化学传感器的研究及应用1

生物传感器的分类和研究

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生物与化学工程学院化学工程与工艺

摘要：生物传感器技术广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的

应用。

关键词: 生物传感器结构；酶传感器；微生物传感器；组织传感器；免疫传感器；

1.生物传感器的介绍

生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

2.生物传感器的分类

用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器并不专指用于生物技术领域的传感器，它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3．以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器。

2.1 酶传感器

2.1.1 酶传感器的定义

酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元, 通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号, 实现对

目标物定量测定的分析仪器。

2.1.2 酶传感器的分类

根据信号转换器的不同，酶传感器主要有酶电极传感器、离子敏场效应晶体管酶传感器、热敏电阻酶传感器和光纤酶传感器等几类。根据酶促反应的溶剂体系，可分为有机相酶传感器和非有机相酶传感器。

2.1.3 酶传感器的基本结构

酶生物传感器的基本结构单元是由物质识别元件（固定化酶膜）和信号转换器（基体电极）组成。当酶膜上发生酶促反应时, 产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号, 从而加以检侧, 基体电极可采用碳质

电极（石墨电极、玻碳电极、碳栩电极）、Pt电极及相应的修饰电极。

2.1.4 酶传感器的工作原理

当酶电极漫人被测溶液, 待测底物进入酶层的内部并参与反应, 大部分酶反应都会产生或消

耗一种可被电极侧定的物质, 当反应达到稳定状态时, 电活性物质的浓度可以通过电位或电流模

式进行侧定。

2.1.5 酶传感器的应用

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。酶生物传感器的发展和应用为其提供了新的手段。农药、杀虫剂在农业生产中广泛使用, 但其残余物对水源和土壤存在污染。用酶传感器来检测体液中的各种化学成分, 为医生的诊断提出依据；利用生物工程技术生产药物时, 将酶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；生物传感器可实时监测生物大分子之间的相互作用, 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位, 帮助人们了解单克隆抗体特性, 有目的地筛选各种具有最佳应用潜力的单克隆抗体, 而且较常规方法省时、省力, 结果也更为客观可信。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、侦检、鉴定和检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, 酶生物传感器将是最重要的一类化学战剂和生物战剂侦

检器材。

2.1.6 酶传感器的发展前景展望

目前, 酶生物传感器的研究试验已较为广泛, 但大多数仍处于实验室研究开发

阶段, 达到实用化阶段的产品还较少, 因此研制具有市场潜力的酶生物传感器一直

是科学家努力的方向。此外, 探索与合成更有效的电子介体和性能更优异的聚合物载体材料, 以及寻找方便、高效的酶固定化方法, 通过对介体和载体材料的结构与性能同酶活性之间关系的研究, 研制开发响应快速, 稳定性好, 信号可靠的第二代酶

生物传感器, 深入阐明酶生物传感器的电子传递机理及寻找更有效的方法，实现更多酶的直接电化学制备性能优越的第三代酶生物传感器也是这一领域中重要的发展趋势。

2.2 微生物传感器

2.2.1 微生物结构和组成

微生物传感器由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质

的定量测定。其中最主要的部分是固定化微生物和换能器，这两部分对传感器的灵敏度有很大的影响。

2.2.2 微生物分类及原理

微生物传感器是以活的微生物作为敏感材料，利用其体内的各种酶系及代谢系统来测定和识别相应底物。微生物电极的种类很多，可以从不同的角度分类。根据测量信号的不同，微生物电极可分为如下两类：(1)电流型微生物电极，换能器输出的是电流信号，根据氧化还原反应产生的电流值测定被测物。常用Q电极作为基础电极；

(2)电位型微生物电极，换能器输出的是电位信号，电位值的大小与被测物的活度有关，二者呈能斯特响应。常用的电极为各种离子选择性电极、CO2气敏电极、NH3敏电极等。根据微生物与底物作用原理的不同，微生物电极又可分为如下两类：(1)测定呼吸活性型微生物电极，微生物与底物作用，在同化样品中有机物的同时，微生物细胞的呼吸活性有所提高，依据反应中氧的消耗或二氧化碳的生成来检测被微生物同化的有机物的浓度；(2)测定代谢物质型微生物电极，微生物与底物作用后生成各种电极敏感代谢产物，利用对某种代谢产物敏感的电极即可检测原底物的浓度。根据微生物的种类分类可分为发光微生物(1uminous microbes)传感器，硝化细菌(nitrifying bacteria)传感器，假单胞茵属(Pseudomonas)与大肠杆菌属(Escherichia)传感器，蓝细菌(cyanobacteria)与藻类(algae)传感器和酵母传感器。发光微生物传感器具有一些显著优点：操作无需严格无菌；发光变化先于基本代谢变化因而对毒性更为敏感；与光电检测手段相结合，自动化程度高、结果客观、人为误差少。硝化细菌传感器利用细菌对污染物毒性十分敏感的特性，根据污染物抑制细胞酶类(如氨单加氧酶、羟氨氧化酶、亚硝酸氧还酶)而干扰硝化过程的原理来检测污染