《生物傳感器》word版.doc

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生物傳感器？這個熟悉但又概念模糊的名詞最近不斷出現(xiàn)在媒體報道上，生物傳感器相關(guān)的研究項目陸續(xù)獲得巨額的研究資助，顯示出越來越受重視的前景。要掌握生命科學(xué)研究的前研信息，爭取好的研究課題和資金，你怎能不了解生物傳感器？ 讓我們來看看生物通最近的一些報道： 英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)科學(xué)家研發(fā)了可用于檢測腫瘤蛋白以及耐藥性MASA細(xì)菌的微型生物傳感器。該系統(tǒng)利用一個回旋裝置來檢測，類似導(dǎo)航系統(tǒng)和氣袋的原理。振蕩晶片的大小類似于一顆塵埃尺寸，有望可使醫(yī)生診斷和監(jiān)測常見類型的腫瘤，獲得最佳治療方案。該裝置可以鑒定腫瘤標(biāo)志物－蛋白以及其它腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的豐度不同的生物分子。該小組下一步目標(biāo)是把檢測系統(tǒng)做成一個手持式系統(tǒng)，更加快速方便地檢測組織樣品。歐共體已經(jīng)撥款1200萬歐元資金給該小組，以使該技術(shù)進(jìn)一步完善。 蘇格蘭Intermediary Technology Institutes計劃投資1億2千萬英鎊發(fā)展“生物傳感器平臺（Biosensor Platform）”—— 一種治療診斷技術(shù)。作為將診斷和治療疾病結(jié)合在一起的新興療法，能夠在診斷的同時，提出適合不同病人的治療方案，可以降低疾病診斷和醫(yī)學(xué)臨床的費用與復(fù)雜性，同時具備提供疾病發(fā)展和藥品療效成果的能力。目前該技術(shù)已被使用在某些乳癌的治療上，只需在事前做些特殊的測試，即可根據(jù)結(jié)果決定適合的療程。這個技術(shù)更被醫(yī)學(xué)界視為未來疾病療程的主流。 來自加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者使用GeneFluidics開發(fā)的新型生物傳感器來鑒定引起感染的特定革蘭氏陰性菌，該結(jié)果表明利用微型電化學(xué)傳感器芯片已經(jīng)可以用于人臨床樣本的細(xì)菌檢查。GeneFluidics 16-sensor上的芯片包被了UCLA設(shè)計的特異的遺傳探針。臨床樣本直接加到芯片上，然后其電化學(xué)信號被多通道閱讀器獲取。根據(jù)傳感器上信號的變化來判斷尿路感染的細(xì)菌種類。從樣品收集到結(jié)果僅需45分鐘。比傳統(tǒng)方法（需要2天時間）大大縮短。生物傳感器檢測方法使得醫(yī)生無需等待就可以給出治療方案。目前該項研究已經(jīng)獲得560萬美金的美國生物工程研究合作基金。 歐美國家陸續(xù)投入驚人巨資研究生物傳感器，不難預(yù)見，這個當(dāng)今全球醫(yī)學(xué)檢測和快速分析技術(shù)（EMERGING RAPID ASSAY TECHNOLOGIES）的熱點領(lǐng)域在不遠(yuǎn)的將來會有極為廣闊的應(yīng)用前景。為加強國內(nèi)外生物傳感器和蛋白芯片領(lǐng)域的技術(shù)交流與溝通, 基因有限公司更邀請美國Clemson大學(xué)，Bio-Dot, Adhesives Research, Amic, Blueshift Biotechnologies，中科院等單位的多位科研專家，首次舉辦中國生物傳感器和蛋白芯片技術(shù)高級培訓(xùn)班暨快速檢測新技術(shù)國際研討會,希望把國外的新技術(shù)、新方法、新思路帶給國內(nèi)科研工作者, 以期提高中國科學(xué)家在該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)水平及產(chǎn)品的國際競爭力。 什么是生物傳感器？ 生物傳感器是一種集現(xiàn)代生物技術(shù)與先進(jìn)的電子技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40 年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。在最初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應(yīng)用受到一定的限制。近些年來，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點。此外，還可以同時利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的發(fā)展，應(yīng)用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。 生物傳感器利用生物化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)原理，將生化反應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過對電信號進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，測量出被測物質(zhì)及其濃度。近年來，已經(jīng)實用化的生物傳感器主要有酶電極，微生物傳感器，免疫傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器等。 　　由于生物傳感器可以取代常規(guī)的化學(xué)分析方法，因此，它的出現(xiàn)可以說是一場技術(shù)革命。為此，世界上一些科技發(fā)達(dá)的國家都把生物傳感器的研究作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，投入了相當(dāng)大的人力、物力進(jìn)行研制開發(fā)。近年來，生物傳感器已經(jīng)在醫(yī)學(xué)診斷、食品營養(yǎng)、環(huán)境監(jiān)測、國防工業(yè)及人類衛(wèi)生保健等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，生物傳感器可以用來測定作為醫(yī)療重要依據(jù)的體內(nèi)代謝物、蛋白質(zhì)、抗原等的有關(guān)參數(shù)。美國YSI公司推出一種外固定化酶型生物傳感器，利用它可以測定出運動員鍛煉后血液中存在的乳酸水平或糖尿病人的葡萄糖水平。光纖傳感器和微型生物傳感器結(jié)合可以直接用于體內(nèi)分析。 　　生物工程方面，在利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時，將生物傳感器用于工程的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強了生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。此外，生物傳感器已在癌癥藥物的研制方面發(fā)揮了重要的作用，將癌癥患者的癌細(xì)胞取出培養(yǎng)，然后利用生物傳感器準(zhǔn)確地測試癌細(xì)胞對各種治癌藥物的反應(yīng)，經(jīng)過這種試驗就可以快速地篩選出一種最有效的治癌藥物。 　　目前，市場上出售的生物傳感器大多是第二代產(chǎn)品，它含有生物工程分子，能直接感知并測定出指定的物質(zhì)。第三代或第四代的生物傳感器的典型代表是把硅片與生命材料相結(jié)合制成的生物硅片。這種有機與無機相結(jié)合的生物硅片比傳統(tǒng)硅片的集成度要高幾百萬倍，且在工作時不發(fā)熱或僅產(chǎn)生微熱。 　　今后，隨著高科技的不斷發(fā)展，還可以利用不同的生物元件的特殊功能與先進(jìn)的電子技術(shù)相結(jié)合，研制出各種用途的新型生物傳感器。