[科普中國]-生物敏感材料

生物敏感材料利用酶、微生物、抗原和細(xì)胞等與生物有關(guān)連的物質(zhì)只和某種特定的物質(zhì)發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，并能將其中的離子濃度、氣體濃度和溫度等物理與化學(xué)量變?yōu)殡娦盘柕牟牧?。這類材料具有選擇性好、感度高、精度高以及用少量的被測物就可進行檢測的特點。常用它制成傳感器，主要用于醫(yī)療上的檢測、環(huán)境上的測量和生物化學(xué)方面的測量等。最近已出現(xiàn)將其制成的超小型傳感器埋入皮下或筋肉內(nèi)，可對生物體內(nèi)的一些指標(biāo)進行連續(xù)檢測。

生物敏感材料的發(fā)展生物敏感材料主要用于生物傳感器，它通常是指由一種分子識別元件(感受器)即敏感器件和信號轉(zhuǎn)換器(換能器)即轉(zhuǎn)換器件緊密結(jié)合，對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。

生物傳感器的研究起源于20世紀(jì)60年代。1962年，Clark和Lyons首次把嫁接酶法和離子敏感氧電極技術(shù)結(jié)合，在傳統(tǒng)的離子選擇性電極上固定具有生物選擇性的酶而創(chuàng)制了測定葡萄糖含量的酶電極，這就是最初的生物傳感器雛形。1967年，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧電極組裝在一起，制成了第一種生物傳感器，即葡萄糖酶傳感器，使反復(fù)測量血糖成為可能，代表了生物傳感器的誕生。

到目前為止，生物傳感器的發(fā)展可以大致分為三個階段：第一階段為起步階段(20世紀(jì)60～70年代)，此階段的生物傳感器由固定了生物成分的非活性基質(zhì)膜(透析膜或反應(yīng)膜)和電化學(xué)電極所組成，以Clark傳統(tǒng)酶電極為代表；第二階段為生物傳感器發(fā)展的第一個高潮時期(20世紀(jì)70年代末至20世紀(jì)80年代)，這一時期的生物傳感器將生物成分直接吸附或共價結(jié)合到轉(zhuǎn)化器的表面，而無需非活性的基質(zhì)膜，測定時不必向樣品中加入其他試劑，以介體酶電極為代表；第三階段為生物傳感器發(fā)展的第二個高潮時期(20世紀(jì)90年代至今)，生物傳感器把生物傳感成分直接固定在電子元器件上，它們可以直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而把生物識別和信號轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起，以表面等離子體和生物芯片為代表，此階段生物傳感器的市場開發(fā)獲得了顯著成就。

生物敏感材料的換能特性生物傳感器一般由分子識別元件(生物敏感膜或生物功能膜)、信號轉(zhuǎn)換器及電子放大器組成，分子識別元件，是具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機物分子等)；信號轉(zhuǎn)換器，是將分子識別元件進行識別時所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置，主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測量)、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等。當(dāng)待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?、光信號等，從而達到分析檢測的目的。1

信息轉(zhuǎn)化的形式生物傳感器的轉(zhuǎn)換部分將生物信息轉(zhuǎn)變成電信號輸出。按照受體學(xué)說，細(xì)胞的識別作用是由于嵌合于細(xì)胞膜表面的受體與外界的配位體發(fā)生了共價結(jié)合，通過細(xì)胞膜能透性的改變，誘發(fā)了一系列電化學(xué)過程。膜反應(yīng)所產(chǎn)生的變化再分別通過電極、半導(dǎo)體器件、熱敏電阻、光敏二極管或聲波檢測器等，轉(zhuǎn)換成電信號，形成生物傳感信息。下面是一些主要的形式：

1)電化學(xué)的形式。目前絕大部分的生物傳感器工作原理均屬于此類。以酶傳感器為例，伴隨著酶的分子識別，生物體中的某些特定物質(zhì)的量發(fā)生增減。用能把這類物質(zhì)量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化的酶相結(jié)合，常用的轉(zhuǎn)換方式是通過適合的電極(如離子選擇電極、過氧化氫電極、氫離子電極等)將這種物質(zhì)的增減變?yōu)殡娦盘枴Ａ硗猓?xì)胞傳感器和微生物傳感器等的工作原理也與此類似。

2)熱變化的形式。有些生物敏感膜在分子識別時伴隨著有熱變化，將熱變?yōu)殡娦盘?，可由生物敏感膜加上熱敏電阻?gòu)成。大多數(shù)酶促反應(yīng)均有熱變化，一般在25～100kJ/mol的范圍。

3)光變化的形式。有些生物敏感膜在分子識別時伴隨著有發(fā)光的現(xiàn)象產(chǎn)生，如過氧化氫酶能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，因此可參照前述的光一電轉(zhuǎn)化的模式將光轉(zhuǎn)換成電信號。例如，將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管等光敏器件的前端，再用光電流檢測裝置，即可測定過氧化氫的含量。許多酶促反應(yīng)都伴有過氧化氫的產(chǎn)生；又如葡萄糖氧化酶(GOD)在催化葡萄糖氧化時也產(chǎn)生過氧化氫，因此葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶一起做成復(fù)合酶膜，則可利用上述方法測定葡萄糖濃度。

4)直接轉(zhuǎn)換的形式。上述三種原理的生物傳感器，都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化量通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡娦盘栠M行測量的，這些方式稱為間接測量方式。還有一些生物敏感膜在分子識別時會形成復(fù)合體，而這一過程可使酶促反應(yīng)伴隨有電子轉(zhuǎn)移、微生細(xì)胞的氧化或通過電子傳送體作用在電極表面上直接產(chǎn)生電信號，若在固體表面進行，則固體表面的電位發(fā)生變化。將此表面電量的變化量檢出即為直接轉(zhuǎn)換。1

分類1)根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器等。

2)根據(jù)生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲學(xué)生物傳感器等。

3)根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式，可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器等。另外，將以半導(dǎo)體生物傳感器和微型生物電極為代表的所有直徑在微米級甚至更小的生物傳感器統(tǒng)稱為微型生物傳感器(Micro Biosensor)、納米微生物傳感器(Nano Biosensor)，此類傳感器在活體測定方面具有重要意義。能夠同時測量兩種以上指標(biāo)或者綜合指標(biāo)的生物傳感器稱為多功能傳感器(Muhifunctional Biosensor)，如嗅覺傳感器、鮮度傳感器、血液成分傳感器等。由兩種以上不同分子識別元件組成的生物傳感器稱為雜合生物傳感器(Hybridized Biosensor)，如多酶傳感器、電化學(xué)一熱生物傳感器、酶一微生物雜合傳感器等。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)