怎麼計算生物感測器的檢測極限

Ⅰ 生物感測器的應用領域

生物感測器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。
在國民經濟的各個部門如食品、制葯、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。特別是分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變著傳統醫學、環境科學動植物學的面貌。生物感測器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。 生物感測器在食品分析中的應用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測定分析。
⑴食品成分分析在食品工業中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發的酶電極型生物感測器可用來分析白酒、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，也有成熟的測定感測器。
Niculescu等人研製出一種安培生物感測器，可用於檢測飲料中的乙醇含量。這種生物感測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感測器的性能。在目前進行的實驗中，該生物感測器對乙醇的測量極限為1nmol/L。
⑵食品添加劑的分析
亞硫酸鹽通常用作食品工業的漂白劑和防腐劑，採用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料製成的電流型二氧化硫酶電極可用於測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為0～6的負四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等採用天冬氨酶結合氨電極測定，線性范圍為2×10的負五次方～1×10的負三次方 mol/L。此外，也有用生物感測器測定色素和乳化劑的報道。
⑶農葯殘留量分析
人們對食品中的農葯殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農葯殘留的檢測工作。
Yamazaki等人發明了一種使用人造酶測定有機磷殺蟲劑的電流式生物感測器，利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10的負七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯法將乙酞膽鹼醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，製成一種可檢測濃度為10的負十次方mol/L的對氧磷和10的負十一次方mol/L的克百威的生物感測器，可用於直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農葯的殘留。
⑷微生物和毒素的檢驗
食品中病原性微生物的存在會給消費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，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。
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禦大腸桿菌0157.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的光纖生物感測器可以在幾分鍾內檢測出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統的方法則需要幾天。這種生物感測器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體並使它在培養基上獨立生長總共只需1天時間，而傳統方法需要4天。
還有一種快速靈敏的免疫生物感測器可以用於測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基於細胞質基因組的反應，通過光學系統傳輸信號。已達到的檢測極限為16.2ng/mL。一天可以檢測20個牛奶樣品。
⑸食品鮮度的檢測
食品工業中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質量的一個主要指標。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負10次方～2x10的負4次方mol/L。 環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物感測器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物感測器應用於環境監測中。
⑴水環境監測
生化需氧量(BOD）是一種廣泛採用的表徵有機污染程度的綜合性指標。在水體監測和污水處理廠的運行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標之一。常規的BOD測定需要5d的培養期，而且操作復雜，重復性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現場監測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）製作一種微生物BOD感測器。該BOD生物感測器能同時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。該生物感測器穩定性好，在58次實驗中，標准偏差僅為0.0362。所需反應時間為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5次方mol，響應時間不到50s，系統操作時間約為85s。
此外，Han等人發明了一種新型微生物感測器，可用於測定三氯乙烯。該感測器將假單細胞菌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(IOL-50,DKK,日本)上,記錄電壓的變化,與標准曲線對照,測出三氯乙烯的濃度。該感測器線性濃度范圍為0.1～ 4 mg/L,適於檢測工業廢水。在最優化條件下,其響應時間不到10min。
⑵大氣環境監測
二氧化硫(S02)是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統的檢測方法很復雜。Martyr等人將亞細胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極製成安培型生物感測器，對S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進行檢測，lOmin可以得到穩定的測試結果。
NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時也是光化學煙霧的罪魁禍首。Charles等人用多孔滲透膜、固定化硝化細菌和氧電極組成的微生物感測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6次方mo1/L。 在各種生物感測器中，微生物感測器具有成本低、設備簡單、不受發酵液混濁程度的限制、可能消除發酵過程中干擾物質的干擾等特點。因此，在發酵工業中廣泛地採用微生物感測器作為一種有效的測量工具。
⑴原材料及代謝產物的測定
微生物感測器可用於測量發酵工業中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產物（如頭孢黴素、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胞生物感測器用於測量發酵工業中的乙醇含量，13s內可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物感測器的檢測極限為0.85nM，測量范圍為2～270nM，穩定性能很好。在連續8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。
⑵微生物細胞數目的測定
發酵液中細胞數的測定是重要的。細胞數（菌體濃度）即單位發酵液中的細胞數量。一般情況下，需取一定的發酵液樣品，採用顯微計數方法測定，這種測定方法耗時較多，不適於連續測定。在發酵控制方面迫切需要直接測定細胞數目的簡單而連續的方法。人們發現：在陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化並產生電流。這種電化學系統可以應用於細胞數目的測定。測定結果與常規的細胞計數法測定的數值相近。利用這種電化學微生物細胞數感測器可以實現菌體濃度連續、在線的測定。 醫學領域的生物感測器發揮著越來越大的作用。生物感測技術不僅為基礎醫學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫學方面，也具有廣的應用前景。
⑴臨床醫學
在臨床醫學中，酶電極是最早研製且應用最多的一種感測器，已成功地應用於血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉氨酶等物質的檢測。其原理是：用固定化技術將酶裝在生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應的酶底物，則可反應產生可接受的信息物質，指示電極發生響應可轉換成電信號的變化，根據這一變化，就可測定某種物質的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可製成微生物感測器，在臨床中應用的微生物感測器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等感測器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應的酶製成的感測器稱為生物電極感測器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉製成的感測器，可分別用於檢測谷醯胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。
DNA感測器是目前生物感測器中報道最多的一種，用於臨床疾病診斷是DNA感測器的最大優勢，它可以幫助醫生從DNA,RNA、蛋白質及其相互作用層次上了解疾病的發生、發展過程，有助於對疾病的及時診斷和治療。此外，進行葯物檢測也是DNA感測器的一大亮點。Brabec等人利用DNA感測器研究了常用鉑類抗癌葯物的作用機理並測定了血液中該類葯物的濃度。
⑵軍事醫學
軍事醫學中，對生物毒素的及時快速檢測是防禦生物武器的有效措施。生物感測器已應用於監測多種細菌、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，美軍報道已研製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種生物戰劑的免疫感測器。檢測時間為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等人製成了檢測霍亂病毒的生物感測器。該生物感測器能在30min內檢測出低於1xlO的負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。該方法能夠用於具有多個信號識別位點的蛋白質毒素和病原體的檢測。
此外，在法醫學中，生物感測器可用作DNA鑒定和親子認證等。