例如，采用微電子技術(shù)與特殊的生物元件可以研制出超微型的生物傳感器，它可以進(jìn)入人體內(nèi)，幫助醫(yī)生和病人解決一些外科手術(shù)和藥物無法解決的問題。 此外，科學(xué)家們還預(yù)言，有機生物傳感器會融入電子系統(tǒng)。在不久的將來完全可以研制出全有機分子芯片和生物計算機。生物硅片與先進(jìn)的電子系統(tǒng)的廣泛結(jié)合，可以創(chuàng)造出更為復(fù)雜的仿生系統(tǒng)。 隨著各種高性能的生物傳感器和生物硅片的出現(xiàn)，必將對現(xiàn)代的高科技產(chǎn)品產(chǎn)生重大的影響，從而推動人類社會的更快發(fā)展和進(jìn)步。 一、生物傳感器定義與分類 　　用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗等。 　　生物傳感器主要有下面三種分類命名方式： 1. 根據(jù)生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器（enzymesensor），微生物傳感器（microbial sensor），細(xì)胞傳感器（organall sensor），組織傳感器（tis-sue sensor）和免疫傳感器（immunol sensor）。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細(xì)胞器、動植物組織、抗原和抗體。 2. 根據(jù)生物傳感器的換能器即信號轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器（semiconduct biosensor），光生物傳感器（optical biosensor），熱生物傳感器（calorimetric biosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectric biosensor）等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。 3. 以被測目標(biāo)與分子識別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親合型生物傳感器（affinity biosensor）。 三種分類方法之間實際互相交叉使用。 二、生物傳感器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 　　生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，以分子識別部分去識別被測目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎(chǔ)。 　　生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識別功能物質(zhì)通過識別過程可與被測目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計生物傳感器時，選擇適合于測定對象的識別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。 　　生物化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的成果已為檢測這些信息提供了豐富的手段。 三、生物傳感器四大應(yīng)用領(lǐng)域 　　生物傳感器正進(jìn)入全面深入研究開發(fā)時期，各種微型化、集成化、智能化、實用化的生物傳感器與系統(tǒng)越來越多。 1. 食品工業(yè) 　　生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。 　　食品成分分析。在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖等。 　　食品添加劑的分析。亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸含量。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。 2. 環(huán)境監(jiān)測 　　近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。目前，已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。 　　大氣環(huán)境監(jiān)測。二氧化硫(SO2)是酸雨酸霧形成的主要原因,傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Marty等人將亞細(xì)胞類脂類固定在醋酸纖維膜上,和氧電極制成安培型生物傳感器，對酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測。 3. 發(fā)酵工業(yè) 　　在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。 　　微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料和代謝產(chǎn)物。另外，還用于微生物細(xì)胞數(shù)目的測定。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。 4. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 　　醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應(yīng)快等特點，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣闊的應(yīng)用前景。 　　在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。在軍事醫(yī)學(xué)中，對生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素。 四、未來生物傳感器幾大特點 　　近年來，隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點 　　功能多樣化：未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、發(fā)酵工業(yè)的各個領(lǐng)域。目前, 生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器,即仿生傳感器。 　　微型化：隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們在家中進(jìn)行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。 　　智能化與集成化：未來的生物傳感器必定與計算機緊密結(jié)合，自動采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍,形成檢測的自動化系統(tǒng)。同時, 芯片技術(shù)將越來越多地進(jìn)入傳感器領(lǐng)域,實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的集成化、一體化。 　　低成本、高靈敏度、高穩(wěn)定性和高壽命:生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步,必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和延長壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化、商品化的進(jìn)程。 （生物通特邀作者：小彬）