生物传感器应用及展望

生物传感器应用及展望

0 引言

有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。

生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。最早的生物传感器发明于1962年，英国Clark利用不同的物质与不同的酶层发生反应的工作原理，在传统的离子选择性电极上固定了具有生物功能选择的酶，从而构成了最早的生物传感器一一酶电极。生物传感器的研究全面展开是在20世纪80年代，20多年来发展迅速，在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。目前，生物传感器正进人全面深人研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。相信在不久的将来，生物传感器的面貌会焕然一新。

1 工作原理及分类

1.1 工作原理

传感器主要由信号检测器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号，如电信号、光信号等。生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件。换句话说，它是利用生物的或有生命物质分子的识别功能与信号转换器相结合，将生物反应所引起的化学、物理变化变换成电信号、光信号等。

Rogers等人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，生物部分产生的信号可转换为电化学信号、光学信号、声信号而被检测。可见，任何一个生物传感器都具有两种功能，即分子识别和信号转换功能。

1.2 主要分类

生物传感器的分类方式很多，但根据生物学和电子工程学各自的范畴，主要有以下两种分类方式。

(1)根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分类

生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同，生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。

(2)根据生物传感器的信号转换器分类

生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如:可以利用电化学

电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器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。电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法。

当然，以上两种分类方法之间可以互相交叉.例如:微生物传感器又可以分成电化学微生物传感器，测热型微生物传感器等。总之，生物传感器种类繁多，内容广泛，随着科学技术的不断发展，其内容也将不断丰富。

2 研究现状及主要应用领域

2.1 食品工业

生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

(1)食品成分分析

在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖类，如果糖，啤酒、麦芽汁中的麦芽糖，也有成熟的测定传感器。

Niculescu等人研制出一种安培生物传感器，可用于检测饮料中的乙醇含量。这种生物传感器是将一种配蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影响该生物传感器的性能。在目前进行的实验中，该生物传感器对乙醇的测量极限为lnM。

(2)食品添加剂的分析

亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸盐含量，测定的线性范围为0-6的四次方mol/L。又如饮料、布丁、昔等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶结合氨电极测定，线性范围为2x 10的负五次方- 1 x lO的负三次方mol/L。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。

(3)农药残留量分析

近年来，人们对食品中的农药残留问题越来越重视，各国政府也不断加强对食品中的农药残留的检测工作。

Yamazaki等人发明了一种使用人造酶测定有机磷杀虫剂的电流式生物传感器，利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测定极限为10的负七次方mol，在40℃下测定只要4min。Albareda等用戊二醛交联法将乙酞胆碱醋酶固定在铜丝碳糊电极表面，制成一种可检测浓度为10的负10次方mol/L的对氧磷和10的负11次方mol/L的克百威的生物

传感器，可用于直接检测自来水和果汁样品中两种农药的残留。

(4)微生物和毒素的检验

食品中病原性微生物的存在会给消费者的健康带来极大的危害，食品中毒素不仅种类很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突变作用，因此，加强对食品中的病原性微生物及毒素的检测至关重要。

食用牛肉很容易被大肠杆菌0157.H7.所感染，因此，需要快速灵敏的方法检测和防御大肠杆菌0157.H7一类的细菌。Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几min内检测出食物中的病原体(如大肠杆菌0157.H7.)，而传统的方法则需要几d。这种生物传感器从检测出病原体到从样品中重新获得病原体并使它在培养基上独立生长总共只需1d时间，而传统方法需要4d。

还有一种快速灵敏的免疫生物传感器可以用于测量牛奶中双氢除虫菌素的残余物，它是基于细胞质基因组的反应，通过光学系统传输信号。已达到的检测极限为16.2ng/ml。一天可以检测20个牛奶样品。

(5)食品鲜度的检测

食品工业中对食品鲜度尤其是鱼类、肉类的鲜度检测是评价食品质量的一个主要指标。Volpe等人以黄嗦吟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昔(IMP)肌昔(IIXR)和次黄嗓吟(HX)的浓度，从而评价鱼的鲜度，其线性范围为5x10的负10次方-2x10的负4次方mol/L。

2.2 环境监测

近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。

(1)水环境监测

生化需氧量(BOD)是一种广泛采用的表征有机污染程度的综合性指标。在水体监测和污水处理厂的运行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指标之一。常规的BOD测定需要5d的培养期，而且操作复杂，重复性差，耗时耗力，干扰性大，不适合现场监测。SiyaWakin 等人利用一种毛抱子菌(Trichosporoncutaneum)和芽抱杆菌(Bacillus licheniformis)制作一种微生物 BOD传感器。该BOD生物传感器能同时精确测量葡萄糖和谷氨酸的浓度。测量范围为0.5-40mg/L，灵敏度为5.84 nA/mgL。该生物传感器稳定性好，在58次实验中，标准偏差仅为0.0362。所需反应时间为5-lOmin。

NO3离子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，对人体的健康极其有害。Zatsll 等人提出了一种整体化酶功能场效应管装置检测NO;离子的方法。该装置对NO,’离子的检测极限为7x 10的负5次方mol，响应时间不到50s，系统操作时间约为85s。