生物传感技术（精选12篇）
生物传感技术 篇1
0引言
食品安全关系到人们的身体健康和生命安全[1,2,3,4], 因此, 一直以来都是人们关注的主要问题, 作为食品安全检测工作者也必须做好食品安全检测工作[5,6,7]。生物传感技术不仅成本低, 而且具有较高的灵敏度、抗干扰能力强, 目前已经在食品检测中得到了广泛应用。该技术的应用使得食品检测速度大大提高, 检测结果精确度高, 为食品安全提供了重要保障。
1食品成分检测
将生物传感技术应用到食品安全检测中能够检测出大多数成分, 比如食品中比较常见的胆固醇、蛋白质、维生素等。在高分子膜上固定氨肽酶和氨基酸氧化酶, 利用H202进行成分测量, 从而获取蛋白质分解率, 根据水解蛋白质生物反应情况控制分解程度。Radu和G. L. 等都能够借助H202实现对电流型酶电极的检测, 从而检测食品中的蛋白质, 利用这一技术只需要5 ~ 9 min就可以检测出上述内容。在对糖类成分进行检测时也往往应用到生物传感技术, 不仅如此, 该技术能够检测食品的整个生产过程。
2农药残留物检测
农药是保证农副产品得以生产和发展的基础, 同时对人类身体健康也有着或多或少的影响。如果在农药的使用上并不合理, 就会给周边环境造成影响, 比如水体污染、土壤污染等, 而如果农产品中的农药一旦超标将会严重影响人们的身体健康。传统农药检测方法需要耗费大量时间, 步骤繁琐、复杂, 而且成本也比较高, 而生物传感技术则与其完全相反, 也正是如此, 生物传感技术才得以在农药残留物检测中广泛应用。借助安培免疫传感器能够对农产品中的traxin杀虫剂进行检测, 并且只需1 ~ 3min就可以完成检测; 借助流动注射分析免疫传感器能够对农产品中的阿特拉津杀虫剂进行检测; 借助光纤免疫传感器能够对农产品中的硫磷含量进行检测。
3微生物检测
有毒微生物存留在食品中能够导致食用者患病, 我们将其称之为“食源性疾病”。当前, 人们的生活水平不断提高, 卫生条件也已经有了明显的改善, 抗生素得到了越来越广泛的使用, 导致人体对病菌的抵抗能力越来越弱, 而且食源性疾病的发病率也越来越高。由此可见, 食品微生物检测是尤为必要的, 而传统检测方法并不能够实现微生物的检测, 生物传感技术能够对视频中的微生物进行准确检测, 检测食品是否存在微生物污染。
4有毒有害物质检测
生物会产生生物毒素, 而且这种生物毒素能够对其他生物造成巨大影响。为了杜绝食品遭受到这一影响, 就必须要对食品进行有毒有害物质的检测。黄曲霉毒素不仅自身具有较强的毒性, 而且致癌性非常强, 在玉米油、花生油等食品中利用光线免疫传感器能够对其中的黄曲霉毒素进行检测。如果是水产品, 应该利用免疫传感技术对有毒有害物质进行检测, 借助建立起来的电化学免疫生物传感检测平台, 标记碱性磷酸酶, 从而现场检测贝毒等水生毒素。比如, 如果鱼类产品放置时间过长, 就会出现组胺酶有毒毒素, 在检测中主要检K值和组胺酶, 从而获取食品安全信息。
5新鲜度检测
人们在购买食品时, 最为关注的就是生产日期、保质期, 即食品是否新鲜, 大都会选择刚刚生产的, 尤其是肉、蛋、奶等食品, 而生物传感技术中的新鲜度检测的对象主要就是这几种食品。匕首型传感技术是专门应用于肉类新鲜度检测的一种生物传感技术, 其探头能够深入到肉类食品的2 ~ 4 mm处, 主要检测葡萄糖含量, 根据检测结果得出肉类新鲜度信息。在对牛乳类产品新鲜度进行检测时, 采用的是乳酸传感器, 能够检测出短链脂肪酸含量, 从而确定牛乳类产品的新鲜度。
6结语
本文从食品成分、农药残留物、微生物污染、有毒有害物质以及新鲜度等五个方面对生物传感技术在食品安全检测中的应用进行了详细分析。当前, 随着科学技术不断发展, 生物技术也取得了飞速发展, 并取得了诸多技术突破, 在食品控制和食品检测等领域, 生物传感技术已经得到了广泛应用, 能够在短时间内完成食品安全检测, 保证食品的安全健康, 同时更是为人们的身体健康和生命安全保驾护航。
参考文献
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生物传感技术 篇2
日本正兴电机集团以青鱼(Oryzias latipes)为观测目标,通过大量的研究实验,成功获得了其中毒早期异常行为的相关数据,并以此为基础,与日本九州大学联合研制成一种可以在早期发现水质异常的新型水质监测设备--生物传感器.该装置首次实现了将生物运动转化为三维数据进行分析,即通过对生物(青鱼)运动的实时检测,有效实现了对水质污染的早期发现,这也是该装置最突出的优势.
作 者： 作者单位： 刊 名：中国水利 PKU英文刊名：CHINA WATER RESOURCES 年，卷(期)：20xx “”(22) 分类号： 关键词：
生物传感技术 篇3
我国正处于经济快速发展与环境污染加剧的时期，水环境恶化已经成为国家社会经济发展的限制性因素和迫切需要解决的关键问题。多种类型的环境污染事件不断发生，对生态环境、人民健康和社会发展产生重大影响。水环境污染事件的发生和环境水质复合污染的特点，不仅要求对常规水质指标进行检测，而且迫切需要对有毒有机物、重金属和生物毒素类污染物进行检测。
环境污染物多指标分析仪是清华大学环境学院在国家863计划课题的支持下研发的平面波导荧光免疫传感器，在此基础上由北京金达清创环境科技有限公司开发成新型监测仪器。仪器的核心技术是基于全内发射荧光原理（TIRF）及免疫分析原理（Immuno-assay）的生物传感器，能够同时测定8种特征污染物指标。环境污染物多指标分析仪集成了光路、流路和电路等，并采用模块化方案设计及制作了特定功能的单元，结构紧凑合理。内部集成了微型反应池、光纤采集光路、自动进样系统、样品温控模块、锁相放大模块、分析软件、微型PC等，使用方便，用户可在短时间内掌握其测定程序。
环境污染物多指标分析仪的检测原理是间接竞争免疫反应。先将小分子配基固定到传感元件上，然后将标记的抗体和待测样品中的抗原混合预反应一段时间，再将其通过进样系统输送到反应池，样品中多余的抗体与固定抗原结合，反应结束后缓冲液冲洗，最后测定信号。这种检测模式中，如果待测样品中的抗原越多，反应后的自由抗体就会越少，则固定相抗原结合的抗体也越少，信号就越弱，反之越强，二者也呈负相关。
环境污染物多指标分析仪分为实验室仪器和在线自动监测仪器两种。实验室仪器可用于环境监测、饮用水安全检测、食品安全检测和环境科学研究；在线自动监测仪器可用于各级环境监测站的水质自动监测。进行检测时样品仅需简单处理，试剂消耗量少，信号稳定，检测速度快，对环境条件适应性强，检测费用低廉，仪器系统用户界面友好，设计时充分考虑了分析人员在实际操作时的需要。
目前，仪器可用于分析的水质指标包括农药、化工产品及生物毒素等，具体包含微囊藻毒素-LR、2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）、阿特拉津、硝基苯、二硝基苯（对位、临位及间位）、对硫磷、DDT、氯菊酯、金属镉、氯苯、邻苯二甲酸二丙酯等污染物。指标的检测限均低于《生活饮用水卫生标准GB 5749—2006》中规定的浓度限值一个数量级。
生物传感器技术产业发展现状研究 篇4
从20世纪60年代Clark和Lyon提出生物传感器的设想开始, 生物传感器的发展已经距今已有40多年的历史了。随着社会的进一步信息化, 作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的交叉学科, 生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。
1 生物传感器的概念
生物传感器是“使用固定化的生物分子结合换能器, 用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。待测物质经扩散作用进入生物活性材料, 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信号, 再经二次仪表放大并输出, 便可知道待测物浓度。所以生物传感器结构包括:一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达信号转换为电信号的物理或化学换能器, 二者组合在一起, 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。
根据生物学和电子工程学各自的范畴, 生物传感器主要有以下两种分类方式:
1.1 根据生物传感器中信号检测器上的敏感物质分
生物传感器与其它传感器的最大区别在于生物传感器的信号检侧器中含有敏感的生命物质。这些敏感物质有酶、微生物、动植物组织、细胞器、抗原和抗体等。根据敏感物质的不同, 生物传感器可分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。
1.2 根据生物传感器的信号转换器分类
生物传感器中的信号转换器与传统的转换器并没有本质的区别。例如:可以利用电化学电极、场效应晶体管、热敏电阻、光电器件、声学装置等作为生物传感器中的信号转换器。据此又将传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。电子工程学工作者习惯于采用这种分类方法。
2 国内产业现状
当前我国自主研发的生物传感器产品及跨国企业集团在中国推出的产品共存并相互竞争。一些掌握生物传感器技术的跨国大企业集团, 看好被称为“世界工厂”的中国市场, 采取技术输出的途径, 吸收我国的技术力量和销售路径, 在我国市场进行生物传感器的开发、产品制造和销售。一部份海外留学归国的生物传感器专门人才也将自己的成果在中国转化并设厂办企业。家用保健类生物传感器技术已率先较好地实现了产业化突破, 取得了显著经济效益。固定化酶生物传感器作为一类多品种的精密科学仪器, 支撑了一部份生物技术过程检测, 对传统生物产业技术改造具有重要意义。我国生物传感器产业表现的空前繁荣景象代表了当前世界生物传感器产业的主要潮流。
3 生物传感器在当前的主要应用领域
3.1 发酵工业
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澈透明的, 不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰, 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的生产, 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。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用。目前已有相关报道在发酵工业生产中将生物传感器应用于原材料及代谢产物的测定, 微生物细胞总数的测定以及代谢试验的鉴定中。
3.2 食品工业
生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量, 从而衡量水果的成熟度。采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外, 也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。
3.3 医学领域
生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用:临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分, 为医生的诊断提供依据;在军事医学中, 对生物毒素的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。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸, 以及各种致癌和致变物质。
3.4 环境监测
环保问题已经引起了全球性的广泛关注, 在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典, 在农药残留检测、酸雨监测、水体富营养化监测等过程都采用了生物冷光型的生物传感器。用于环境监测的专业仪器市场越来越大, 目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去, 生物传感器因其具有快速, 连续在线监测的优点, 相信在未来, 还会有更广泛的应用。
4 未来的展望
生物传感器是一个多学科交叉的高技术领域, 伴随着生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展, 生物传感器的发展将会有以下新特点:
4.1 功能更加全面, 并向微型化发展
未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。当前生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器, 即仿生传感器。而且随着微加工技术和纳米技术的进步, 生物传感器将不断地微型化, 各种便携式生物传感器的出现使人们面前。
4.2 智能化程度更高
未来的生物传感器将会和计算机完美紧密的结合, 能够自动采集数据、处理数据, 可以更科学、更准确地提供结果, 实现采样、进样、最终形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域, 实现检测系统的集成化、一体化。
随着技术的发展, 基于细胞受体和自由振荡等现象的新原理的生物传感器也不断涌现。相信随着一些关键技术 (如固定化技术) 的进一步完善, 随着人们对生物体认识的不断深入, 随着各学科的不断发展, 生物传感器在未来必将会更大的作为。
摘要：简述了生物传感器近年来的研究与应用, 对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物传感器因其专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广等特点, 在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。随着固定化技术的发展, 生物传感器在市场上越来越具有竞争力。
关键词：生物传感器,发酵工业,环境监测
参考文献
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酶生物传感器对农药的测定 篇5
以戊二醛作交联剂,牛血清白蛋白(BSA)作保护剂,在本研究确定的.最佳条件下将AChE固定到商品载体硝酸纤维素膜上,所得固定化酶片的活力重现性好,农药抑制率与农药浓度对数成线性关系,检出浓度为0.5μg・L-1,平均回收率为92.3%,在单管固定和同管固定两种固定酶片的测定实验中单管固定的酶片活力值比较平行.
