生物傳感器的研究現狀及展望

高勇 郭艷 安維 張娟麗

摘要：生物傳感器是利用生物化學和電化學反應原理，將生物化學反應信號通過信號轉換器轉換成光信號、電信號的分析檢測儀器，具有使用方便、快速、準確靈敏度高等特點。本文主要介紹了微生物細胞傳感器、酶傳感器、免疫傳感器、組織傳感器和DNA傳感器的主要特點以及在環(huán)境監(jiān)測、食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學等領域的應用和研究進展。

Abstract： Biosensor is an analytical instrument that uses the biochemical and electrochemical reaction principles to convert biochemical reaction signals into optical signals and electrical signals through signal converters. It has the characteristics of convenient， fast， accurate and high sensitivity. This paper reviews the main features of microbial cell sensors， enzyme sensors， immunosensors， tissue sensors and DNA sensors， and the applications and research progress in the fields of environmental monitoring， food industry， fermentation industry and biomedicine.

關鍵詞：生物傳感器;環(huán)境監(jiān)測;生物醫(yī)學

Key words： biosenors;environment monitoring;biomedicine

中圖分類號：R197.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0225-02

0? 引言

1962年， Clark 和Lyons通過葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反應的原理來制成了第一個酶傳感器，早期的生物傳感器主要是以酶傳感器為主，由于酶的價格高活性不穩(wěn)定，影響了酶傳感器的發(fā)展和應用。隨著微生物固定化技術的不斷發(fā)展，產生了各類新型微生物電極傳感器，微生物電極以微生物活體作為敏感元件，具有成本低、靈敏度高、對目標檢測物具有高度選擇性等優(yōu)點，在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)和生物醫(yī)學等領域有著廣泛的應用前景。

1? 生物傳感器的工作原理

生物傳感器由分子識別元件和信號轉換器構成，分子識別元件由生物活性物質構成，用分子識別元件識別目標檢測物，然后產生某種物理或化學變化，分子識別元件是生物傳感器選擇性檢測的基礎，信號轉換器即換能器，可以將生物識別反應產生的信號轉換為可以被檢測到的信號。當分子識別元件與被檢測物特異性結合后，產生的信號經過信號轉換器轉變成光信號或電信號等，發(fā)生的信號經過檢測、分析。在設計生物傳感器時，選擇適合于待測物的敏感元件，是非常重要的前提，依據敏感元件所引起的物理或化學變化來選擇換能器，是設計生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)[1]。

2? 生物傳感器的分類

2.1 酶傳感器

酶傳感器是研究最早和最多的生物傳感器之一，是以生物活性物質比如酶、核酸、細胞等物質作為敏感元件，利用生化反應所產生的或消耗的物質的量，將電化學信號轉換成電信號，然后用電化學測量裝置（電極）定量地檢測反應中生成或消耗的生物活性物質，通過分析待測物與檢測的電信號之間的關系分析測定目標物的過程。常見的酶傳感器有葡萄糖傳感器、尿素傳感器、膽固醇傳感器等，由于具有良好的穩(wěn)定性能，已應用于生物醫(yī)學及環(huán)境監(jiān)測等領域。

2.2 免疫傳感器

免疫傳感器是基于抗原抗體特異性識別功能的原理研制成的，將抗原或抗體固定在載體上，用于檢測待測物及其濃度的生物傳感器。由于免疫傳感器技術具有特異性強、靈敏度高、使用簡便及成本低等優(yōu)點，已廣泛應用到臨床醫(yī)學與生物監(jiān)測技術、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測與處理等領域[2]。電化學免疫傳感器是一種新型免疫傳感器，能夠對抗原或抗體進行動態(tài)定量測定。Hao Chen研制出用于白血病細胞K562A的壓電免疫傳感器，可以定量檢測白血病細胞K562A的濃度范圍[3]，并能動態(tài)監(jiān)測免疫化學反應過程，Yao C等研制出用于乙肝病毒的壓電石英免疫傳感器，具有檢測速度快，抗干擾能力較強，特異性高等特點[4]。

2.3 微生物細胞傳感器

微生物細胞傳感器是以微生物細胞作為生物敏感元件，能夠快速監(jiān)測環(huán)境中的各種污染物的分析裝置，其特點是特異性強、檢測速度快、操作簡單、在極低的濃度下，可以檢測空氣、土壤及環(huán)境中的毒性物質。微生物細胞傳感器的敏感元件是微生物細胞，可以經過遺傳工程重構，形成對環(huán)境中某種特殊物質產生生化反應，從而產生被檢測到的信號。隨著分子生物學的發(fā)展，微生物細胞傳感器從利用菌類表達發(fā)光到導入熒光蛋白基因使微生物細胞發(fā)光，報告基因表達后可以產生被檢測到的光信號，通過信號轉換器將檢測到的光信號放大、分析，通過對光信號的分析就可以定量檢測目標物的濃度。目前，我國的環(huán)境污染情況不容樂觀，出現了許多新的污染物，因此，對污染物的精準檢測要求也越來越高，結合微生物細胞傳感器的自身特點，對環(huán)境中各類污染物的檢測方面具有廣闊的應用前景[5-6]。

