① 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。
② 醫療感測器主要指生物感測器,它要搜集哪些技術。
醫用感測器作為感測器的一個重要分支，其設計與應用必須考慮人體因素的影響，考慮生物信號的特殊性、復雜性，考慮生物醫學感測器的生物相容性、可靠性、安全性。
1感測器本身具有良好的技術性能，如靈敏度、線性、遲滯、重復性、頻率響應范圍、信噪比、溫度漂移、零點漂移、靈敏度漂移等。
2感測器的形狀和結構應與被檢測部位的解剖結構相適應，使用時，對被測組織的損害要小。
3感測器對被測對象的影響要小，不會對生理活動帶來負擔，不幹擾正常生理功能。
4感測器要有足夠的牢固性，引進到待測部位時，不致脫落、損壞。
5感測器與人體要有足夠的電絕緣，以保證人體安全。
6感測器進入人體能適應生物體內的化學作用，與生物體內的化學成分相容，不易被腐蝕、對人體無不良刺激，並且無毒。
7感測器進入血液中或長期埋於體內，不應引起血凝。
8感測器應操作簡單、維護方便，結構上便於消毒。
合熠感測器專注光電感測器、顏色感測器，可以了解一下
③ 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