生物传感器

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一、生物傳感器定義與分類

用固定化生物成分或生物體作爲敏感元件的傳感器稱爲生物傳感器(biosensor)。生物傳感器並不專指用于生物技術領域的傳感器,它的應用領域還包括環境監測、醫療衛生和食品檢驗等。

生物傳感器主要有下面叁種分類命名方式:

1.根據生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分爲五類:酶傳感器(enzymesensor),微生物傳感器(microbial sensor),細胞傳感器(organall sensor),組織傳感器(tis-sue sensor)和免疫傳感器(immunol sensor)。顯而易見,所應用的敏感材料依次爲酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。

2.根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有:生物電極(bioelectrode)傳感器,半導體生物傳感器(semiconduct biosensor),光生物傳感器(optical biosensor),熱生物傳感器(calorimetric biosensor),壓電晶體生物傳感器(piezoelectric biosensor)等,換能器依次爲電化學電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

3.以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有生物親合型生物傳感器(affinity biosensor)。

叁種分類方法之間實際互相交叉使用。

二、生物傳感器基本結構和工作原理

生物傳感器由分子識別部分(敏感元件)和轉換部分(換能器)構成,以分子識別部分去識別被測目標,是可以引起某種物理變化或化學變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎。

生物體中能夠選擇性地分辯特定物質的物質有酶、抗體、組織、細胞等。这些分子識別功能物質通過識別過程可與被測目標結合成複合物,如抗體和抗原的結合,酶與基質的結合。在設計生物傳感器時,選擇適合于測定對象的識別功能物質,是極爲重要的前提。要考慮到所産生的複合物的特性。根據分子識別功能物質制備的敏感元件所引起的化學變化或物理變化,去選擇換能器,是研制高質量生物傳感器的另一重要環節。敏感元件中光、熱、化學物質的生成或消耗等會産生相應的變化量。根據这些變化量,可以選擇適當的換能器。

生物化學反應過程産生的信息是多元化的,微電子學和現代傳感技術的成果已爲檢測这些信息提供暸豐富的手段。

叁、生物傳感器應用于環境監測實例

(一)BOD生物傳感器

BOD標准稀釋法是水體有機汙染的常規監測方法之一。它需要將含有微生物的水樣在20℃培養5d,需要熟練的操作技巧,操作過程繁瑣,不能及時反映水質情況。爲暸簡單、決速地測定BOD,産生暸BOD生物傳感器,以代替標准稀釋法。

BOD生物傳感器使用的微生物可以是絲孢酵母(Trichosporon cutaneum)。菌體吸附在多孔膜上,室溫下幹燥後保存待用。將帶有菌體的多孔膜置于氧電極的Teflon膜上,使菌體處于兩層膜之間。測量系統包括:帶有夾套的流通池(直徑1.7cm,高0.6cm,體積1.4ml),生物傳感器探頭安装在流通池內;蠕動泵;自動采樣器和記錄儀。

流通池夾套中水溫恒定于30℃±0.2℃,嚮流通池中注入氧飽和的磷酸鹽緩沖液(pH7.0,0.1mol/L),流量爲1ml/min。電流顯示達穩態值後,以0.2ml/min的流量嚮流通池注入樣品溶液,每隔60min注入樣品一次。

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