光学生物传感器的研究进展

, ,
方法也不 同于普通 的化学 发 光试 剂 因 此 已 经 发展 成 为一 门独
,
性 和 对 生 化 反 应 的 高 效 催 化 性 由 于 识 别 反 应 涉 及 复杂 的 光 化 学过程 测 试 时需 要 检测 整 个反 应 动力学 过 程 的 总效 应 因 此影
响 因素 较 多 稳 定 性 不 高 反 应 条件 也 难 以 控 制 重 现 性 差 后 者
"
,
"
有 什么 和
"
个功 能 模 块 组 成 如 图
择 性 识 别 能力 的 感 受器
"
有多少
,
"
,
而 是 要 在 较 短 时 间 内提 供 物 质 更 多 的 更 全 面 的 信
,
它 是 光学 生 物 传感 器 的核 心 部 件 其
,
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息 生 物 传 感器 正 是 在 此 背 景 下 发 展 起 来 的 一 种 新 型 集 成 分 析
,
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,
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如 今 生 物 传感 器 的 研 究 和 应 用 已 远 远 超 出分 析 化 学 的 范 畴 渗透 到临 床 医 学 〔
,
,一
〕
,
生 物 科 学川 军 事 科 学 川 以 及 药 物 分
,
,
析
和 环 境 监测 川 等领 域 而 且 其研 究 开 发 的势 头 在 不 断加 大
, . ,
,
. .
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免疫
将 发 光催 化 剂 等标 记 到抗 原 体 上 当 被 标 巨 传 感 层 上 的抗 体 原 结 合 后 再 与 发 光 试 剂
反 应 产生 发光
.
,
,
,
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传感器 记 抗 原 体 通 过 特 异 性 免 疫 反 应 与 固定 在
固定 化是 生 物 传感 器 研 究 和 开发 过
,
程 中的关 键 工 作 生 物 功 能 物 质 的 固 定 化技 术 对 传感 器 的 灵 敏
度 和 稳 定 性 有 重 要 影 响 经 过 几 十 年 的 发 展 目前 已 经 建 立 了 多 种 适 合 于 不 同 生 物 功 能 物 质 的 固 定 化方 法 归 纳起 来 主 要 有 包 埋 法 吸 附法 共 价键 合 法 交联 法 等 性 灵 敏度
, ,
,
, ,
,
化学 发 光 和 生 物 发 光 的 特 点 是 发 光 效 率和 灵 敏 度 均 比较
种方式 仁
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〕
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高 设 备 简 单 适 用 于 流 动 注 射 分 析 是 生 物 传感 器 的 热 门 领 域
,
,
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生 物 功 能 物 质 的 固定 化 主 要 有 固着 强 度 稳定性 和 检测 活
并 已 在生 命 科学 临 床 医 学 以 及 环 境 科 学 等领 域 的发 展 中表 现
信 号作为 探 测 基础 一 般 由传感层
,
,
析 药 物 分 析 生 物 活 性物质 分 析等大量新课题 不 断涌现 而且
对 分析 结 果 的 要 求 也 越 来 越 高 不 再 局 限 于 物 质 中
"
,
,
,
,
光 信号转换
,
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与放 大 处 理
所 示 传感 层 是 对 被 测 定 物 质 具 有 高 选
生物发光
化 学 发光
电化 学 发 光
光致 发 光
,
,
一
,
,
,
,
,
通
,
,
,
,
,
引言
随 着 现 代科 学 技 术 的 发 展 特 别 是 生 命 科 学 临 床 医 学 等 新 兴 科学 的 发 展 分 析 化 学 所 面 临 的 挑 战 越 来 越 大 生 物 大 分 子 分
, ,
原 理 与结构
,
,
光 学 生 物 传感 器 利 用 被 测 物 质 与 探 测 试 剂 反 应 后 引 发 的 光
良好 的 稳 定 性 以 及 较 长 的 寿 命 此 外 它 与 待 测 物 质 的 传 感 反 应 还应该是 可逆 的 某些 不 可 逆 的传感层也有 应 用 通 常称 为 探
,
,
导 国际上从
泛 的研 究 和 探 索
,
虽 然实 用 化 的生 物传感 器设备直到
,
"
年代才 陆续推 出 并且 为 数 不 多 但是其 在实 际 应 用 中 已 经
,
生 物功 能物质 的 固定 化技术仍 然存在很 多悬 而 未决 的 问题 目
,
前还没有一 种方 法 能 从根本上解 决传感器 的稳 定性 灵 敏度 和
响应 速度等 问题
,
.