作 者：王红 肖藏岩 何姗 WANG Hong XIAO Cang-yan HE Shan 作者单位：王红,肖藏岩,WANG Hong,XIAO Cang-yan(河北理工大学,河北,唐山,063000)
何姗,HE Shan(渤海职业技术学院,天津,300000)
生物传感技术 篇6
关键词：致癌物；水质监测；污染物；生物传感器
中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）09-0300-01
引用
水质生物传感器，作为新技术，当其生活环境受温度、光照等条件影响时，其行为会发生变化，可根据其变化实现对水质污染状况进行预测。克服了其他水质监测仪成本高、体积大、取样周期短和测试周期长的问题，并且能够弥补市场上流行的监测仪大多都只能监测一种有毒物质的不足，监测频带具有一定的局限性的缺点。因此研发这种宽频带、快速、低成本、简便式的基于活细胞传感器的持续式生化水质监测系统是有重要意义的。
一、生物传感设计
系统主要集成包括：微控制器STM32模块、声音报警模块、步进电机和移动滑台模块、PMT模块、温度控制模块、电平转换模块[1]和GSM模块。其中微处理器负责数据处理，并完成和各个子模块数据交换，PMT模块附在移动化台上，在一个暗箱里面通过采集不同区域微生物发光信号，然后将光信号转换成电信号，再经过AD模块将模拟信号转换成数字信号，在微控制器进行数据处理，处理后的数据做与标准数据做对比、判断，如果此时数据不正常将会报警，及时采取应急措施，如控制温度模块，改变微生物的生存环境，把最终的数据处理后通过GSM模块返回给个人，让人们实时知道饮用水质量情况。系统框图如图1：
（一）系统物理模型。
系统的尺寸很小，可以通过简单的旁路应用于管网，可安装于家庭、水厂及输水管路等，通过采用采用多种类型活细胞，多种生物标志物在培养基中进行培养，当水样中有害物质进入活细胞培养基中，短时间内细胞的快速繁殖会将有害物质导致的基因缺陷无限放大，并会出现大面积死亡。细胞死亡后，其标志物发光强度会大大减弱，通过OPD光电探测器将光强信号转化为电信号。细胞发光强度的大大减弱也会大幅度削弱电信号。当信号强度低于预警值，报警信号会通过无线或者短信方式发送至用。进水口可与自来水网络相连，当取样的自来水进入生物传感器系统以后，首先通过进样模块，这两个模块只对水里面大的杂质进行过滤，并不对进行其他的严格处理，以免影响水样，然后进水管的水就会流入含有活细胞的培养基中，随后通过检测模块，进行检测和预警。活细胞供给模块方便拆卸，可以根据需要添加活细胞类型，实现多样检测。
（二）硬件系统设计。
STM32系列微控制器[2]是意法半导体（ST）公司于2017年6月推出的基于ARM公司的Cortex-M3内核的32位RISC MCU，该系列MCU功能强大，种类齐全，结合了高性能、实时、低功耗、低电压特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。可以用于一些需要低功耗和功能强大的嵌入式系统，片上系统或者通用的可升级方案中。光电传感器使用的是H10723系列的，是由日本生产的一款高压源、低功率产品。该产品抗噪声干扰能力强，转换频率带宽[3]可以从DC到200KHz，微控制器和PMT采集信号以及处理后发送。
二、总结
将生物传感器技术和微系统技术结合起来，采用多种类型活细胞，多种生物标志物进行联合预警，可以监测范围广泛的急性毒性和致癌物，同时，集成的微流控芯片可以捕获致病菌，不仅适用于化学污染物，同样可以监测水生病原体。设备尺寸很小，可以通过简单的旁路应用于管网，可安装于家庭、水厂及输水管路等，实现多点并联在线式监测水质安全。系统使用的光电探测器使用单片集成的微生物反应器（OPD/OLED），价格经济，适合大规模生产。模块化设计适应性强。用户可根据自己的需求组装检测设备，可适应多变的环境和地区，应用范围广。检测模块的工作时间可以有效延长而不必担心零部件腐蚀问题。可拆卸式的检测模块，方便快捷，操作简单，用户只需更换新的检测模块即可使检测系统继续工作。但是该系统还存在一定的缺点，因为使用活体细胞作为传感器必须考虑到活体细胞的生存条件，如果不能够保证细胞的正常生活，外界条件的变化可能导致测试结果失真，所以下一步研究重点在于扩大该系统地适用范围上。
参考文献：
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生物传感技术 篇7
目前,表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术已经引起人们的关注,现已研制出多种应用于生物、化学检测相关众多领域的SPR传感器。实践证明,SPR传感器与传统检测手段比较,具有无需对样品进行标记、实时动态检测、高灵敏度等突出优点,因此其在医学诊断、环境监测、生物技术、药品研制和食品安全检验等领域具有广阔的应用前景。
2 基本原理
1957年,Ritchie发现当电子穿过金属薄片时存在能量吸收峰。他将这种吸收峰称之为“能量降低的”等离子体模式,并指出了这种模式与薄膜边界的关系,这也是第一次提出用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念[1]。2年后,Powell和Swan通过实验证实了Ritchie的理论[2]。随后Stern和Farrell提出了这种等离子体模式的共振条件,并将其称作“表面等离子体共振”[3]。1968年,Kretschmann[4]和Otto[5]各自利用衰减全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)的方法证实了光激发表面等离子体共振现象的存在。
等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体,其中正、负带电粒子的数目几乎相等,内部不形成空间电荷。当金属受到电磁干扰时,金属中电子密度分布就会变得不均匀,从而形成价电子相对于正电荷背景的密度起伏振荡。由于库仑力的长程作用,这种局部的电荷密度振荡将引起整个电荷系统的纵向集体振荡,并以密度起伏波的形式表现出来。不难看出,金属中价电子相对于正离子背景的这种振荡与导电气体中的等离子振荡相似,故将其称为金属中的等离子振荡[6]。
表面等离子体振荡可以存在于2种介质(金属与电介质)的分界面。由这种电荷密度振动引起的电磁场沿着分界面传播开来,形成表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)。SPW是一种偏振的横磁波,其磁场矢量垂直于SPW的传播方向,平行于2种介质的分界面,且SPW的场矢量在介质分界面达到最大值,并在2种介质中呈指数快速衰减。当外加电磁场与SPW的波矢相等时,就会激发SPR现象。
SPR传感系统一般采用入射光作为SPW的激发源。图1为棱镜耦合式SPR传感系统的结构示意图,下面以此为例说明其结构原理:入射光射入棱镜后在棱镜和金属膜的界面发生全反射,光电检测器接收反射光并测量光强,由于在金属膜上制备有一层敏感膜(其中含有可与待测生物分子反应的探针分子),因此敏感膜与样品池中含有待测生物分子的样液充分接触。
入射光在棱镜和金属膜的界面上发生全反射时会在金属膜中产生消逝波,但消逝波的传播深度非常有限,因此入射光的全部能量均可反射回棱镜中。然而,当入射光的波长及入射角满足一定条件时,检测到的反射光强度会大幅度减弱。这是由于此时发生了SPR现象,即一部分能量通过金属膜内的消逝波在金属与敏感膜的界面上传递给表面等离子波,即消逝波与表面等离子波发生了共振,如图2所示的SPR响应曲线。
共振时能量从光子转移到表面等离子体,因此可从反射光强度上看到一个反射率的最小尖峰,这个尖峰称为吸收峰,此时对应的入射光波长为共振波长,对应的入射角为共振角。由于这种共振的发生,使得反射光的能量大幅衰减,因此称这种全反射为衰减全反射(ATR)。
共振波长、共振角与敏感膜的介电常数有关,而敏感膜的介电常数在其与待测生物分子的相互作用过程中会发生变化。因此,通过检测共振波长或共振角的变化可以获得待测生物分子及其与敏感膜相互作用的信息。利用恰当的测量及数学处理手段,还可计算出待测分子在单位面积的结合量[7]及分子反应的动力学过程[8]。
3 SPR传感系统的主要参数
3.1 灵敏度
SPR传感系统的灵敏度被定义为直接检测参数(如共振角或共振波长)的变化与待定参数(如折射率、膜厚、浓度等)的变化之比。对于检测共振角的传感系统,灵敏度随着入射光波长的减小而增大;相反,对于检测共振波长的传感系统,灵敏度随入射光波长增大而增大。棱镜耦合方式的SPR传感系统的灵敏度高于光栅耦合方式。有报道称,检测共振波长的棱镜耦合SPR传感系统灵敏度可达8 000 nm/RIU(Refractive International Unit,简称RIU,折射率的国际单位)[9]。
3.2 分辨率
SPR传感系统的分辨率是传感系统能分辨的待定参数(如折射率)的最小变化。它与检测精度有关,受系统噪声的限制[10],噪声主要来自温度、光源、光电探测器等。瑞典的Linko ping大学和BIAcore研制的检测共振角度的棱镜耦合SPR传感系统的折射率分辨率高于3×10-7 RIU,一种使用声光调制器和调制频率测量方法的光栅耦合方式SPR传感系统的分辨率接近1×10-6RIU[11]。