Ⅱ 靈敏度500拷貝是啥意思

靈敏度500拷貝意思是可檢測新冠的口罩,靈敏度達500拷貝，
2021年6月28日，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和麻省理工學院的研究人員在 《Nature Biotechnology》發表了題為《Wearable materials with embedded synthetic biology sensors forbiomolecule detection》的研究論文。
該研究開發了一種基於CRISPR技術的可穿戴的合成生物學生物感測器，用以檢測環境中的病原體和毒素，並通過發出熒光警告穿戴者。
而且，研究團隊還將這一技術集成到了標准口罩中，以檢測患者呼吸中，以及空氣中是否存在新冠病毒（SARS-CoV-2）。
據報道，該方法核酸的檢測極限可與定量PCR等現有實驗室方法相媲美，靈敏度達500拷貝。該面罩可在室溫內佩戴，無創檢測SARS-CoV-2，不需要用戶干預，只需按下按鈕，90分鍾後便可知結果。

Ⅲ 對生物感測器的認識

生物感測器(biosensor)，是一種對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物感測器具有接受器與轉換器的功能。

Ⅳ 精神感應框架，生物感測器，生物電腦 有什麼區別

精神感應框架是放大駕駛員的腦波，增強機體反應能力的硬體系統。當然，在裝備了全身的精神感應框架的時候，會發揮出更加強大和更多未知的能力。比如彈開光束攻擊啦，奪取賽克謬系統控制權啦，發出特殊的光芒，長出不明晶體之類的。至於其原理，在拉普拉斯之亂後，聯邦就停止了對精神感應框架的開發，所以可能永遠都沒法知道了。
生物感測器是一種加強機體反應能力的裝置（？），卡繆用的911好像用這個系統加了一層buff。原理我不是很清楚，貌似只在Z高達上用過。。。
生物電腦也是一種加強機體反應能力的軟體，是F91高達的核心技術之一，好像還有探測生物的功能（這個在F91裡面有體現過，但不知道是不是生物電腦）

