生物传感器

生物传感器(biosensor)是指固定化的生物体内成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)为敏感元件组成的传感器。

(一)特点

生物传感器的主要特点:①选择了敏感的生物体材料,一般不需要对标本进行前处理,也不需要加其他试剂,使用简便、快速、准确。②体积小,可连续在位检测,联机操作。③响应快,标本用量少,固定化的敏感材料可反复使用。④成本低,便于推广普及。

(二)分类

根据利用生物物质的不同,生物传感器可分为两类。一类是利用酶、细胞器、细胞、组织等具有辅酶特性的生物催化传感器,如酶传感器、微生物传感器和组织传感器等。另一类是抗体、结合蛋白质、激素受体、DNA及RNA等具有亲和性的传感器,如免疫传感器、受体传感器、DNA传感器等。现介绍几种常用的生物传感器。

1.酶传感器 将固化酶层和化学传感器结合在一起。葡萄糖传感器是典型的酶传感器,溶液中的葡萄糖扩散进入酶膜被葡萄糖氧化酶迅速氧化,生成过氧化氢,后者被气体电极检测。通过测定过氧化氢的量可以对溶液中的葡萄糖进行定量。酶电极的组成,要根据被测物选择,基础电极的选择,要根据酶促反应的产物确定。酶电极的选择性(或特异性)决定所用酶对被测物的特异性,电极的灵敏度、线性范围等主要取决于基础电极的性能。目前使用的主要酶电极有葡萄糖电极、胆固醇和胆固醇酯电极、乳酸电极和乙醇电极等。

酶传感器具有以下优点:①酶可反复使用;②操作简单、快速;③适用于微量标本测定;④定量测定;⑤比色法测定浑浊标本中的物质含量;⑥有利于控制和自动化测量等。

2.微生物电极 直接利用微生物细胞内复合酶系统作为传感器的识别部位。它具有以下特点:①微生物电极的寿命比酶电极长。因体内的酶处于最适条件,只要微生物存活,体内的酶即可保持较高的活性。②微生物电极的价格比酶电极低。因微生物来源方便,成本低。③微生物体内含有多种酶和酶的辅助因子,是复合酶体系,既可利用微生物体内的某种酶为敏感材料,也可利用整体为敏感材料制成传感器。④固定化的微生物接近失效(微生物大部分死亡)时可以再生。⑤微生物电极的选择性不如酶电极。

微生物电极的工作原理分为两种类型:一种是利用微生物的呼吸活性,另一种利用微生物的代谢产物,以前者为多。利用呼吸活性的微生物电极,借助测定微生物摄取被测物(底物)标本中溶解氧的减少量来测定被测物含量,这种微生物电极的基础电极是氧电极。利用微生物代谢产物的微生物电极,其产物必须是某种电极(例如CO2电极)的活性物质,根据产物的量推测被测物的量。

(三)组织电极

组织电极是用动植物组织切片作为敏感元件的电化学传感器。与酶电极相比,组织电极有以下优点:①动植物组织中的酶处于最佳状态,且相当于被固化,酶不易流失,活性高;②组织材料易获取,其价格比纯化酶低得多;③对无法分离纯化酶的生化反应体系,组织电极更有独到之处;④制备简单,组织切片用适当方法保存,其寿命达1年以上。这类电极可以测定维生素C、谷氨酰胺、细胞色素C和腺苷等。

(四)免疫电极

免疫电极是以固定化的抗体或抗原为敏感元件,用电化学电极为信号转换器所组成一类电化学生物传感器,用于识别和检测相应的抗原或抗体。目前使用的免疫电极主要用于血清蛋白、细菌、病毒、肿瘤标志物、激素、维生素、药物及毒物等检测。