生物傳感器的應用領域

　　綜述

　　生物傳感器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。

　　在國民經濟的各個部門如食品、制藥、 化工、臨床檢驗、 生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。特別是 分子生物學與微電子學、 光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變著 傳統醫學、 環境科學動植物學的面貌。生物傳感器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。

　　食品工業

　　生物傳感器在食品分析中的應用包括食品成分、 食品添加劑、有害毒物及食品 鮮度等的測定分析。

　　⑴ 食品成分分析 在食品工業中，葡萄糖的含量是衡量 水果成熟度和貯藏壽命的一個重要指標。已開發的酶電極型生物傳感器可用來分析 白酒、 蘋果汁、 果醬和 蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖， 啤酒、 麥芽汁中的 麥芽糖，也有成熟的測定傳感器。

　　Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測 飲料中的 乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在 聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進行的實驗中，該生物傳感器對乙醇的測量極限為1nmol/L。

　　⑵食品添加劑的分析

　　亞硫酸鹽通常用作食品工業的 漂白劑和 防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型 二氧化硫酶電極可用于測定食品中的亞硫酸鹽含量，測定的線性范圍為0～6的負四次方mol/L。又如飲料、 布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結合氨電極測定，線性范圍為2×10的負五次方～1×10的負三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測定色素和乳化劑的報道。

　　⑶ 農藥殘留量分析

　　人們對食品中的農藥殘留問題越來越重視，各國政府也不斷加強對食品中的農藥殘留的檢測工作。

　　Yamazaki等人發明了一種使用人造酶測定 有機磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測定極限為10的負七次方mol，在40℃下測定只要4min。Albareda等用 戊二醛交聯法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲 碳糊電極表面，制成一種可檢測濃度為10的負十次方mol/L的對氧磷和10的負十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測自來水和果汁樣品中兩種農藥的殘留。

　　⑷微生物和毒素的檢驗

　　食品中 病原性微生物的存在會給消費者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強對食品中的病原性微生物及毒素的檢測至關重要。

　　食用 牛肉很容易被 大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測和防御大腸桿菌0157.H7一類的細菌。Kramerr等人研究的 光纖生物傳感器可以在幾分鐘內檢測出食物中的 病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養基上獨立生長總共只需1天時間，而傳統方法需要4天。

　　還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于 細胞質基因組的反應，通過 光學系統傳輸信號。已達到的檢測極限為16.2ng/mL。一天可以檢測20個牛奶樣品。

　　⑸食品鮮度的檢測

　　食品工業中對食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測是評價食品質量的一個主要指標。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結合過氧化氫電極，通過測定魚降解過程中產生的一磷酸肌苷(IMP)、肌苷(HXR)和次黃嘌吟(HX)的濃度，從而評價魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負10次方～2x10的負4次方mol/L。

　　環境監測

　　環境污染問題日益嚴重，人們迫切希望擁有一種能對 污染物進行連續、快速、在線監測的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當部分的生物傳感器應用于環境監測中。

　　⑴水環境監測

　　生化需氧量(BOD）是一種廣泛采用的表征有機污染程度的綜合性指標。在 水體監測和污水處理廠的運行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標之一。常規的BOD測定需要5d的培養期，而且操作復雜，重復性差，耗時耗力，干擾性大，不適合現場監測。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌(Trichosporoncutaneum）和 芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis）制作一種 微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時精確測量 葡萄糖和 谷氨酸的濃度。測量范圍為0.5～40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩定性好，在58次實驗中， 標準偏差僅為0.0362。所需反應時間為5～lOmin。

　　硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場效應管裝置檢測硝酸根離子的方法。該裝置對硝酸根離子的檢測極限為7x10的負5次方mol， 響應時間不到50s，系統操作時間約為85s。