Ⅳ 求助生物感測器中檢測極限的確定

制葯、成本低;L，具有重要的戰略意義，該生物感測器對乙醇的測量極限為1nmol/生物感測器是一門由生物。其它糖類、化學、光電子學、物理、醫學、微細加工技術及納米技術等新學科、在復雜的體系中進行在線連續監測，可用於檢測飲料中的乙醇含量、蘋果汁、生物醫學、環境科學動植物學的面貌，特別是它的高度自動化，已成為世界科技發展的新熱點。已開發的酶電極型生物感測器可用來分析白酒，也有成熟的測定感測器、微型化與集成化的特點。 生物感測器在食品分析中的應用包括食品成分，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物感測器的性能。在國民經濟的各個部門如食品、麥芽汁中的麥芽糖，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分。 ⑴食品成分分析在食品工業中。生物感測器的研究開發、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、化工、有害毒物及食品鮮度等的測定分析、分析速度快，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展、臨床檢驗，啤酒。 Niculescu等人研製出一種安培生物感測器、食品添加劑。在目前進行的實驗中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。這種生物感測器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中、新技術結合，如果糖、環境監測等方面有廣泛的應用前景，正改變著傳統醫學。特別是分子生物學與微電子學、果醬和蜂蜜中的葡萄糖

Ⅵ 生物感測器在醫學上的應用

生物感測器(biosensor)對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）與適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。生物感測器具有接受器與轉換器的功能。 1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物感測器葡萄糖感測器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯醯胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便製成了葡萄糖感測器。當改用其他的酶或微生物等固化膜，便可製得檢測其對應物的其他感測器。固定感受膜的方法有直接化學結合法；高分子載體法；高分子膜結合法。現已發展了第二代生物感測器（微生物、免疫、酶免疫和細胞器感測器 ），研製和開發第三代生物感測器，將生物技術和電子技術結合起來的場效應生物感測器。 由於酶膜、線粒體電子傳遞系統粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質的分子結構具有選擇性識別功能 ，只對特定反應起催化活化作用，因此生物感測器具有非常高的選擇性。缺點是生物固化膜不穩定。生物感測器涉及的是生物物質，主要用於臨床診斷檢查、治療時實施監控、發酵工業、食品工業、環境和機器人等方面。 生物感測器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經濟發展中，生物感測器技術必將是介於信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和葯物分析（包括生物葯物研究開發）、環境保護以及生物技術、生物晶元等研究中有著廣泛的應用前景。 生物感測器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（感測器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物感測器分析裝置、儀器和系統。 生物感測器的原理： 待測物質經擴散作用進入生物活性材料，經分子識別，發生生物學反應，產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表放大並輸出，便可知道待測物濃度。 生物感測器的特點： （1）採用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重復多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣復雜的缺點。 （2）專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。 （3）分析速度快，可以在一分鍾得到結果。 （4）准確度高，一般相對誤差可以達到1％ （5）操作系統比較簡單 ，容易實現自動分析 （6）成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。 （7）有的生物感測器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。在產控制中能得到許多復雜的物理化學感測器綜合作用才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產物得率的方向。 生物感測器的種類： （1）按照其感受器中所採用的生命物質分類， 可分為：微生物感測器、免疫感測器、組織感測器、細胞感測器、酶感測器、DNA感測器等。 （2）按照感測器器件檢測的原理分類 ，可分為：熱敏生物感測器、場效應管生物感測器、壓電生物感測器、光學生物感測器、聲波道生物感測器、酶電極生物感測器、介體生物感測器等。 （3）按照生物敏感物質相互作用的類型分類， 可分為親和型和代謝型兩種。 資料來源：http://ke..com/view/323786.htm