3.3 检测范围
SPR传感系统的另一个重要参数是检测范围,定义为传感系统可检测的待定参数的取值范围,如可检测敏感膜的折射率或待测样液浓度的变化范围等。
除了这3种主要参数,衡量SPR传感系统性能的参数还包括选择性、响应时间及稳定性等。传感器的这些性能是由系统的各个组成部分决定的,如灵敏度、稳定性、分辨率主要依赖于光学系统、敏感膜及检测系统的性能,选择性和响应时间主要由敏感膜决定,检测范围则主要由棱镜的折射率决定。
4 SPR传感系统的分类
SPR传感器的检测分析方法可分为以下4种:
(1)单色光入射,改变入射角,检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况并记录反射光强度最小时的入射角,即共振角。
(2)复色光入射,固定入射角,对反射光的光谱进行分析,得到反射率随波长的变化曲线,并记录共振波长。
(3)入射光的角度和波长都固定,通过检测反射光强度的变化分析折射率的变化。
(4)入射光的角度和波长都固定,观测入射光与反射光的相位差。
这4种方法中,前两种的应用最为普遍;第3种受扰动产生的误差较大,不太实用;最后一种方法的灵敏度最高,但系统需要一系列的高频电路。
按照SPR传感系统中不同的光学耦合结构,目前SPR传感系统可分为4种结构类型,即棱镜耦合结构、衍射光栅结构、光学波导结构以及光纤耦合结构。
4.1 棱镜耦合结构
棱镜耦合具有结构简单、易于实现且灵敏度高等特点,使用较为广泛。其中根据传感膜结构的差异,又可分为Otto结构和Kretschmann结构2种类型,如图3所示。
在Otto结构中,棱镜的底部与金属膜之间有一段空隙,其厚度d与入射光波长相近。将待测物质放置于空隙中,通过调整空隙的厚度d来激发SPW。但由于空隙厚度不易控制,制作、使用都不方便,因此很少采用这种结构。Kretschmann结构中棱镜与金属膜之间不存在空隙,待测物质放置在金属膜下方,通过调整激发光的入射角或波长来激发SPW。在这2种结构中,人们对后者的研究和应用较为广泛。
为了避免入射光在棱镜表面的折射,一般要使入射光垂直棱镜表面入射、出射,故棱镜主要分为两种:等腰三角形棱镜、半圆柱形棱镜。对于Kretschmann结构,制作棱镜耦合SPR传感器时,首先在棱镜底部制备一层厚度约为50 nm的金属膜(一般采用Au或Ag)和具有选择性的敏感膜(膜上固定有与待测分子相对应的探针分子),并将其置于样品池的上方,如图4所示。入射光在棱镜底部发生衰减全反射,激发SPW,通过对反射光的检测,便可得到共振角或共振波长,从而实现对待测样品的检测。
4.2 光学波导结构
这种结构的工作原理与棱镜耦合方式的Kretschmann结构很相似。波导中传播的光波经过表面覆盖着金属膜层的区域时,在金属层界面发生全反射,如图5所示。如果SPW的相位与光波导模式的相位一致,则会激发SPW。此时在波导的输出端可以检测到SPR峰值曲线。这种结构具有光路人为可控、易于小型化及良好的稳定性等突出优点,因此具有一定的研究价值。
4.3 光栅耦合结构
衍射光栅耦合结构的SPR传感系统如图6所示。在这种结构中,金属层与介质层构成周期性变化的光栅曲面,当入射光照射到光栅表面时便会发生衍射,不同的衍射角对应不同的衍射阶。当某一阶衍射光的波矢在界面方向的分量与SPW的波矢相等时,二者发生共振,发生SPR现象。此时对应的衍射阶光强就会大幅降低,甚至消失。所以光栅耦合结构的SPR传感系统可以通过检测衍射光强分布的方法来获得与棱镜耦合方式类似的SPR峰值曲线。
4.4 光纤耦合结构
光纤耦合结构的SPR传感器采用光纤作为光的传输媒质。由于光纤的特殊性,因此这种传感器具有其他结构传感器所没有的特点:它可以很方便地探测一些人类难以进入或者有害的地方;可以通过光纤对敏感信号的传输,实现远程检测和分布式检测,而且也可以达到较高的灵敏度。光纤耦合类传感器一般是将普通光纤部分保护层剥离,将纤芯裸露,之后在纤芯外包裹金属膜层及敏感层,如图7所示。
5 SPR传感器的主要应用领域
1982年,瑞典的Nylander和Liedberg将SPR原理应用于气体检测和生物传感器领域中。从那时起,SPR传感技术取得了持续长足的进展,各种新的SPR传感结构设计纷纷面世,并被广泛应用于物理量测量、化学检测、生物检测等领域。近年来,SPR传感技术在生物医学工程领域中的应用更是得到了飞速发展。
由于SPR传感系统在生物医学检测方面具有非常明显的优势,加之其极为广阔的应用前景,使该领域的研究受到越来越多的关注。自1982年SPR传感系统首次应用于生物领域以来,SPR生物传感系统已经被广泛应用于各种类型的生物分子检测。它可用于检测生物分子的结合作用,或是通过生物分子结合作用的检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定,如早期的抗原—抗体[12]的相互作用,Streptatividin和维生素H的相互作用以及一些Ig G的检测。近年来,有关SPR生物传感技术的研究还涉及到了蛋白质之间或蛋白质与DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)相互作用的检测以及蛋白质结构变化的检测,抗瘤蛋白质APC的生物化学属性的检测、醣蛋白与单克隆抗体动态反应过程的检测等。此外,这种传感系统检测的对象还包括细胞色素C、葡萄糖、机球素、铁蛋白、香烟中的烟碱等。SPR传感系统还可用于医学、环境领域,其对于破伤风毒素、艾滋病毒等的检测也已有文献报道。
基于SPR传感系统的诸多突出优势,其已广泛应用于疫苗研制、疾病诊断、药物靶标、药物开发以及基因测序等众多领域。甚至在疾病治疗、案件侦破、环境监测、食品安全检验和兴奋剂检测等方面也极具应用研究价值。随着国际上商业化SPR生物传感系统的出现,SPR传感技术正在成为直接实时检测生物分子相互作用领域中最重要的技术。
6 SPR传感技术的发展趋势
由于SPR传感技术与其他分析方法相比具有无可比拟的独特优势,其在很多领域,特别是生物医学领域广阔的应用前景得到了世界各国科学家的认同。然而,现有的SPR传感技术与传统分析手段相比,特别是与免疫检测手段相比,在检测成本、易用性、稳定性、检测效率以及灵敏度等方面还存在一些不足。这就决定了该技术今后几年的主要发展趋势:
(1)进一步提高检测灵敏度及分辨率。目前SPR传感技术的检测精度要求在敏感膜上的生物分子吸附量应大于1 pg/mm2,这对于低浓度、小分子量分子来说是不够的。相信通过改进仪器的结构和检测手段、增加参考通道、改进传感膜层结构、降低噪声影响和优化数据处理的算法等措施,灵敏度及分辨率还可以获得较大的提升。
(2)实现多通道检测[13]。实现多通道检测具有3个显著优点:(1)利用多通道可以一次检测多个样品,实现高通量检测,这在医药研究中极为有用;(2)可以一次完成同一样品的不同特征的检测,这一点对于医学诊断是非常必要的;(3)在多通道结构中,通过引入参考通道,可消除非特异性响应的影响。
(3)器件微型化和阵列化。SPR传感器微型化与阵列化带来的好处是价格将大大降低,从而可以更快的进入各个生化检测和分析领域;此外,微型化后的SPR传感器在稳定性上也会有很大提高,可以减少样品的使用量。因此,在未来的发展中,光纤耦合型SPR传感器和集成光学波导型SPR传感器在微型化与阵列化方面必将大有作为。
(4)降低检测成本。降低检测成本的方法除了实现小型化外,更有效的途径是制作材料的选择。如研究或开发出可以替代贵重金属的材料,如利用光学塑料代替昂贵的光学玻璃等。此外,一些传感部件的再生利用应该是降低成本的更为有效的途径。
7 展望
光纤生物传感器的传感机制 篇8
传感器是能感受某种被测量信号,并将其转换成声、光、电等信号的元件,包括敏感元件、转换元件以及相应线路等。传感器的种类很多,其中以抗原抗体、酶、核酸、细胞等生物材料作为敏感元件组成的传感器称为生物传感器,而以光纤传导和收集光信号进行生物检测的传感器称为光纤生物传感器(fiber optic biosensor,FOBS),这种传感器通过检测生物反应所产生的光,通过检测光的强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。与其他传感器相比,这种传感器具有抗电磁干扰能力强,不用参考电极,可以实现探头微型化以及用于遥测和适时检测等优点。
1 反应池光吸收型传感
光纤传感器系统中,可利用一系列光纤现象来传感化学量,其中最简单的方法莫过于在特定波长处的光吸收效应,光吸收效应主要用于检测池分离型光纤传感器,即一根光纤或光纤束将光引入化学反应池,由化学反应池返回的光用另一根光纤或光纤束收集。光吸收的强弱取决于待测分子的吸收率、光程及光波长。一束准直光在吸收介质中经过距离z后检测到的光强由式(1)表示:
吸收系数a与吸收分子的吸收截面积Cs和分子浓度Cm有关，Cs和Cm的量纲分别是平方米泉市（m2)和每立方米物质的量(mol/m3)。它们的关系式：
式中，N是阿伏伽德罗常数，其值为6.022×1023个/mol。
