生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展與應(yīng)用綜述

1、收稿日期: 2 0 0 7 - 1 0 - 2 6作者簡介: 夏西泉( 1 9 6 9 —) , 男, 重慶市人, 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院, 高級(jí)講師, 主要從事傳感與檢測(cè)技術(shù)、 通信技術(shù)的教學(xué)與研究;曹毅( 1 9 6 7 —) , 男, 重慶市人, 副教授, 重慶城市管理職業(yè)學(xué)院電子信息工程系主任, 主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信、 生物醫(yī)學(xué)信息處理。第 1 7 卷 第 1 期 重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) V o l . 1 7N o . 1

2、2 0 0 8 年 1 月 J o u r n a l o f C h o n g q i n g V o c a t i o n a l第二部分是轉(zhuǎn)換部件, 將其他物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量( 電壓或電流) , 如: 溫度轉(zhuǎn)化為電壓, 力學(xué)壓力量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量等。其余為輔助部分, 完成系統(tǒng)測(cè)量或控制的功能。生物傳感器的組成框圖如圖 1 所示。2 . 2 生物傳感器的原理被測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料,經(jīng)分子識(shí)別( 特異性結(jié)合) 后, 發(fā)生物

3、理或化學(xué)反應(yīng), 產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào), 再經(jīng)信號(hào)處理單元處理后輸出, 便可知道待測(cè)物的相關(guān)信息。3 生物傳感器的種類根據(jù)生物傳感器組成部分( 識(shí)別部分和轉(zhuǎn)換部分) 的材料或原理的不同, 可以有以下不同的分類方法。( 1 ) 按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類, 可分為微生物傳感器、 免疫傳感器、 組織傳感器、 細(xì)胞傳感器、 酶?jìng)鞲衅鳌?D N A傳感器等。生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展與應(yīng)用綜述夏西泉

4、 1 , 曹 毅 2( 1 . 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院, 重慶 4 0 1 3 3 1 ; 2 . 重慶城市管理職業(yè)學(xué)院, 重慶 4 0 0 0 5 5 )摘 要: 隨著現(xiàn)代生物工程技術(shù)的發(fā)展和需要, 生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究與開發(fā)得到了長足發(fā)展, 特別是微傳感器及生化傳感器是目前發(fā)展的前沿技術(shù), 本文對(duì)生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展、 原理、 應(yīng)用領(lǐng)域以及發(fā)展趨勢(shì)等作了詳細(xì)論述。關(guān)鍵詞: 生物醫(yī)學(xué)傳感器; 傳感器; 應(yīng)用中圖分類號(hào): Q - 1 文獻(xiàn)

5、標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1 6 7 2 - 0 0 6 7 ( 2 0 0 8 ) 0 1 - 0 1 4 9 - 0 4圖 1 生物傳感器結(jié)構(gòu)框圖夏西泉, 等: 生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)展與應(yīng)用綜述 第 1 期有新的農(nóng)藥和抗生素用于農(nóng)牧業(yè),它們?cè)诮o人類帶來財(cái)富的同時(shí), 也給人類帶來了危害。 所以對(duì)農(nóng)藥和抗生素殘留量的測(cè)定,各國政府一向都非常重視。 近年來, 人們 就 生 物 傳 感 器在 該 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng) 用 做 了 一 些 探 索

6、 , 如S t a r o d u b等分別用乙酰膽堿脂酶( A C h E ) 和丁酰膽堿脂酶( B C h E ) 為敏感材料, 制作了離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管酶?jìng)鞲衅?兩種傳感器均用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥 D D V P和伏殺磷等的測(cè)定, 檢測(cè)限為 1 0 - 7 ～ 1 0 - 5 m o l / L。5 . 3 食品、 醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用在食品和醫(yī)藥工業(yè)中, 為保證產(chǎn)品質(zhì)量, 必須實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)監(jiān)控。 以發(fā)酵生產(chǎn)啤酒為例, 為確

7、保啤酒的質(zhì)量, 必須對(duì)啤酒中的幾種主要成分進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。 生物傳感器已用于啤酒中乙醇的檢測(cè),這種傳感器由固定的微生物膜和氧電極組成, 當(dāng)它與乙醇溶液接觸時(shí), 膜上的微生物具有把乙醇分解成碳酸氣和水的功能,在反應(yīng)中消耗了氧, 由氧電極測(cè)出氧的消耗, 進(jìn)而測(cè)出樣品中乙醇的濃度。 鮮度是評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一, 通常用人的感觀檢測(cè), 主觀性強(qiáng), 個(gè)體差異大, 所以人們一直在尋找客觀的理化指標(biāo)來代替。 V o l p e 等以黃嘌呤氧化酶為

8、生物敏感材料, 結(jié)合過氧化氫電極, 通過測(cè)定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷( I M P ) 、 肌苷( H X R ) 和次黃嘌呤( H X ) 的濃度, 從而評(píng)價(jià)魚的鮮度。 在醫(yī)藥工業(yè)上, 一般采用發(fā)酵工藝生產(chǎn)谷氨酸, 因此需要快速、 連續(xù)、 自動(dòng)地測(cè)定發(fā)酵生成物濃度, 以便進(jìn)一步提高產(chǎn)率。 1 9 8 0 年, H i k u m a 等成功地研制出測(cè)定谷氨酸濃度的微生物傳感器,用于谷氨酸生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)。5 . 4 軍事上的應(yīng)用現(xiàn)代

9、戰(zhàn)爭往往是在核武器、 化學(xué)武器、 生物武器威脅下進(jìn)行的戰(zhàn)爭。 偵檢、 鑒定和監(jiān)測(cè)是整個(gè)“ 三防” 醫(yī)學(xué)中的重要環(huán)節(jié), 是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。 由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑( 包括病毒、 細(xì)菌和毒素) 等的特性, 生物傳感器將是最重要的一類生物戰(zhàn)劑偵檢器材。 1 9 8 1 年, T a y l o r 等人成功地發(fā)明了兩種受體生物傳感器:煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器,

