生物传感器的应用 1

医学综述2012年5月第18卷第10期Medical Recapitula te, May. 2012, Vol. 18, No. 10

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分子生物医学

生物传感器的应用

宋玲玲

1△

(综述) ,

肖 瑞, 陈苏红

22※

(审校)

(1. 军医进修学院, 北京100853; 2. 军事医学科学院放射与辐射医学研究所, 北京100850) 中图分类号:R392. 1 文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2012) 10-1441-03

摘要:生物传感器是在生命科学、材料科学融合的基础上形成的一项新技术。因其具有快速、灵敏度高、特异性强、可实现实时检测、在线检测等优点, 逐渐成为研究的热点并在更多的领域得到应用。在此主要从生物传感器的原理和分类, 及其在食品安全、环境监测、医药、病原菌检测等领域的应用等方面进行介绍, 并对其发展的前景进行展望。

关键词:生物传感器; 应用; 纳米粒子

Application o f Bio-s ens or SONG Ling-ling , XIAO Rui , CH EN Su-hong . (1. Chinese PLA Pos tgr aduate M edical S chool, Beijing 100853, China; 2. B eijing Institute of Radiation M edicine, Academy of Military M edi-cal Sciences, B eijing 100850, China)

Abst rac t:Biosensor is a new technology, which is based on life sciences, materials science and so on. B ecause it has many advantages, such as rapid, hig h sensitivity, str ong specificity, real-time detection, online detection etc. , it has gr adually become a hot resear ch focus and is incr easingly used in var ious fields. Her e is to make a r eview on the principle and classification of biosensors, its application in food safety testing, envi-ronment monitoring, medicine and the detection of pathogen, etc. , and its future prospect.

Key words :Biosensors; Application; Nanopa rticles

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相互作用的方式不同, 可分为亲和型和代谢型两种。

生物传感器与传统检测方法相比, 具有以下优点:①一般不需要对被检测样品进行预处理, 操作简单; ②响应时间短, 信号容易判读; ③检测灵敏度高、特异性强、重复性好; ④携带方便, 操作简单, 成本低; ⑤可以实现实时和在线检测。

1962年, Cla rk 和Lyons 发表了第一篇关于酶电

[1]

极的论文, 提出将生物与传感器结合起来, 从而制成了第一支酶电极, 这标志着生物传感器时代的到来。生物传感器自诞生以来, 就受到研究人员的极大关注, 先后经历了安培葡萄糖生物传感器和以二茂铁及其衍生物为基质的生物传感器, 直到现在引入了电极以及纳米粒子等的第三代生物传感器。现主要对生物传感器的原理及其在食品、环境、医疗卫生等领域的最新研究应用进行综述, 旨在提供它的最新研究成果和未来的发展方向。

1 生物传感器的原理和分类

生物传感器是将生物活性物质(酶、微生物、抗原或抗体、组织切片、受体、腺体、核酸、细胞等) 作为识别元件与理化换能器有机结合而形成的一种检测装置, 它根据待测物质的含量与所产生的信号具有一定的比例关系的原理达到检测的目的。

生物传感器有很多分类方法:根据生物识别元件的不同, 可分为酶生物传感器、微生物传感器、组织生物传感器、细胞生物传感器和DNA 生物传感器等; 根据换能系统的不同, 可分为电化学生物传感器和光学生物传感器, 前者包括适配体传感器和电导/电容生物传感器等, 后者包括表面等离子体共振生物传感器和光纤生物传感器等; 根据生物敏感物质

2 生物传感器的应用

经过不断发展, 与传统方法相比, 生物传感器在食品安全、环境监测、医疗卫生以及生物恐怖剂的检测等方面表现出越来越明显的优势。

2. 1 在食品安全方面的应用研究 近年来, 随着人们生活水平的提高和健康意识的增强, 食品的安全日益被提上日程。但是, 由于传统的检测方法时间长, 成本高, 操作繁琐, 不能实现快速、特异、高灵敏的检测, 因此不能满足当前需要, 而生物传感器恰恰弥补了这些不足并日益成为研究的热点。

莱克多巴胺是酚醛类β激动剂, 最初被用来作为治疗心力衰竭的强心药和兽药, 后来被广泛用于畜牧业, 以提高动物的蛋白含量。然而, 被喂食多巴胺的动物对消费者的健康存在潜在的威胁, 急需一种对多巴胺残留量进行准确、快速、经济的检测方

[2]

