关于生物检测传感器类型、基本原理及主要应用的文献整理+沈玉杰.doc

关于生物检测传感器类型、基本原理及主要应用的文献整理报告 * *1 DNA电化学传感器1.1 基本原理电化学 DNA传感器一般由一个固定 DNA片段的电极和用于检测的电活性杂交指示剂构成 。在适当条件下 ,利用两条互补的 DNA单链间的特异性相互作用 ,使电极表面上已知序列的 DNA片段 (DNA探针 )与溶液中的待测序列 DNA (靶序列 )发生杂交 ,通过杂交前后电活性指示剂的电化学响应的变化进行测定 ;或使电极表面的靶序列与溶液中的已标记电化学活性物质的 DNA探针杂交 27 来测定靶序列。在电极表面的 DNA双螺旋结构形成后 ,该传感器还可用于检测那些与 DNA双链有着特殊亲和力的电活性小分子。 1.2 主要应用1.2.1 DNA损伤研究 DNA损伤是指由于化学物质的作用或受辐射而引起的 DNA磷酸核糖骨架的断裂 ,磷酸、核糖或碱基的损伤等。 DNA损伤种类繁多 ,仅氧化损伤一类 ,目前已证实的就有 100多种 79 。由于 DNA损伤会极大地扰乱生物体正常的生理活动 ,所以 ,很久以来就是生化研究的一个重点。 Palecek等曾在 1996年80 和 1998年81 两次对用于 DNA损伤研究的 DNA传感器进行了综述 ,并认为基于汞电极的传感器最适合于 DNA损伤的研究。 2000年 ,他们又用悬汞电极发展了一种新的 DNA传感器用于监控由 Fenton反应所造成的 DNA链的断裂。 1.2.2 环境污染监控众所周知,许多环境污染物的毒性就表现在它们与DNA 间的相互作用,因此,DNA 传感器可被用于环境中污染物的监控。Wang 等在1997 年曾对这一方面的发展进行了综述83 ,提出了3 种检测方案: 利用固定的双链DNA 修饰层使电活性污染物在电极上优先富集; 检测由污染物键合引起的电极表面修饰核酸内在氧化信号的改变; 对于非电活性的分析物,可通过它与一电活性物质在DNA 修饰电极表面的结合竞争来进行测定。其后,Krull 等又利用基于双层类脂膜(BLMs) 的电化学DNA 传感器来检测环境中黄曲霉素M1和肼类物质，其中黄曲霉素M1 的检测限达到0. 5 mmolPL ,而肼类物质的检测限更达到gPL 级。1.2.3 病原基因检测人类的许多传染性疾病是由环境中的病毒、病菌或寄生虫引起的,所以,病原基因的测定也是电化学DNA 传感器的一个重要研究领域。例如,在发展中国家每天约有11000 名儿童死于由隐孢子虫引起的腹泻,Wang 等利用一段38 个碱基的低聚核苷酸探针制备了一种隐孢子虫DNA 传感器,通过计时电位溶出法检测,检测限可达到ng 级84 。同样的方法也可被用于检测大肠杆菌、爱滋病毒和结核杆菌等。Ozsoz 等研制出一种乙肝病毒DNA 传感器,用示差脉冲伏安法验证了该传感器对特定序列DNA 片断的选择性。Azek 等制备了巨细胞病毒的基因传感器,其检测结果比凝胶电泳灵敏23000倍,比比色杂交试验灵敏83 倍。Ivnitski 等对用于食品工业中病原细菌检测的电化学传感器的原理和应用作了总结,并对该方面未来的发展进行了展望。1.2.4 基因疾病诊断现代医学的研究成果表明 ,许多疾病 ,如癌症和遗传病等的发生都与基因的突变有关。 Hashimoto等将一段 20个碱基的探针固定于金电极 ,制备了一种用于致癌基因 vzmyc序列检测的电化学传感器 ,实验结果证明其效果很好。Wang等通过一段固定在传感器上的 17个碱基的肽核酸 PNA探针完成了抑癌基因 P55的点突变检测。