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生物传感器

2020-07-24 18:24| 发布者: 探险事件| 查看: 883| 评论: {php} echo

什幺是生物传感器

简单来说,生物传感器 (biosensor) 就是一个结合了生物及物理、化学等要素,来侦测生物体内或体外环境化学物质的分析装置。

主要可以分成三个部分,第一部分是敏感的生物识别元件,可以是生物或仿生材料,一般可以透过生物工程製造,生物传感器也被称为生物受体 (bioreceptor),常被设计成能与感兴趣的特定分析物作用以产生能被换能器测量的变化。1

抗体、酶、多肽、蛋白质、核酸、适配体 (aptamer)、多肽核酸 (peptide nucleic acids, PNA)、醣蛋白、醣酯、聚醣、细胞、噬菌体、脂质体 (liposome)、分子押印聚合物 (molecularly imprinted polymers, MIPs)、仿生铬膜 (biomimetic chromic membranes)……都能当作识别元件。2

第二部分是换能器,将生物层感应的变化转为更易测量、量化的讯号,包含电化学、电子、压电、光学、重量分析、温度等机制。1第三部分为检测元件,转换的讯号能被放大并处理成有意义的参数,再显示出来。3图一所示即为典型的生物传感器,它所使用的检测元件为电子系统。3

生物传感器

图一、典型的生物传感器。(图片来源:参考资料3)

生物传感器的类型

生物传感器除了可根据换能机制、生物受体进行分类之外,还可以用传感器的侦测方式来分:亲和传感器 (affinity sensor) 侦测的是生物受体与分析物的结合,代谢传感器 (metabolism sensor) 侦测基质或产物的浓度变化,催化传感器 (catalytic sensor) 的生物受体除了与分析物结合之外也催化产物生成。3

生活应用

生物传感器这个研究领域起始于克拉克 (Clark) 与来昂斯 (Lyons) 于 1962 年共同研发出品的葡萄糖氧化酶 (glucose oxidase, GOx) 生物传感器。自那时以来,生物传感器有了更深入的研究也应用到更多的面向,从公共卫生到环境监控到国家、食品安全皆有它的蹤迹。

现在则逐渐向第一线、更易商业取得为目标研究,使之量产让普罗大众都能使用。例如乳製品、酿酒厂的即时监控,可以帮助业者营造一个更乾净、卫生的环境,或是应用在开发新产品上,试验添加不同的微生物在不同的条件下能有什幺独特的风味。3

糖尿病人的血糖监测,由于医疗、市场的需求而成为目前最广泛使用的生物传感器。1 数以百万计的糖尿病患者每天都要测试他们的血糖浓度,这也使得葡萄糖成为生物传感器最常测试的分析物。3 在分类上,大部份的血糖监测仪是属于利用电化学的催化传感器,电极是换能器,酶则是生物识别元件。1

第一个发展的葡萄糖酶电极是测量酶催化反应中氧的消耗量:

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接着在 1973 年时吉尔博 (Guilbault)、鲁布雷诺 (Lubrano) 提出了用安培法 (amperometric) 为基础的酶电极监测过氧化氢的产物,由此产生的生物传感器在连接 100 微升的血液样品时有良好的準确度和精密度:

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经过了多年的研究,科学家发现葡萄糖检测最合适的方法是将上述两者融合,并且将葡萄糖氧化酶接上黄素腺嘌呤二核苷酸 (flavin adenine dinucleotide, FAD) 的基团,作为氧化剂参与反应,使用两个电子还原生成 FADH2,再经由氧分子氧化回 FAD,由此再氧化产生的电流会正比于葡萄糖浓度:3

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图二是市面上贩售的血糖仪,其使用方式通常是将手指上穿刺后所流的血以即弃的试纸盛载,然后送进仪器中进行检测。大多数第二型糖尿病的病患需要每天测一次,而第一型的病患则需一天测三至十次,以评估胰岛素剂剂量的有效性。4

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图二、血糖仪。(图片来源:参考资料4)


参考文献


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