在大多数光纤传感系统中，光束总有一定的发散，并且探测器也不能接收到光纤中所传输的全部光，这些因素使光强对于距离的依赖性变得更加复杂。例如，在一个由半径分别为r1和r2（r2<r1)的发送光纤和接收光纤组成的系统中，当光线在吸收介质中经过了距离z后，接收光强大致为：
式中，φ为光纤末端出射光的散射角。该式假定光束的扩散光斑均匀且散射角小。在建立实际系统的模型时还应考虑扩散光锥的照度不均衡性。
在一个光纤化学传感系统中化学反应物的种类及其浓度通常需满足下面两个条件。
(1)在被测参数变化范围内(如某种被测化学物的浓度最小值和最大值),受该参数制约的传输光强变化必须足够大以获得相当的灵敏度。一般而言,在测量范围内,该变化值为信号强度的一个至两个数量级比较合适。当然,这只是一个度。在这种情况下,需要有一个非线性强度函数,为了得到最高的精确度,在被测量参数的变化范围内,信号强度应有最大的变化量。
(2)在最大吸收时,化学反应物中的光传输量仍需维持足够大,因为在有噪声的情况下,信号必须有足够大的相对值。实际上,这意味着传感元件的光损耗(其大小由待测反应物及传感器构造共同决定)不能太大,否则将难以从干扰(诸如周围泄露光等)中分离信号分量。这一要求并不是指传输的光信号必须比周围光信号大。如果采用光源调制及窄带检测方法,只要总光量大致使探测器或信号处理电路出现饱和,则比环境光小得多的信号光仍是容许的。
一般来讲,为保证传感器精确地吸收测量,需要同时监测至少两个波长。这两个波长的选择是在其中一个波长上对测量环境变化敏感而在另一个波长上不敏感为原则的。这种双通道系统能补偿诸如光纤耦合效率波动、光源功率波动以及光纤、探测器或其他光器件的老化而引起的共模效应。
2 敏感膜光反射与散射型传感
“单端”光纤系统具有较多的优越性,利用一面镜子(或其他反射面),或利用某一附加材料的光散射特性,将部分吸收光反向散射到接收光纤中去可构成一类更具优越性的光纤传感器。试剂附着于无色膜材料的表面,膜紧贴于光纤端面。膜的漫反射要足够大,并且漫反射不仅发生在膜表面还发生于膜内。待测物的加入能改变反向散射光的强度。这种光强度的变化可以通过一种单向方式监测,即在入射光纤相同的方向上放置一根接收光纤。在实际应用中可利用分叉光纤提供多跟入射光纤和出射光纤。一般来说选择具备下述特点的反应物支撑材料是相当重要的。
(1)膜能实现反应物的化学偶合或结合反应物的同时又不影响反应物的光学传感检测能力。一般来说,偶合于膜上的反应物与自由溶液状态的反应物发生反应的方式不同,在有些场合,反应物偶合能提高它的稳定性。
(2)膜上的孔状结构要有足够的渗透性,以保证化学样品在规定的响应时间内有充分的扩散,这样才能在该响应时间内进行测量。对于空隙很小的膜,其内部溶液往往要30min才能与外界环境达到平衡,这对需要在数分钟内得到被测参数信息的应用时不适宜的。
(3)膜的浸润特性应与被测环境相适应。比如测量水溶液性物质时使用的疏水膜是不合适的,同样的,当测量在油或脂类环境中进行时,就要使用油浸润膜。
(4)来自膜的漫反射光应尽可能有固定不变的光谱响应。这意味着膜不含有光谱吸收物质,即使是非常好的散射材料也常常会使波长有些改变,但通常这些改变并不严重。在实际应用中,普通膜材料都能满足这一要求。
3 荧光型传感与磷光型传感
3.1 荧光型传感
荧光现象直接与吸收有关,因为能量较低的辐射在再次发光之前必须要吸收光能量。产生荧光的效率取决于荧光物的浓度、吸收截面和量子效率以及光程长。在实际应用中,荧光物水溶液的量子效率可接近于1.0(如荧光素),当它的量子效率降到0.05时仍然是可用的。在实验系统中可以调整其他一些参数,以确保最大限度利用激发光能量。
荧光分子具有特定的激发光波长范围,在该范围内分子可以被激发,一旦受激,分子在短时间内迅速衰减,其发射光谱也能确定。如简单荧光分子若丹明-B的激发光谱和荧光光谱如图2所示。可以看到荧光辐射发生在波长较长处,并且受激峰值波长(564nm)与辐射峰值波长(583nm)分界明显。峰值波长差值称为斯托克斯频移,一般荧光物质的斯托克斯频移值大约是1 0~20nm(300~600波数),使用诸如藻胆蛋白这样较复杂的分子可以得到较大的斯托克斯频移。
为了在光纤传感器中使用荧光效应,就必须保证光源、荧光染料和探测器系统的光谱特性相互匹配。光源和探测器一般都为宽带器件,需要附加滤波器使其工作于窄带范围,还可以构造若干谱重叠积分运算,以辅助系统优化设计。
下面将讨论四个有关的光谱响应：S（λ），滤波后输出的光源；Ex(λ)，染料的受激(吸收)谱；Em(λ)，染料的辐射谱；F（λ),滤波检测系统的谱灵敏度。
(1)源重叠积分（SOI)可度量染料受激发作用的效率：
(2)探测器重叠积分（DOI）表示检测系统监测荧光辐射的好坏程度：
(3)激发抑制积分（PRI)表明了为抑制对激发的散射而设计的光源和探测器滤波作用的好坏：
为了优化荧光效应系统的性能，需要设计S（λ）和F（λ），使得SOI和DOI尽可能大而PRI尽可能小。在大多数光纤传感器，有很多部件都对激发光有散射现象这些部件包括滤波器、紧贴传感单元的尾纤以及传感器中的各个元件。因此，是PRI最小比使SOI和DOI最大更为重要。为了实现不同系统之间的比较，式(7)给出一个有用的量纲的通用算式来计算系统的“性能因素”：
荧光现象的优点是它允许测量环境中被测物与其他样本同时并存;另外,散射光及表面粗糙度的不利影响可通过频移减少到最低限度。在实际的光纤传感器结构中,荧光现象的应用有如下两个基本方法。其一是作为标记方法;另一个是作为化学探测器。
3.2 磷光型传感
由于分子的受激态能维持数纳秒,因此具有荧光现象的有机化合物的应该寿命通常非常短,另外,即使分子的受激态能维持较长时间,附近环境中的其他物质也会使这些受激态分子返回基态。而对于固态物质,其寿命则长得多,特别是可以利用其磷光现象。荧光和磷光的根本区别是:荧光是由激发单重态最低振动能层至基态个振动能层的跃迁产生的。正如荧光现象一样,磷光现象也有两个基本的应用。
(1)作为标记方法:它作为标记物优于荧光现象的地方在于,当激发光散去之后仍存在磷光辐射,这样就能消除激发光的散射影响,而激发光的散射影响正是荧光系统中限制系统性能的因素。
(2)作为探测器:磷光可以淬灭,这一现象可用于传感。例如,在商品化的光纤湿度测量系统中,就利用了高温下稀土磷光体的猝灭现象。
磷光现象的主要缺点是瞬时输出光的能量低,为了解决这一问题,通常采取输出信号的累加。
4 结束语
光纤生物传感器由于其实用方便、灵敏度高等优点,已成为人们越来越关注的研究热点。其小型化、规格化、商品化是将来发展的趋势,因此根据不同需求,合理选取和应用传感机理的进行设计尤为重要,相信在不久的将来将有成熟的产品推向市场。
参考文献
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[4]冯德荣.生物传感器的研究现状和发展方向[J].山东科学.1999,12(4):1-6
生物传感器的原理与应用 篇9
1 生物传感器原理
生物传感器是一种以生物活性物质如酶、蛋白质、微生物、DNA及生物膜等作为敏感元件与适当的物理或化学转换器有机结合而组成的分析检测装置。
其工作原理[1]如下:待测物质经扩散作用进入分子识别元件 (生物活性材料) , 经分子识别作用与分子识别元件特异性结合, 发生生物化学反应, 产生的生物学信息通过相应的信号转换元件转换为可以定量处理的光信号或电信号, 再经电子测量仪的放大、处理和输出, 即实现分析检测的目标。
如图1所示, 生物物传感器具有接受器与转换器的功能, 由分子识别元件、转换器和信号放大装置组成。其中分子识别元件即固定化的生物敏感材料或者生物敏感膜, 主要包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸和高分子聚合物等;转换器的作用在于将各种生物的、化学的和物理的信息转换成电信号。微电子学和传感器技术的不断发展为检测生物学反应过程产生的信息提供了丰富的手段, 常见的转换器有氧电极、光敏管、场效应管和压电晶体等。
生物传感器存在多种分类方式。 (1) 是按照生物活性物质实施分类, 主要可以划分成酶传感器、微生物传感器、组织传感器、免疫传感器、细胞传感器以及DNA传感器等; (2) 是按照具体检测原理进行划分, 可以划分成光学生物传感器、压电传感器以及电化学传感器等; (3) 是根据相应的生物敏感物质之间的作用类型实施分类, 主要可以划分成亲和型与代谢型; (4) 是按照所监测到的生物量、物理量以及化学量情况, 将其划分成胰岛素传感器、热传感器以及光传感器等。
从生物传感器的具体特点进行分析, 具体情况如下。
(1) 生物传感器的速度相对较快, 且成本较低。比如, 固定化酶生物传感分析仪主要是利用固定化酶膜为相应的分析工具, 其酶法分析试剂能够进行反复使用, 大约可以利用数千次, 这种情况下, 其分析成本仅仅是手掌型血糖分析仪的大约十分之一。而且具有相对较高的分析速度, 一般情况下不到二十秒就会得到相应的分析结果与检测结果。 (2) 具有较强的专一性, 通常情况下, 生物传感器仅仅只对一些特定物质起反应, 不会受到颜色以及浊度等的影响, 也不需要实施样品预处理。 (3) 稳定性较好, 具有较强的分析精度。最后, 操作系统相对简单, 非常容易实现自动化分析处理。
