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摘 要：生物传感器应用非常广泛,本文主要对其在医学检测、食物分析、环境检测几个方面的应用进行介绍,并重点对其在环境监测方面的应用作了较详细的阐述.
关 键 词：生物传感器；应用；医学检测；环境检测；食物分析检测
国际理论和应用化学联合会对生物传感器的定义是：“由生物或者与生物相关的敏感元件和物理化学传感器相结合构成的小型分析仪器.其中分子识别部分被用于识别被测目标,为可以引起某种物理变化或者化学变化的主要功能元件,是生物传感器选择性测定基础；信号转换部分则是将分子识别部分引起的变化转换成电信号的功能部件.”它是由现代生物技术与微电子、化学、光学、热学等学科交叉结合产生的,用固定化的生物活性材料与物理化学换能器有机结合,利用生物因子或生物学院来检测或计量化合物的装置,利用生物活性做识别元件,配以适当的物理或化学信号转换器构成的分析工具,其应用广泛如医疗检测、环境检测、发酵工业、食品工业、生物工程、农业、畜牧等于生命科学相关的领域.[1]
1医学检测
检验医学又被称为实验诊断学其作用是指对临床标本正确地收集与测定,并作出正确的解释和应用.国内的检验医学领域经过多年来的发展,已经演变为现今医学领域中一门独立的学科：“检验医学”.就目前国内各级医院检验科还有医学独立实验室都已在许多的检测项目中实现了全自动化,检验项目类型亦是从之前的百项逐渐发展到现在的近千多项,为临床医学提供了大量的可靠的有意义的检测结果.如今检验医学在我国临床医学中已经是不可或缺的一部分,其发挥的作用也越来越重要.
计算机技术、电子技术与数字信号处理技术不断的发展促进了相关科技的飞速发展,而医学科技的发展更是如此.列如PAT,立体定向全身伽玛刀治疗系统与多层螺旋CT,医学图象处理及传输系统与彩色多普勒超声诊断仪还有大型自动生化分析仪等等,而被广泛的应用于医学科技领域的传感器技术便是个非常典型的实例.现代医学电子技术迅速的发展着,进而使得多种先进科技电子产品被广泛的应用到医学科技领域.我国已经将传感器技术作为国家级“八五”重点科技攻关的项目,而日本将传感器技术视作十大技术之首也在积极研究中,但早在20世纪80年代美国科学家们便认为世界已进入传感器的时代.可见,传感器技术在医学领域的飞速发展是势不可挡的.[11]
1.1生物传感器在检测医学中的应用
临床医学中,最早研制又应用最多的是酶电极传感器.其原理是利用微生物具有不同生物特性的特点来代替酶,制成微生物传感器.而在军事医学中,对生物毒素的及时且快速的检测是防御生物武器的必要措施.生物传感器用于监测多种细菌和病毒还有毒素.生物传感器也可以测量乙酸和尿素、谷氨酸与乳酸、乳糖和抗生素还有尿酸等各类氨基酸,以及多种致癌和致变的物质.[12]
生物传感器还有一个作用就是监测生物大分子相互间的作用.借用这项技术就可以观察抗原与抗体间结合与解离的关系,同时较准确的测定抗体亲和力和识别抗原表位,从而帮助人们了解单克隆抗体的部分特性,以此来有目的地筛选具有最高应用潜力的单克隆抗体,较常规方法而言省时且省力,结果也更加的具有客观性.随着DNA电化学不断深入的研究及电子技术飞速的发展,结合了生物杂交特异性与电化学技术简单且灵敏的特点的电化学DNA生物传感器已能应用于电化学生物传感器并且测定出了艾滋和乙肝病毒的DN段序列.
用酶传感器同免疫传感器与基因传感器等来检测体液中各化学成分含量,为医生对病情的诊断提供有力的科学依据.如压电晶体生物传感器,同待测样品进行杂交反应,就可准确地诊断血清中HBV病毒的基因.
1.2生物传感器在军事医学中的应用
生物传感器于军事医学中主用于生物战剂和化学战剂的侦检.美国同瑞典在化学和生物传感器方面的研究一直都是世界的领先者.自1980年以来,美国一直都把生物传感器作为国防关键技术来研究的.而在瑞典召开的国际防化学术讨论会上,生物传感器都几次被国家学者们视为新型毒剂检测器的主要研究方向.
化学战剂检测中研究和使用最多的是乙酰胆碱脂酶传感器.在20世纪50年代,便已经有人设计出沙林毒剂的酶检测法,美国科学家利用酶生物传感器做出了所有化学战剂皆可进行准确且快速检测的报警器,还有我国的酶报警器报警系统以及英国的NAIAD报警探测器和荷兰的A-CAL都是利用这种原理而设计的.
