第18卷第6期煤火
2000年11月
泉州师范学院学报(自然科学)Jou rnal of Q uanzhou N o r m al Co llege (N atu ral Science )V o l .18 N o.6N ov .2000 文章编号:1008-4924(2000)-0024-04生物传感器研究进展及应用 彭 友 元(泉州师范学院化学系 福建泉州 362000)
摘 要：生物传感器从本世纪60年代诞生发展至今，在基础研究、应用研究、新产
品开发和商品化等各方面都取得了惊人的进展.简述近年来生物传感器的研究进展.机床罩壳
中图分类号:O 657.3 文献标识码:A
从本世纪40年代起，就已经开始用酶作为分析试剂来检测研究特定的物质.酶不仅对底物，对与之相应的辅酶、抑制剂也能识别.生物体内除了酶以外，其他具有分子识别作用的物质，例如抗体、抗原，激素等，把它们固定在膜上也能作为传感器的敏感元件.此外，固定化的细胞、细胞器及动植物组织的切片也
有类似的作用.这类用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素)或生物体本身(细胞、细胞器、组织)作为敏感元件的传感器称为生物传感器.
生物传感器由两部分组成，其一是敏感器(分子识别元件)，其二是信号转换器.生物传感被测物 识别元件 转换元件 电子仪器 图1 生物传感器的基本组成示意图器的组成如图1所示.生物传感器一般可以从
下面三个角度分类:(1)根据传感器输出信号
的产生方式分类，可分为催化型生物传感器和
亲和型生物传感器.前者利用酶的专一性和催
化性在接近中性和室温条件对酶作用的底物进行检测，它检测的是整个反应动力学过程的
总效应.后者利用抗原和抗体间专一性识别和键合性质来对抗原、半抗原进行检测，它检测的是热力学平衡的结果.(2)根据生物传感器分子识别元件上的敏感元件分类，可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器，免疫传感器等.(3)根据生物传感器的信号，转换器可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等.上述后两种分类方法还可相互交叉.
1 生物传感器的研究现状
收稿日期:2000-03-24
作者简介：彭友元(1974-)，女，助教，硕士.
本文就生物传感器的敏感元件分类，对各类生物传感器的研究情况作一简单介绍.大庆油田教育中心
1.1 酶传感器
酶传感器是问世最早，成熟程度最高并已商品化的一类生物传感器.自从1967年U pdike 和H ick s 将固定化的葡萄糖氧化酶(GOD )膜结合至氧电极上[1]，作成了第一只酶电极以来，酶传感器得到了迅速的发展，表1列出了部分研究过的酶传感器. 表1 部分酶传感器及研究情况被测物酶换能装置或原理文献青霉素
青霉素酶pH 电极[2]尿素
脲酶交流电导转换器[3]乙酸
乙酸脱氢酶铂电极[4]草酸盐
草酸脱氢酶安培法[5]肌酸酐
肌酸酐脱氢酶氨气敏电极[6]苯甲酸盐
苯甲酸氧化酶安培法[7]亚硝酸盐
亚硝酸还原酶氧电极[8]尿素
脲酶光吸收[9]H 2O 2辣根过氧化物酶(HR P )
化学发光[10]镁萤虫素酶
生物发光[11]抗坏血酸抗坏血酸氧化酶
热敏电阻[12]过氧化氢过氧化氢酶生物光电二极管
[13] 由于酶能选择性的快速辨别特定的底物，并在较温和的条件下对底物的反应起催化作用，所以酶一直作为生物传感器中的首选生物活性物质，但大多数酶的制备和纯化困难，价格昂贵，这就极大的限制了酶传感器的研究和应用.