2 生物传感器的应用
2.1 在食品工业中的应用
主要包括如下几点:
(1) 食品品质检测[3]包括畜禽肉、鱼肉和牛乳新鲜度的评定上, 目前, 加拿大、日本正在出售检测鱼新鲜度的生物传感器;还有食品滋味及熟度的检测, 日本农林水产省研制出一种传感器, 可“品尝”肉汤的风味; (2) 食品成分快速分析包括蛋白质和氨基酸的检测, 糖含量的检测, 有机酸和醇类等物质的检测等; (3) 食品安全检查包括食品中微生物的检测, 生物毒素的检测, 残留农药的检测, 食品添加剂的检测[2]。
2.2 在环境监测中的应用
(1) 水质监测, 目前, 生物传感器已用水中生化需氧量 (BOD) , 酚、三氯乙烯、硝酸盐及其他有机污染物的检测。 (2) 大气质量监测, 生物传感器可监测大气中的CO2, NOx, NH3CH4等[3]。
2.3 在医学的应用
生物传感器在医学领域发挥的作用越来越大。例如, 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, 制成微生物传感器。在军事医学中, 生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。目前, 生物传感器已应用于监测多种细菌、毒素与病毒, 还可以测量乙酸、乳酸以及尿酸等[4]。
2.4 在其他领域的应用
生物传感器在发酵工业和军事领域等也有广泛的应用。例如, 微生物传感器已用于发酵工业中的原材料、代谢产物和微生物细胞数目的测定, 在军事上, 生物传感器在化学、生物战剂的侦检方面具有独特的优势, 已应用于监测多种细菌、病毒等[2]。
3 结语
生物传感器技术已经取得了长足的发展和进步, 未来还将遇到各种问题和挑战, 但是它的应用前景和自身优势毋庸置疑。可以预见, 未来的生物传感器将实现功能多样化、微型化、智能化、集成化等特点, 并成为人们生产和生活中不可缺少的重要工具。
摘要：现阶段, 生物传感器的敏感元件是生物活性单元, 借助相应的物理转换装置以及化学转换装置可以对所规定的被分析物实施检测与分析, 由于其具有相对较高的灵敏度、检测速度以及相对较低的成本, 故可以实施连续性的动态化监测。该文首先描述生物传感器工作原理、结构、特点和分类等, 然后描述生物传感器在食品工业、环境监测和医学等领域中的应用现状。
关键词：生物传感器,原理,应用
参考文献
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适体生物传感器研究进展 篇10
1 适体的优越性
一种单链DNA或RNA能形成多种热力学稳定的空间结构,是筛选各类靶分子适体的基础。适体替代抗体作为生物传感器的识别分子具有以下优越性[6]:
1) 高特异性、高亲和力
适体只识别与其互补的分子空间结构,能够分辨出靶分子在结构上的细微差别。适体与配体结合的解离常数(kd)可以达到纳摩尔,甚至皮摩尔水平[7]。适体与配体间的亲合力常要强于抗原抗体之间的亲合力,几乎可以完全避免非特异性结合。
2)靶分子广
适体筛选的靶分子不仅作用于蛋白质与核酸,还能作用于酶、人IgE、生长因子、抗体、基因调节因子、细胞黏附分子、植物凝集素、完整的病毒颗粒、病原菌等生物大分子。适体也用于小分子量物质的检测,包括金属离子,有机染料、药物、神经递质、氨基酸、辅因子、氨基糖苷、抗生素、核苷碱基类似物、核酸等[8]。
3)体外合成、易于修饰
适体的制备过程不依赖动物或细胞而是在体外人工合成的寡核苷酸,可因需要而加以改变。适体经适当修饰,稳定性大大提高,且不影响与配体间的亲和力。
4) 稳定性好、可反复变性、复性
核酸适体在表观功能上与单抗类似又具有许多优势,抗体的蛋白本质决定了它容易变性。核酸适体冻成干粉后可于室温保存数年,适当溶解后又立刻恢复其功能。
鉴于以上优越性,适体在生物传感器领域里得到了广泛的应用。下面就不同类型的适体生物传感器分别进行阐述。
2 适体生物传感器
适体生物传感器是一种能够连续和可逆地进行分子识别的装置,也可以看作信息采集和处理链中的一个逻辑元件。它主要是由接受器(Receptor),换能器(Transduce)和电子线路(electronic control circuit)3部分组成。根据检测信号不同,适体生物传感器分为电化学适体生物传感器、光学适体生物传感器等[9]。本文重点评述这两类适体生物传感器。
2.1 电化学适体生物传感器
电化学生物传感器由于具有较高的灵敏度和选择性,价格低廉,自动化程度高,被认为是一种有发展前景的分析测试方法,大多是利用适体与目标结合设计生物传感器,通过电化学参数直接测量,如阻抗和电流;或者通过某些标记物间接测量,常用标记物包括酶和纳米颗粒。另一种设计机理是利用适体的某些生化特征作为DNA酶的底物或构象开关;也有基于链置换或者是结构转换诱导的构象改变来设计适体生物传感器的。电化学根据有无标记可分为标记型电化学适体生物传感器和非标记型电化学适体生物传感器。根据检测信号不同又可分为电流型、阻抗型、压电型等电化学适体生物传感器。
2.1.1 标记型电化学适体生物传感器
标记型电化学适体生物传感器主要是电流型,根据标记物的不同分为量子点标记(CdS、PbS等),小分子标记(亚甲蓝、二茂铁等),酶标记(辣根过氧化物酶、葡萄糖脱氢酶等),纳米粒子标记(Au、 Ag)等。大部分标记型的电化学适体传感器均把电活性物质标记的适体固定于电极表面,与目标分子结合后,因构象减小了电极与电活性物质间的距离,电化学信号增大,为Signal on型。不同构象的适体和其标记位点不同,对信号变化的影响不同。因电活性物质标记的适体与待测物结合后使电化学信号减小而进行测定的,为Signal off型。
Jacob[10]等把不同的适体固定在电极上,用不同的量子点标记蛋白质,可同时检测多种蛋白质,该法属于Signal on型。Li[11]等报道了一种测定可卡因的电化学发光生物传感器(ECL-AB生物传感器,Signal on型)。此生物传感器以可卡因为研究对象,可卡因适体作为分子识别元件,用钌标记的适体作为ECL探针,将探针固定在金电极表面构建成ECL-AB生物传感器。ECL探针发生构象变化既可提高,ECL信号。此生物传感器对可卡因的检测范围为5.0～300 nmol/L,检测限达1.0 nmol/L。郑静[12] 等介绍了一种利用互补核酸杂交富集金胶实现信号扩增的蛋白质生物传感器。以凝血酶蛋白为研究对象,利用凝血酶蛋白相对应的两段核酸适体,将核酸适体Ⅰ固定在磁性颗粒上,用于捕获蛋白,在核酸适体Ⅱ上标记金胶。在凝血酶蛋白存在下形成了核酸适体Ⅰ磁性颗粒/凝血酶/核酸适体Ⅱ-金胶的三明治结构[图1(A)]。由于在三明治体系中的金胶上有多余的核酸适体Ⅱ,当标记有金胶的互补核酸与核酸适体Ⅱ进行杂交时,对应每一个三明治结构会有更多的金胶,从而实现信号的扩增[图1(B)]。通过引入这种标记有金胶的互补核酸杂交,使得检测的灵敏度大大提高,最低检测限可达到4.52 fmol/L,是目前已报道的最灵敏的凝血酶生物传感器之一。该凝血酶生物传感器具有很高的特异性,不受其它蛋白存在的影响。
Zheng [13]等报道了一种基于金纳米颗粒和巯基氰尿酸来测定凝血酶的超灵敏电化学适体生物传感器。适体Ⅰ固定在磁性纳米颗粒上,适体Ⅱ用金纳米颗粒标记,磁性纳米颗粒用于分离和选择,金纳米颗粒能提供很好的电化学信号。适体与凝血酶特异性识别,形成了网状巯基氰尿酸/金纳米颗粒/凝血酶三明治结构。提高了检测的灵敏度,检测下限达7.82 amol/L (Signal on型)。Zhang [14]等人报道了一种新型的基于与表面接近程度杂化的电化学适体生物传感器并用于蛋白质的检测。此适体生物传感器由一对亲和探针组成,同时识别血小板衍化生长因子-BB(PDGF-BB),适体探针在3′端有二茂铁标记的核苷尾系列。它与固定在表面的DNA链互补,当无目标分子时,尾系列不与表面链结合,因互补片段太短不足以引发有效的杂化事件。当适体同时结合PDGF-BB,尾系列被带至靠近表面的地方,浓度升高,一对尾系列与表面系列杂化,二茂铁被拉至电极表面产生可测量的电流(Signal on型)。Wu [15]等在金纳米组装的电极上自组装固定捕获DNA探针,不存在目标分子腺苷时,捕获DNA探针与二茂铁标记的适体结合,二茂铁与电极的表面距离减小,产生一个较强的电化学信号;腺苷存在时,二茂铁标记的适体与腺苷结合,与电极上固定的捕获DNA解链,电化学信号减小,根据电流信号的减小对腺苷进行检测(Signal off型)。
(A)由适体Ⅰ标记的磁珠、凝血酶和适体Ⅱ标记的金纳米颗粒构成的三明治结构(B)通过互补核苷酸的杂交而进行的金纳米颗粒的富集(A)structureofthesandwichformatbymagneticnanoparticlelabeledaptamerI,thrombinandgoldnanoparticlelabeledaptamerII;(B)enrichment ofgoldnanoparticlesthroughthehybridizationwiththecomplementaryoligonucleotide.
