常见生物传感器及其应用探析

常见的生物反应有酶促反应、免疫学反应、微生物反应以及核酸反应等四类。下面将针对这四类生物反应介绍酶电极传感器、免疫传感器、微生物传感器、基因传感器以及它们的应用（图10.3）。

图10.3　生物传感器

1）酶电极传感器

酶电极是最早出现的生物传感器，酶电极传感器由固定化酶和基础电极组成。若固定化酶膜与基础电极紧密结合，称为密接型；若固定化酶充填在反应器内，与基础电极组成流动分析系统，称为分离型。大多数酶电极采用密接型结构。酶电极的设计主要参考酶促反应过程产生或消耗的电极活性物质，如果一个酶促反应是耗氧过程，就可以使用O2电极或H2O2电极作为基础器件；若酶反应为产酸过程，则可使用pH电极。

酶电极传感器可用于临床、发酵和食品成分分析等。在临床应用中，采用酶、免疫传感器等生物传感器检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据。如美国YSI公司推出一种固定化酶型生物传感器，可以测定运动员锻炼后血液中的乳酸水平或糖尿病患者的葡萄糖水平。又如癫痫患者可佩戴一个微小酶电极传感器，使用头皮电极预测癫痫发作，平均可以在7分钟以内预知癫痫发作到来，通过在植入的药泵中及时释放药物，成功制止癫痫发作。德国慕尼黑Max Plank生物化学研究所将蜗牛神经细胞置于一个硅芯片上，并使用微型塑料桩将它们围在特定位置，使邻近细胞彼此之间以及与芯片之间形成连接。神经细胞受刺激后会产生电冲动，作用于芯片上的电冲动从一个神经细胞传到另一个，再传回到芯片。这种生物芯片相当于在脊髓受损部分建立起连接“桥梁”。美国得克萨斯大学开发出一种大约25美分硬币大小的传感器，如图10.4所示，它是一款非入侵性可穿戴电化学生物传感器，能够从糖尿病患者的汗水中测算出葡萄糖水平，此外，这款传感器还印证了汗液化学成分随外界环境发生改变的事实，比如pH值会发生改变，而运动或压力也能导致皮质醇和乳酸化合物发生变化。

图10.4　葡萄糖监测传感器

酶电极传感器广泛应用于食品工业中，如对食品原料、半成品和成品的质量检测，发酵生产的在线监测等。利用氨基酸氧化酶传感器可测定各种氨基酸（包括谷氨酸、L-天冬氨酸、L-精氨酸等十几种氨基酸）。食品添加剂的种类很多，如甜味剂、酸味剂、抗氧化剂等，生物传感器用于食品添加剂的分析已有许多报道。鲜度是评价食品品质的重要指标之一，以黄嘌呤氧化酶为生物敏感材料，结合过氧化氢电极，通过测定鱼在降解过程中产生的一磷酸肌苷、肌苷和次黄嘌呤的浓度，可以评价鱼的鲜度。

酶电极传感器也应用于农药和抗生素残留量的分析。随着科学技术的进步，不断有新的农药和抗生素用于农牧业，它们在给人类带来富足的同时，也带来了对健康的危害。因此，对农药和抗生素残留量的测定得到充分重视。采用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料，制作离子敏场效应晶体管酶传感器，可用于蔬菜等样品中有机农药DDVP和伏杀磷等的测定，检测限为10－5～107mol/L。

2）微生物传感器

微生物细胞包含极为丰富的酶源，细胞膜本身又是良好的酶活动载体，因此，利用微生物细胞作为分子识别元件有其独特的优势。这种微生物传感器的电极识别部分为固定化微生物，即将活的微生物直接包埋在固相膜上，并将其密封在电极上。用于这种微生物传感器的电极有O2电极、CO2电极、NH3电极、pH值电极及晶体管电极等。根据检测原理不同，这类微生物传感器分为两种类别。一种为呼吸活性测定型传感器，由需氧性微生物固定化膜及O2电极组合制成。检测时，将其置于含有有机物的待测标本液中，有机物随即扩散到生物敏感膜上并被微生物摄取，从而使微生物的呼吸活性增加，并被微生物的氧电极测出。另一种为电极活动物质测定型传感器，例如建立在自养菌基础上的CO2传感器，当微生物摄取有机物后产生CO2、H2及HCOOH等电活性物质，通过采用燃料电池型电极测量电活性物质的浓度后，便可计算出标本中有机物质的浓度。

在生物工业生产中利用这种微生物传感器可以测定葡萄糖、醋酸、甲烷、酒精、谷氨酸和头孢菌素等。在环境质量监测方面，通过对生物的化学需氧量测定，评价水质有机物污染和污水的生物处理效率指标。