　　此外，Han等人發明了一種新型微生物傳感器，可用于測定三氯乙烯。該傳感器將假單細胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直徑：25 mm，孔徑：0.45μm)上。再將薄膜固定在氯離子電極上。帶有AgCl/Ag2S薄膜(7024L,DKK,日本)的氯離子電極和Ag/AgCI參比電極連接到離子計(IOL-50,DKK,日本)上,記錄電壓的變化,與標準曲線對照,測出三氯乙烯的濃度。該傳感器線性濃度范圍為0.1～ 4 mg/L,適于檢測工業廢水。在最優化條件下,其響應時間不到10min。

　　⑵ 大氣環境監測

　　二氧化硫(S02)是 酸雨 酸霧形成的主要原因，傳統的檢測方法很復雜。Martyr等人將 亞細胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對S02形成的 酸雨 酸霧 樣品溶液進行檢測，lOmin可以得到穩定的測試結果。

　　NOx不僅是造成 酸雨酸霧的原因之一，同時也是 光化學煙霧的罪魁禍首。Charles等人用多孔滲透膜、固定 化硝化細菌和氧電極組成的微生物傳感器來測定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測極限為0.01xl0負6次方mo1/L。

　　發酵工業

　　在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設備簡單、不受發酵液混濁程度的限制、可能消除發酵過程中 干擾物質的干擾等特點。因此，在發酵工業中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測量工具。

　　⑴原材料及代謝產物的測定

　　微生物傳感器可用于測量發酵工業中的原材料（如 糖蜜、 乙酸等）和代謝產物（如頭孢霉素、 谷氨酸、 甲酸、醇類、 乳酸等）。測量的裝置基本上都是由適合的微生物 電極與氧電極組成，原理是利用微生物的 同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。

　　2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細胞生物傳感器用于測量發酵工業中的乙醇含量，13s內可以完成測量，測量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測極限為0.85nM，測量范圍為2～270nM，穩定性能很好。在連續8.5h的檢測中，靈敏度沒有任何降低。

　　⑵微生物細胞數目的測定

　　發酵液中細胞數的測定是重要的。細胞數（ 菌體濃度）即單位發酵液中的細胞數量。一般情況下，需取一定的發酵液樣品，采用顯微計數方法測定，這種測定方法耗時較多，不適于連續測定。在發酵控制方面迫切需要直接測定細胞數目的簡單而連續的方法。人們發現：在 陽極(Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產生電流。這種電化學系統可以應用于細胞數目的測定。測定結果與常規的細胞計數法測定的數值相近。利用這種電化學微生物細胞數傳感器可以實現菌體濃度連續、在線的測定。

　　醫學

　　醫學領域的生物傳感器發揮著越來越大的作用。生物傳感技術不僅為基礎醫學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法，而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事醫學方面，也具有廣的應用前景。

　　⑴臨床醫學[1]

　　在臨床醫學中， 酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器，已成功地應用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、 尿素、谷氨酸、 轉氨酶等物質的檢測。其原理是：用 固定化技術將酶裝在 生物敏感膜上，檢測樣品中若含有相應的酶底物，則可反應產生可接受的信息物質， 指示電極發生響應可轉換成電信號的變化，根據這一變化，就可測定某種物質的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測谷酰胺、 鳥嘌呤、 過氧化氫、 酪氨酸、 維生素C和 胱氨酸等。

　　DNA傳感器是目前生物傳感器中報道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優勢，它可以幫助醫生從DNA,RNA、蛋白質及其相互作用層次上了解疾病的發生、發展過程，有助于對疾病的及時診斷和治療。此外，進行藥物檢測也是DNA傳感器的一大亮點。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機理并測定了血液中該類藥物的濃度。

　　⑵軍事醫學

　　軍事醫學中，對 生物毒素的及時快速檢測是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素，如 炭疽芽孢桿菌、 鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。

　　2000年，美軍報道已研制出可檢測葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種 生物戰劑的免疫傳感器。檢測時間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L,5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內檢測出低于1xlO的負5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡單。該方法能夠用于具有多個信號 識別位點的蛋白質 毒素和病原體的檢測。

　　此外，在法醫學中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認證等。