生物传感器的制备及应用

生物传感器的制备及应用

[摘要]生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测,特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点,从最先提出生物传感器的设想至今,其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合,正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。

[关键词]生物传感器应用纳米材料

一、生物传感器的原理

生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成的生物识别部分是由

具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成,包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸等[1]。信号分析部分通常又叫做换能器,它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等。物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号,比如电信号、焚光信号等,再经过信号读取设备的转换过程,最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据。

生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为:首先,待测物分子与识别

元素接触;然后,识别元素把待测物分子从样品中分离出来;接着,转换器将识别

反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号;最后,使用现代分析仪器对输

出的信号进行相应的转换,将输出信号转化为可识别的信号。生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性,是生物定性识别的决定因素;识别元素与待测分子的亲合力,以及换能器和检测仪表的精密度,在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。二、生物传感器的分类

根据所用换能器和监测物理量、化学量和生物量可分为电化学生物传感器[2]、光学生物传感器[3]和压电生物传感器[4]等。

1、光学生物传感器

光学生物传感器是基于待测物能够引起传感器表面某种特定指示剂光吸收

率或光传播发生反射、折射、散射等性质的变化进行设计的。大量光学生物传感器已经见诸报道,Borisov等[5]对近年来光学生物传感器的发展和应用进行了综述。

表面等离子共振(SPR)生物传感器是一种常用的光学生物传感器。其光源为偏振光,传感芯片表面镀有一层金膜,金膜与微流体流动系统相联,当金膜表面键合了目标分析物后,检测器能够跟踪溶液中的分子与芯片表面的分子结合、解离整个过程的变化。SPR生物传感器能实时监测生物分子间的相互作用,且不需要复杂的标记,因此被广泛应用于蛋白质组学、临床诊断以及食品安全等领域。

2、电化学生物传感器[6]

电化学生物传感器通常包括电流型电位型和电阻型三种类型。它的工作原理是由于待测物的引入使得传感器表面发生物理或者化学变化,这些变化经电化学转换器将其转化为可检测的电信号。销电极、金电极和玻碳电极是最常用的工作电极,一方面是因为它们具有良好的导电性;另一方面,它们容易处理,在检测过程尤其是生物检测过程中对待测物无污染。丝网印刷电极也是一种常用的工作电极,常用作电位生物传感器,电位生物传感器(在零电流下产生电压)能够在很宽的动力学范围内给出相应的对数响应。这种电极虽然只有两个电极,但是具有很高的灵敏度及良好的稳定性,而且即使分析物的制备过程不是很严格,也可以对分析物的检测达到同用HPLC和LC/MS技术相同的水平。电化学生物传感器因其检测灵敏度高、操作简便快捷、省时、成本低及所需仪器简单等优点受到广大科研人员的研究兴趣

3、压电生物传感器[7]

压电生物传感器是一种质量敏感型生物传感器,它利用对电压敏感的石英晶体产生弹性形变而引起其本身共振频率产生变化来进行检测的。传感过程中交流电压(AC)在晶体中产生驻波的特征频率,这个特征频率依赖于晶体的弹性形变。当表面覆盖有生物识别元素的受体键合上目标分析物后,引起晶体共振频率的改变,这样就能获得检测信号。

三、生物传感器的应用

1、生物传感器应用于医学检测

(1)生物传感器对葡萄糖的检测[8,9]

人体中血糖的浓度正常值为3.9~6.0 mmol/L,对血液中葡萄糖的检测研究一直是生物传感器发展的主要方向。Park等将葡萄糖氧化酶固定在肽纳米管上制备了一种安培传感器,借助金纳米粒子的放大作用,在低于人体正常血糖浓度范围内(0.5-2.4 mmol/L)该传感器可以对葡萄糖进行检测。Wang等利用Mg-Al-C03能使发光氨在弱酸性(pH 5.8)溶液中产生化学发光的现象对更低浓度(检测线性范

围是0.005-1.0mmol/L,检测限为0.1 μmol/L)葡萄糖成功实现了检测;Wu等用电化学沉积的办法制备了普鲁士蓝/Bi2Se3传感器,在葡萄糖氧化酶的催化下,该传感器对葡萄糖的检测范围为0.01-11mmol/L,适合用于对正常人体血糖浓度或者血糖浓度稍微偏高或偏低者进行检测;Li等使用金纳米粒子和聚啦咯纳米纤维构建了一种非酶葡萄糖传感器,该传感器对葡萄糖的检测范围为0.2-13 mmol/L,相对于酶传感器来说,该传感器更稳定;Wu等使用Ag纳米粒子制备了在生理环境下能进行显色检测的SPR传感器,该传感器可以对更宽浓度范围的葡萄糖(0-20 mmol/L)进行检测;Yilmaz等经过进一步研究获得了一种可以使用葡萄糖氧化酶或氧化葡萄糖酸杆菌作为灵敏元件的电化学生物传感器,该传感器可以分别对较高浓度血糖(葡萄糖氧化酶:2-16 mmol/L,葡萄糖酸杆菌:1.5-25 mmol/L)实现检测,提高了对血糖浓度检测的可信度。大多数葡萄糖生物传感器的检测原理是基于葡萄糖发生氧化还原反应生成同等浓度的过氧化氢和葡萄糖酸,因此也可以通过检测H2O2实现对葡萄糖的间接检测。Yang等使用银纳米线构建了一种传感器,该传感器对低浓度H2O2 (20 nmol/L-3.62 mmol/L)表现出良好的线性;Wang等用Pt多孔纳米线制备了一种安培计传感器,该传感器对H2O2的检测范围为

4.5mmol/L-27.1 mmol/L,既降低了检测限,又拓宽了线性范围;Li等用Mg-Fe双层氢氧化物将血红素蛋白固定在玻碳电极表面制备了一种电化学传感器,进一步降低了H2O2的检测限(0.036 μmol/L)。

(2)生物传感器对癌细胞的检测[10,11,12]

癌症严重危害了人类的生命健康,是造成人力资源丧失的主要原因之一,严重影响着社会发展。对目标细胞的直接检测可以实现对疾病的监测,这也是近年来各国科学家努力的方向。一般来讲,电化学细胞传感器主要是基于测定细胞吸附于传感器界面引起的电流和阻抗变化,从而对细胞状态和数量实现间接的分析测定。电化学阻抗和循环伏安法常被用于监测癌细胞的點连、活性、增殖和调亡等生理过程。Cheng等人发展了一种基于辣根过氧化物酶与糖类化合物特异性结合的电化学细胞传感阵列,用于细胞表面糖组碳水化合物的动态分析。由于细胞表面呈现负电性,在一些研究中,人们通过构建正电性的传感界面,基于静电相互作用实现细胞的固定和检测。然而这种基于静电作用只能实现细胞的非特异性固定,多数应用于细胞的生理状态监测,以及药物筛选方面的研究,并不能够满足医疗诊断和治疗方面的需求。因此,人们越来越关注于构建具有特异性识别功能的细胞传感器用于癌细胞的选择性检测。肿瘤标志物如核仁素、叶酸受体等的反常