vo1.17No.1Jan.2008 电化学生物传感器的应用研究进展 Progressontheapplicationofelectrochemicalbiosensor 佟巍,张纪梅,张丽 (1.武警医学院药物化学教研室,天津300162;2.天津:7--业大学材料与化:7--学院,天津300160) 关键词:生物传感器;电化学器件;DNA芯片;探针 【文章编号】1008—5041(2008)01—0062.03【中图分类号】Q811.2【文献标识码】B 传感技术是信息科学的三大技术之一,是信息获取的 手段.利用传感技术获取生物的信息是生物信息学发展的 要求和必然.生物传感器以具有分子识别作用的生物体成 分(酶,微生物,动植物组织切片,抗原和抗体,核酸) 或生物体本身(细胞,细胞器,组织)作为敏感元件.第 一 个商业化的生物传感器于1972年由YellowSpnngS仪器 公司制造,之后又由Leeds,Northrup和Beckman仪器公司 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.2O世纪8O年代新型的生物传感器在实验室取得了 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,ISFET— DH计,其中电化学传感器占多数.2O世纪9O年代以来, 微机电系统(MEMS)加工技术使该类传感器及其生化分 析仪器进一步向小型化,数字化和高可靠性发展,如Min— imed,Lifescan,Medi—sense公司采用MEMS技术生产的 血糖微型检测仪比信用卡还要小,且具有连续监测,数据 存储,便于患者盲接傅用,易与医院联网等功能申化学 圃— l绿迹_一I 传感器具有快速,灵敏和价廉等优点,是目前传感器中最 成熟的一种,在生化传感器研发及其商业化领域中处于重 要地位,该传感器种类繁多,可广泛应用于医疗保健,食 品工业,农业,环境等领域.本文综述了生物传感器的工 作原理,分类及在各个领域中的应用. 1电化学生物传感器的工作原理 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 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(图1).其中识别器件 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(如电流大 小,频率变化,荧光和光吸收的强度等).在待测物,识别 器件以及转化器件之间由一些生物,化学,生化作用或物 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(或光,热等)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 图1生物传感器的工作原理 2电化学生物传感器的分类 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 【基金项目】天津市自然科学基金资助项目(043612711) 【收稿日期】2006—10—09;【修回日期】2007一O1—03 【作者简介】佟巍(1981一),女,满族,籍贯吉林辽源,硕士研究 生,助教,主要从事生物传感器的研究. 器,免疫传感器,DNA传感器及组织传感器等.而按照生 物传感器根据所匹配换能器的不同又可分为电化学式,场 效应晶体管式,光纤及荧光剂式,热敏电阻式,SAW装置 式生物传感器等(图2). 3电化学生物传感器的应用 生物传感器的高度自动化,微型化与集成化,减少了 对使用者环境和技术的要求,适合野外现场分析的需求, 在生物医学,环境监测,食品,医药及军事医学等领域有 着重要应用价值. 第17卷第1期2008年1月 Vo1.17No.1Jan.2008 武警医学院学报 ActaAcademiaeMedicinaeCPAF?63? 3.1在医学上的应用 3.1.1基础研究:生物传感器可实时检测生物大分子之间 相互作用.