酶传感器概念 什么是生物传感器？

什么是生物传感器？

20世纪的60年代，Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。到80年代生物传感器研究领域已基本形成。其标志性事件是：1985年《生物传感器》国际刊物在英国创刊；1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版；1990年，首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开。

生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。它们的共同特征是:探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。

生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等,以及人工合成的分子印迹聚合物(MIP)。

传感器中包含抗体、抗原、蛋白质、DNA 或者酶等生物活性材料，待测物质进入传感器后，分子识别然后发生生物反应并产生信息，信息被化学换能器或者物理换能器转化为声、光、电等信号，仪器将信号输出，我们就能够得到待测物质的浓度。传感器的主要组成部分是感受器和换能器，再将信号通过自动化仪表技术和微电子技术处理，就能构成各种仪器或者系统。

三、生物传感器的种类

生物传感器的分类：

(1) 按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。

(2) 按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

(3) 按照生物敏感物质相互作用的类型分类,可分为亲和型和代谢型两种。

四、生物传感器的特点

(1) 传统医学检验大多是酶分析法，这种方法步骤繁琐，费用较高，而采用生物传感器的方法，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。

(2) 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。

(3) 分析速度快，可以在一分钟得到结果。

(4) 准确度高，一般相对误差可以达到1%。

(5) 操作系统比较简单，容易实现自动分析。

(6) 成本低,在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。

(7) 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。

五、生物传感器在医学领域中的运用

生物传感器有很多种，下面针对其中几种传感器在医学领域中的运用展开分析。

(1) 微生物传感器

微生物传感器的感受器是含有微生物的膜，工作原理是微生物会消耗待测溶液中的溶解氧，放出热量或者光，达到定量检测待测物质的目的。相对于酶传感器，微生物传感器使用稳定并且成本更低，但是使用范围不及酶传感器，数据显示，微生物传感器能够检测的物质约为 60 种到 70 种。微生物会受到待测物质的毒害影响，这是影响传感器准确度和寿命的主要因素，解决了这个问题，微生物传感器市场化指日可待。

(2)酶传感器

这种传感器的敏感元件是固定化酶，使用酶传感器就不需要花费大量精力去提取酶。临床上测定尿素、葡萄糖、乳酸、天门冬酰胺等生化指标可以采用酶传感器，例如现在的葡萄糖酶传感器已经发展到了第四代，应用范围广泛，并且国际上乳酸酶传感器技术已经相当成熟。临床上要检验患者肾功能就要进行肾功能诊断，然后针对性的实施人工透析，这种情况下就要使用尿素传感器。酶传感器研究时间和发展时间都较长，市场上的酶传感器已经达到了超过 200 种。

(3)基因传感器

基因传感器是近年来才出现的一种传感器，但是技术先进，国内外也有很多专家学者针对基因传感器进行研究，现在已经成为研究热点之一。基因传感器的基础是杂交高特异性，一般基因传感器上有 30 个左右的核苷酸单链核酸分子，通过和靶序列杂交测定目标核酸分子。现在研究和使用较多的基因传感器是 DNA传感器，主要用于结核杆菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的检测，从而达到诊断疾病的目的。

金盾酶GSE的制备及酶电化学传感器应用研究概述

金盾酶（Golden Shield enzyme）又名“人源系统酶或抗氧化共生酶”。由知名酶工程学者左有权经过多年研究的一种新型人工模拟合成酶。因首次发现并利用金元素（Au）参与人体酶促反应，并能促进氧化还原蛋白质与电极之间的电子传递，有较强的催化活性，能将其与酶蛋白生物分子结合同时与多酶协同保持其生物活性的酶电催化而得名，于2017年公布的国内第三代酶电化学传感器创新技术。作为一类典型的生物大分子和特殊的催化剂 , 在生命过程中免疫细胞代谢、基因调控、疾病诊断等机体防御方面扮演着极其重要的角色，因此，左有权形象的比喻这种人工模拟合成酶为“细胞防护盾”和“肌体防御武器”。纳米金（Au）具有纳米表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应 等物理特性，同时具有抗氧化性强 ,生物相容性好 , 较强的“绿色安全”的催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性的生物学特性。纳米金（Au）的食用早在1983年世界卫生组织（FAO/WHO）食品添加剂法规委员会（CCFA）第十六次会议（荷兰海牙会议）正式将金（Au）列为食品添加剂范围，列为A表第310号。经日本厚声省，卫生所检验许可为食用。美国食品药物管理局FDA以及世界卫生组织WHO/联合国粮食组织FAO把金（Au）作为添加物或者当作膳食补充剂。

左有权领衔的科研团队通过基因工程、蛋白质工程和蛋白质化学修饰,人工酶模拟研究等生物化学技术应用。在研究超氧化物歧化酶(SOD)和SOD-like模拟物过程中发现其金属蛋白结构的亚基分子以特殊构象定位于电极表面 ,并深入研究氧化还原蛋白质的电子传递过程,寻找酶促体系的催化活性媒介体 ,提高酶促反应的效率，弄清其反应机理。通过长期反复实验研究，在成千上万种生物新材中最终选择一种特异、高效、稳定的非蛋白质结构的电催化剂-纳米活性金（Au）粒子作为超氧化物歧化酶（SOD）辅助吸收载体的实验获得成功，并采用蛋白质共价修饰交联法固定化技术原理，在电极表面，利用化学反应将蛋白质等生物活性材料的游离基团共价偶联到载体上而达到固定化目的.制备了SOD纳米活性金（Au）修饰电极并能在生物体内定位于酶的活性位点，纳米活性金（Au）粒子具有比表面积大、催化活性高、亲和力强的特点,用于固定SOD生物组分，实现了SOD生物大分子与电极之间电子转移，将SOD活性中心与电极距离缩短到1nm或使SOD的分子与电极表面活性基团键合,以形成电子传输通道。

经过大量理论和实践证明, SOD酶与金（Au)电极之间直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型,能提高氧化还原SOD酶与电极之间电子传递的速度和可逆程度，这就为SOD酶揭示生物氧化还原系统中电子转移机理奠定基础。

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