Bardea等在金电极上组装了一个 3组分的低聚核苷酸修饰层 ,通过法拉第阻抗谱法发展了一种家族蒙性白痴症的特效生化传感器。 2 压电石英晶体传感器2.1 基本原理与结构 压电石英晶体传感器是利用石英晶体作为基底的体声波器件在厚度剪切模式振荡过程中与周边环境的相互作用, 由器件超高频声波的声电阻抗谱、频谱或相位等参量变化对环境介质如质量、粘弹性、导纳、介电或流变特性等物理化学性能作出相关应答并转换成相应的检测信号。2.2 压电石英晶体生物传感器的应用2.2.1 压电石英晶体免疫传感器 它是利用石英晶体微天平对表面质量负载的高度敏感性和抗体特别是单克隆抗体与其相应抗原之间的特异识别功能相结合的生物传感器。应用中一般采用固定抗体来检测抗原, 应用较多的是单克隆抗体。单克隆抗体是针对抗原某一决定簇的抗体, 只与其相应的抗原决定簇结合, 有效地避免了抗原抗体交叉反应的出现,赋予了压电石英晶体免疫传感器对检测物质的特异识别并结合的基础。近年来, 压电石英晶体免疫传感器应用于医学实验诊断的报道很多。2.2.2 用于凝血检查的压电石英晶体传感器这类传感器属于非质量效应型石英晶体传感器, 它是利用石英晶体振荡频率变化对晶体所处体系液体的密度和黏度变化的高度敏感性来检测体系性状的改变。Si 等报道了利用红细胞阻抗特性的变化引起压电石英晶体传感器响应频率改变来检测红细胞沉降速率的压电石英晶体阻抗传感器。当红细胞凝集或沉降特性改变后, 将导致溶液电导率的变化, 检测石英晶体的频率变化就可反映红细胞的凝集时间和沉降速率。Cheng 等研制了血浆凝血酶原时间和全血凝血间检测的压电石英晶体传感器, 利用血浆凝集反应过程中晶体所处体系密度和黏度改变引起的频率变化来确定凝集反应的起点和终点。目前也有人报道了应用乳胶凝集方法检测类风湿因子、抗“O ”抗体的压电石英晶体传感器。与传统检测方法相比灵敏度高、操作简单、快速、成本低廉。2.2.3 食品、饮用水中肠道菌的监测食品、饮水中肠道菌群是卫生监控的一个重要指标。1992 年P lom er 等研究了一种可以检测饮水中常见肠道细菌如大肠杆菌、志贺氏菌、沙门氏菌等的压电免疫传感器。他们找到肠道革兰氏阴性细菌的共同抗原并制备成单克隆抗体, 单克隆抗体用蛋白A (Staphy2lococcal p ro tein, A SPA ) 固定在10MHz 的石英晶体电极表面。研究中以检测大肠杆菌为例, 细菌浓度在106 109m l 范围内, 免疫传感器都能正确检测。这种免疫传感器的出现为环境监测、食品卫生检验提供了一种新的快速肠道菌检测方法。2.2.4 食品中细菌毒素的检测很多细菌能分泌外毒素, 这些毒素是细菌重要的致病因子, 如金黄色葡萄球菌的肠毒素可引起急性胃肠炎症; 肉毒杆菌分泌的肉毒毒素能致人死亡。如这些细菌污染食物后, 会分泌大量的毒素残留在食物中, 食用后会对人体产生很大的危害, 乃至危及生命。因此细菌毒素的检测是食品卫生监督常用的重要指标, 目前细菌毒素检测仍较困难。1997 年Harteveld 等 18 研制了一种检测金黄色葡萄球菌的肠毒素B 的压电石英免疫传感器。他们用金黄色葡萄球菌的肠毒素B 的多克隆抗体固定在20MHz 的石英晶体金电极表面,采用流动注射技术进行检测。最低检测限为0. 1Lgm l。国内也有类似报道。该方法检测时间短, 能实时检测。3 生物传感器3.1 生物传感器的检测原理生物传感器的检测原理：待测物质进入生物活性材料(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号。再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。