借助于这一技术动态观察抗原,抗体之间结合 与解离的平衡关系,可较为准确地测定抗体的亲和力及识 别抗原 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 位.Gebbert等H将免疫球蛋白(IgG)抗体通过 硅烷化固定到钽电极上,在流通体系中检测IgG.他们还将 这种传感器用于在线监测灌注反应器中培养杂化细胞过程 中产生的单克隆抗体,其结果与流动注射荧光免疫测定法 和离线酶联免疫吸附测定法相近,由于无需标记试剂,这 种方法更简单而且能监测分析物的动态变化,较常规方法 省时,省力,结果也更为客观可信,在生物医学研究方面 已有较广泛的应用. 按敏感材料分子识别部分信号转换部分按信号转换器 匾一酶电化学电极 微生物传感器卜.卜一微生物场效应晶体管 免疫传感器卜——一抗原或抗体光纤及荧光剂?——电化学生物传感器 DNA~:}.卜__脱氧核糖核酸热敏电阻 组织传感器卜.}_一动,植物组织SAW装置 图2生物传感器的分类 3.1.2临床应用:一些有临床诊断意义的基质(如血糖, 乳酸,谷氨酰胺等)都可借助于生物传感器来检测.血药 浓度的检测能指导临床治疗,从经验性治疗转向科学性治 疗.这项工作的开展能减小药物的毒副作用,防止毒效发 生.又如,利用压电基因传感器通过对肝炎病毒PCR产物 的检测诊断肝炎,对D53基因检测诊断癌症等.但要想开 展好这项工作,必须具有科学的测试手段.葡萄糖酶传感 器现已广泛应用于血液里葡萄糖的检测中.乳酸测定仪是 迄今最成功的商品酶传感器之一. 3.1.3生物医药:利用生物 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术生产药物时,将生物 传感器用于生化反应的监视,可以迅速地获取各种数据, 有效地加强生物工程产品的质量管理.生物传感器已在癌 症药物的研制方面发挥了重要的作用.如将癌症患者的癌 细胞取出培养,然后利用生物传感器准确地测试癌细胞对 各种治癌药物的反应,经过这种试验就可以快速地筛选出 一 种最有效的治癌药物. 3.2环境监测中的应用 环境监测对于环境保护非常重要.传统的监测方法有 很多缺点:分析速度慢,操作复杂且需要昂贵仪器,无法 进行现场快速监测和连续在线分析.生物传感器的发展和 应用为其提供了新的手段.利用环境中的微生物细胞如细 菌,酵母,真菌作识别元件,进行检测生物传感器在环境 监测中应用最多的是水质分析.如发酵工艺排水中NH,的 测定,传统方法多使用玻璃电极,但它易受挥发性氨或离 子的影响,于是有人研制出微生物传感器来测定NH,』. 所用的微生物包括硝化单胞菌和硝化杆菌,将它们吸附在 多孔醋酸纤维素膜上,然后把此微生物膜紧贴在氧电极端 部,并在其上覆盖一层透气膜即制成测定NH3的微生物传 感器.该传感器测量的线性范围为0.1,42mg/L,相对误 差为4-4%,整个测量过程只需几分钟. 随着科学的发展,不断有新的农药和抗生素用于农牧 业,它们在给人类带来财富的同时,也给人类带来了危 害.所以对农药和抗生素残留量的测定,各国政府一向 都非常重视.近年来,人们就生物传感器在该领域中的 应用做了一些探索,如Baigent等用鳗鲡乙酰胆碱脂酶 (AChE)作为生物传感元件,对有机磷和氨基甲酸抗胆碱 酯酶进行了检测,可以检测到10nmol/L水平的对氧磷, 而敌敌畏和焦磷酸四乙酯等农药的检测下限则更高,其 主要优点是快速,准确,可重复使用.Starodub等分别 用AChE和丁酰胆碱脂酶(BChE)为敏感材料,制作了 离子敏场效应晶体管酶传感器,两种传感器均用于蔬菜 等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定,检测限 为10,,10,mol/L. 3.3食品工业中的应用 在食品工业中,为保证产品质量,必须实现生产过程 的自动监控.以发酵生产啤酒为例,为确保啤酒的质量, 必须对啤酒中的几种主要成分进行在线监测.生物传感器 已用于啤酒中乙醇的检测,这种传感器由固定的微生物膜 和氧电极组成,当它与乙醇溶液接触时,膜上的微生物具 有把乙醇分解成碳酸气和水的功能,在反应中消耗了氧, 由氧电极测出氧的消耗,进而测出样品中乙醇的浓度.又 如,Plomer等研究了一种可以检测饮水中常见肠道细菌 如大肠杆菌,志贺氏菌,沙门氏菌等的压电免疫传感器. Volpe等以氧化酶为生物敏感材料,结合过氧化氢电极, 通过测定鱼降解过程中产生的一磷酸肌苷(IMP),肌苷 (HXR),和次黄嘌呤(HX)的浓度,从而评价鱼的鲜度. ? 