法。Lu 等通过将莱克多巴胺的衍生物固定在SPR-2004生物传感器芯片上制成的表面等离子体生物传感器, 可用于检测猪肉中残留的莱克多巴胺。猪肉样品先用高氯酸萃取, 再用醋酸乙酯进行清洗, 最后在SPR-2004生物传感器上完成检测。莱克多巴胺检测限为0. 6μg/kg猪肉样本, 并且其回收率>80%, 相对标准偏差

基金项目:国家自然科学基金(31100712)

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鸡胴体是世界上最流行的肉类制品之一。伤寒沙门菌是最常见的食源性病原体之一, 家禽是其重要的寄主。伤寒沙门菌引起伤寒, 这是一种人和动物共感染的胃肠道疾病。在美国, 伤寒沙门菌在致死性的食源性病原体中位列前十位。目前, 传统的检测方法主要有细菌培养法、聚合酶链反应法、免疫学方法等, 这些方法或多或少地存在一些缺点, 因此迫切需要一种快速、高效、低成本、灵敏度高的技术

手段对其进行检测。Lan 等[3]

利用表面等离子体共振生物传感器对鸡胴体中的伤寒沙门菌进行了检测, 检测的灵敏度达到106

CFU/m L 。

2. 2 在环境监测方面的应用 生态系统需要实时、在线的监测方法。由于生物传感器具备特异性高、检测速度快, 成本低等特点, 因此其被认为是一种环境监测强有力的方法。

K ha dr o 等[4]

在生物酶传感器的基础上, 利用电导双层检测河流中有机物质的标志性蛋白。他们首先用牛血清白蛋白作为标准蛋白进行生物传感器条件的优化, 其次制备了7种酶生物传感器:只有一层酶的生物传感器(蛋白酶K 、胰蛋白酶、链霉蛋白酶或蛋白酶X) 和其他3个有两层酶的生物传感器(第一层:包被了蛋白酶K 的膜; 第二层:胰蛋白酶、链霉蛋白酶或蛋白酶X) 。在最佳条件下制备的蛋白酶K +链霉蛋白酶生物传感器, 提高了灵敏度, 对水样中的总有机碳的检测最低至0. 583μg/L,对有机氮的检测限低至0. 218μg/L 。该传感器显示重现性好, 使用的温度范围为10～30℃, 而且寿命长。

于海等[5]

通过采用海藻酸钠为固定化凝胶, 将明亮发光杆菌固定在光线探头上制成的光纤生物传感器, 可用于检测水中急性污染物。他们用制备好的传感器检测了Zn +

、NH 3、硝基苯和甲苯等4种典型的污染物, 并绘制出了剂量-效应曲线, 通过计算确定了其EC 50分别为5. 1、10. 2、70. 4、77. 0m g/L 。该传感器与发光细菌标准方法的测定结果有良好的相关性, 并且易于保存和携带, 适合用于现场检测。2. 3 在医药中的应用 Zhao 等[6]

开发一种基于胆固醇生物传感器血红蛋白封装壳聚糖修饰的玻碳电极直接的电子转移的胆固醇生物传感器, 当该传感器用于血清样本的分析时, 显示出高度的敏感性和良好的选择性。经血红蛋白和胆固醇氧化膜修饰的电极通过壳聚糖基质中酶的封装制备。胆固醇被胆固醇氧化酶催化氧化产生过氧化氢, 产生的过氧化氢被固定化的血红蛋白进行电催化而降低, 并且被用于获取一个对胆固醇敏感的安培响应。胆固醇浓度的线

性响应范围为1. 00×10-5～6. 00×10-4

m ol/L, 相关系数为0. 9969, 估计对胆固醇检测限低至9. 5μm ol /L,

信噪比为3。胆固醇生物传感器可以有效地排除共

存的维生素C 、尿酸、多巴胺和肾上腺素的干扰。对实际样品检测的相对标准偏差

Song 等[7]

研制了一种传感器阵列, 该传感器阵列由1个胆固醇传感器、1个胆红素传感器和2个谷氨酸传感器组成。这是一种电化学生物传感器, 可用于肝脏疾病的诊断与治疗。该生物传感器利用硅烷化技术将相应的酶固定到阵列体系中。他们发现, 每个工作电极上形成的多孔硅层可以显著提高有效的表面积。通过将传感电极放置在样品孔里来减少交叉干扰的影响, 从而在多重采样时有一个低的噪声电流。与传统的分析方法相比, 该传感阵列在用于对多个样品进行检测时显示良好的灵敏度, 并且没有显著的交叉反应。该设备对胆固醇的检测的灵敏度为2. 656×10-4

