生物传感器技术介绍

按传感信息的工作原理不同,传感器可分三大类:即物理型传感器、化学型传感器及生物型传感器。其中的生物型传感器是利用某些生物活性物质具有选择性识别待测物质的能力,制成的一类传感器,它是在分子水平上识别近百种物质的传感器。在医学和兽医工作领域内,已用该技术对血液、尿等临床标本,污染微生物的标本,甚至食品的化学成分、滋味及新鲜度等方面进行了检测,且显示了它具有广阔的应用前景,因此,特别受到检验工作者的重视。回顾历史,各种类型生物传感器的出现,都经历了一段曲折的发展道路,才出现今日欣欣向荣的局面。早在20世纪40年代,即有人将酶引入化学领域作检测,20年后,电化学分析家克拉克(clark,1962)嫁接了酶法和离子选择性电极技术,制成了酶电极(enzyme electrode)能准确、快速做检测,事实上,这已是酶传感器雏型的出现,但由于所用的酶是溶解性的,难以重复使用;5年后,updike采用了当时*新的方法,将葡萄糖氧化酶固定于clark氧电极表面,这种酶电极能反复使用;随后又报道了一大批类似结构的酶电极,用于糖及氨基酸的检测;1977年,rechnitz用完整的粪链球菌取代酶,与电极组合成检测*的微生物电极(microbial sensor),几乎同时,karube报道了检测抗原的**传感器(immunol sensor),随后,又相断出现了细胞器传感器(organella sensor)和组织传感器(tissue sensor)等。进入80年代,由于生物技术、生物电子学和微电子学间的不断渗透融合,生物传感器的研制,已不再局限于生物反应的电化学过程,而是根据生物学反应中产生的各种信息如光效应、热效应及场效应等设计出更精密、更灵敏的传感器,如光学生物传感器、半导体生物传感器、压电生物晶体传感器、介体生物传感器及热敏电阻生物传感器等。进入21世纪的今天,在新理论、新技术的指引下,各种新的传感器不断出现,当今已形成一个独立的新兴的检测技术领域。
检测原理及应用
生物传感器主要由分子识别的固定化生物敏感膜和转换信号的换能器两部分组成。当待测物质经扩散作用,进入固定化生物敏感膜时,经分子识别,发生生物学反应,产生的信息被相应的化学或物理学转换器转变成可定量和可处理的电信号,再经仪表二次放大并输出,以电子计算机处理后,即完成对产生信号的检测程序。由此,可获得待测物质的种类及浓度的结果。生物敏感膜是生物传感器的关键元件,它直接决定传感器的功能与质量,依所选材料的不同,用固定化技术,选用下述的生物活性材料,如酶、细胞(**、**、动植物细胞)、组织(动植物组织切片)、细胞器(线粒体、叶绿体)或抗原(抗体)等制成。因为生物敏感膜接受被分析物作用后,发生的生物学反应过程中产生的信息是多元的,依此,可选用不同的换能器,如离子变化用电流器、质子变化用均效应晶体管、热效应用热敏元件、光效应用光敏管、色效应用光纤,质量变化用压电晶体,由此而制成各种相应的生物传感器。
综上所述,生物传感器具有三个主要特点:①发生的生物学反应具有特异性和多样性,故在理论上能制成可以检测所有生物物质的传感器;②系在无试剂条件下操作,故比传统的生物学及化学法的操作更简便、快速、准确,且可反复使用;③可连续分析、联机操作。
生物传感器技术的发展前景
生物传感技术的建立,国外始于20世纪60年代,迄今仅约30年的历史,就取得了令人满意的效果,特别是生物高技术及传感技术取得的重要成果,均对生物传感器的发展作出了重要贡献,例如mcab研制成功,提高了**传感器的特异性,固定化技术使生物传感器实现了器件化,分子生物学实验技术的建立,为制备各种识别元件提供了必要的技术。另外,各种基础元件在生物反应信息的转化和传递方面也起了关键作用,使传感器的性能大为提高,出现了所谓的多功能生物传感器、微型生物传感器及高灵敏度生物传感器等。生物传感技术的发展及应用,在英、美、德、荷兰、瑞士和比利时等国处于较大的优势,我国起步较晚,在进入80年代时,才有研究报告发表,现已研制成功葡萄糖传感器和尿素传感器等,并正在试用中。
今后的发展方向,除应扩大使用范围的研究外,在传感器的装置上仍应继续研究改进,除向智能化、微型化和多功能方向发展外,还应设法解决目前所用生物传感器只能在液相而不能在气相状态下工作的局限;另外,识别物质易受损,如何保证传感装置的稳定性,就成为生物传感器能否进一步发展的重要关键。
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