生物傳感器 應(yīng)用：北大研究團(tuán)隊(duì)Science發(fā)表最新成果，可用于未來生物傳感器與驅(qū)動器 第1張" title="生物傳感器 應(yīng)用：北大研究團(tuán)隊(duì)Science發(fā)表最新成果，可用于未來生物傳感器與驅(qū)動器 第1張-傳感器知識網(wǎng)"/>
生物傳感器 應(yīng)用：北大研究團(tuán)隊(duì)Science發(fā)表最新成果，可用于未來生物傳感器與驅(qū)動器
編者按
近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系/北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫偉研究員課題組及其合作者，探索了生物-碳納米管復(fù)合界面及大面積取向排列的調(diào)控新方法。相關(guān)研究成果以《核酸引導(dǎo)的高性能碳納米管晶體管的制備》為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》。
課題組基于DNA模板的高性能碳納米管晶體管研究取得的新成果，具有實(shí)現(xiàn)基于生物模板的大規(guī)模電子器件的潛力，同時也可應(yīng)用于未來的生物傳感器與驅(qū)動器。
Science官網(wǎng)論文截圖
生物自組裝結(jié)構(gòu)具有精細(xì)的三維形貌，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)小于光刻等傳統(tǒng)納米加工手段的分辨率極限。利用自組裝生物分子作為加工模板，可以實(shí)現(xiàn)金屬材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。
然而，此前基于此的電學(xué)器件的性能往往遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)方法制備的同類器件，且缺乏長程取向規(guī)整性，因而制約了生物模板在高性能器件中的應(yīng)用。
針對這一高性能電子器件和生物分子自組裝的交叉領(lǐng)域的難題，研究團(tuán)隊(duì)以組裝于脫氧核糖核酸（DNA）模板的平行碳納米管（CNT）陣列作為模型體系，研究界面生物分子組成對器件性能的影響，開發(fā)了一種基于固定-洗脫策略的界面工程方法，在不改變碳管排列的基礎(chǔ)上，有效去除界面處的金屬離子及生物分子等雜質(zhì)。
經(jīng)過界面工程，基于生物模板的碳管陣列晶體管顯示了良好的開態(tài)性能和快速的電流開關(guān)切換，展現(xiàn)出了高精準(zhǔn)度生物模板在高性能晶體管領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
通過優(yōu)化DNA-CNT界面組成，構(gòu)筑基于核酸模板的高性能晶體管
基于空間限域效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了陣列取向排列的新方法，探討了決定取向排列精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素。
厘米級基底表面取向排列的大規(guī)模陣列
當(dāng)前方法具有構(gòu)建基于生物模板的大規(guī)模電子器件的潛力；進(jìn)一步結(jié)合光刻技術(shù)與嵌段共聚物定向組裝技術(shù)，高分辨生物制造可用于構(gòu)建大面積、小尺寸的高性能電子設(shè)備；同時，兼具電學(xué)特性與生物響應(yīng)特性的高性能電子-生物融合器件也可應(yīng)用于未來的生物傳感器與驅(qū)動器。
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來源：北大新聞網(wǎng)、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、Science官網(wǎng)
原標(biāo)題：《北大研究團(tuán)隊(duì)Science發(fā)表最新成果，可用于未來生物傳感器與驅(qū)動器》
生物傳感器 應(yīng)用：生物傳感器應(yīng)用
摘要：簡述了生物傳感器尤其是微生物傳感器近年來在發(fā)酵工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用，對其發(fā)展前景及市場化作了預(yù)測及展望。生物電極是以固定化生物體組成作為分子識別元件的敏感材料，與氧電極、膜電極和燃料電極等構(gòu)成生物傳感器，在發(fā)酵工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品監(jiān)測、臨床醫(yī)學(xué)等方面得到廣泛的應(yīng)用。生物傳感器專一性好、易操作、設(shè)備簡單、測量快速準(zhǔn)確、適用范圍廣。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，生物傳感器在市場上具有極強(qiáng)的競爭力。
關(guān)鍵詞：生物傳感器；發(fā)酵工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測。
一、引言
