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什么是生物传感器?

2023-12-03 14:49 浏览次数:655

一、生物传感器的发展历程

20世纪的60年代,Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起,首先制成了第一种生物传感器,即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是:1985年《生物传感器》国际刊物在英国创刊;1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版;1990年,首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开。

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域,它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起,处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是:探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。

生物传感器技术的研究重点是:广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合,研究和开发具有识别功能的换能器,并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术,研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等,以及人工合成的分子印迹聚合物(MIP)。

二、生物传感器的基本原理

传感器中包含抗体、抗原、蛋白质、DNA或者酶等生物活性材料,待测物质进入传感器后,分子识别然后发生生物反应并产生信息,信息被化学换能器或者物理换能器转化为声、光、电等信号,仪器将信号输出,我们就能够得到待测物质的浓度。传感器的主要组成部分是感受器和换能器,再将信号通过自动化仪表技术和微电子技术处理,就能构成各种仪器或者系统。

三、生物传感器的种类

生物传感器的分类:

(1)按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为:微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。

(2)按照传感器器件检测的原理分类,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、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

(3)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。

四、生物传感器的特点

(1)传统医学检验大多是酶分析法,这种方法步骤繁琐,费用较高,而采用生物传感器的方法,采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可以重复多次使用,克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

(2)专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。

(3)分析速度快,可以在一分钟得到结果。

(4)准确度高,一般相对误差可以达到1%。

(5)操作系统比较简单,容易实现自动分析。

(6)成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。

(7)有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。

五、生物传感器在医学领域中的运用

生物传感器有很多种,下面针对其中几种传感器在医学领域中的运用展开分析。

(1)微生物传感器

微生物传感器的感受器是含有微生物的膜,工作原理是微生物会消耗待测溶液中的溶解氧,放出热量或者光,达到定量检测待测物质的目的。相对于酶传感器,微生物传感器使用稳定并且成本更低,但是使用范围不及酶传感器,数据显示,微生物传感器能够检测的物质约为60种到70种。微生物会受到待测物质的毒害影响,这是影响传感器准确度和寿命的主要因素,解决了这个问题,微生物传感器市场化指日可待。

(2)酶传感器

这种传感器的敏感元件是固定化酶,使用酶传感器就不需要花费大量精力去提取酶。临床上测定尿素、葡萄糖、乳酸、天门冬酰胺等生化指标可以采用酶传感器,例如现在的葡萄糖酶传感器已经发展到了第四代,应用范围广泛,并且国际上乳酸酶传感器技术已经相当成熟。临床上要检验患者肾功能就要进行肾功能诊断,然后针对性的实施人工透析,这种情况下就要使用尿素传感器。酶传感器研究时间和发展时间都较长,市场上的酶传感器已经达到了超过200种。

(3)基因传感器

基因传感器是近年来才出现的一种传感器,但是技术先进,国内外也有很多专家学者针对基因传感器进行研究,现在已经成为研究热点之一。基因传感器的基础是杂交高特异性,一般基因传感器上有30个左右的核苷酸单链核酸分子,通过和靶序列杂交测定目标核酸分子。现在研究和使用较多的基因传感器是DNA传感器,主要用于结核杆菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的检测,从而达到诊断疾病的目的。

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