10、它們能在 1 0 s內(nèi)偵檢 1 0 - 9 濃度級(jí)的生化戰(zhàn)劑, 包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、 黃熱病毒、 炭疽桿菌、 流感病毒等。近年來, 美國陸軍醫(yī)學(xué)研究和發(fā)展部研制的酶免疫生物傳感器具有初步鑒定 多 達(dá) 2 2 種 不 同 生 物 戰(zhàn) 劑 的 能 力 。美 國 海 軍 研 究 出D N A探針生物傳感器, 在海灣沙漠風(fēng)暴作戰(zhàn)中用于檢測(cè)生物戰(zhàn)劑。 用生物傳感器檢測(cè)生物戰(zhàn)劑、 化學(xué)戰(zhàn)劑具有經(jīng)濟(jì)、 簡便、 迅速、 靈敏的特點(diǎn)。 單克隆抗體的出

11、現(xiàn)及其與微電子學(xué)的聯(lián)系, 使發(fā)展眾多的小型、 超敏感生物傳感器成為可能, 生物傳感器在軍事上的應(yīng)用前景將更為廣闊。6 展 望生物傳感器是一個(gè)多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域,伴隨著生物科學(xué)、 信息科學(xué)和材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的高速發(fā)展,生物傳感器的發(fā)展將會(huì)有以下新特點(diǎn):功能多樣化:未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、 疾病診斷、 食品檢測(cè)、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、 發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。目前,生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研究能代替生物視覺、 聽覺和觸覺等感

12、覺器官的生物傳感器,即仿生傳感器。微型化: 隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步, 生物傳感器將不斷地微型化,各種便攜式生物傳感器的出現(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷,在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。智能化與集成化:未來的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合, 自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、 處理數(shù)據(jù), 更科學(xué)、 準(zhǔn)確地提供結(jié)果, 實(shí)現(xiàn)采樣、 進(jìn)樣、 結(jié)果一條龍, 形成檢測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。同時(shí),芯片技術(shù)將越來越多地進(jìn)入傳感器領(lǐng)域, 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的集成化、 一體化。7 結(jié)束語

13、2 1世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì), 特別是人類基因組計(jì)劃的實(shí)施大大加速了與生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)、 衛(wèi)生、 食物等學(xué)科息息相關(guān)的各類新型生化傳感器的發(fā)展,這給當(dāng)前生化傳感器的研究提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。 可以預(yù)見, 在不久的將來,一種新型的生化傳感器微系統(tǒng)將走進(jìn)我們的生活, 它將在疾病診斷、 生物信息學(xué)和基因檢測(cè)分析等方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):[ 1 ] 彭承琳. 生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用[ M] . 北京: 高等教育出版社, 2 0 0

14、 0 .[ 2 ] 彭承琳. 生物醫(yī)學(xué)傳感器—— —原理與應(yīng)用[ M] . 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 1 9 9 2 .[ 3 ] Me h m e t E n g i n , A l p a r s l a nD e m i r e l , e t c . R e c e n t d e v e l o p m e n t s a n dt r e n d s i n b i o m e d i c a l s e n s o r s

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16、 . D e v e l o p m e n to f b i o s e n s o r s f o r p h e n o l d e t e r m i n a t i o nf r o mb a c t e r i a f o u n d i np e t r o l e u mf i e l d s o f We s t S i b e r i a [ J ] . A p p l i e d b i o c h e m i s

17、 t r y a n dm i c r o b i o l o g y , 2 0 0 2 , 3 8 ( 1 ) : 2 3 - 2 7 .[ 6 ] S e m e n c h u k I N , T a r a n o v a L A , K a l e n y u k A A , e t c . E f f e c t o fv a r i o u s m e t h o d s o f i m m o b i l i z a

18、t i o n o n t h e s t a b i l i t y o f a m i c r o b i a lb i o s e n s o r f o r s u r f a c t a n t s b a s e d o nP s e u d o m o n a s r a t h o n i s T [ J ] .A p p l i e d b i o c h e m i s t r y a n d m i c r o b

19、 i o l o g y , 2 0 0 0 , 3 6 ( 1 ) : 6 9 - 7 2 .[ 7 ] 許媛媛, 夏善紅等. 基于 ME MS 的生物微傳感技術(shù)[ J ] . 傳感器技術(shù), 2 0 0 5 , 2 4 ( 2 ) : 5 - 7 .[ 8 ] N a k a m u r a H . P h o s p h a t e i o n d e t e r m i n a t i o n i n w a t e r f o

20、r d r i n k i n gu s i n g b i o s e n s o r s [ J ] .B u n s e k i k a g a k u , 2 0 0 1 , 5 0 ( 8 ) : 5 8 1 - 5 8 2 .[ 9 ] A , L u c a c i uI , F l e s c h i nS , Ma g e a r uV . Mi c r o b i a l b i o s e n s o r f o

21、rn o n y l - p h e n o l e t o x y l a t e ( N P - 8 0 E ) [ J ] . S o u t hA f r i c a nJ o u n a l o fC h e m i s t r y - s u i d - a f r i k a a n s e t y d s k r i f v i r c h e m i e , 2 0 0 0 , 5 3 ( 1 ) : 1 4 - 1

22、7 .[ 1 0 ] L e t hS , Ma l t o n i S , S i m k u s R , e t c . E n g i n e e r e d b a c t e r i a b a s e db i o s e n s o r s f o r m o n i t o r i n g b i o a v a i l a b l e h e a v y m e t a l [ J ] .E l e c t r o a