生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域
綜述
生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。
在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、 化工、臨床檢驗(yàn)、 生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是 分子生物學(xué)與微電子學(xué)、 光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、 環(huán)境科學(xué)動(dòng)植物學(xué)的面貌。生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，形成21世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。
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(gè)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。其它糖類，如果糖， 啤酒、 麥芽汁中的 麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。
Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測 飲料中的 乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在 聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為1nmol/L。
?、剖称诽砑觿┑姆治?/p>
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鹽含量，測定的線性范圍為0～6的負(fù)四次方mol/L。又如飲料、 布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結(jié)合氨電極測定，線性范圍為2×10的負(fù)五次方～1×10的負(fù)三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報(bào)道。
?、?農(nóng)藥殘留量分析
人們對食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強(qiáng)對食品中的農(nóng)藥殘留的檢測工作。
Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測定 有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10的負(fù)七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用 戊二醛交聯(lián)法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲 碳糊電極表面，制成一種可檢測濃度為10的負(fù)十次方mol/L的對氧磷和10的負(fù)十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農(nóng)藥的殘留。
⑷微生物和毒素的檢驗(yàn)
食品中 病原性微生物的存在會(huì)給消費(fèi)者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強(qiáng)對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關(guān)重要。
食用 牛肉很容易被 大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157.H7一類的細(xì)菌。Kramerr等人研究的 光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測出食物中的 病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。
還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于 細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過 光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號(hào)。已達(dá)到的檢測極限為16.2ng/mL。一天可以檢測20個(gè)牛奶樣品。
?、墒称孵r度的檢測
食品工業(yè)中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價(jià)魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負(fù)10次方～2x10的負(fù)4次方mol/L。
環(huán)境監(jiān)測
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。已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。
?、潘h(huán)境監(jiān)測
生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機(jī)污染程度的綜合性指標(biāo)。在 水體監(jiān)測和污水處理廠的運(yùn)行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標(biāo)之一。常規(guī)的BOD測定需要5d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時(shí)耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場監(jiān)測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和 芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）制作一種 微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時(shí)精確測量 葡萄糖和 谷氨酸的濃度。測量范圍為0.5～40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩(wěn)定性好，在58次實(shí)驗(yàn)中， 標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.0362。所需反應(yīng)時(shí)間為5～lOmin。
硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場效應(yīng)管裝置檢測硝酸根離子的方法。該裝置對硝酸根離子的檢測極限為7x10的負(fù)5次方mol， 響應(yīng)時(shí)間不到50s，系統(tǒng)操作時(shí)間約為85s。
此外，Han等人發(fā)明了一種新型微生物傳感器，可用于測定三氯乙烯。該傳感器將假單細(xì)胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直徑：25 mm，孔徑：0.45μm)上。再將薄膜固定在氯離子電極上。帶有AgCl/Ag2S薄膜(7024L,DKK,日本)的氯離子電極和Ag/AgCI參比電極連接到離子計(jì)(IOL-50,DKK,日本)上,記錄電壓的變化,與標(biāo)準(zhǔn)曲線對照,測出三氯乙烯的濃度。該傳感器線性濃度范圍為0.1～ 4 mg/L,適于檢測工業(yè)廢水。在最優(yōu)化條件下,其響應(yīng)時(shí)間不到10min。
?、?大氣環(huán)境監(jiān)測
二氧化硫(S02)是 酸雨 酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測方法很復(fù)雜。Martyr等人將 亞細(xì)胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S02形成的 酸雨 酸霧 樣品溶液進(jìn)行檢測，lOmin可以得到穩(wěn)定的測試結(jié)果。
NOx不僅是造成 酸雨酸霧的原因之一，同時(shí)也是 光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)住harles等人用多孔滲透膜、固定 化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0.01xl0負(fù)6次方mo1/L。
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(diǎn)。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。
?、旁牧霞按x產(chǎn)物的測定
微生物傳感器可用于測量發(fā)酵工業(yè)中的原材料（如 糖蜜、 乙酸等）和代謝產(chǎn)物（如頭孢霉素、 谷氨酸、 甲酸、醇類、 乳酸等）。測量的裝置基本上都是由適合的微生物 電極與氧電極組成，原理是利用微生物的 同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達(dá)到測量底物濃度的目的。
2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細(xì)胞生物傳感器用于測量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，13s內(nèi)可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測極限為0.85nM，測量范圍為2～270nM，穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。
?、莆⑸锛?xì)胞數(shù)目的測定
發(fā)酵液中細(xì)胞數(shù)的測定是重要的。細(xì)胞數(shù)（ 菌體濃度）即單位發(fā)酵液中的細(xì)胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用顯微計(jì)數(shù)方法測定，這種測定方法耗時(shí)較多，不適于連續(xù)測定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測定細(xì)胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)：在 陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測定。測定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計(jì)數(shù)法測定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測定。
醫(yī)學(xué)
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?yàn)槠鋵Ｒ?、靈敏、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣的應(yīng)用前景。
?、排R床醫(yī)學(xué)[1]
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，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、 尿素、谷氨酸、 轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測。其原理是：用 固定化技術(shù)將酶裝在 生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)， 指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，根據(jù)這一變化，就可測定某種物質(zhì)的有無和多少。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，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、 鳥嘌呤、 過氧化氫、 酪氨酸、 維生素C和 胱氨酸等。
DNA傳感器是目前生物傳感器中報(bào)道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢，它可以幫助醫(yī)生從DNA,RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對疾病的及時(shí)診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點(diǎn)。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機(jī)理并測定了血液中該類藥物的濃度。
?、栖娛箩t(yī)學(xué)
軍事醫(yī)學(xué)中，對 生物毒素的及時(shí)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，如 炭疽芽孢桿菌、 鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。
2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種 生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測時(shí)間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個(gè)信號(hào) 識(shí)別位點(diǎn)的蛋白質(zhì) 毒素和病原體的檢測。
此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。