3? 生物傳感器的應用現狀

3.1 食品工業(yè)

生物傳感器已經廣泛應用于食品工業(yè)領域，比如用酶傳感器檢測蘋果汁和蜂蜜中的葡萄糖成分等等。近幾年，人們群眾對食品安全重視程度越來越高，特別是食品中的農藥殘留以及致病性微生物的檢測，民以食為天，食品中致病性微生物會對消費者的身體健康產生嚴重的影響，輕者，胃腸道不適、惡心、嘔吐，嚴重者，會引起食物中毒，要送醫(yī)院進行搶救等。因此，必須要加強對食品中致病性微生物的檢測工作，Gossett等研制了可用于檢測葡萄球菌腸毒素B（SEB）的免疫傳感器，當樣品溶液流速為1mL/min時，其檢測范圍為12.5～50pg/mL[7]。

3.2 環(huán)境監(jiān)測

生物傳感器已廣泛應用于各種環(huán)境污染物的監(jiān)測領域，比如用微生物傳感器對生物耗氧量（BOD）的監(jiān)測，其工作原理是用微生物的菌群作為電極，水中生物耗氧量（BOD）的變化會引起水中微生物呼吸的變化，最終導致電極電流信號的變化，通過轉換器將電信號放大，從而檢測出生物耗氧量的含量。生物傳感器在大氣監(jiān)測領域也得到較好的應用，比如馬莉等制成了安培型生物傳感器，利用肝微粒體氧化亞硫酸鹽同時，降低氧電極周圍的氧濃度，產生電流信號變化，監(jiān)測出亞硫酸鹽的濃度，從而分析樣品中SO2的濃度[8]。

3.3 發(fā)酵工業(yè)

微生物傳感器具有成本低、設備簡單等特點，非常適合發(fā)酵工業(yè)的應用，微生物傳感器可應用于乙酸、頭孢霉素、谷氨酸、醇類、青霉素、乳酸等的測定。工作原理是用微生物電極與氧電極組成，通過測量氧電極電流的變化來監(jiān)測耗氧量，從而達到測量出待測物濃度。在各種原材料中葡萄糖的測定發(fā)酵工業(yè)的重要指標之一，用葡萄糖氧化酶的氧化作用，催化葡萄糖的同時消耗氧，通過傳感器監(jiān)測氧含量，從而計算出葡萄糖的濃度。目前，葡萄糖酶電極傳感器已經使用十分廣泛。

3.4 生物醫(yī)學

酶傳感器、免疫傳感器及微生物傳感器在生物醫(yī)學領域起著非常重要的作用。其中DNA傳感器是近幾年發(fā)展的熱點，是以已知核苷酸序列的DNA固化在載體上，通過DNA分子雜交，對另一條含有互補序列的DNA識別，形成穩(wěn)定的雙鏈DNA結構，通過轉換器對聲、光及電信號放大、分析，用于檢測目標DNA[9]。DNA生物傳感器已經廣泛應用于生物醫(yī)學、疾病診斷及生物醫(yī)藥等領域。

4? 展望

生物傳感器主要應用了生物信息學、生物芯片、生物計算機、生物控制學及材料學等多學科的最新前沿知識，微型化、智能化及集成化是生物傳感器未來的發(fā)展方向。隨著科學技術的快速發(fā)展及應用，生物傳感器技術的不斷進步，未來的生物傳感器能夠實現全自動化檢測，使用更加方便、靈敏度更高，進一步拓寬生物傳感器的應用空間。

參考文獻：

[1]張先恩.生物傳感器[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006：1-15.

[2]Jiang X S.Li D Y.Xu X Immunosensors for detection of pesticide residues [J].Biosensors and Bioelectronics，2008，23（11）：1577-1587.

[3]Hao C.Yan F.Ding L A self-assembled monolayer based electrochemical immunosensor for detection of leukemia K562A cells[J]. Electrochemistry Communications， 2007，9（6）：1359-l364.

[4]Yao C，Zhu T，Tang J，et al. Hybridazation assay of hepatitis B virus by QCM peptide nucleic acid biosensor[J]. Biosens Bioelectron， 2008，23（6）：879-85.

[5]陳高，董元華.微生物細胞傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用研究進展[J].土壤學報，2008，45（2）：348-354.

[6]蔡豪斌.微生物活細胞檢測生物傳感器的研究[J].華夏醫(yī)學，2000，13（3）：252-256.

[7]Gossett A C.Marjorie B M.Raj M Detection of staphylococcus enterotoxin B at picogram levels using piezoelectric-excited millimeter-sized cantilever sensors[J]. Sensors and Actuators B：Chemical，2007，126（2） ：354-360.

[8]馬莉，崔建升，王曉輝.微生物傳感器研究進展[J].河北工業(yè)科技，2004，21（6）：50-53.

[9]Du P.Li H X.Mei Z H Electrochemical DNA biosensor for the detection of DNA hybridization with the amplification of Au nanoparticles and CdS nanoparticles [J]. Bioelectrochemistry，2009，75（1）：37-43.