從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設(shè)想距今已有40年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。在最初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應(yīng)用受到一定的限制。
近些年來，微生物固定化技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨(dú)到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點(diǎn)。此外，還可以同時利用微生物體內(nèi)的輔酶處理復(fù)雜反應(yīng)。而目前，光纖生物傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的發(fā)展，應(yīng)用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。
二、研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域
1、發(fā)酵工業(yè)
各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測定。因?yàn)榘l(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質(zhì)，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測定。而應(yīng)用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器其成本低設(shè)備簡單的特點(diǎn)使其具有極大的優(yōu)勢。
(1).原材料及代謝產(chǎn)物的測定
微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測定。測量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，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(dá)到測量底物濃度的目的。
在各種原材料中葡萄糖的測定對過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonasfluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進(jìn)行檢測，可以估計(jì)葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測定結(jié)果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復(fù)實(shí)用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。
當(dāng)乙酸用作碳源進(jìn)行微生物培養(yǎng)時，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測定乙酸的濃度。
此外，還有用大腸桿菌（E.coli）組合二氧化碳?xì)饷綦姌O，可以構(gòu)成測定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細(xì)胞固定化在膠原蛋白膜內(nèi)，由細(xì)菌—膠原蛋白膜反應(yīng)器和組合式玻璃電極構(gòu)成的微生物傳感器可應(yīng)用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測定等等。
(2).微生物細(xì)胞總數(shù)的測定
在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測定細(xì)胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽極表面，細(xì)菌可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)已應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測定，其結(jié)果與傳統(tǒng)的菌斑計(jì)數(shù)法測細(xì)胞數(shù)是相同的[1]。
(3).代謝試驗(yàn)的鑒定
傳統(tǒng)的微生物代謝類型的鑒定都是根據(jù)微生物在某種培養(yǎng)基上的生長情況進(jìn)行的。這些實(shí)驗(yàn)方法需要較長的培養(yǎng)時間和專門的技術(shù)。微生物對底物的同化作用可以通過其呼吸活性進(jìn)行測定。用氧電極可以直接測量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來測定微生物的代謝特征。這個系統(tǒng)已用于微生物的簡單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測定、廢水中可被生物降解的物質(zhì)估計(jì)、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗(yàn)、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2]。
2、環(huán)境監(jiān)測
(1).生化需氧量的測定
