生物材料与生物传感器

生物材料与生物传感器

08064122 王瑞鹏

一生物材料基础

生物传感器要具有生物分子识别功能就得使用生物材料，在此主要介绍生物材料和生物传感器的开发应用现状与未来展望。有关详细资料，搜索于医学百科，在此声明。

生物材料包括三部分，即医用生物材料，仿生材料和生物模拟。

医用生物材料最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神经系统以外，人的各种器官都可制造。

仿生材料生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。工业生产中的生物模拟主要是高效催化剂的探索与光合作用的模拟，因为酶催化的效率和速度千百万倍于工业催化剂，而后者的成功实现将使CO2 和水成为碳水化物，粮食问题可得到解决，过剩的CO2 也有了出路。目前细菌冶金已实现处理低品位铜、铀矿石、尾矿，并大幅度降低污染，这将是21世纪解决金属矿日趋枯竭的有效途径。

目前生物材料的种类大致分为酶，蛋白质，细胞质脂质，微生物，动物细胞，其中以酶和微生物的研究发展较迅速。

1 酶

酶是生物催化剂，促使生物内反应圆滑的进行。它能识别分子疏密催化反应，因而酶很早就作为一种试剂开始应用。按化学反应分为6种：氧化转化酶，水解酶，裂解酶，异构酶，连接酶，转移酶，其中可以作为生物传感识别元件的是氧化还原酶，水解酶，裂解酶。氧化还原酶对氢原子和电子的授受，对氧原子基质的附加反应，羟酸的导入反应等起催化作用，其中含有脱氢酶、还原酶、氧化酶、过氧化酶、羟基溶胞酶等；水解酶是对基质分子随水分子介入而水解共价键的反应起催化作用的酶，如酯键、糖苷键、醚键、肽键等都由此酶的作用而切断；裂解酶是指水解以外的方式，原子团由基质分离，使基质生成双键，或者对反双键附加原子团的反应起催化作用的酶。这些酶以单独用作传感器分子识别元件的居多，但也有同时固化复合酶的用例。也就是说，对于只要是转换器能测定的化学物质的消耗或生成，使之与电极或半导体之类器件组合，就能构成酶传感器。

可是，若电极或半导体能测定的物质无反应时，就需要连接别的酶。以计量蔗糖的蔗糖传感器为例，先在葡萄糖和果糖中用蔗糖酶水解葡萄糖，用变旋酶将所形成的0L．D葡萄糖变成p-D葡萄糖，再以葡糖氧化酶作用于葡萄糖，以其反应消耗氧，从而生成葡糖内脂和过氧化氢。以其反应消耗氧，或以其反应生成过氧化氢，其目的都是为了便于用电极测量。也就是说，要测量蔗糖须将固化三种酶的膜与电极组合。酶大都为水溶性，故以酶为传感器分子识别元件时就必须用水不溶性高分子膜固化酶。

2 蛋白质

生物内蛋白质也具有分子识别功能，即基于亲合性来识别分子，结构相互交织较为复杂，但从结构上不难识别亲合分子，如抗体、植物凝集素、结合蛋白质、激素、药剂等。

例如植物凝集素具有识别糖的特异功能，最近动向是使之用于识别糖类化合物，现正着力进行这类传感器的应用开发。结合蛋白质和受体一旦与化学物质形成特异结合就起着透过这类生物膜的输送或信息收受作用。从而，通过有效地利用这类蛋白质就能识别化学物质。可是，这类蛋白质却存在稳定性欠佳的问题。今后，尤需重视蛋白工程的稳定化，目前已着手在进行研究。

3 细胞质脂质

细胞内存在的小器官，是高度功能汇集的复合酶系。特点是排列有序，反应极快。有效利用此特点能迅速识别特定的分子，对其进行计量。一般的细胞类脂质如线粒体、微粒体等，可用线粒体的电子传输粒子识别NADH，用肝微粒体识别SO2。现正在着力进行细胞类脂质的应用研究，开发细胞类脂质传感器。

细胞类脂质的结构高功能化，多数反应极快，这是可利用的优点。然而，其反应也未必全能用于分子识别。如果是这样，可考虑施行适当的处理，以使所需要的酶能用于分子识别。细胞类脂质存在的问题是不稳定。事实上使细胞类脂质分离后，随其功能或结构的变化，酶活性往往会很快消失。

4 微生物

微生物可用作传感器的识别材料。

微生物大致可分为需氧微生物和厌氧微生物两大类。按其形态又可分为霉、酵母、细菌三大类。需氧微生物生育需要酶，而厌氧微生物则不然，酶对其生育却不适宜。若能有效地利用这类微生物的呼吸功能或代谢功能就可以识别分子。例如，当需氧微生物资化有机化合物时就大肆呼吸。其呼吸量的变化有赖于有机化合物浓度，因而用电极等测定微生物的呼吸变化，就能计量有机化合物的浓度。这种情况就需要资化特定化学物质的微生物。厌氧微生物则不然，基本原理是由资化有机化合物而生成各种代谢产物，以此为指标求出有机化合物浓度。这种情况酶的存在就不适宜生育，因而必须在无氧条件下进行测量。就此论点而言，需氧微生物也未必适宜用作传感器元件。在这类微生物中细菌和酵母操作简单，因而可用作传感器的分子识别元件。这些微生物通常在悬浮状态生育，因而要用其作为分子识别元件时，还必须使之固化。这种情况下要维持微生物的全生理功能，最好是采用照样固化的稳妥方法。