1.2 组织传感器
以动植物组织薄片材料作为敏感元件的生物传感器称为组织传感器.与酶传感器相比，组织传感器具有以下优点:(1)用存在于自然环境中的自然物质本身探测自然[14];(2)省去了酶传感器中酶的分离，制作简单，价格低廉，使用寿命相对较长;(3)可用于酶催化途径不清楚的体系.1978年R echn itz 利用牛肝组织切片和脲酶与氨气敏电极结合研制成功第一只动物组织传感器[15].这以后，美国、日本、西欧以及我国的有关学者在这方面作了大量的工作.日本
Ku riyam a .S (东京技术研究所)和R echn itz 共同开创了植物组织电极的先例[16].我国马逸龙
(同济医科大学)也曾在该实验室从事羊肾组织电极测定D -氨基酸，猪肾组织电极测定葡糖胺-6-磷酸盐的研究[17,18].国内报道较早的是哈尔滨医科大学1987年发表的“猪肾-谷胺酰 胺组织电极的研究”[19],1988年9月全国第二届化学传感器学术交流会上，湖南大学报道了猪
肝-V c 电极，猪肝-H 2O 2电极以及猪肾-细胞素C 电极等的研究[20].华西医科大学也先后完成了猪肾-谷氨酰胺电极，兔胸腺-腺苷电极，菠菜-亚硝酸盐电极等的研究.缝隙腐蚀
虽然组织传感器在十多年的时间里取得了可喜的成就，显示出广阔的发展前景，但从整体上说，此类传感器的研究还处于初级阶段，尚存在以下问题:(1)选择性.组织体内是多种酶源的聚集体，提高选择性是开发组织传感器的首要任务.(2)重现性.组织切片受到组织来源、保存期限、切片厚度等因素的影
响，因而每只传感器都需制作标准校正曲线，并在使用过程中随时校正.(3)使用寿命.尽可能的延长传感器的使用寿命，是今后组织传感器研究的重要方向.
52第6期彭友元：生物传感器研究进展及应用
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(4)响应时间.由于组织切片的厚度一般需要数十至数百微米，加上细胞膜的屏障作用，响应时间一般比酶传感器长.(5)机理.关于组织传感器的机理研究还很不深入，有待进一步研究.
1.3 微生物传感器
近年来，微生物固定化的技术在不断发展，从而固定化微生物越来越多的被用作生物传感器的分子识别元件，于是产生了微生物电极.较早的微生物电极都是根据微生物对有机物质的同化作用而设计的.随着微生物电极的发展，目前已出现了基于其它原理的微生物电极:(1)燃料型微生物电极.这种形式的微生物电极，微生物能直接给出电信号，微生物在代谢过程中可产生电子，直接在阳极上放电;(2)光微生物电极.有些微生物具有光合特性，在光照的作用下能将待测物变成电极敏感物质或其本身释放氧.将这类微生物固定化并与氧电极、氢电极等连接，即制得光微生物电极;(3)利用微生物变异的电极.有些致癌的物质会使微生物发生变异，据此设计了检测致癌物质的电极;(4)酶-微生物混合型电极.例如把
固定化肌酸酐酶膜与能使N H3和NO2氧化的微生物固定化层一起装在氧电极上，可制得肌酸酐电极;(5)利用抗生素对微生物的抑制作用的电极.有些抗生素对某些细菌有抑制作用，细菌经抑制后数量减少，呼吸活性降低，减低程度与所加抗生素的量有关，测定细菌的呼吸活性即可测出抗生素浓度;
(6)利用细胞表层物质的电极.在细胞表层上的糖原，膜结合蛋白等物质对抗体、离子、糖等有选择性的识别作用，将这些识别元件和细胞的电极反应相结合，可研制出新型的微生物电极.
微生物传感器目前仍在探索和发展阶段，尚存在许多问题如选择性，微生物的固定化方法等以致于还不能普遍实用化.微生物传感器将继续发展，形成实用的可靠产品.
1.4 免疫传感器
免疫测定法是根据抗原抗体反应来测定痕量物质的一种高灵敏度、高选择性的手段.因为抗体对相应的抗原具有识别和结合的双重功能，所以抗体能有选择的与抗原结合而不与其它物质结合.免疫传感器就是利用抗体(抗原)对抗原(抗体)的识别功能而研制成的生物传感器.