生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的測定是監(jiān)測水體被有機(jī)物污染狀況的最常用指標(biāo)。常規(guī)的BOD測定需要5天的培養(yǎng)期，操作復(fù)雜、重復(fù)性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，所以迫切需要一種操作簡單、快速準(zhǔn)確、自動化程度高、適用廣的新方法來測定。目前，有研究人員分離了兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2，并將其固定在玻璃碳極上以構(gòu)成微生物傳感器用于測量BOD，其重復(fù)性在±10%以內(nèi)。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD的測定，其測量最小值可達(dá)2mg/l，所用時間為5min[3]。還有一種新的微生物傳感器，用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料，在高滲透壓下可以正常工作。并且其菌株可長期干燥保存，浸泡后即恢復(fù)活性，為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法[4]。
除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經(jīng)研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應(yīng)時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l范圍內(nèi)），并且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳感器已經(jīng)應(yīng)用于河水BOD的測定，并且獲得了較好的結(jié)果[4]。
現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經(jīng)過光處理（即以TiO2作為半導(dǎo)體，用6W燈照射約4min）后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測量[5]。同時，一種緊湊的光學(xué)生物傳感器已經(jīng)發(fā)展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細(xì)菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應(yīng)器的底層，該測量方法既迅速又簡便，在4℃下可使用六周，已經(jīng)用于工廠廢水處理的過程中[5]。
(2).各種污染物的測定
常用的重要污染指標(biāo)有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質(zhì)與致變物質(zhì)、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質(zhì)的濃度。目前已經(jīng)研制出了多種測量各類污染物的生物傳感器并已投入實(shí)際應(yīng)用中了。
測量氨和硝酸鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細(xì)菌和氧電極組合構(gòu)成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx-)，它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的NOx-進(jìn)行了測量，其效果較好[6]。
硫化物的測定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=2.5、31℃時一周測量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天，其設(shè)備簡單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量，所用細(xì)菌是Chromatium.SP，與氫電極連接構(gòu)成[7]。
最近科學(xué)家們在污染區(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細(xì)菌，此種細(xì)菌含有熒光基因，在污染源的刺激下能夠產(chǎn)生熒光蛋白，從而發(fā)出熒光。可以通過遺傳工程的方法將這種基因?qū)牒线m的細(xì)菌內(nèi)，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測。現(xiàn)在已經(jīng)將熒光素酶導(dǎo)入大腸桿菌（E.coli）中，用來檢測砷的有毒化合物[8]。