Ⅶ 什麼是生物感測器其基本組成有哪些生物感測器的種類

1)光纖感測器
光纖感測器技術是隨著光導纖維實用化和光通信技術的發展而形成的一門嶄新的技術。光纖感測器與傳統的各類感測器相比有許多特點，如靈敏度高.抗電磁干擾能力強，耐腐蝕，絕緣性好，結構簡單，體積小.耗電少，光路有可撓曲性，以及便於實現遙測等。
光纖感測器一般分為兩大類，一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能製成的感測器.稱為功能型感測器;另一類是光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構成感測器，稱為傳光型感測器。無論哪種感測器，其工作原理都是利用被測量的變化調制傳輸光光波的某一參數，使其隨之變化，然後對已調制的光信號進行檢測，從而得到被測量。
光纖感測器可以測量多種物理量.目前已經實用的光纖感測器可測量的物理量達70多種，因此光纖感測器具有廣闊的發展前景。
2)紅外感測器
紅外感測器是將輻射能轉換為電能的一種感測器，又稱為紅外探測器.常見的紅外探測器有兩大類，熱探測器和光子探m器.熱探測器是利用人射紅外輻射引起探測器的敏感元件的沮度變化，進而使有關物理參數發生相應的變化，通過測量有關物理參數的變化來確定紅外探測器吸收的紅外輻射.熱探測器的主要優點是響應波段寬，可以在室沮下工作，使用方便。但是，熱探測器響應時間長，靈敏度較低，一般用於紅外輻射變化緩慢的場合.如光譜儀、測溫儀、紅外攝像等。光子紅外探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產生光子效應，使材料的電學性質發生變化，通過測最電學性質的變化，可以確定紅外輻射的強弱。光子探測器的主要優點是靈敏度高，響應速度快，響應頻率高。但一般需在低溫下_L作，探測波段較窄，一般用於側溫儀、航空掃描儀、熱像儀等。紅外感測器廣泛用於測溫、成像、成分分析、無損檢測等方面，特別是在軍事上的應用更為廣泛，如紅外偵察、紅外雷達、紅外通信、紅外對抗等。
3)氣敏感測器
氣敏感測器是指能將被側氣體濃度轉換為與其成一定關系的電量輸出的裝置。氣敏感測器的性能必須滿足下列條件:
(1)能夠檢淵易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度.並能及時給出報薯、顯示與控制信號;
(2)對被側氣體以外的共存氣體或物質不敏感;
(3)長期穩定性好、重復性好；
(4)動態特性好、響應迅速;
(5)使用、維護方便，價格便宜等。
4)生物感測器
生物感測器是利用生物或生物物質做成的、用以檢測與識別生物體內的化學成分的感測器。生物或生物物質是指酶、微生物、抗體等，被側物質經擴散作用進人生物敏感膜，發生生物學反應(物理、化學反應)，通過變換器將其轉換成可定量、可傳輸、處理的電信號.按照所用生物活性物質的不同，生物感測器包括酶感測器、微生物感測器、免疫感測器、生物組織感測器等。酶感測器具有靈敏度高、選擇性好等優點，目前已實用化的商品達200種以上，但由於酶的提煉工序復雜，因而造價高，性能也不太穩定。微生物感測器與酶感測器相比，價格便宜，性能穩定，它的缺點是響應時間較長(數分鍾)，選擇性差，目前微生物感測器已成功應用於環境監測和醫學中，如測定水污染程度、診斷尿毒症和搪尿病等。免疫感測器的基本原理是免疫反應，目前已研製成功的免疫感測器達兒十種以上。生物組織感測器製作簡便，工作壽命長，在許多情況下可取代酶感測器，但在實用化中還存在選擇性差、動植物材料不易保存等問題。目前生物感測器的開發與應用正向著多功能化、集成化的方向發展。半導體生物感測器是將半導體技術與生物技術相結合的產物，為生物感測器的多功能化、小型化、微型化提供了重要的途徑。
5)機器人感測器
機器人感測器是一種能將機器人目標物特性(或參量)變換為電量輸出的裝置，機器人通過感測器實現類似於人類的知覺作用。
機器人感測器分為內部檢測感測器和外界檢測感測器兩大類。內部檢測感測器是在機器人中用來感知它自己的狀態，以調整和控制機器人自身行動的感測器。它通常由位置、加速度、速度及JR力感測器組成。外界檢測感測器是機器人用以感受周圍環境、目標物的狀態特徵信息的感測器.從而使機器人對環境有自校正和自適應能力。外界槍側感測器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、嗅覺、味覺等感測器。機器人感測器是機器人研究中必不可缺的重要課題，需要有更多的、性能更好的、功能更強的、集成度更高的感測器來推動機器人的發展。
6)智能感測器
智能感測器是一種帶有微處理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的感測器。本書第9章將對這種感測器進行詳細闡述。