免疫传感器分为竞争法和夹心法两类.竞争法是利用一定量的标记抗原和样品中的抗原对少量定量抗体进行竞争结合，然后将结合在抗体上的抗原和未在抗体上结合的抗原分离，测定抗体或抗原中标记剂的量来求待测抗原量的方法.用竞争法测定的物质，除蛋白质外，多数是些小分子半抗原，如甲状腺素
、三碘甲状腺素和hGG或各种药物等.与此相反，非竞争法也应用得比较普遍，主要是夹心法.夹心法是将样品中的抗原与已在固定载体表面上固定的抗体结合，洗出未结合的成分后，加入标记抗体，使其与固相上的抗原结合，结果是把抗原夹在固定抗体和标记抗体的中间，洗去未结合的标记抗体，测定结合在固相上标记剂的量来求出待测抗原量.从夹心法的测定原理可知，夹心法不能测定半抗原，但可测定多肽和蛋白质等多价抗原.
2 生物传感器的应用
2.1 在临床医学中的应用
以生物传感器为基础测定某一项或几项指标的测定仪，由于小型、价廉、操作简便，优于临床上所用的大型分析仪.随着生物传感器技术的发展，在生物体内的在位测定，以及在人工脏器领域的应用，更能发挥出生物传感器的优势.到目前为止，已形成产品和正在开发的临床诊断用生物传感器主要是电流型的电化学生物传感器.测定的对象包括酶的底物、酶的活性、抗原、抗体、酶的抑制剂等.有些生物传感器已较成熟，如测定尿素、胆固醇、谷氨酸等的传感器.
2.2 在发酵工业中的应用当今的发酵工业除了传统的酒和酱油的酿造之外，已在向抗生素、氨基酸，核酸等的发酵生产方向发展.发酵工业用的生物传感器，有酶传感器和微生物传感器，以微生物传感器为多.在制药发酵工业中也需用到生物传感器，如青霉素传感器，头孢菌素传感器等.
2.3 在环境监测中的应用
环境保护问题越来越被重视，生物传感器在环境监测中已取得了诱人的成就，并将继续扩大其应用范围.目前发表的环境监测用生物传感器已有多种，如水质检测用的测定硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、硫化物、酚、BOD 、
、汞盐、氨、甲酚和诱变性的传感器，测定有毒气体CO 、CH 4、SO 2、NO 2的传感器等，但多数还处在实验室阶段，已经商品化的只有BOD 传感器
.2.4 在食品领域中的应用
食品的组成成分比较复杂，要在众多成分共存下测定某一种成分，常需繁杂的前处理过程，因此食品检验尤其需要向特异性好、简便、快速、可靠的方向发展，这就给生物传感器的应用提供了一个新的领域.应用于食品领域的生物传感器，有葡萄糖传感器、谷氨酸传感器、乙酸传感器等，已经商品化的食品领域用生物传感器还有赖氨酸传感器和测定鱼鲜度的传感器.参考文献:
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2第6期
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Con ta i n i ng N ickel ( )and HED P
X ie Q ingfan , Chen Yanm in
(D epartm ent of Chem istry ,Q uanzhou N o r m al Co lloge ,Fujian ,362000,Ch ina )
Abstract :In th is p ap er seven so lid com p lexes of n ickel and H ED P w ere syn thesized .T he com 2po siti on of these com pounds w ere deter m ined by their elem en tal analysis ,they are N i 2L ・6H 2O ,N i H 2L ・4H 2O ,N aN i HL ・5H 2O ,K 2N i L ・8H 2O ,K 2N i (H 2L )2・8H 2O ,K 4N i (HL )2・12H 2O and K 6N i L 2・10H 2O ,the characterizati on of these com pounds w ere analyzed by I R spectrum .
Keywords :N ickel com p lex ;1-hydroxyethy -lidene -1,1-di pho sphon ic acid ;I R
(上接第27页)
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The Progress and Application on B iosen sors
Peng Youyuan
(D ep t .of Chem .,Q uanzhou N o r m al Co llege ,Fujian 362000,Ch ina )
Abstract :T he h isto ry of b i o sen so rs can be traced back to the early 1960s .So far it has ach ieved great developm en t in m any fields such as p rocess con tro l ,comm ercializati on and etc .T he article is a review of literatu re w h ich repo rts the app licati on and research advance of b i o sen so rs in Ch ina and ab road .
Keywords :b i o sen so r ;enzym e ;tissue 13第6期解庆范等：镍与H ED P 配位化合物的制备及红外光谱表征
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