水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經(jīng)有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細(xì)菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來，以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監(jiān)測極限為5′10-9mol。該傳感器工作的最適條件為：pH=7.4、35℃，連續(xù)工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（Pseudomonasrathonis）制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細(xì)胞固定在凝膠（瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽）和聚乙醇膜上，可以用層析試紙GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物細(xì)胞在凝膠中的交聯(lián)，長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結(jié)束后很快的恢復(fù)敏感元件的活性[10]。
還有一種電流式生物傳感器，用于測定有機(jī)磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測量極限為100′10-9mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來的磷酸鹽生物傳感器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動系統(tǒng)CL-FIA臺式電腦結(jié)合，可以檢測(32~96)′10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩周以上，重復(fù)性高[12]。
最近，有一種新型的微生物傳感器，用細(xì)菌細(xì)胞作為生物組成部分，測定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一個電流型氧電極作傳感器，微生物細(xì)胞固定在氧電極上的透析膜上，其測量原理是測量毛孢子菌屬（Trichosporumgrablata）細(xì)胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應(yīng)時間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測定時）。在濃度范圍0.5~6.0mg/l內(nèi)，電信號與NP-80E濃度呈線性關(guān)系，很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測[13]。
除此之外，污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了一個完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術(shù)上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細(xì)菌（Vibriofischeri）體內(nèi)的一個操縱子在一個銅誘導(dǎo)啟動子的控制下導(dǎo)入產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，細(xì)菌在銅離子的誘導(dǎo)下發(fā)光，發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質(zhì)中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量范圍廣、儲藏穩(wěn)定性強(qiáng)的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達(dá)到最低測量濃度1′10-9mol[14]。
還有一種專門測量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母（Saccharomycescerevisiae）重組菌株作為生物元件，這些菌株帶有酒釀酵母CUP1基因上的銅離子誘導(dǎo)啟動子與大腸桿菌lacZ基因的融合體。其工作原理，首先是CUP1啟動子被Cu2+誘導(dǎo)，隨后乳糖被用作底物進(jìn)行測量。如果Cu2+存在于溶液中，這些重組體細(xì)菌就可以利用乳糖作為碳源，這將導(dǎo)致這些好氧細(xì)胞需氧量的改變。該生物傳感器可以在濃度范圍(0.5~2)′10-3mol范圍內(nèi)測定CuSO4溶液。目前已經(jīng)將各類金屬離子誘導(dǎo)啟動子轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，使得大腸桿菌會在含有各種金屬離子的的溶液中出現(xiàn)發(fā)光反應(yīng)。根據(jù)它發(fā)光的強(qiáng)度可以測定重金屬離子的濃度，其測量范圍可以從納摩爾到微摩爾，所需時間為60~100min[15][16]。
用于測量污水中鋅濃度的生物傳感器也已經(jīng)研制成功，使用嗜堿性細(xì)菌Alcaligenescutrophus，并用于對污水中鋅的濃度和生物有效性進(jìn)行測量，其結(jié)果令人滿意[17]。
估測河口出水流污染情況的海藻傳感器是由一種螺旋藻屬藍(lán)細(xì)菌（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）和一個氣敏電極構(gòu)成的。通過監(jiān)測光合作用被抑制的程度來估測由于環(huán)境污染物的存在而引起水的毒性變化。以標(biāo)準(zhǔn)天然水為介質(zhì)，對三種主要污染物（重金屬、除草劑、氨基甲酸鹽殺蟲劑）的不同濃度進(jìn)行了測定，均可監(jiān)測到它們的有毒反應(yīng)，重復(fù)性和再生性都很高[18]。