,
大有用武之地
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我 国科 学 家 在 固定 化 技 术 的 研 究 方 面 也 做 了
,
,
光致光学 生 物 传 感器
采用 激发 光源 不 仅可 以 保证稳 定 的测试 光信 号 而 且 激 发 光 的 波 长 也 可 在 相 当 大 的 范 围 内选 择 以 适 应 不 同 的 测 试 环 境
,
,
图
·
光 学 生 物 传 感器 的结 构
实用 化 商 品化 的 步伐也 在 不 断加 快 阁 探测 机 制共有 电 光 热 量
的 称 为 光 学 生 物 传感 器
,Hale Waihona Puke Baidu
目前 生 物 传 感 器 使 用 的
.
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种 川 其 中 以 光 信 号 作 为探 测 机 制
,
由于 光学 生 物传感
,
,
传 感 层 的探 测原 理
,
, 〔'
·
'
〕
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感 器 并 广泛 应 用 于 环 境 检测 皿
,
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·
〕
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最 近 关 于 化学发光和生物
,
近 年 来 各 种 固 定 化 方 法 都得 到 了 一 定 的 改 进 和 完 善 但 是
发 光 理 论 的研 究 日益 深 人 基 于 这 类 发 光 物 质 的 各 种 新 型 传 感 器 也 在 不 断推 出勿 〕 相 信 今后 它 在 光 学 生 物 传 感 器 领 域 必 定 会
,
, , , , .
大量 工作 但是 在新 型 固定 化 工 艺 的 开 发方 面 仍 与 国外 存在 一 定 差 距 因 此 继 续 改 进 现 有 固定 化 技 术 开 发 更 简 单 更 实 用 的
测试装置
,
作 用 是 提 取 与各 种 被 测 定 生 物 量 有 关 的 光 信 息
, ,
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一 个优 良 的 传
.
早在
.
世纪 世纪
,
年代就 有 关 于 生 物 传感 器 研 究 的报 年代初 就 开 始 对生 物传感 器进 行 了广 世纪
,
感 层 应 该 具 有 较 高 的 灵 敏 度 较 好 的选 择 性 较 快 的 响 应 速 度 和
目 综述 了光
. , ,
,
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敏 准 确 和 高选择 性 等 特 点 而 最 为 引 人 瞩
感 器 的研 究 意 义 以 及发展前景
关键词
生 物 传感 器
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学生 物 传 感 器 的 原 理 结 构 和 分 类 对 比 讨 论 了 各 类 光 学生 物 传 感 器 的 特性 应 用 领 域 存 在 的 主 要 问题及其今后 的发展趋 势 评 述 了 以 新 型 无 机材料作 为标 记 物 的 光 致 荧光 生 物 传
面 具有更 为 广 阔 的前 景 最 近 已 有人 尝试采 用 溶胶 凝 胶技 术 将 生 物 分 子 固 定 于 无 机 陶瓷 或 玻 璃 材 料 中研 制 光 学 生 物 传感 器 并 取得 了一 定 的成效
, ,
一
些新 型 的化学 发 光试剂逐 步被开 发 出来 一些 荧光素 已 有 人工
,
合成 方 法 另 外 借 助 于 基 因 工 程 方法 也 产生 了 一 系列 微 生 物传
.
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传感层 的制备方法
传感层 包 括 载体 和 生 物 功 能物 质两 部分 光学 生 物传感 器
,
传感 器 反 应 后 会 产 生 某 种 物 质 由 这 种 物 质 再 诱
,
传感层 所 用 的 载 体一 般都 是 刚 性 的光 学 透 明 物 质 或者 是 大分
子 的无 色 透 明 液 体 将生 物 功 能 物质 如 酶 抗 原 或抗 体等试 剂 固 定 在 载 体 表 面 称 为 固定 化
出 巨 大 应 用 潜 力 但 是 目前 这 类 传 感 器 仍 处 于 发 展 阶 段 实 用 化
,
个 性 能 指 标 然 而 实 际 应 用 中这 两 者 往 往 很 难 同
,
时 兼 顾 比 如 共 价 键 合 法 虽 然 能 够 获 得 很 高 的 固 着稳 定 性 但 共 价 键 的 形 成 占据 了 生 物 功 能 物 质 的 活 性 位 点 而 导 致 其 活 性 有 所
传 感层 的 探 测 基 础 是 生 物 体 的 识 别 反 应
,
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器具有 非 破 坏 性 的操作模 式 较 高 的信号 产生 与 读取 速度 加 上
近 年来 光 纤技 术 的 发 展 与 应 用 使 光 学 生 物 传 感 器 的 测 试 方 式
,
生 物 识别是生 物
体之 间 的一 种独 特 功 能 具有生 物识 别 能力 的 物 质 称 为 生 物 功
表 现 出极 大 的优 势 它 不 仅 可 以 胜 任 普通 生 物 分析手段 能够 完
针
"
'
