- · 《临床医学研究与实践》[06/30]
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电化学生物传感器的应用
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摘要：0 引言 生物传感器起源于20世纪中期，早在20世纪60年代Clark教授就提出酶传感器的构想［1］，直到1967年Uplike和Hicks才首次利用氧电极和葡萄糖氧化酶组合研发出第一支酶电极［2］，为生
0 引言
生物传感器起源于20世纪中期，早在20世纪60年代Clark教授就提出酶传感器的构想［1］，直到1967年Uplike和Hicks才首次利用氧电极和葡萄糖氧化酶组合研发出第一支酶电极［2］，为生命科学检测领域开启了新纪元。70年代中后期，随着生物技术、化学、生物学、物理学、电子学以及信息技术的不断融合渗透，使得生物传感器在活性物质的固定方式和生物-电信号转换等方面有了更大的突破。90年代以后，随着表面等离子及生物芯片的引入，使得生物传感器的发展进入了高潮［3-4］。生物传感器根据换能器的不同，可以分为电化学生物传感器、光生物传感器、半导体生物传感器、热能生物传感器、压电晶体生物传感器等，在这些传感器中，电化学生物传感器以其高选择性、高灵敏度、高检测速度、易于小型化、易于在线监测等特点得到了广泛的应用。电化学生物传感器通过生物特异性识别特定的目标，并将其转换成光、电等信号来实现检测的传感器件［5-6］，因此，电化学生物传感器对于食品安全、临床医学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。
1 电化学生物传感器的基本结构
电化学生物传感器主要由生物分子识别元件和信号转换元件两部分组成［7］，其中生物分子识别元件是由具有分子识别功能的生物敏感膜（如酶、细胞、组织、抗体、核酸等）组成，用于检测样品中是否含有待测物质，而识别元件检测到的信号进一步由信号元件转换成可测量的电化学信号值［8］。电化学生物传感器的基本结构如图1所示。将待测物吸附到生物敏感膜中，经过生物分子之间的特异性识别，发生物理（化学）反应后，所产生的信号被转换器转换成对应的电信号，从而实现对待测物的定性分析。
图1 电化学生物传感器的基本结构Figure 1 Basic structure of electrochemical biosensor
2 电化学生物传感器的工作原理
电化学生物传感器以固体电极作为基础电极，将生物敏感分子吸附到基础电极表面，最后利用生物分子之间的特异识别作用，对待测的目标分子进行识别并将其捕获到基础电极表面。传感器中的电极作为信号转换器将待测物的化学（物理）反应转换成电信号，待测物微小的浓度变化，都会引起电流的波动，使检测结果更加直观明了。
3 电化学生物传感器的分类
根据所采用的生物相关物质和所匹配的换能器的不同［9］，电化学生物传感器有不同的分类方法。按照传感器中分子识别元件的敏感物质不同，可以分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、DNA传感器等；按照电化学电极信号的不同，可以分为电流型和电位型两种；按照生物敏感物质的相互作用，可以分为代谢型和亲和型两种［10-12］。
4 电化学生物传感器中抗体（抗原）的固定方法
将抗原（抗体）吸附在传感器表面是生物传感器检测最重要的一步［13］。抗原（抗体）的吸附方式、分子数量、吸附后分子活性都会直接影响到生物传感器的准确性和稳定性。
通常将生物分子吸附在传感器表面有物理吸附法、共价键合法、包埋法三种方法。
4.1 物理吸附法
用对应的电解质溶液将抗原或抗体进行稀释，然后再将这些稀释后的抗原或抗体滴加在生物电极表面或者将电极直接浸泡在稀释液中，利用物理吸附法能够使电极表面形成具有一定识别功能的生物膜［14］。通常为了提高其组装效率，研究人员可以在电极表面组装纳米材料，这种方法比较简单，并且对生物分子活性影响不大，因此得到很广泛的应用，但由于其存在非特异性吸附和吸附不牢靠等缺点，往往会导致后续检测准确性不高。
4.2 共价键合法
共价键合法是生物分子（如蛋白质、酶）与载体通过共价键结合的一种固定方法。最常见的几种共价键法是硅烷化法、牛血清蛋白法和葡萄球菌A蛋白法、聚合物膜连接法。硅烷化法利用过硅烷化反应在传感器表面形成反应基团从而与蛋白质进行连接；牛血清蛋白法是在电极表面通过吸附一层牛血清蛋白，再通过蛋白交联将捕获探针连接上去［15］；葡萄球菌A蛋白法是通过葡萄球菌A蛋白与人类或哺乳动物IgG上面的Fc段结合，从而将抗体吸附到电极表面［16］；聚合物膜连接法是利用聚合在电极表面的聚合物分子上所带的氨基或者羧基与蛋白质反应而进行连接［17］。此外，对于碳电极而言，最简单的一种方法就是利用循环伏安法对电极进行活化，使其表面产生羧基，再利用1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙 基 碳 二 亚 胺 盐 酸 盐 ［ 1-（ 3-dimethylaminopropyl ）-3-ethylcarbodiimide hydrochloride］与 N-羟基丁二酰亚胺（N-Hydroxy succinimide）活化羧基后直接与蛋白上面的氨基结合从而进行连接［18］。共价键合法通常蛋白分子结合时不易脱落，因此结合较为牢靠、使用寿命长，能够有效改善分子在电极表面的分布状况，但是整个制备过程较为繁琐，实验成本昂贵，耗时较长，除此之外，由于涉及到活性分子本身的基团，从而很容易影响酶的活性。
文章来源：《临床医学研究与实践》 网址: http://www.lcyxyjysj.cn/qikandaodu/2020/1228/692.html