近來由于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PCR）的迅猛發(fā)展及其在環(huán)境監(jiān)測方面的廣泛應(yīng)用，不少科學(xué)家開始著手于將它與生物傳感器技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。有一種應(yīng)用PCR技術(shù)的DNA壓電生物傳感器，可以測定一種特殊的細(xì)菌毒素。將生物素酰化的探針固定在裝有鏈酶抗生素鉑金表面的石英晶體上，用1′10-6mol的鹽酸可以使循環(huán)式測量在同一晶體表面進(jìn)行。用細(xì)菌中提取的DNA樣品進(jìn)行同樣的雜交反應(yīng)并由PCR放大，產(chǎn)物為氣單胞菌屬（Aeromonashydrophila）的一種特殊基因片斷。這種壓電生物傳感器可以鑒別樣品中是否含有這種基因，這為從水樣中檢測是否含帶有這種病原的各種氣單胞菌提供了可能[19]。
還有一種通道生物傳感器可以檢測浮游植物和水母等生物體產(chǎn)生的腰鞭毛蟲神經(jīng)毒素等毒性物質(zhì)，目前已經(jīng)能夠測量在一個浮游生物細(xì)胞內(nèi)含有的極微量的PSP毒素[20]。DNA傳感器也在迅速的得到應(yīng)用，目前有一種小型化DNA生物傳感器，能將DNA識別信號轉(zhuǎn)換為電信號，用于測量水樣中隱孢子和其他水源傳染體。該傳感器著重于改進(jìn)核酸的識別作用和加強(qiáng)該傳感器的特異性和靈敏性，并尋求將雜交信號轉(zhuǎn)化為有用信號的新方法，目前研究工作為識別裝置和轉(zhuǎn)換裝置的一體化[21]。
微藻素是一種從藍(lán)藻細(xì)菌引起的水華中產(chǎn)生的細(xì)菌肝毒素，一種固定有表面細(xì)胞質(zhì)粒基因組的生物傳感器已經(jīng)制得，用于測量水中微藻素的含量，它直接的測量范圍是50~1000′10-6g/l[22]。
一種基于酶的抑制性分析的多重生物傳感器用于測量毒性物質(zhì)的設(shè)想也已經(jīng)提出。在這種多重生物傳感器中，應(yīng)用了兩種傳導(dǎo)器—對pH敏感的電子晶體管和熱敏性的薄膜電極，以及三種酶—尿素酶、乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶。該生物傳感器的性能已經(jīng)得到測試，效果較好[23]。
除了發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測，生物傳感器還深入的應(yīng)用于食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，主要用于測量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸，以及各種致癌和致變物質(zhì)。
三、討論與展望
美國的HaroldH.Weetal指出，生物傳感器商品化要具備以下幾個條件：足夠的敏感性和準(zhǔn)確性、易操作、價格便宜、易于批量生產(chǎn)、生產(chǎn)過程中進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測。其中，價格便宜決定了傳感器在市場上有無競爭力。而在各種生物傳感器中，微生物傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低、操作簡便、設(shè)備簡單，因此其在市場上的前景是十分巨大和誘人的。相比起來，酶生物傳感器等的價格就比較昂貴。但微生物傳感器也有其自身的缺點(diǎn)，主要的缺點(diǎn)就是選擇性不夠好，這是由于在微生物細(xì)胞中含有多種酶引起的。現(xiàn)已有報道加專門抑制劑以解決微生物電極的選擇性問題。除此之外，微生物固定化方法也需要進(jìn)一步完善，首先要盡可能保證細(xì)胞的活性，其次細(xì)胞與基礎(chǔ)膜結(jié)合要牢固，以避免細(xì)胞的流失。另外，微生物膜的長期保存問題也待進(jìn)一步的改進(jìn)，否則難于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商品化。
總之，常用的微生物電極和酶電極在各種應(yīng)用中各有其優(yōu)越之處。若容易獲得穩(wěn)定、高活性、低成本的游離酶，則酶電極對使用者來說是最理想的。相反的，若生物催化需經(jīng)過復(fù)雜途徑，需要輔酶，或所需酶不宜分離或不穩(wěn)定時，微生物電極則是更理想的選擇。而其他各種形式的生物傳感器也在蓬勃發(fā)展中，其應(yīng)用也越來越廣泛。隨著固定化技術(shù)的進(jìn)一步完善，隨著人們對生物體認(rèn)識的不斷深入，生物傳感器必將在市場上開辟出一片新的天地。
生物傳感器 應(yīng)用：生物傳感器應(yīng)用_1
生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用
摘要：
生物傳感器以其方便快捷、
靈敏度高、
選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，
已然成為了各個學(xué)
科中不可或缺的測試儀器。其廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測
