電化學生物傳感器概述

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  D8觀光團04 2016-04-25 00:00:00

  電化學生物傳感器 傳感器與通信系統(tǒng)和計算機共同構(gòu)成現(xiàn)代信息處理系統(tǒng)。傳感器相當于人的感官，是計算機與自然界及社會的接口，是為計算機提供信息的工具。 傳感器通常由敏感(識別)元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路及相應(yīng)結(jié)構(gòu)附件組成。生物傳感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)作為感元件的傳感器。電化學生物傳感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(zhuǎn)換元件，以電勢或電流為特征檢測信號的傳感器。圖1是電化學生物傳感器基本構(gòu)成示意圖。由于使用生物材料作為傳感器的敏感元件，所以電化學生物傳感器具有高度選擇性，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(shù)、食品工業(yè)、臨床檢測、醫(yī)藥工業(yè)、生物醫(yī)學、環(huán)境分析等領(lǐng)域獲得實際應(yīng)用。 根據(jù)作為敏感元件所用生物材料的不同，電化學生物傳感器分為酶電極傳感器、微生物電極傳感器、電化學免疫傳感器、組織電極與細胞器電極傳感器、電化學DNA傳感器等。 (1) 酶電極傳感器 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(jù)上述反應(yīng)，顯然可通過氧電極(測氧的消耗)、過氧化氫電極(測H2O2的產(chǎn)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(gòu)成測葡萄糖的GOD傳感器。這便是所謂的diyi代酶電極傳感器。這種傳感器由于是間接測定法，故干擾因素較多。第二代酶電極傳感器是采用氧化還原電子媒介體在酶的氧化還原活性ZX與電極之間傳遞電子。第二代酶電極傳感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(xiàn)在不少研究者又在努力發(fā)展第三代酶電極傳感器，即酶的氧化還原活性ZX直接和電極表面交換電子的酶電極傳感器。 目前已有的商品酶電極傳感器包括:GOD電極傳感器、L 乳酸單氧化酶電極傳感器、尿酸酶電極傳感器等。在研究中的酶電極傳感器則非常多。 (2) 微生物電極傳感器 由于離析酶的價格昂貴且穩(wěn)定性較差，限制了其在電化學生物傳感器中的應(yīng)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(gòu)成的電化學生物傳感器稱為微生物電極傳感器。其工作原理大致可分為三種類型:其一，利用微生物體內(nèi)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(chǎn)物間接測定一些能被厭氧微生物所同化的有機物。 微生物電極傳感器在發(fā)酵工業(yè)、食品檢驗、YL衛(wèi)生等領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如:在食品發(fā)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。微生物電極傳感器由于價廉、使用壽命長而具有很好的應(yīng)用前景，然而它的選擇性和長期穩(wěn)定性等還有待進一步提高。 (3) 電化學免疫傳感器 抗體對相應(yīng)抗原具有唯yi性識別和結(jié)合功能。電化學免疫傳感器就是利用這種識別和結(jié)合功能將抗體或抗原和電極組合而成的檢測裝置。 根據(jù)電化學免疫傳感器的結(jié)構(gòu)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(yīng)抗原識別結(jié)合的同時將其免疫反應(yīng)的信息直接轉(zhuǎn)變成電信號。這類傳感器在結(jié)構(gòu)上可進一步分為結(jié)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，傳感器與相應(yīng)的抗體或抗原發(fā)生結(jié)合的同時產(chǎn)生電勢改變;后者是用抗體或抗原制作抗體膜或抗原膜，當其與相應(yīng)的配基反應(yīng)時，膜電勢發(fā)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(jié)合的信息轉(zhuǎn)變成另一種中間信息，然后再把這個中間信息轉(zhuǎn)變成電信號。這類傳感器在結(jié)構(gòu)上也可進一步分為兩種類型:結(jié)合型和分離型。前者是將抗體或抗原固定在電極上;而后者抗體或抗原和電極是完全分開的。間接型電化學免疫傳感器通常是采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。 電化學免疫傳感器的例子有:診斷早期妊娠的hCG免疫傳感器;診斷原發(fā)性肝癌的甲胎蛋白(AFP或αFP)免疫傳感器;測定人血清蛋白(HSA)免疫傳感器;還有IgG免疫傳感器、胰島素免疫傳感器等等。 (4) 組織電極與細胞器電極傳感器 直接采用動植物組織薄片作為敏感元件的電化學傳感器稱組織電極傳感器，其原理是利用動植物組織中的酶，優(yōu)點是酶活性及其穩(wěn)定性均比離析酶高，材料易于獲取，制備簡單，使用壽命長等。但在選擇性、靈敏度、響應(yīng)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:谷氨酰胺、葡萄糖胺 6 磷酸鹽、D 氨基酸、H2O2、、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，成本更低并易于保存。 細胞器電極傳感器是利用動植物細胞器作為敏感元件的傳感器。細胞器是指存在于細胞內(nèi)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(nèi)所含的酶(往往是多酶體系)。 (5) 電化學DNA傳感器 電化學DNA傳感器是近幾年迅速發(fā)展起來的一種全新思想的生物傳感器。其用途是檢測基因及一些能與DNA發(fā)生特殊相互作用的物質(zhì)。電化學DNA傳感器是利用單鏈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(gòu)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(zhì)改變)，同時借助一能識別ssDNA和dsDNA的雜交指示劑的電流響應(yīng)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傳感器的報道，Hashimoto等[8]采用一個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傳感器離實用化還有相當距離，主要是傳感器的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、靈敏度等都還有待于提高。有關(guān)DNA修飾電極的研究除對于基因檢測有重要意義外，還可將DNA修飾電極用于其它生物傳感器的研究，用于DNA與外源分子間的相互作用研究[9]，如藥物篩選、藥物作用機理研究;以及用于檢測DNA結(jié)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(lǐng)域。 生物電化學所涉及的面非常廣，內(nèi)容很豐富。以上介紹的只是該交叉學科一些領(lǐng)域的概況。可以相信，隨著相關(guān)學科的發(fā)展，生物電化學將進一步蓬勃發(fā)展。

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