2.1.2 非标记型电化学适体生物传感器
非标记型电化学适体生物传感器主要分为阻抗型和压电型。Feng等[16]报道了基于目标诱导适体置换的非标记型电化学腺苷传感器,传感基底是1,6二巯基正己烷自组装膜修饰的金电极。此膜可以增加捕获探针的表面负载量并增强信号。腺苷适体与捕获探针杂交,在表面上形成双链配合物。腺苷与适体的相互作用取代了该适体序列致使适体序列在表面游离出来。检测游离的适体产生的氧化还原电流的大小,可反映分析物的浓度。此传感器有较高的灵敏度,图2。
Bini [17]等报道了一种压电石英晶体凝血酶适体生物传感器。评价了凝血酶传感器制备的几个关键步骤对传感器性能的影响。Li[18]等报道了一种阻抗型适体生物传感器。为提高检测灵敏度,构建了夹心型传感平台,巯基化适体首先被固定在金基底捕捉凝血酶分子,然后适体功能化的Au纳米颗粒(AuNPs)被用于放大阻抗信号。相比已报道阻抗适体生物传感器,这种适体/凝血酶/ AuNPs传感系统不仅可以提高检测灵敏度,也为以适体为基础的蛋白质检测提供了信号扩增模型。此传感器的检测限为0.02 nmol/L,线性范围为0.05～18 nmol/L左右。齐永志[19]等对适体型压电石英晶体传感器探针固定方法进行了研究。用巯基固定法及生物素-亲和素固定法将针对人IgE的适体探针固定在压电传感器的金膜表面,对不同浓度IgE引起的频率变化进行检测。比较了金膜表面两种探针固定法的优劣,与巯基法相比,生物素-亲和素法固定探针压电传感器频率下降更为明显,检出限低,线性范围宽,在0.1～2.5 mg/ L质量浓度范围内IgE浓度与频率变化呈明显的线性相关,相关系数0.9945。
2.2 光学适体生物传感器
根据所选光学方法和检测材料的不同,光学生物传感器也可分成许多种类。光学适体生物传感器主要有光度适体生物传感器、表面等离子共振适体生物传感器、荧光适体生物传感器等类型。
2.2.1 光度适体生物传感器
光度适体生物传感器是基于适体与靶分子结合作用前后吸光度的变化或最大吸收波长(颜色)的改变进行检测的适体生物传感器。Stojanovic[20]等设计了核酸适体的比色探针,用于可卡因的检测。其基本原理是先将核酸适体和花青染料结合,由于是非特异性结合,当加入可卡因后,可卡因取代染料和核酸适体特异性结合。通过测量染料分子在特定波长的吸光度变化可以计算出可卡因的浓度(图3)。此生物传感器可以测定药物,但不能测定尿液中pmol/L级的代谢物,因为其离解常数只为μmol/L级。
Liu [21]小组报道了基于适体和纳米颗粒的通用传感器用于快速比色测定腺苷和可卡因。金纳米颗粒所具有的较好的吸光系数和取决于距离的光学性质使其被应用于与DNA有关的比色测定中。最近,适体功能化的金纳米颗粒已用于凝血酶的测定。用常规方法构建的腺苷和可卡因的传感器在室温下数秒即可产生颜色的变化。腺苷适体生物传感器由3种成分组成: 3′AdapAu或5′AdapAu功能化的纳米颗粒和LinkerAdap。3′AdapAu和5′AdapAu组装在LinkerAdap形成聚集体,显示淡紫色。LinkerAdap分为3个片段。第一个片段与3′AdapAu杂化,第二个片段是腺苷的适体系列与5′AdapAu上的另外七个核苷杂化。当腺苷存在时,适体改变它的结构与腺苷结合,结果只有五个碱基对留下来与5′AdapAu杂化,在室温下不稳定,5′AdapAu颗粒从3′AdapAu颗粒上解离,聚集体解体,体系颜色从紫色变为红色。
2.2.2 表面等离子共振适体生物传感器
表面等离子共振(SPR)技术通常是将适体分子固化在以石英或玻璃为载体的金属(通常为金)膜表面,加入待测目标物,两者的结合使金属膜与溶液界面的折射率上升,从而导致共振角度的改变。如果固定入射光角度,就能根据共振角的改变程度对待测物进行定量分析。Li Y[22]等报道了一种利用SPR的方法来直接检测人体血液中的一种标记蛋白血管内皮生长因子(VEGF),VE-GF是一种血管分裂原,能促进内皮细胞有丝分裂与肿瘤新生血管的形成及与其它血管增生性疾病关系密切,是一种血液中的标记分子,跟多种疾病有关。这种检测方法是首先把靶蛋白固定在适体表面,与辣根过氧化物酶(HRP)标记的抗体构成了适体-靶分子-抗体的三明治结构。HRP暴露于表面,在表面形成了深蓝色沉淀,扩大了SPR响应并提高了检测的灵敏度。Herr[23]等采用适体结合的金纳米颗粒测定癌细胞。适体是通过细胞-指数富集配基系统进化技术(cell-SELEX)方法选择的。由于金纳米颗粒具有等离子共振特性,其距离决定光学特性,一旦AuNPs相互靠近,它们的吸收光谱位移就导致颜色的变化,很多技术都基于AuNPs的聚集特性而建立,可用于测定基因和蛋白质。
2.2.3 荧光适体生物传感器
荧光适体传感器主要是基于适体与目标分子作用前后荧光信号的变化来检测目标分子的器件。徒永华[24]等报道了基于核酸适配体的新型荧光纳米生物传感器用于凝血酶的测定。此生物传感器利用凝血酶的两条核酸适配体与凝血酶的高亲和力构建了三明治结构, 利用磁性纳米颗粒的磁性分离技术,设计制作了一种新型的荧光纳米生物传感器。此传感器对凝血酶的线性响应范围为4.03 ～ 224 nmol /L,其线性方程为I=0.9758 ×1011C - 2.628,检出限为100 nmol /L,具有很高的检测特异性和灵敏度,见图4。Stojanovic[25]等研究了以适体为基础的荧光可卡因生物传感器。适体识别可卡因信号要经过两个步骤:适体的一个茎与可卡因结合形成口袋形状的三维结构,由此导致标记荧光的短茎消失并且引起荧光淬灭。没有可卡因存在时,两个茎打开,有可卡因存在时形成三维结构。重大的结构改变引起了荧光和淬灭,从而产生信号并用于测定配体的浓度。该生物传感器对可卡因具有高选择性,有益于可卡因水解酶的筛选。荧光适体生物传感器的研究主要是开发新的荧光物质,探索新的检测原理和新的检测方法。
3 结语
随着SELEX技术的不断丰富和完善,适体生物传感器的研究得到了飞速发展,但在其性能完善与应用推广方面仍面临着许多需要继续研究的问题。核酸适体作为理想的传感器识别元件,在基础研究和生物医学诊断等领域发挥了重要作用,尤其是在以细胞为基础的肿瘤蛋白质学方面,将是今后适体研究的热点领域。寻找高特异性的新适体,提高适体生物传感器的灵敏度和适用性,加速适体传感器检测过程的快速化、自动化已成为适体生物传感器的研究的主要方向。
摘要：适体作为识别分子已成功应用于多种生物传感器平台,在医疗诊断、环境检测、基础分析中显示出良好的应用前景。近年来,以适体为识别元件的生物传感器越来越受到人们的关注。介绍了适体的优点,重点综述了2006年以来适体生物传感器的研究新发展。
生物传感技术 篇11
关键词：传感器技术理论教学实践教学改革
中图分类号:G71文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)03(c)-0000-00
传感器技术作为一项高新技术,目前已广泛应用于国防科技、工农业生产及日常生活中，是测控过程中反映被测对象、保证控制质量的重要一环，也是自动化、测控技术、机电一体化及电子等专业的一门实践性和应用性很强的专业基础课。随着计算机技术，信息技术和网络技术的发展，传感器技术与应用也飞速发展，而传统的传感器教学尤其是实践环节的教学迫切需要改革创新。为此，针对职业技术学院传感器技术教学的现状进行了有益的改革，旨在提高学生对传感器原理及特性的理解并进而达到设计和应用的目的，培养高素质技能型人才。
1 传感器技术的发展现状
传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术几个方面。随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备。传感器今后的发展趋势向集成化、多功能化、智能化、数字化发展，以满足在工业生产中不断进步的需求:
(1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。
(2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。
(3)智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。
(4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。
2 职业技术学院传感器实验教学的现状