等各個領(lǐng)域。
在環(huán)境領(lǐng)域，
生物傳感器以又應(yīng)用于水質(zhì)、
大氣等介質(zhì)中的各種污
染物的檢測，
已經(jīng)是日常監(jiān)測中不可替代的分析儀器。
本文對生物傳感器在環(huán)境
監(jiān)測的應(yīng)用進(jìn)行綜述。未來，生物傳感器會越來越靈敏、越來越方便快捷，將會
大大提高環(huán)境監(jiān)測人員的工作效率。
關(guān)鍵詞：
生物傳感器，污染物監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測。
1.
生物傳感器簡介：
生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行監(jiān)測的儀
器。一般由需要以下幾個部位組成：識別元件、理化換能器、信號放大器以及分
析系統(tǒng)等。
識別元件一般由固定化的生物敏感材料制成，
這些材料可以是酶、
抗
體、抗原、細(xì)胞、核酸、組織、微生物等物質(zhì)；適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器，如氧電極、
光敏管等可以制成換能器，
這是將一些物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)化為電信號的關(guān)鍵；
而信號放
大裝置的作用就是將電信號放大，然后方便信號接收進(jìn)而給分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。
生物傳感器是一種將信息學(xué)、
生物芯片、
計(jì)算機(jī)等學(xué)科融合交叉的科學(xué)產(chǎn)物，
是
科技發(fā)展的過程必不可少的先進(jìn)的檢測裝置。從第一支生物酶傳感器的研制后，
生物傳感器以其高選擇性、體積小、方便攜帶、實(shí)時監(jiān)測、環(huán)境污染小、高靈敏
度和連續(xù)測定等優(yōu)點(diǎn)，
在生物科學(xué)、
環(huán)境科學(xué)、
食品科學(xué)等領(lǐng)域皆有十分廣闊的
探索價值和應(yīng)用前景
[1]
。
生物傳感器有許多種分類方式
:
根據(jù)生物活性物質(zhì)的類別，生物傳感器可以
分為酶傳感器、免疫傳感器、
DNA
傳感器、組織傳感器和微生物傳感器等；根
據(jù)檢測原理，
生物傳感器可分光學(xué)生物傳感器、
電化學(xué)生物傳感器及壓電生物傳
生物傳感器 應(yīng)用：生物傳感器的應(yīng)用詳解
描述
生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。按照分子識別、轉(zhuǎn)換器件等分類擁有多種類型的生物傳感器，因此生物傳感器也應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的眾多方面，本文將詳解生物傳感器的應(yīng)用。
生物傳感器的應(yīng)用
生物傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
中醫(yī)針炙傳感針
基于中醫(yī)針炙針的傳感針是以中醫(yī)針灸針為基體， 傳感人體微區(qū)中的溫度、pH值、氧分壓、多巴胺，Ca2+，K+，Na+等信息的新功能而得的一種特殊傳感針。
既能實(shí)時傳感出人體微區(qū)中各種生理、生化參數(shù)，并進(jìn)行人體微區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，又能按中醫(yī)針刺的實(shí)施治病理療法。
傳感針是以普通針灸針（或根據(jù)應(yīng)用學(xué)科的具體外形要求用外直徑為0.3~ 0.4mm的空心不銹鋼竹）作為基體加工而成 的。
一般制備過程為：對針灸表面進(jìn)行清潔處理或用處理液浸泡；針尖上鍍相應(yīng)的合金和相應(yīng)參數(shù)的敏感膜，然后再覆蓋上有機(jī)高分子功 能保護(hù)的材料;針體鍍絕緣膜，使之有耐、提、插、捻、轉(zhuǎn)的機(jī)械作用，這一點(diǎn)是由它的傳感和治療雙重功能決定的;用戊二醛消毒液消毒;
根據(jù)不同的參數(shù)特性配上相應(yīng)的測量儀，進(jìn)行直接讀數(shù);在實(shí)驗(yàn)室 經(jīng)過反復(fù)浸泡、沖洗實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)，使它們的主要性能指標(biāo)（如線性范圍、響應(yīng)時間、分辨率、零點(diǎn)漂移、壽命等）達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。
目前己制成的有溫度傳感針、氧分壓傳感針、pH傳感針、Ca2+傳感針和多巴胺傳感針等。
此外，還可研制離了生物傳感針，如K+傳感針、N a+傳感針、中樞神經(jīng)遞質(zhì)傳感針、酶傳感針、抗體傳感針、受體傳感針、激素傳感針、DNA傳感針、RNA傳感針，并進(jìn)而研制多參數(shù)、微型化與智能化的傳感針。
生物芯片