传感器的结构一般由两部分组成，其一是生物分子识别元件(感受器)，是指将一种或数种相关生物活性材料固定在其表面(也称生物敏感膜)；其二是能把生物活性表达的信号转换为电、声、光等信号的物理或化学换能器，二者结合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。3.2 生物传感器的应用3.2.1 酶传感器的应用酶传感器是由固定化酶作为敏感元件的生物传感器。应用酶传感器可以省去提纯酶的复杂步骤。许多酶传感器都可以用于临床生化指标(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、谷氨酰胺、血清中总蛋白、血清中胆固醇、血清中甘油三脂、天门冬酰胺等)测定。检测葡萄糖的酶传感器已经发展到了第四代葡萄糖传感器，广泛应用于临床检验。血清中乳酸浓度是反映人体体内消耗程度的重要指标，国际上已经有成熟的乳酸酶生物传感器上市。在临床检查中，定量分析患者血液和体液中尿素对肾功能诊断是很重要的。另外，对慢性肾功能衰竭的患者进行人工透析时，在确定人工透析次数和透析时间，实施有效计划的人工透析上，尿素的定量检验是必不可少的，尿素传感受器已经商品化，用于全血、血清、尿液等样品中尿素的测定。现在已经达到实用水平的酶传感器有200种以上。3.2.2 免疫传感器的应用利用抗体能够识别抗原并和被识别抗原结合的功能，借此开发的生物传感器即是免疫传感器。免疫传感器相对于一般免疫检测方法，主要优势在于它能弥补目前常规免疫检验方法不能进行定量检测的缺点。免疫传感器能实时检测抗原抗体反应，同时把反应信号连续记录下来，有利于进行抗原抗体的动力学分析，因为抗原抗体的结合有很高的特异性，从而减少了非特异性干扰，提高了检测的准确性，并且有较大的检测范围。用于病毒(人类免疫缺陷病毒、肝炎病毒、巨细胞病毒、葡萄球菌肠毒素等)的检测；用于人体蛋白质的测定，如甲胎蛋白、人体免疫血清蛋白、胰岛素、IgA、IgG、IgM、IgE等测定。一种可以用于测定甲胎蛋白的免疫传感器，最低检测浓度可达到5g/L。SunCR等人研制了一种可以检测胰岛素的免疫传感器，其最低检测浓度为1g/L，与常规放射免疫检测技术相比，该传感器对胰岛素的方法可以作为替代的后选方法之一。心型细胞脂肪酸结合蛋白(H-FABP)是一种相对分子量为15000的小分子蛋白,是急性心肌损伤，预防心肌梗死。3.2.3 微生物传感器的应用微生物传感器由包含微生物的膜的感受器和电化学换能器组合而成。利用固定化微生物代谢消耗溶液中溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定。微生物传感器较酶传感器更经济、更稳定，但微生物传感器的选择性一般不大高。微生物传感器是1975年Divies研究的乙醇传感器。Vincke等人1983年利用变形杆菌制成了尿素传感器，同年Kabo等人制成了用测定血中肌酸肝含量的微生物传感器。据报道，现在微生物生物传感器可以测定六七十种物质。但是很多微生物传感器目前仍处于研究阶段。测定样品中毒害因素是影响传感器稳定响应和寿命的关键因素，也是微生物传感器市场化的主要控制因素。3.2.4 基因传感器的应用基因传感器是生物传感器中出现最晚的一类传感器，但是它所用的技术却是最新的。近年来，国内外有关基因传感器的研究十分活跃，正成为生物传感器技术的研究热点。基因生物传感器是以杂交过程高特异性为基础快速传感检测技术。基因传感器一般有1030个核苷酸的单链核酸分子，能够专一地与特定靶序列进行杂交，从而检测出特定的目标核酸分子。基因传感器中通常具有这样的