生物传感器基础

12.1　生物传感器基础

1.生物传感器的基本概念和原理

最初的生物传感器雏形是1962年由Clark提出的，他在传统的离子选择性电极上固定具有生物功能选择性的酶而构成了具有传感功能的“酶电极”。1977年后，随着纯酶提取技术的进步，人们相继研究出微生物电极和可以测抗原的免疫传感器。80年代，由于生物技术、生物电子学和微电子技术的发展，生物传感器不再仅仅局限于依靠生物反应的电化学过程，而是利用在生物反应中产生的各种信息来设计各种新型的更先进的生物传感器。例如出现了利用复合酶体系同时测定多成分的多功能生物传感器，以及将生物功能材料与光效应结合而形成的光纤生物传感器，与热效应结合而形成的生物热敏电阻等，从而逐渐形成了一个较为完整的生物传感器领域。

生物传感器（Biosensor）是指用生物活性材料，如:酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等，作为感受器，通过其生化效应来检测被测量的传感器。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器是介于信息和生物技术之间的新增长点，它与国计民生的诸多领域，如生化、医学、生物工程、环境、食品、工业控制、军事等息息相关。生物传感器技术已成为我国当前优先发展的高技术之一。

图12-1　生物传感器原理

生物传感器的原理如图12-1所示，主要由两大部分组成，一是生物功能物质的分子识别部分；二是转换部分。各种生物传感器有着共同的结构:包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学转换器（换能器）。二者组合在一起，当待测物质通过扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。生物传感器中的信号转换器，与传统的转换器并没有本质的区别。例如，可以利用电化学电极、场效应管、压电器件、光电器件等器件作为生物传感器中的信号转换器。

生物传感器的分子识别部分:其作用是识别被测物质，它是生物传感器的关键部分。其结构是把能识别被测物的功能物质，如酶（E）、抗体（A）、酶免疫分析物（EIA）、原核生物细胞（PK）、真核生物细胞（EK）、细胞类脂（O）等用固定化技术固定在一种膜上，从而形成可识别被测物质的敏感膜。当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种功能性或生化活性物质就会从众多的化合物中挑选自己喜欢的分子并与其产生作用，如图12-2所示。正是由于这种特殊的作用，才使得生物传感器具有选择性识别的能力。

图12-2　敏感膜对生物分子的选择

依所选择或测量的物质之不同，使用的功能膜也不同，可以有酶膜、全细胞膜、组织膜、免疫膜、细胞器膜、杂合膜等，但这些膜大多是人工膜。尽管在少数情况下分子识别器件采用了填充柱形式，但微观催化仍应认为是膜形式，或至少是液膜形式，所以膜的含义在这里应广义理解。表12-1为各种膜及其组成材料表。

表12-1　生物传感器分子识别膜及材料

生物传感器的转换部分:按照受体学说，细胞的识别作用是由于嵌合于细胞膜表面的受体与外界的配位体发生了共价结合，通过细胞膜通透性的改变，诱发了一系列的电化学过程。膜反应所产生的变化再分别通过电极、半导体器件、热敏电阻、光电二极管或声波检测器等变换成电信号。这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成生物传感器。具有变换功能的部分或元件也称为换能器。常用的换能器主要有以下一些类型:

（1）电化学换能器:电位型、电流型、场效应晶体管型、电导型；

（2）光化学换能器:光度型、荧光型、发光型、波导型；

（3）声波换能器:压电晶体型；

（4）热学换能器:感温型；

（5）其他类型换能器。

在膜上进行的生物学反应过程以及所产生的信息是多种多样的，表12-2给出了生物学反应和各种转换器间搭配的可能性。设计的成功与否取决于搭配的可行性、科学性和经济性。

表12-2　生物学反应信息和变换器的选择

2.生物传感器的特点

（1）采用固定化生物活性物质作催化剂，试剂可以重复多次使用，使用方便，成本低。

（2）专一性强，只对特定的底物（被酶作用的物质）起反应，而且不受颜色、浊度的影响。

（3）分析速度快，可以在一分钟内得到结果。

（4）准确度高，一般相对误差可以小于1%。

（5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。

（6）综合信息获取能力强，能得到许多复杂的物理化学反应过程中的信息。

3.生物传感器的种类

生物传感器的分类方法有多种，按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为:酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、基因传感器等。

按照换能器转换原理分类，可分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波导生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。

4.膜技术

生物传感器的各种基础反应，都是在一种称之为膜的表面或中间进行的，反应过程即识别过程。生物传感器性能的优劣决定于分子识别部分的生物敏感膜和信号转换部分的转换器。在这两部分中，前者是生物传感器最为关键的部分。这里所指的不是天然的生物膜，而是人工制造的，是通过一种固定化技术把识别物固定在某些材料中，形成具有识别被测物质功能的人工膜，我们称之为生物敏感膜（Biosense Membrane）。生物敏感膜是基于伴有物理与化学变化的生化反应分子识别膜，研究生物传感器的主要任务就是研究这种膜元件。

固定化的首要目的是将酶等生物活性物质限制在一定的结构空间内，但又不妨碍底物的自由扩散及反应。制成的这种生物敏感膜应该具有可用于分析底物；能重复使用；分析操作简单；不再需要其他试剂；对样品量要求小等特点。

固定化的方法主要有以下几种:（1）夹心法（Sandwich）；（2）包埋法（Entrapment）；（3）吸附法（Adsorption）；（4）共价结合法（Covalent Binding）；（5）交联法（Cross Linking）。

生物传感器的响应速度和活性是一对相互制约的因素。以酶传感器为例，随着被固定酶量的增多其活性相应增大的同时，其膜厚度必然增厚，这样就会导致响应速度的减慢。为了制成反应快、活性大的生物敏感膜，一种称为“LB”膜成型技术的单分子层成膜技术在生物传感器领域得到广泛应用。

“LB”膜（Langmuir-Blodgett），是利用纳米技术，通过单分子层的多次连续转移所形成的多层组合超薄膜。有关“LB”膜的详细介绍见本书14.7节的相关内容。