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生物量传感器前程似锦

来源:荣格 发布时间:2017-04-19 757
传感器电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 技术前沿
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生物量传感器已被公认将会给2l世纪的生命科学研究带来一场革命,并已为各国学术界和工业界所瞩目。生物量传感器是20世纪90年代发展起来的集现代生物技术、信息技术、微电子技术和微机电技术为一体的高新技术。它主要是指通过微加工和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统,以实现对生命机体的生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。

生物量传感器已被公认将会给2l世纪的生命科学研究带来一场革命,并已为各国学术界和工业界所瞩目。生物量传感器是20世纪90年代发展起来的集现代生物技术、信息技术、微电子技术和微机电技术为一体的高新技术。它主要是指通过微加工和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统,以实现对生命机体的生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。

生物量传感器

能感受规定生物量并转换成可用输出信号的传感器。常用的有生化量传感器和生理量传感器二类。简单地说,生物量传感器,是一种对生物物质敏感并将其有用信息转换为电信号进行检测的器件。

生物量传感器并不专指应用用于生物技术领域的传感器,它的应用领域还包括环境监测、医疗卫生和食品检验等。

生物量传感器的构成

生物量传感器由敏感元件部分和转换部分(换能器)构成。

即由固定化的生物敏感材料作敏感元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。

以敏感元件部分去识别被测目标,引起某种物理变化或化学变化。敏感元件部分是生物量传感器选择性测定的基础。

换能器是把生物活性表达的信号转换为电信号的器件。

生物量传感器功能

生物传感器实现以下3个功能:

感受:提取出动植物发挥感知作用的生物材料,包括:生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产,反复利用,降低检测的难度和成本。

观察:将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。

反应:将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们,为人们的决策提供依据。

生物体中能够选择性地分辩特定的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物,如抗体和抗原的结合,酶与基质的结合。

在设计生物传感器时,选择适合于测定对象的识别功能物质,是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化,换能器的选择,是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量,可以选择适当的换能器。

生物化学反应过程产生的信息是多元化的,微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。

生物量传感器技术特点

生物传感器技术特点是:

⑴采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可以重复多次使用,克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。

⑵专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。

⑶分析速度快,可以在一分钟得到结果。

⑷准确度高,一般相对误差可以达到1%。

⑸操作系统比较简单,容易实现自动分析。

⑹成本低,在连续使用时,每例测定费用仅需要几分钱人民币。

⑺有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在线控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加附产物取得率的方向。

生物量传感器的分类

生物量传感器主要有下面3种分类命名方式:

1. 根据生物量传感器中敏感元件的种类可分为5类:酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器和免疫传感器。显而易见,所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。

2.根据生物量传感器的换能器即信号转换器分类:有生物量电极传感器、半导体生物量传感器、光生物量传感器、热生物量传感器、压电晶体生物量传感器等。换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。

3.以被测目标与敏感元件的相互作用方式进行分类:有生物亲合型生物传感器。

生物量传感器发展趋势

未来生物传感器发展的方向主要集中在两个方面:敏感检测元件和换能器。

多功能化

生物量传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉等感觉器官的生物芯片,进而制备成仿生传感器,也称为以生物系统为模型的生物量传感器。

研制新的应用芯片。近来多种新的生物芯片不断问世,这是物理学、生物学与计算机科学共同的结晶。

芯片技术将与其他技术结合使用。如基因芯片、PCR、纳米芯片等。不同生物芯片间综合应用,如蛋白质芯片与基因芯片间相互作用等,可用于了解蛋白质与基因间相互作用的关系。

微型化

随着微加工技术和纳米技术的进步,生物量传感器将不断微型化,各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断,在市场上直接检测食品成为可能。

智能化、集成化

进一步提高探针阵列的集成度。如有多家公司的芯片阵列的集成度已达1.0×105左右,这样基因数量在1.0×105以下的生物体(大多数生物体)的基因表达情况只用一块芯片即可完成。

未来的生物量传感器必定与计算机紧密结合。自动采集数据、处理数据,更科学、更准确地提供结果,实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时,芯片技术将愈加进入传感器,实现检测系统的集成化、一体化,进而实现生物量传感器智能化。

信号转换是生物传感器的关键问题,如何在敏感元件的氧化还原中心与电极换能器之间建立电子传递仍是一个技术难点。

向低成本、高灵敏度、高稳定性、长寿命方向发展

提高检测的灵敏度和特异性。如检测系统的优化组合和采用高灵敏度的荧光标志。多重检测以提高特异性,减少假阳性。

价格高昂是目前推广应用的主要障碍之一,但随着技术的革新,生物量传感器的价格将会大大降低。

生物量传感器在工作过程中,往往会出现敏感元件与待测物发生化学反应等不可逆的情况,这必然会影响传感器的检测能力,降低其灵敏度。因此,如何提高元件的使用寿命,选择灵活性强、选择性高的敏感元件也是一个主要的研究方向。

活性物质的固定化技术在研究生物量传感器的稳定性时占有重要位置,因此这个问题如果能得到很好解决,必将极大推动生物量传感器的发展,提高其实用性。

生物量传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本,提高灵敏度、稳定性和寿命。这些特性的改善也会加速生物量传感器市场化,商品化的进程。不久的将来,生物量传感器会给人们的生活带来巨大的变化,它具有广阔的应用前景,必将在市场上大放异彩。

便携式

便携式微型生物量传感器的研究也是未来的一个发展方向,新生物材料的合成、纳米技术的应用等都将进一步推进生物量传感器在环境监测领域的应用。而便携式生物传感器将使这些应用更为快捷、方便。

生物量传感器的应用

生物量传感器在医学领域中的应用

医学领域的生物量传感器发挥着越来越大的作用。生物量传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法,而且因为其专一、灵敏、响应快等特点,在军事医学方面,也具有广阔的应用前景。在临床医学中,酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶,可制成微生物传感器。在军事医学中,对生物毒素及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。主要有1. 药物分析、2. 肿瘤监测、3. 血糖分析仪、4. 胰岛素泵等生物量传感器在发酵工业中的应用各种生物量传感器中,微生物量传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质,并且发酵液往往不是清亮透明的,不适用于光谱等方法测定。而应用微生物量传感器则可消除干扰,并且不受发酵液混浊程度的限制。同时,由于发酵工业是大规模生产,微生物传感器其成本低、设备简单的特点使其具有极大的优势。主要有1. 原材料及代谢产物的测定、2. 微生物细胞总数的测定、3. 代谢试验的鉴定。

生物量传感器在环境检测方面的应用

基于以抗体和功能基因为敏感材料的生物量传感器技术研发的仪器,可对多种污染物同时进行快速检测。在环境监测领域中开展新型仪器研究是引入和整合高新技术的最佳方向。生物量传感器技术成为环境检测仪器发展方向。仪器是高度集成的系统,是应用生物技术和敏感材料非常好的载体,而环境监测方法与环境监测仪器,是重要的结合方向。

生物及基因技术已超出了生命科学领域的范围,进入到敏感材料领域,在此方向上将发展出一系列有别于传统化学分析方法的新检测方法,可以成为中国仪器业的一个新发展方向,而且与国际上的研究差不多同步,也是国产仪器技术缩小与国外差距的一个机会。主要有:1. 用于水环境监测的生物量传感器、2. 用于大气环境监测的生物量传感器、3. 测定土壤重金属的生物量传感器等。生物量传感器真正大量应用还有许多工作要做,这主要是由于目前的生物传感器还存在诸多不足之处,如稳定性差、对许多有毒物质缺乏抵抗性、使用寿命短、维护较为复杂等。但展望生物量传感器的确前程似锦!

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