Ⅷ 如何計算生物，化學感測器的檢測極限

化學感測器檢測對象：氣體、濕度、離子、生物物質。 生物感測器是化學感測器的一種，檢測酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質。

Ⅸ 電化學生物感測器概述

電化學生物感測器
感測器與通信系統和計算機共同構成現代信息處理系統。感測器相當於人的感官,是計算機與自然界及社會的介面,是為計算機提供信息的工具。
感測器通常由敏感(識別)元件、轉換元件、電子線路及相應結構附件組成。生物感測器是指用固定化的生物體成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細胞、細胞器、組織等)作為感元件的感測器。電化學生物感測器則是指由生物材料作為敏感元件,電極(固體電極、離子選擇性電極、氣敏電極等)作為轉換元件,以電勢或電流為特徵檢測信號的感測器。圖1是電化學生物感測器基本構成示意圖。由於使用生物材料作為感測器的敏感元件,所以電化學生物感測器具有高度選擇性,是快速、直接獲取復雜體系組成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技術、食品工業、臨床檢測、醫葯工業、生物醫學、環境分析等領域獲得實際應用。
根據作為敏感元件所用生物材料的不同,電化學生物感測器分為酶電極感測器、微生物電極感測器、電化學免疫感測器、組織電極與細胞器電極感測器、電化學DNA感測器等。
(1) 酶電極感測器
以葡萄糖氧化酶(GOD)電極為例簡述其工作原理。在GOD的催化下,葡萄糖(C6H12O6)被氧氧化生成葡萄糖酸(C6H12O7)和過氧化氫:
根據上述反應,顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產生)和pH電極(測酸度變化)來間接測定葡萄糖的含量。因此只要將GOD固定在上述電極表面即可構成測葡萄糖的GOD感測器。這便是所謂的第一代酶電極感測器。這種感測器由於是間接測定法,故干擾因素較多。第二代酶電極感測器是採用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性中心與電極之間傳遞電子。第二代酶電極感測器可不受測定體系的限制,測量濃度線性范圍較寬,干擾少。現在不少研究者又在努力發展第三代酶電極感測器,即酶的氧化還原活性中心直接和電極表面交換電子的酶電極感測器。 目前已有的商品酶電極感測器包括:GOD電極感測器、L 乳酸單氧化酶電極感測器、尿酸酶電極感測器等。在研究中的酶電極感測器則非常多。
(2) 微生物電極感測器
由於離析酶的價格昂貴且穩定性較差,限制了其在電化學生物感測器中的應用,從而使研究者想到直接利用活的微生物來作為分子識別元件的敏感材料。這種將微生物(常用的主要是細菌和酵母菌)作為敏感材料固定在電極表面構成的電化學生物感測器稱為微生物電極感測器。其工作原理大致可分為三種類型:其一,利用微生物體內含有的酶(單一酶或復合酶)系來識別分子,這種類型與酶電極類似;其二,利用微生物對有機物的同化作用,通過檢測其呼吸活性(攝氧量)的提高,即通過氧電極測量體系中氧的減少間接測定有機物的濃度;其三,通過測定電極敏感的代謝產物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。
微生物電極感測器在發酵工業、食品檢驗、醫療衛生等領域都有應用。例如:在食品發酵過程中測定葡萄糖的佛魯奧森假單胞菌電極;測定甲烷的鞭毛甲基單胞菌電極;測定抗生素頭孢菌素的Citrobacterfreudii菌電極等等。微生物電極感測器由於價廉、使用壽命長而具有很好的應用前景,然而它的選擇性和長期穩定性等還有待進一步提高。
(3) 電化學免疫感測器
抗體對相應抗原具有唯一性識別和結合功能。電化學免疫感測器就是利用這種識別和結合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。