生物战剂检测的应用中美国所发展的核生化预警系统与生物综合监测系统同样都是可以自动预警并且检测生物战剂.其原理是通过生物发光来检测ATP还有采用流式细胞仪及不同抗原和抗体的反应来检测病原菌,如葡萄球菌肠毒素与鼠疫杆菌以及肉毒毒素和炭疽芽孢杆菌其他的战剂的检测方法都还只在开发当中.[2]
2食物分析检测
多年来化学与生物检测新技术对生物学的研究做出了伟大的贡献.而生物传感器大多是以生物活性单元（如细胞、酶、核酸、抗体等等）作为敏感基元的,且对被分析的物质具有极高的选择性的现代化分析仪器.它可以通过各物理、化学换能器来捕捉目标物和敏感基元间的反应,而后将反应的程度以离散的或者连续的电信号表达出来,进而得出被分析物质的含量.因为它的分析迅速又准确使用简单且价格便宜,尤其是它可以对很多过去测定困难的成分进行有效的检测,还可以进行现场在线检测等优点,所以在食物的保鲜期预测和食物的成分分析,食物生产过中质量的在线控制还有食物的卫生检验等方面大多都使用生物传感器.
2.1食物中的基本成分检测
生物传感器能将食物中的一些基本的成分检测并分析,现如今能够准确检测分析的有蛋白质与部分有机酸、氨基酸还有一些食品添加剂矿物质元素和醇类等等.
2.2食物新鲜程度的测定
有关检测食物新鲜度的传感器在国外被广泛的应用于鱼的新鲜度测量,尤其是日本这个喜好生鱼片的国家.在鱼死亡后其体内的三磷酸腺苷将快速分解为黄嘌呤核苷酸与次黄嘌呤黄嘌呤还有尿酸,而黄嘌呤核苷酸则是新鲜味道主要的成分,黄嘌呤次黄嘌呤则会产生异味是鱼类变质的主要因素,所以黄嘌呤和次黄嘌呤就可以作为鱼的新鲜度指标.那如何知道鱼中黄嘌呤、次黄嘌呤的含量?一般的生物传感器无法做到,而酶生物传感器能测量出酶促反应时氧的消耗也可以测量出过氧化氢的含量,以此为凭推算出黄嘌呤、尿酸的含量,进而得出鱼的新鲜度.[6]此外其他肉类、奶类等食物皆是以此等方法用特定的传感器测量食物中使之变质的物质的存在量,来测定食物新鲜度的.
2.3食物里微生物以及各类有害物质的检测
1997年科学家们开发出一个电极系统,此项系统利用的是微生物代谢时所产生的电子在阳极上直接放电产生电流,以此电流的大小来反应所测物质中微生物的浓度,当然这种系统目前还不完善,检测不够准确.由此科学家们又想到了传感器,它为微生物的检测创造了更加广阔的新视野,有些传感器已经在研发改进中,但是相信不久就会出现科技的进步是人无法相信的.[7]
多数种植类的食品为保证其产量都会被打防虫害的农药,确保植物不被虫害侵扰,但是多数植物无法将这些化学药品完全排除,有些蔬菜在人们食用时依然有大量农药存在.而且随着农药的不断使用大自然的植物也被污染,草食性动物将其食入也无法有效的排出,进而传给肉食性生物,而当它们被人们摆上餐桌时亦是如此,进而使这些化学药品几乎肆虐于大自然所有的动植物.再加上人们对水的污染使各类水生生物带上了未知的毒素,所以食物中毒素的检测迫在眉睫.现今科学家们已经开发出一种电导型的传感器可对食物里的一些有毒物做检测,其准确性较高且处理后还能重复使用,但还只是初级模型目前仍然在不断的改进中.
3环境检测
随着世界经济的飞速发展,环境污染问题正慢慢的浮出水面,并演变为制约经济发展的因素之一.所以,保护环境实现可持续发展就成为当今世界不可懈怠的急切话题.环境监测之中有许多的生化指标测定需要快速、简便且全自动化地进行,而生物传感器完全满足了上述一切要求,因此各国专家正积极的研究与制作中.
3.1用于水环境监测的生物传感器
就目前而言,生活污水还有工业废水的排放量不断的在增加,绝大部分污水必须经过生物法处理后才能排入水体,其中的各项指标的监测得在实验室中才能测定.但是对大多数的污水处理厂而言,能够实现水质的在线检测仍旧是一个大难题.而生物传感器的应用,却让它成为了可能.