由于职业技术学院的特殊性，在传感器技术教学过程中，由于实验内容陈旧，实验手段过于单一，综合型、设计型、应用型、研究型实验内容相对较少，学生只是记录实验数据，对实验的原理和方法根本不去关心，这种通过实验箱完成的以验证型实验为主的实验方式不利于培养学生实验的兴趣，更不利于培养学生的动手能力和创新能力。
老师在教学过程中，也是过分强调理论的指导性，忽略了实践的能动性，把实验教学看成理论教学的附属品，学生被动地按老师的演示方法或实验教材规定的步骤进行实验结果的验证，实验教师教什么和怎么教，既不考虑专业培养的发展需要，也不考虑培养对象的个人兴趣，致使学生很大程度上处于被动学习的状况，扼制了学生学习的积极性、主动性和创造性，难以实现学生在教学活动中的长期以来，由于种种原因，理论教学重于实验教学的观念根深蒂固，影响了传感器教学的效果。更体现不出职业教育的特点，传统的传感器教学尤其是实践性环节迫切需要改革创新。
3 改革与探讨
将研究性教学模式引入课堂教学，对研究性教学的内涵和特点进行了探索和研究，充分认识到教授学习方法远重要于知识的传递和储备，并结合研究进行了实践。教师精选科研过程和工程应用中与课程教学联系紧密的案例，建立起基础理论与实际应用乃至最新科技发展之间的关联。改革了教师讲授为主的授课模式，通过加强研讨环节让学生成为学习的主体。教师结合重要知识点和科研项目，提出适合学生学习研究的专题，引导学生利用多媒体资料库和其他相关资源，开展研究、讨论和交流，了解相关领域的研究热点，开阔视野，启发创新思维，并使学生逐步掌握研究性学习的方法
由于现在教学大纲所用的传感器技术教材大都是多年不变、一直沿用下来的,其中有些内容脱离实际,已经和信息时代发展不相适应,而一些最新的科技成果尚未吸收到教材里.同时学生由于课本的陈旧，对一些内容不愿意做深入思考，针对这些问题,我们精选了实验内容,重新修订了传感器原理实验教材. 增加了一些实验。我们在实验教学中,采用了一些新的教学方法. 以吸引学生的注意力。
同时积极开辟第二课堂及网络课堂，
在长期教学实践中,我们注意到,要教好传感
器原理这门课,并且通过该课去培养学生的实践能力和创新能力,仅靠理论课和实验课是远远不够的,而平时和传感器设计实验、科研相结合的第二课堂活动在这方面正好可以作为一种很好的补充和延伸.为此,我们鼓励学生参加这样的第二课堂活动。同时依托网络资源环境，提升研究性学习的质量和水平。课程组教师建立了课程网站，使多年来积累的课程建设成果、优质教学资源能够跨越时空界限为学生的自主学习和研究性学习提供资源环境。
4 结语
传感器的种类繁多，但各种传感器的原理都是基于各种物理现象和物理效应的，都体现了物理的实践性和应用性。我们对传感器教学时，应侧重于应用，应注意它与基础物理知识的联系，应关注学生的经验，不要过于艰深，应注意培养学生的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。注意物理理论知识与现实生活的联系，尽力提高学生的学习兴趣，使学生感受到知识的巨大用途，培养其能力全面发展。
参考文献
[1]王煜东.传感器及应用[M].北京:机械工业出版社,2002
[2]徐科军主编.传感器与检测技术(第2版). 北京: 电子工业出版社, 2008
[3]罗萍.关于传感器实验与提高学生能力的思考[J].中国科学教育,2006,13:73
[4]徐科军.信号检测、处理及实现系列课程建设探讨[J].电气电子教学学报, 2009, 31(2): 11-12
生物传感技术 篇12
生物传感器的研究具有巨大的应用前景, 近年来, 随着电子自旋现象的发现, 结合了半导体微电子工艺制备的GMR设备, 在生物检测领域引起了人们越来越浓厚的研究兴趣, 使其成为传统生物检测方法的替换方案之一。由于其独特的物理特性, GMR传感器比电子传感器更灵敏、可重复性强, 具有更宽的工作温度、工作电压和抗机械冲击、震动的优异性能, 而且GMR传感器的工作点也不会随时间推移而发生偏移。GMR传感器的制备成本和检测成本低, 对样本的需求量很小。由GMR传感器组成的阵列, 还可以结合现有的IC工艺, 提高整体设备的集成度, 进行多目标的检测。同时, 对比传统的荧光检测法, 磁性标记没有很强的环境噪声, 标记本身不会逐渐消退, 也不需要昂贵的光学扫描设备以及专业的操作人员。因此, 无论是传感器本身的性能, 还是磁性标记的特点, 都决定了GMR传感器阵列在生物检测领域的研究具有较高的应用价值和实践意义。
1 巨磁阻阵列传感器生物检测的基本原理
1.1 巨磁阻 (GMR) 效应
1988年派瑞松大学的研究人员发现了GMR效应, 这是一种在铁磁性层与非铁磁性层交替叠置的结构中观测到的量子效应, 是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小, 而Δρ/ρ急剧增大的特性, 一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。GMR效应的理论很复杂, 许多机理至今还不清楚, 目前普遍接受的解释是两流模型, 如图1所示。多个铁磁层中的磁矩方向由施加的外磁场控制, 当铁磁性层的磁矩反平行排列时见图1 (a) , 载流子受到的自旋散射最大, 多层膜电阻最高;当铁磁性层的磁矩平行排列时见图1 (b) , 载流子受到的自旋散射最小, 多层膜的电阻最低[1]。
目前, 按其结构、GMR材料可分为具有层间偶合特性的多层膜 (例如Fe/Cr) 、自旋阀多层膜 (例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi) 、颗粒型多层膜 (例如Fe-Co) 和钙钛矿氧化物型多层膜 (例如AMnO3) 等。
1.2 巨磁阻 (GMR) 的电子特性
图2是一个典型的多层GMR材料在外加磁场下的电阻变化情况。图2中的输出表明, 无论是正向还是反向的外加磁场变化, 都能带来相同的磁阻变化, 也就是说GMR效应是全极性的。曲线的斜率体现了磁性敏感程度, 通常以V (mV) /Oe为单位。当阻值不随磁场继续变化时, 磁性材料就达到了其磁性饱和区。两条曲线中的偏移是磁性材料的磁滞导致的, 从零磁场到饱和磁场所带来的阻值变化就称为磁阻。
1.3 GMR阵列传感器生物检测的基本模式
用GMR阵列传感器进行生物检测, 是以磁性颗粒为标记物, 采用直接标记法或两步标记法, 在施加一定方向的外加磁场的情况下, 用磁敏传感器对磁性标记产生的寄生磁场进行检测, 从而实现对生物目标定性定量分析。图3分别介绍了磁性标记法检测的具体步骤:
直接标记法 如图3 (a) 所示, 直接标记法是将标记物直接结合到探针上。首先在传感器表面结合特定的生物探针, 再将已预先绑定磁性颗粒的样本溶液加入传感器的反应池中, 溶液中特定的目标分子被探针捕获, 完成标记。
两步标记法 如图3 (b) 所示, 以DNA检测为例, 第一步将已知序列的DNA探针链结合在包埋了自旋阀传感器的芯片表面, 加入用生物素标记的DNA目标链溶液, 进行充分杂交;第二步, 加入被抗生物素包裹的磁性颗粒, 形成生物素—抗生物素共价键, 从而选择性地捕获磁性标记。
标记反应完成后, 用外加梯度磁场将未参与标记的多余磁性颗粒分离, 再施加激励磁场将磁标记 (磁性颗粒) 磁化, 磁化的磁标记产生的寄生磁场引起传感器阻值的变化, 从而导致反映生物反应的信号输出。
2 GMR生物检测系统设计
当前, 国际国内已经开展了基于不同技术的生物磁场检测设备研究, 涉及自旋阀传感器 (Spin Valves) 、感应传感器 (Inductive Sensors) 、超导量子干涉仪 (SQUIDs) 、各向异性磁阻 (AMR) 环式传感器、小规模的霍耳组合传感器 (Hall Crosses) 以及隧道结 (TMR) 传感器等。
1998年, 作为美国国防部高级研究规划局 (DARPA) 支持项目, 美国海军研究实验室与NVE公司合作, 由David R.Baselt[2]等开展了基于巨磁阻技术的生物传感器研究, 并设计制备了两代GMR传感器的磁珠阵列计数器 (BARCⅡ, BARCⅢ) 进行生物杂交分析, 并用于测量在单个分子水平上的DNA-DNA, 以及抗体抗原对和受体-配体对的结合力。德国比勒菲尔德 (Bielefeld) 大学[3]、美国佛罗里达州立大学[4]、美国斯坦福大学 [5]、葡萄牙国立计算机系统与工程研究所 (INESC-MN) [6]等研究机构也相继开展了磁性传感器阵列的生物检测研究。国内多所高校和研究所, 如中科院物理研究所[7]、清华大学[8]、同济大学[9]、电子科技大学 [10]、中山大学[11] 等, 自2005年起, 对巨磁阻生物传感器阵列设计、传感器材料的选取、磁性标记与传感器尺寸关系、输出信号处理等方面进行了广泛的研究, 实现了单个纳米尺度颗粒的检测, 并申请了相关的专利。