利用环境中的微生物细胞（如细菌、酵母、真菌等）用作识别元件，这些微生物通常可从活性泥状沉积物、河水、瓦砾和土壤中分离出来。生物传感器在环境监测中应用最多的是水质分析。例如，在河流中放入特制的传感器可进行现场监测。一个典型应用是测定生化需氧量，传统方法需5天时间且操作复杂；基于微生物的生化需氧量传感器，只需15 min即能测出结果。国内外已研制出许多不同的微生物生化需氧量传感器用于水污染监测。

大气污染是一个全球性的严重问题，微生物传感器也可监测CO2、NO2、NH3、CH3等气体。如监测NO2的生物传感器，利用氧电极和以亚硝酸物作为唯一能源的硝化杆菌，当存在亚硝酸物时，硝化杆菌的呼吸作用增加，氧电极中溶解氧浓度下降，从而测出NO2的含量。这种方法克服了传统的监测分析速度慢、操作复杂、需要昂贵仪器、无法进行现场快速监测和连续在线分析的缺点。(www.xing528.com)

3）免疫传感器

免疫传感器研制于20世纪70年代，利用抗体与相应抗原间具有特异性识别和结合能力的原理设计而成。免疫传感器不仅能识别生物大分子，而且选择性好，广泛应用于蛋白质、肽类、激素、药物等的测定。当电极上的固定化抗原与待测抗体接近时，在电极表面发生抗原抗体反应，因为抗体是带电荷的蛋白质，故能引起固定化抗原膜的电荷状态发生改变，并产生感应膜电位差，通过对膜电位差的测定，即可测算出标本的抗体量。

因为免疫传感器是以特异的抗原抗体反应为基础，根据所用抗体是否用标记物标记，免疫传感器可分为标记免疫传感器和非标记免疫传感器两类。标记免疫传感器在免疫电极的基础上，用酶标记抗体制成酶标免疫电极，其特点是利用酶的化学放大作用提高电极的灵敏度，可用于超微量抗原的测定。非标记免疫传感器在传感器的表面形成抗原抗体复合物，因而引起物理变化，用电化学装置直接转换成电信号。

通过动态观察抗原、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应用潜力的单克降抗体，而且较常规方法省时、省力，结果也更为客观可信，在生物医学研究方面已有较广泛的应用。如用生物传感器测定重组人肿瘤坏死因子a（TNFa）单克隆抗体的抗原识别表位及其亲和常数，基于阵列碳电极修饰纳米金材料而制成的免疫传感器，如图10.5所示，可用于检测中东呼吸综合征病毒（MERS-CoV）。

图10.5　免疫传感器测量MERS-CoV

4）基因传感器

DNA基因生物传感器是一种能将目标DNA转变为可检测电信号的传感装置。DNA基因生物传感器由两部分组成：一部分是识别元件，即DNA探针，另一部分是换能器。识别元件主要用来感知样品中是否含有待测目标DNA；换能器则将识别元件感知的信号转换为能够观察记录的信号。基因生物传感器通常是在换能器上固化一条单链DNA，经过DNA分子杂交，对另一条含有互补序列的DNA进行识别，构成稳定的双链DNA，通过声、光、电信号的转换，对目标DNA进行检测，如图10.6所示。

图10.6　DNA传感器的工作原理

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、鉴定和监测是医学中的重要环节，是进行有效化学战和生物战防护的前提。由于基因传感器具有高度特异性、灵敏性和快速探测化学和生物战剂（包括病毒、细菌和毒素等）的特性，成为最重要的一类化学战剂和生物战剂侦检器材。美国海军研究出DNA探针生物传感器，在海湾沙漠风暴作战中用于检测生物战剂。用生物传感器检测生物战剂、化学战剂具有经济、简便、迅速、灵敏的特点。单克隆抗体的出现及其与微电子学的联系使得发展众多的小型、超敏感生物传感器成为可能。

随着分子生物学的发展，人们逐步意识到除外伤以外，包括传染性疾病、遗传性疾病及恶性肿瘤等疾病都与基因有关系，用于基因检测的DNA基因传感器越发重要。新的电石墨烯生物传感器芯片被用作生物医学植入物，可以实时读取和检测DNA的突变，如图10.7所示。又如，乙型肝炎是乙肝病毒（HBV）所引起的一种传播快、潜伏期长、损害广的传染病，采用自组装单分子膜技术制得DNA电化学传感器能够取得特异性好、灵敏度高、响应时日短的DNA传感器，可以正确、疾速、高质量地检测出受试者体内是否已经感染慢性无症状HBV或者已经携带这种病毒。

图10.7　监测DNA突变