3.1.1如何测定酚微生物
微生物传感器能够快速且准确地测定废水中酚的含量,而这种生物传感器是将微生物的电极与酶电极还有植物电极作为传感器来测量酚的.[4]其原理如下：
这种传感器以极谱型氧电极还有紧贴其透气膜表面上的微生物组成,当酚类物质同氧气一起扩散,并进入微生物膜,而微生物对酚有同化作用所以会消耗氧气,所以进入氧电极的O2速率会不断的下降,导致传感器输出电流同样在减小,在几分钟后会达到稳态.在特定的浓度范围中,电流的降低值和酚的浓度会呈线性关系,并且以此来测定酚的浓度.此反应需要穆冬燕、酪氨酸酶等以麦芽糊精修饰的酪氨酸酶碳糊电极所构成的电流型生物传感器来测定水中酚类微生物.
3.1.2BOD生物传感器
常见的BOD传感器[3]都是把微生物夹膜固定在溶解氧探头上的,然后溶解氧将随缓冲溶液进入到生物膜层中,其中的一部分溶解氧会被微生物消耗.余下的溶解氧由可透气的Teflon膜检测到.也就是说当样品溶液从检测系统经过时,其中可降解有机物在通过多孔渗透膜进而渗透到微生物层时被微生物氧化且吸收,而膜周围溶解氧的减少直接导致氧电极电流的下降.将测定所得电流同标准曲线对比,就能测定BOD.用来制作BOD生物传感器所使用的主要的微生物有假单胞菌与芽孢杆菌还有发光菌和嗜热菌等等.
3.1.3阴离子表面活性剂的测定
生活污水中还会有多种阴离子表面活性剂的存在,若是仅仅依靠自然降解则会使水面上产生大量不容易消失的泡沫,还会消耗水中的溶解氧,严重时是会将污水处理
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装置中活性污泥中的微生物的生态系统破坏.这时需要适度的处理,但是如何知道水中的阴离子表面活性剂的浓度呢,有一种传感器是用阴离子表面活性剂降解细菌制成的,当水中有阴离子表面活性剂时,阴离子表面活性剂降解细菌的呼吸作用能引起溶解氧的变化,以氧电极电流的变化测定阴离子表面活性剂的浓度.[5]3.2测定土壤重金属的生物传感器
民以食为天,而近年来土壤的污染也愈演愈烈.众所周知,无论物理植物类食物还是肉类食物皆是基于土壤而生存,所以土壤的保护是异常重要.但是用于土壤中污染物检测所研制的传感器目前报道较少.不过基于抑制作用的酶生物传感器中用来测定样品的抑制剂近年来有不错的发展,而该法可在土壤中污染物的检测中应用.其中一种基于抑制作用的葡萄糖氧化酶生物传感器就能在测定土壤中的二价汞离子中起到不可忽视的作用.它相比传统的方法克服了费用高又不能实地检测并且预处理过程繁琐复杂的缺点.[8]其原理如下：
由于二价汞离子是葡萄糖氧化酶抑制剂的一种,在酸性环境内,二价汞离子与酶活性中心的某些位点相互结合抑制了酶的活性使响应电流的降低,以此产生可测定的信号,进而测出二价汞离子的含量,而酶电极在抑制作用结束之后就会完全恢复活性.
3.3生物传感器在环境监测其它方面的应用
3.3.1内分泌干扰物的检测
环境内分泌干扰物是通过土壤和食物还有水和大气等介质同包括人类在内的一切生物体系进行全方位的零距离接触,急切的需要实施相关措施来治理,它是第3代环境污染物.而科学家所研制的1种凭借酪氨酸酶做基础的生物传感器[9],在检测环境内分泌干扰物中有巨大帮助.近年来,生物传感器多应用一种用表面等离子共振为原理的转换器,这种转换器有较高的灵敏度,并以此产生了一种相对更为简单且快捷的检测方法.这种方法是通过检测表面等离子体共振信号的变化,来显示识别元件生物分子同受试物分子的结合或解离,从而检测出待测物的含量.
3.3.2水体富营养化的监测
水体的富营养化又称赤潮器原因是由于水域内某些浮游生物的过量繁殖所引起的水色异常,大多只有在近海海域才会发生.由于叶绿素a是浮游植物光合作用中有机物生产量的重要指标之一.[10]所以只需要检测出水中的叶绿素a的含量就可以测出水体是否发生赤潮,而日本已有这类叶绿体检测仪了.4结束语
生物传感器的应用多种多样,在此仅做简要介绍.不过生物传感器能够连续的快速的在线检测,其愈来愈受到科学家们的重视.现如今对它的研究不过是个开端而已,在未来的努力中它会不断的被改进,不断开发出新的生物传感器来实现人们对它的要求.