生物傳感器(biosensor)是指固定化的生物體內(nèi)成分(酶、抗原、抗體、激素等)或生物體本身(細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等)為敏感元件組成的傳感器。

(一)特點(diǎn)

生物傳感器的主要特點(diǎn):①選擇了敏感的生物體材料,一般不需要對(duì)標(biāo)本進(jìn)行前處理,也不需要加其他試劑,使用簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確。②體積小,可連續(xù)在位檢測(cè),聯(lián)機(jī)操作。③響應(yīng)快,標(biāo)本用量少,固定化的敏感材料可反復(fù)使用。④成本低,便于推廣普及。

(二)分類

根據(jù)利用生物物質(zhì)的不同,生物傳感器可分為兩類。一類是利用酶、細(xì)胞器、細(xì)胞、組織等具有輔酶特性的生物催化傳感器,如酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器和組織傳感器等。另一類是抗體、結(jié)合蛋白質(zhì)、激素受體、DNA及RNA等具有親和性的傳感器,如免疫傳感器、受體傳感器、DNA傳感器等?，F(xiàn)介紹幾種常用的生物傳感器。

1.酶?jìng)鞲衅?將固化酶層和化學(xué)傳感器結(jié)合在一起。葡萄糖傳感器是典型的酶?jìng)鞲衅?溶液中的葡萄糖擴(kuò)散進(jìn)入酶膜被葡萄糖氧化酶迅速氧化,生成過氧化氫,后者被氣體電極檢測(cè)。通過測(cè)定過氧化氫的量可以對(duì)溶液中的葡萄糖進(jìn)行定量。酶電極的組成,要根據(jù)被測(cè)物選擇,基礎(chǔ)電極的選擇,要根據(jù)酶促反應(yīng)的產(chǎn)物確定。酶電極的選擇性(或特異性)決定所用酶對(duì)被測(cè)物的特異性,電極的靈敏度、線性范圍等主要取決于基礎(chǔ)電極的性能。目前使用的主要酶電極有葡萄糖電極、膽固醇和膽固醇酯電極、乳酸電極和乙醇電極等。

酶?jìng)鞲衅骶哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):①酶可反復(fù)使用;②操作簡(jiǎn)單、快速;③適用于微量標(biāo)本測(cè)定;④定量測(cè)定;⑤比色法測(cè)定渾濁標(biāo)本中的物質(zhì)含量;⑥有利于控制和自動(dòng)化測(cè)量等。

2.微生物電極 直接利用微生物細(xì)胞內(nèi)復(fù)合酶系統(tǒng)作為傳感器的識(shí)別部位。它具有以下特點(diǎn):①微生物電極的壽命比酶電極長(zhǎng)。因體內(nèi)的酶處于最適條件,只要微生物存活,體內(nèi)的酶即可保持較高的活性。②微生物電極的價(jià)格比酶電極低。因微生物來源方便,成本低。③微生物體內(nèi)含有多種酶和酶的輔助因子,是復(fù)合酶體系,既可利用微生物體內(nèi)的某種酶為敏感材料,也可利用整體為敏感材料制成傳感器。④固定化的微生物接近失效(微生物大部分死亡)時(shí)可以再生。⑤微生物電極的選擇性不如酶電極。

微生物電極的工作原理分為兩種類型:一種是利用微生物的呼吸活性,另一種利用微生物的代謝產(chǎn)物,以前者為多。利用呼吸活性的微生物電極,借助測(cè)定微生物攝取被測(cè)物(底物)標(biāo)本中溶解氧的減少量來測(cè)定被測(cè)物含量,這種微生物電極的基礎(chǔ)電極是氧電極。利用微生物代謝產(chǎn)物的微生物電極,其產(chǎn)物必須是某種電極(例如CO2電極)的活性物質(zhì),根據(jù)產(chǎn)物的量推測(cè)被測(cè)物的量。

(三)組織電極

組織電極是用動(dòng)植物組織切片作為敏感元件的電化學(xué)傳感器。與酶電極相比,組織電極有以下優(yōu)點(diǎn):①動(dòng)植物組織中的酶處于最佳狀態(tài),且相當(dāng)于被固化,酶不易流失,活性高;②組織材料易獲取,其價(jià)格比純化酶低得多;③對(duì)無法分離純化酶的生化反應(yīng)體系,組織電極更有獨(dú)到之處;④制備簡(jiǎn)單,組織切片用適當(dāng)方法保存,其壽命達(dá)1年以上。這類電極可以測(cè)定維生素C、谷氨酰胺、細(xì)胞色素C和腺苷等。

(四)免疫電極

免疫電極是以固定化的抗體或抗原為敏感元件,用電化學(xué)電極為信號(hào)轉(zhuǎn)換器所組成一類電化學(xué)生物傳感器,用于識(shí)別和檢測(cè)相應(yīng)的抗原或抗體。目前使用的免疫電極主要用于血清蛋白、細(xì)菌、病毒、腫瘤標(biāo)志物、激素、維生素、藥物及毒物等檢測(cè)。