根據電化學免疫感測器的結構可將其分為直接型和間接型兩類。直接型的特點是在抗體與其相應抗原識別結合的同時將其免疫反應的信息直接轉變成電信號。這類感測器在結構上可進一步分為結合型和分離型兩種。前者是將抗體或抗原直接固定在電極表面上,感測器與相應的抗體或抗原發生結合的同時產生電勢改變;後者是用抗體或抗原製作抗體膜或抗原膜,當其與相應的配基反應時,膜電勢發生變化,測定膜電勢的電極與膜是分開的。間接型的特點是將抗原和抗體結合的信息轉變成另一種中間信息,然後再把這個中間信息轉變成電信號。這類感測器在結構上也可進一步分為兩種類型:結合型和分離型。前者是將抗體或抗原固定在電極上;而後者抗體或抗原和電極是完全分開的。間接型電化學免疫感測器通常是採用酶或其他電活性化合物進行標記,將被測抗體或抗原的濃度信息加以化學放大,從而達到極高的靈敏度。
電化學免疫感測器的例子有:診斷早期妊娠的hCG免疫感測器;診斷原發性肝癌的甲胎蛋白(AFP或αFP)免疫感測器;測定人血清蛋白(HSA)免疫感測器;還有IgG免疫感測器、胰島素免疫感測器等等。
(4) 組織電極與細胞器電極感測器
直接採用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學感測器稱組織電極感測器,其原理是利用動植物組織中的酶,優點是酶活性及其穩定性均比離析酶高,材料易於獲取,制備簡單,使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應時間等方面還存在不足。
動物組織電極主要有:腎組織電極、肝組織電極、腸組織電極、肌肉組織電極、胸腺組織電極等。測定對象主要有:谷氨醯胺、葡萄糖胺 6 磷酸鹽、D 氨基酸、H2O2、地高辛、胰島素、腺苷、AMP等。 植物組織電極敏感元件的選材范圍很廣,包括不同植物的根、莖、葉、花、果等。植物組織電極制備比動物組織電極更簡單,成本更低並易於保存。
細胞器電極感測器是利用動植物細胞器作為敏感元件的感測器。細胞器是指存在於細胞內的被膜包圍起來的微小「器官」,如線粒體、微粒體、溶酶體、過氧化氫體、葉綠體、氫化酶顆粒、磁粒體等等。其原理是利用細胞器內所含的酶(往往是多酶體系)。
(5) 電化學DNA感測器
電化學DNA感測器是近幾年迅速發展起來的一種全新思想的生物感測器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發生特殊相互作用的物質。電化學DNA感測器是利用單鏈DNA(ssDNA)或基因探針作為敏感元件固定在固體電極表面,加上識別雜交信息的電活性指示劑(稱為雜交指示劑)共同構成的檢測特定基因的裝置。其工作原理是利用固定在電極表面的某一特定序列的ssDNA與溶液中的同源序列的特異識別作用(分子雜交)形成雙鏈DNA(dsDNA)(電極表面性質改變),同時藉助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應信號的改變來達到檢測基因的目的。
已有檢測靈敏度高達10-13g/mL的電化學DNA感測器的報道,Hashimoto等[8]採用一個20聚體的核苷酸探針修飾在金電極上檢測了PVM623的PatⅠ片斷上的致癌基因v myc。電化學DNA感測器離實用化還有相當距離,主要是感測器的穩定性、重現性、靈敏度等都還有待於提高。有關DNA修飾電極的研究除對於基因檢測有重要意義外,還可將DNA修飾電極用於其它生物感測器的研究,用於DNA與外源分子間的相互作用研究[9],如抗癌葯物篩選、抗癌葯物作用機理研究;以及用於檢測DNA結合分子。無疑,它將成為生物電化學的一個非常有生命力的前沿領域。
生物電化學所涉及的面非常廣,內容很豐富。以上介紹的只是該交叉學科一些領域的概況。可以相信,隨著相關學科的發展,生物電化學將進一步蓬勃發展。