A /mol,对胆红素的检测限

为0. 1535×10-4

A /m ol, 对丙氨酸氨基转移酶的检测限为1. 3698×10-4

A ・L/U,对天冬氨酸氨基转移酶

的检测灵敏度可达4. 5439×10-4

A ・L/U。

2. 4 在病原菌检测中的应用 从19世纪80年代后期起, 虾的养殖已经成为泰国的一大产业支柱。该项产业在世界范围内大约有100万雇工, 每年输出价值大约为20亿美元的虾, 因此迫切需要一种快速、特异、灵敏的技术手段对水中的白斑综合征病毒(w hite spot syndrome virus, MS SV) 进行检测。Sa ma nm an 等[8]

先从M SS V 感染的黑虎虾中克隆出了可以特异地与M SS V 的包膜蛋白(相对分子质量为

26×103

) 相结合的白斑结合蛋白, 然后将其融合在谷胱甘肽-S-转移酶上制成谷胱甘肽-S-转移酶标记的白斑结合蛋白, 作为亲和性检测M SS V 的敏感识别原件, 最后通过将白斑结合蛋白固定在自组装的硫脲单层膜上制成电容式生物传感器, 从而实现了对虾池水中M SS V 的检测。该生物传感器可对虾池水中的M SS V 进行定量检测, 检测的线性范围从1×105

～

1×105

copies/μL, 检测限低至1copies/μL, 对所有虾池水中M SS V 的检测结果与实时荧光定量聚合酶链反应法无统计学差异。

大肠埃希菌是引起人和热血动物最常见的肠道微生物, 它的存在通常作为水中肠道病原体污染的

指标。Li 等[9]

利用磁纳米离子具有强的电磁特性、高分离效率和特异性强等特点, 先降低Fe 2O 3纳米粒子表面的氯金酸浓度制成Fe 2O 3&Au磁性纳米粒子, 然后将捕获的探针固定在Fe 2O 3&Au磁性纳米粒子表面, 将检测探针标记上辣根过氧化物酶, 从而制成了Fe 2O 3&Au/壳纳米离子电化学DNA 生物传感器。他们利用双抗体夹心法实现大肠埃希菌的检测, 对

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D NA 靶标的检测灵敏度

3 小结与展望

为了解决传统的生物学检测方法存在的缺陷问题, 在过去的10～15年期间, 科研人员一直致力于新技术的研究。生物传感器这项技术自诞生之日起, 就得到研究人员极大的关注并开始在食品安全、环

[10-14]

境监测、医疗卫生、生命科学、工业生产等领域崭露头角。

然而, 目前生物传感器主要还处在实验室研究阶段, 仍需要较长的一段时间才能实现产业化。首先, 由于制备的成本高和一些关键的技术壁垒的存在, 例如仪器的稳定性差, 检测的灵敏度低和重复性差等, 使得商品化的步伐明显落后于研究的进程。其次, 实现产业化必须保证识别元件灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好, 同时生物传感器可以在一段比较长的时间内进行连续检测, 且使用寿命长。然而, 实际上, 仅有一部分生物传感器可以在几分钟内完成对样品的检测, 大部分生物传感器需要在15m in 或者更长的时间内完成对样品的检测。再者, 基质的干扰、信号的转移、生物样品的干扰等问题在所有的生物传感器中普遍存在。生物传感器是一项崭新的技术手段, 它在发展中难免会遇到各种问题, 但是它的应用前景和自身优势毋庸置疑, 相信随着大量资金的涌入和多学科的融入, 这些问题都将迎刃而解。

生物传感器未来的发展趋势, 主要表现在以下几个方面:①随着物理、计算机等学科的应用, 生物传感器向小型化、自动化和智能化等方向发展。②随着新型材料的出现和应用, 生物传感器的灵敏度大大提高。鉴于新型纳米材料的无毒、生物相容性好、电传导率高及易于制备等特点, 其日益成为生物传感器中的新型载体材料。③实时监测和在线监测。④未来的生物传感器发展成为多重检测和便携式的装置。⑤实现产业化和商品化。未来的生物传感器一定是整合了先进的集成电路技术、无线技术和小型化技术形成的一种装置。参考文献

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收稿日期:2012-02-09 修回日期:2012-03-08 编辑:孙洪芳

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