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成 的 各 种 测 试 还 能进 行 一 些 普 通 测 试 手 段 无 法 完 成 的 任 务 比
,
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如无标 记 的 免疫 检 测 在 线 分析 甚 至 活 体 分 析 等 此 外 它 还 可
以 让 生 物 分析 走 出实验 室 进 人 普 通 百 姓 家庭
,
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降低 相 比 而 言 基 于 溶 胶 凝 胶 技 术 以 二 氧化 硅 为 基 底 材 料 的
, ,
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一
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包 埋 法 在 各 种 固 定 化 技 术 中最 具 发 展 潜 力
,
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该 方 法 具 有 良好 的
,
坚 固性 抗 磨 性 和 化 学 惰 性 热 和 光 稳 定 性 尤 其 是 其光 透 性 强
能物 质
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和应 用 领 域都 得 到 极 大 的扩 展 成 为迄 今 应 用 最 为 普遍 的生 物
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如 葡 萄糖 氧 化 酶 能从 多种 糖 分子 的 混 合物 中识 别 出 葡
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传感 器 具 有 广 阔 的 发 展 前 景
,
二
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萄糖 并 迅 速 使 它 催 化 氧 化 这 种 葡 萄糖 酶 即 为 生 物 功 能 物 质 迄
, , ,
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分 析 费 用 较 高 因 此 今 后 的 研 究 应 着 力 于 开 发 稳 定 高效 廉 价 发 光 体 系 近 年来 这 方 面 的 研 究 已 经 取 得 了 一 定 的 进 展 比 如 一
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,
,
本 身荧 光 度 低 的优 点 在 化学 发 光 生 物 传感 器 的 开 发 和 应 用 方
, ,
,
生 物 发 光 生 物 发 光 从 本 质上 讲 也 是 一 种 化学 发 光 但 是 由 于 其 和亲和型
.
生 物 体之 间的识别反 应 分 为 催 化 型
〕
.
最 初 来 自于 自然 界 发 光 过 程 与 生 命 过 程 有 关 并 且 人 工 获 取 的
前 者 利 用 酶对 被 分析 物 识 别 的高度 专一
,
参考文 献 仁
,
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性 识 别 反 应 的结 果 是生 成 一 个稳 定 的配 合物 测 试 时检 测 的是
热力学 平 衡 的结果 稳 定性较高 检测 机制也灵 活 多样 是生 物
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,
传感 器
复合
物质反 应后直接产生光信号
,
传感 器 发 展 的方 向
.
生 物功 能 物 质 不 是 发光试剂 它 与待测 物 质 仁 发 光 学 标记 物 产 生 光 信 号
光 学生 物 传 感 器 的 研 究 进展 王
锋等
光 学 生 物 传 感 器 的研 究 进 展
王
'
锋
樊先平
王 民权
,
浙江大学材料科学与工程学 系 杭州 摘要
, ,
生 物 传 感 器 是 一 种 在 多 学科 交 叉 背 景 下 发 展 起 来 的 新 型 测 试 装 置 其 中 光 学 生 物 传 感 器 因 具 有 快 速 灵
, , ,
立 的学 科 分 支 根 据 测 定 对 象 的不 同 可 以 将 这 类 传 感 器 分 为 表
,
.
所示
类「
,
.
表
无 激 发 源 光 学 生 物传感 器 的分 类
则 是 利 用 了生 物体 之 间 如 抗 原 抗 体 配 体 受 体 的 特 异 亲 和
一
,
一
类别
基础
结构 特 点
生 物 功 能物 质本 身就 是 发 光 试 剂 它 与待 测
的设 备 并 不 多 而 且 还 存 在 许 多 不 足 之 处 如 发 光 体 系 的 影 响 因
,
,
素 多 重 现性 差 某 些 发 光 系 统 的 反 应 机 制 尚不 十 分 清 楚 反 应
条 件也 不 易控 制 一 些 干 扰 现 象很 难 估计 和 解 释 发 光 反 应 会 消 耗 发 光试 剂 所 以需 要 连续 不 断地将 这种 试剂输 送 到反 应 区 域
,
'
国 家 自然 科 学 基 金
,
资助
一
王锋 男
年生 博士 生
,
一
材 料 导报
今 已 经 发现 的生 物功 能物质有 酶 核 酸 抗原或抗体 结合蛋 白 质 植 物 凝 血 素 和 激 素受 体等 两类 ,
,
, . ,
年
.
月第
卷第
,
期
,
,
进行测试
其 发光体 系 主要 有
,
类 一类 是化学发 光 另一 类是