國外正在開發(fā)半導(dǎo)體生物傳感器，它包括一個參考電極和一個PH值量子場效應(yīng)品體管感應(yīng)膜，膜上固定有酶和微生物，當(dāng)固定酶和微生物分別與待測物反應(yīng)時，PH值發(fā)生變化，那么輸出的電流或電壓就可測定，這就完成了對參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的定量分析。如果把這些信號同計(jì)算機(jī)輸人端聯(lián)接，按一定的軟件程序，那么，可開發(fā)生物模擬計(jì)算機(jī)。
醫(yī)用生物傳感器
隨著生物傳感技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療器械范圍內(nèi)開辟出更多專業(yè)的領(lǐng)域。從病毒和疾病檢測到康復(fù)和藥物劑量等。以下的一些生物傳感器裝置，可能會在醫(yī)療領(lǐng)域產(chǎn)生巨大顯著的影響。
葡萄糖監(jiān)測
因?yàn)檠芯咳藛T尋求開發(fā)可穿戴式生物傳感器，可以通過皮膚上的汗水監(jiān)測患者的葡萄糖水平，生物傳感技術(shù)很可能成為糖尿病患者不同人生的制造者。
德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校已經(jīng)開發(fā)出一種大約25美分尺寸大小的傳感器，可以檢測汗液中的皮質(zhì)醇，并提供來自周圍汗液的實(shí)時數(shù)據(jù)（所顯示的）。
一種可以集成到微流控芯片中的光纖葡萄糖傳感器， 可以測量血糖水平的廉價便攜式設(shè)備。最近，我們看到了各種不同的技術(shù)，都是旨在提供一種較少侵入性的葡萄糖監(jiān)測方法，甚至紋身形式的傳感技術(shù)——所有需要做的就是扎一下手指頭，就結(jié)束了。有了這些新技術(shù)，這些傳感器的實(shí)體可能比以往任何時候都更接近我們。
檢測DNA突變
新的電石墨烯生物傳感器芯片可能是第一種被用作生物醫(yī)學(xué)植入物，可以實(shí)時讀取和檢測DNA突變的芯片。 一種廉價的生物傳感器技術(shù)，可以高分辨率檢測人類基因突變，并能把數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上。
該技術(shù)可以引領(lǐng)全新一代的診斷方法和個性化治療，因?yàn)樯飩鞲衅餍酒捎糜谶M(jìn)行活檢和詳細(xì)的DNA測序。由于芯片連接到石墨烯晶體管，它使芯片能夠以電子方式運(yùn)行——使其成為第一個將動態(tài)DNA納米技術(shù)與高分辨率電子傳感相結(jié)合的產(chǎn)品。
疾病診斷
一種新的生物傳感器能夠檢測出與神經(jīng)退行性疾病以及幾種不同類型癌癥相關(guān)的特定分子。該裝置被設(shè)計(jì)為在與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶接觸時反應(yīng)，谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶是一種與帕金森氏病、阿爾茨海默病、乳腺癌和其他疾病相關(guān)的酶。
該裝置是玻璃載片上的有機(jī)納米級晶體管，使用納米級系統(tǒng)識別特定分子，可以被用來快速和安全地診斷復(fù)雜疾病。
該裝置的便攜性和低成本使其適用于任何實(shí)際的生活環(huán)境中，并且可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于檢測與不同疾病相關(guān)的其他物質(zhì)或分子。該團(tuán)隊(duì)最終計(jì)劃創(chuàng)建一個基于紙張的生物傳感器，盡可能的進(jìn)一步改善便攜性和成本費(fèi)用。
病毒檢測
生物感測技術(shù)可以在病毒檢測中發(fā)揮重要作用。 一種新的納米生物傳感器，可以在短短2至3小時內(nèi)檢測到各種不同的病毒。
傳統(tǒng)的測試方法可能需要一到三天才能完成，然而，這種新的生物傳感器使用增頻轉(zhuǎn)換發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（LRET）用于液相系統(tǒng)中的超靈敏病毒檢測。
該技術(shù)的設(shè)計(jì)和操作簡單，并且不需要使用任何昂貴的設(shè)備或?qū)I(yè)技能。該技術(shù)還被設(shè)計(jì)用于識別幾乎任何已知的目標(biāo)病毒的基因序列。遲早，這個技術(shù)甚至可以經(jīng)過調(diào)整改進(jìn)用于在單個測試平臺上識別多種流感病毒。
藥物劑量
通過精確施藥引領(lǐng)新的個性化治療的發(fā)展， 一種新型的生物傳感芯片，一厘米大小的正方形設(shè)備包含了一個電路，一個控制單元和一個無線電傳輸模塊，一旦植入體內(nèi)后，允許芯片讀取信息，并跟大量的化合物做出反應(yīng)。
該芯片將允許醫(yī)生監(jiān)測藥物對新陳代謝系統(tǒng)影響的實(shí)時效果，這個成就可以引領(lǐng)全新一代的個性化治療和精確療法。 這個生物傳感芯片可以測量pH值，溫度和代謝相關(guān)分子如葡萄糖和膽固醇的。
腦損傷檢測
腦損傷已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)世界中的一個重要問題，特別是在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。來自約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins）的心臟病學(xué)專家和工程師一直想利用生物傳感技術(shù)，在發(fā)生嚴(yán)重的腦損傷時來警示提醒醫(yī)生，特別是在心臟手術(shù)中。兩組人合作開發(fā)了一種指甲大小的生物傳感器，可以檢測與腦損傷相關(guān)的特定蛋白質(zhì)。