上述研究中采用的阵列方案和传感器形态各异, 从布局上可以类分为规则排列阵列或分区排列阵列;矩形传感器或蛇形传感器。
图4 (a) 是Guanxiong Li等[5]在约7 mm×8 mm的芯片表面上制备的自旋阀传感器阵列, 阵列包含60个亚微米级的条形自旋阀传感器, 呈2个纵列排列, 每列30个传感器单元, 每个单元两头通过ion束沉积厚约300 nm的铝作为引线, 而中间未被覆盖的条形区域作为生物反应区, 用于感应与其易轴同向的磁场分量。
图4 (b) 是David R.Baselt[12]等设计制备的含66个GMR单元的传感器阵列 (BARC Ⅲ) , 分为8个反应区, 每区8个单元, 可进行多路检测。其单元呈圆形, 直径为200 μm, 由长8 mm宽1.6 μm的电阻蛇形蜿蜒而成。
通常, 整个GMR生物检测系统由微流部分、GMR阵列、驱动部分、分析处理部分组成。为了减少外界环境对传感器输出稳定性的影响, 传感器单元往往与参考单元一起组成惠斯通电桥。如图5所示, GMR电阻对组成惠斯通半桥, 其中一个电阻表面覆盖软磁性屏蔽层, 不受外加磁场的影响;另一个电阻作为应变电阻, 在 GMR效应作用下, 阻值随外加磁场变化, 导致电桥输出微伏级的差分电压值, 输出的电压经过过滤、放大等处理后, 再输送到后端的采集检测设备, 做进一步分析。
3 系统性能分析与讨论
David R.Baselt等[2] 1998年研制的GMR生物传感器, 由于信噪比的限制, 只能实现在每80 μm×5 μm的区域上探测到一个磁珠 (直径为2.8 μm) ;2002年, Schotter等人[3] 实现了对低磁珠密度 (16 pg/μl) 被测样品的探测;2005年, INESC公司[6]采用U型自旋阀结构制作GMR生物传感器, 其工作频率从传统的200 Hz降低到了30 Hz, 使得热噪声更低
综合现有技术, 提高磁性生物检测系统的性能, 可以在传感器特性、磁性颗粒的选择以及外围电路的设计等方面进行改进。
3.1 传感器灵敏度
GMR传感器灵敏度是指其对微弱信号的感应能力。由于磁性标记体积非常小, 所以产生的寄生磁场也非常微弱, 因此必须选用灵敏度高的磁性材料制备传感器。衡量GMR性能的两个最基本参数是:
(1) 在一定温度下所能达到的最大GMR值;
(2) 获得最大GMR效应所需施加的饱和外磁场强度。
在各种巨磁电阻材料中, 多层膜和颗粒膜饱和磁场高达数特斯拉, 其磁场灵敏度低;氧化物陶瓷类材料饱和场极高, 难以实现实用化;自旋阀材料饱和磁场较低, 仅为几个或几十奥斯特, 但室温下GMR不高。因此, 寻求GMR值高, 饱和磁场低, 磁场灵敏度高的合金体系或人工薄膜结构是GMR传感器生物检测实用化的难点和重点。
目前, 从制作的难易程度、性能的稳定性等方面来考虑, 传感器阵列多采用GMR多层膜耦合结构和自旋阀结构, 随着研究工作的逐步深入, 将来具有更高磁阻率的结构, 如隧穿磁阻 (TMR) 、稀土氧化物、微晶或非晶软磁合金薄膜, 以及利用巨磁阻抗效应 (GMI) 的高灵敏传感器, 将在磁性生物阵列检测中得以应用。
3.2 磁性微粒的尺寸与磁性含量
在整个系统中, 生物特异性反应通过磁性微粒的存在与数量来体现。目前采用的磁性颗粒 (如γ-Fe2O3, Fe3O4, NiFe等) 可分为微米级和亚微米级两类, 较大的磁性颗粒 (约1～3 μm) 在形状上比较容易实现统一, 虽然磁性物质含量较低 (约15%) , 但相对较大的体积, 磁性微粒在传感器表面产生的磁场分量仍然较大, 另外, 大体积也便于显微计数。其缺点是无法高密度地绑定在传感器表面, 因此检测到的生物分子较少。纳米尺度的磁性颗粒具有很高的磁性含量 (70%～80%) , 但是由于制备工艺的限制, 同一批次, 其大小和形状都有较大差异, 对定量分析非常不利。而且, 体积小的纳米磁性颗粒容易快速簇集, 导致输出的信号失真。但是, 采用敏感度更高的传感器和更先进的检测分析系统, 可以部分满足小体积磁性颗粒的应用要求, 2005年, 美国斯坦福大学Guanxiong Li等[5] 实验验证了当自旋阀传感器阵列尺寸与磁性颗粒尺寸 (直径为16 nm的超顺磁Fe3O4颗粒) 相近时, 传感器输出信号与绑定的颗粒数量呈比较理想的正比关系, 从而体现了采用小体积纳米磁性标记, 自旋阀传感器阵列在生物检测中的定量分析能力。
3.3 传感器阵列的物理参数
GMR传感器合适的层厚可以保证两个磁性层反平行耦合, 从而保证在没有外加磁场的情况下, 设备处于高电阻值状态。另外, 因为GMR传感器的电阻值主要取决于电子自旋散射, 所以其层厚必须比大部分材料中电子的平均自由程 (约几个纳米) 小, 典型的GMR磁性传感器的层厚大约是2～6 nm。
同时, 采用与生物分子尺度相同的传感器 (蛋白质、DNA、RNA和病毒等都在1～100 nm的尺度范围) , 能够有效增加检测的灵敏度[6,13]。目前, 受制于制备的复杂性, 减小传感器的尺寸仍然十分困难, 国内研究机构应用传统的光学光刻技术, 受光波波长和数值孔径等因素的限制, 难以制作线宽小于100 nm的图案。然而更先进的极端远紫外光刻、电子束直写、离子投影光刻技术、X光光刻、电子束投影等技术虽然能克服上述限制, 但系统复杂, 造价十分昂贵。因而, 基于传统光刻技术上改进的浸没式光刻系统、微接触印刷、纳米压印光刻等新的制备技术, 将是基材表面批量获取纳米量级GMR传感器阵列中最具潜力的技术。
除传感器本身的物理参数外, GMR传感器对磁场的距离也非常敏感, 磁性颗粒的寄生磁场随其与传感器敏感层的距离呈3阶衰减[14], 所以, 应尽量减小传感器与磁性标记之间的距离, 以减少对传感器灵敏度的过高要求。但是, 在实际检测中, 为了防止传感器表面被生物溶液侵蚀和牢固结合生物探针, 又必须在传感器表面覆盖保护层 (7 nm PEI/PMMA[5];1 μm氮化硅[15]) 和生物结合层 (金属材料、玻璃、石英或表面为氧化硅的硅片) 。因此, 超薄惰性材料和生物结合材料的发现与工艺的提高也是提高磁性生物检测系统性能必不可少的条件。
3.4 外加磁场
检测中需要外加激励磁场磁化超顺磁颗粒, 针对不同的磁性传感器, 磁性激励场可以平行于传感器表面, 也可以垂直于传感器表面。平行方式相对优于垂直方式, 当传感器上方不存在磁性微粒时, 平行方式不会产生信号输出, 而且激励场即使有一定的角度偏转, 也不会导致片上分量的产生。另外, 激励场可以采用直流激励场或交流激励场, 在交流激励场作用下, 传感器输出交流信号, 通过锁相放大技术, 可以获得较高的信噪比, 方便信号的提取。但是, 相比DC激励场而言, AC激励场会导致电磁干扰, 需要在后端设计交流EMI滤波及整流滤波电路, 增加了电路复杂性。另外, 外加交流激励磁场频率需要均衡考虑, 如果过高, 系统中的感性阻抗元件 (如电磁铁等) 会使电桥输出的信号大幅减弱;如果激励磁场频率太低, 又会增加1/f噪声。对于某些GMR传感器, 还需要外加偏置磁场, 用于固定自由层、控制传感器工作在线性区间以及防止磁性微粒的初始极化。然而亚微米级的传感器, 由于其自由层已处于单磁畴状态, 可以不施加偏置场, 从而提高自由层磁化时的自由度, 增加传感器在易轴的敏感性。
3.5 采用信号放大技术
由于GMR传感器阵列输出的信号非常微弱, 并且信号中不可避免地存在1/f噪声和散粒噪声, 为了精确测量掩埋在噪声中生物信号的幅值及相位, 通常用前置低噪声放大器、带通滤波器、可控增益放大器、相敏检测电路、正交移相电路、差分直流放大电路等组成的锁相放大设备来抑制差模噪声和共模噪声, 对传感器输出的信号进行预处理。
4 结 语
利用GMR传感器组成阵列, 对磁性标记的生物分子的检测进行研究工作已经开展了近十年, 这里就检测方法的基本原理、发展情况、影响检测效果的各项因素进行介绍和分析。目前制约GMR传感器阵列生物检测性能的关键是制备工艺和材料的问题, 在进一步的研究中, 需要采用生物分子尺度相同、高灵敏的新型GMR传感器, 研究新的生物机能性保护膜, 在避免互扰的基础上, 在芯片上布局更密集、有效生物结合面更大的阵列, 改善传感器的线性度, 保证亚微米级的超顺磁颗粒形态的均一, 才能有效促进GMR传感器阵列在生物检测上的应用。