64? 武警医学院学报 ActaAcademiaeMedicil’laeCPAF 第17卷第1期2008年1月 Vo1.17No.1Jan.2008 3.4在军事上的应用 现代战争往往是在核武器,化学武器,生物武器威胁 下进行的战争.在未来的高科技战争中,生物战剂将是仅 次于核武器而严重威胁国家安全的高科技武器.生物细菌 战剂的防御显得尤为重要,简便,快速,适于野外作业的 生物战剂监测用传感器是各国国防研究的重点.侦检,鉴 定和监测是整个”三防”医学中的重要环节,是进行有效 化学战和生物战防护的前提.由于具有高度特异性,灵敏 性和能快速地探测化学战剂和生物战剂(包括病毒,细菌 和毒素)等的特性,生物传感器将是最重要的一类生物战 剂侦检器材.目前的研究虽仅限于实验阶段,但从迅猛的 发展趋势和现有的实验结果看,其实际应用的阶段很快就 可能到来.常见的细菌战剂一般能进行自我繁殖,引起敌 国人员,动植物患病的活微生物,如鼠疫杆菌,沙门氏菌, 炭疽杆菌,肉毒杆菌等,监测霍乱弧菌,沙门氏菌的压电 免疫传感器已有报道”j.1981年,Tavl0r等_8成功地发展 了两种受体生物传感器:烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和 某种麻醉剂受体生物传感器,它们能在10s内侦检10I9浓 度级的生化战剂,包括委内瑞拉马脑炎病毒,黄热病毒, 炭疽杆菌,流感病毒等.用生物传感器检测生物战剂,化 学战剂具有经济,简便,迅速,灵敏的特点.单克隆抗体 的出现及其与微电子学的联系,使发展众多的小型,超敏 感生物传感器成为可能,因此,生物传感器在军事上的应 用前景将更为广阔. 3.5电化学DNA生物传感器的应用 电化学传感器分子识别能力强,无放射性标记.避免 了操作过程中对人的危害,它还能与流动注射技术相结合, 可以进行实时,在线检测,也可以进行活体检测.电化学 DNA传感器不仅可以用来识别特定碱基序列的DNA,还可 用来检测DNA的损伤,以及一些药物与DNA的作用机理, 进行特定药物的设计合成,在临床诊断,体外药物筛选等 方面都有应用.Erdem等将合成的ss.DNA探针固定到碳 糊电极表面,以[co(Phen)”]作为杂交指示剂,采用 差示脉冲伏安法检测肝炎B病毒.Wang等将27和36 个碱基的寡聚核苷探针固定在碳糊电极上,以[co (Phen),”]为指示剂,检测M肺结核DNA.Wang等还用 DNA电化学传感器进行了与人体免疫缺陷病毒(HIV)有关 的短DNA序列的测定研究,为临床艾滋病检测提供了一种 简便的方法.Wang等又利用碳条电极作为DNA传感器的分 析电极.使其同时能测定多个样品,实现了DNA电化学传 感器的半自动化.另外,利用石英晶振与电分析相结合的方 法来发展DNA电化学传感器,也取得了一定的进展. 总之,与常规的核酸检测相比,电化学传感器有以下 特点:(1)可进行液相杂交检测.(2)可进行DNA实时检 测.(3)可对活体内核酸进行动态检测.(4)可进行DNA 的大量智能化检测.(5)特异性强.(6)无污染.生物传 感器的研究日新月异,并趋向微型化,集成化和智能化, 在临床,食品,环境,生化工业甚至机器人等方面都将用 到.但生物传感器在制造工艺上较难,并且由于使用的材 料是有生命活性的物质,其寿命常受环境中各种有害气体 以及微生物的侵袭而失活,有些酶甚至一旦离开了生物活 体,其寿命就大大降低,因此,要制备廉价而又长寿的传 感器的确是很不容易的.相信随着科学技术的发展,一些 新型的实验技术将会给电化学传感器注入更新的活力. 【参考文献】 [1]GebbertA,Alvarez-IeazaM,PetersH,eta1.On-linemonitoring ofmonoclonalantibodyproductionwithregenerableflow—injection immunosystems[J].JBioteehnol,1994,32(3):213—220. 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