作為心臟手術(shù)的結(jié)果，兒童往往很多時候會出現(xiàn)神經(jīng)發(fā)育的問題，最近的研究表明，多達(dá)40％的進(jìn)行心臟手術(shù)的嬰兒患者在核磁共振成像掃描（MRI）中出現(xiàn)腦部異常。
這個新的傳感器平臺經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以識別作為腦損傷生物標(biāo)記的特定蛋白質(zhì)，并且最終可以在手術(shù)室外使用，為運(yùn)動員和事故受害者快速檢測和診斷腦損傷。
監(jiān)測康復(fù)患者
生物感應(yīng)技術(shù)用于使用輪椅或假肢的康復(fù)病人。研究人員計(jì)劃進(jìn)行各種不同的研究，利用生物傳感技術(shù)，以臨時紋身和智能手表的形式收集數(shù)據(jù)，并監(jiān)測具體康復(fù)設(shè)備和鍛煉的效果。
該研究將觀察患者在家里使用的反應(yīng)如何，以及如何應(yīng)對康復(fù)設(shè)備和鍛煉，以便開發(fā)能夠使用生物傳感器信息的軟件，支持那些選擇在家中進(jìn)行康復(fù)的患者。這個研究的目的是使用這些技術(shù)提供的信息來改善患者治療，以及改善家用康復(fù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和功能。
生物傳感器在非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用
傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測通常采用離線分析方法，操作復(fù)雜，所需儀器昂貴，且不適宜進(jìn)行現(xiàn)場快速監(jiān)測和連續(xù)在線分析。隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，生物傳感器在建立和發(fā)展連續(xù)、在線、快速的現(xiàn)場監(jiān)測體系中發(fā)揮著重要作用。
1） 水質(zhì)監(jiān)測
生化需氧量（BOD）是衡量水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，BOD的研究對于水質(zhì)監(jiān)測及處理都是非常重要的此研究也成為水質(zhì)檢測科技發(fā)展的方向。
BOD的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稀釋法所需時間長，操作繁瑣，準(zhǔn)確度差，BOD傳感器不僅能滿足實(shí)際監(jiān)測的要求，并具有快速、靈敏的特點(diǎn)。 隨著BOD快速測定研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)BODst（快速BOD測定值）還可作為在線監(jiān)測生物處理過程的一個重要參數(shù) 。
2）大氣質(zhì)量監(jiān)測
生物傳感器可監(jiān)測大氣中的CO2，NO ，NH3及CH，等。Antonelli M等人 采用地衣組織研制了一種傳感器，有望用于對大氣、水和油等物質(zhì)中苯的濃度的監(jiān)測。用多孔滲透膜、固定化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器，可測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NO 的濃度，其檢測極限為1 xl0 mol／L。
在食品工程中的應(yīng)用
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御大腸桿菌0157. H7.一類的細(xì)菌。 生物傳感器可以直接測量102CFU（菌落形成單位）的大腸桿菌0157. H7.。
檢測病原體之后即可以將它分離到培養(yǎng)基上生長。從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長總共只需1天時間，而傳統(tǒng)方法需要4天。
還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物。它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號，己達(dá)到的檢測
極限為16. 2nd/ mL。
在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用
生物傳感器在化學(xué)、生物戰(zhàn)劑的偵檢方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測多種細(xì)菌、病毒及其毒素（如炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等） ， 在化學(xué)戰(zhàn)劑檢測中研究和使用最多的是乙酰膽堿脂酶傳感器。
20世紀(jì)5O年代，就有人設(shè)計(jì)了沙林毒劑的酶檢測方法，可檢出0．1—0．5×10 的沙林，這一方法至今仍被國際上普遍用于神經(jīng)性毒劑偵毒包和報警器中。
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