5 动植物细胞

有许多动物细胞已经株化，经培养后可大量分取细胞。但是，动物细胞极不稳定，在培养中死亡或受杂菌污染酶每每发生。通常酶具有白氨基和羧基之类的氨基发生。

因此，可说是一种难以用作传感器分子识别元件的生物材料。不过，若采用适当方法使之固化，也可在一定程度上改善其稳定性。例如，在多孔性纤维素膜上固化人的肝脏培养细胞，就是一种行之有效的方法。

6 动植物组织

动、植物组织价结合而不溶化酶，一种膜状成形的方法。用田蛙的上皮组织识别钠离子，用肝脏组织切片识别氨基酸。由于这类组织多具有水不溶性，因而不需要特别固化。就是在高分子基质中对酶形成膜状遮盖的方法，能调节。

但是，组织本身有的可能会腐烂，这就须用戊二醛等加以固化。动、植物调理很简单，用作传感器分子识别元件并不难，但目前尚未见实用化的传感器产

品。

二生物材料的元件化

用酶等生物材料能识别特定的化学物质，使生物材料转化器巧妙的组合构成生物传感器。然而这类生物材料大都为水溶性，因此元件的形态须能再使用才行。为此所采用的方法就是所谓的固化方法，也就是能照样保持生物材料活性的元件化方法。传感器识别功能材料适用的固化方法，特别是在膜上固化酶的方法，目前所用的大致有4种：

1共价结合法：在载体和酶这两者之间至少有其一形成共价结合，并使酶固化在膜上的方法。通常酶具有自按几何所急之类的氨基酸残基中游来的官能团，因而大都在此官能团与膜载体的管官能图之间形成共价结合。

2桥接法：就是在酶分子之间施以低分子量的多官能图试剂，输入共价结合而不溶化酶，一种膜状成型的方法。例如，戊二醛之类的酶就适用桥接法。

3遮盖法：就是在高分子基质中对酶形成膜状遮盖的方法，能调节固化酶的凝胶膜。

4吸附法：在不溶性的载体膜上吸附固化酶的方法，能调节固化酶的凝胶膜，各种离子性或非离子性吸附载体膜都适宜应用。纤维素，离子交换树脂就是其代名词。再者，除酶以外，还有微生物及动植物细菌等固化方法也可以应用于传感器。不过，其固化方法本质上与酶的固化方法没什么两样。特别是要使细胞类脂质，微生物，动植物细菌等化学结合在膜上往往比较困难，因而就将其遮盖固化在一般的合成高分子或天然高分子凝胶基质内，多用作传感器的元件。

三生物元件的改良

酶、受体、抗体等用作生物传感器分子识别元件时，其稳定性对传感器特性有很大影响。不过，其蛋白质却每每失活，有时也难以调节稳定的传感器。因而检索出稳定性好的蛋白质就显得格外重要。由嗜热性的微生物中抽出酶，进而再研究用稳定的酶开发传感器。但能从嗜热性微生物中分离的酶种却有限，因而未必能得到稳定的酶。

另一方面，受体和抗体又极不稳定，一直未找到能使之稳定的有效方法。最近有人提出用基因能级使之稳定化的设想，于是蛋白质工程开始引人注目。．随着DNA技术的发展，任意基因都可输入微生物宿主，可能会有所发现。随着DNA

合成机的发展，任意的碱基序列DNA都可能合成。通过这般技术储备，以替换部分DNA的碱基序列。也就是说，要确立一种能替换蛋白质氨基酸位置的变异技术，进而再替换氨基酸残基，从而能显著提高酶的稳定性。可是，替换蛋白质氨基酸须随机抽样进行，劳务多，工效低。因此，又对蛋白质的结构和功能作了扎实的基础研究，力求有所发现，以促进用x射线、NMR或别的理化测定方法来阐明蛋白质的结构机理。

另一方面，还用生物化学方法对蛋白质功能进行了研究，以此研究结果为基础，并用计算机模拟其结构。通过结构模拟，了解蛋白质的结构变化，进而就有可能在计算机上设计出功能变化。用DNA合成机对一致的DNA进行合成，使之与天然蛋白质基因进行部分交换，再将含此合成基因的蛋白质基因与质粒结合，就制成杂化质粒。将其引进大肠杆菌，以制作蛋白质。然后，由大肠杆菌抽出蛋白质，加以精制。图1所示为传感器用蛋白质制作工艺流程图。用此蛋白质制作工艺可以制备稳定的酶、受体和抗体。然而，蛋白工艺的开发研究刚刚才起步，而蛋白