电化学生物传感器的发展阶段

来源: 发布时间：2014-09-25  

　　在工农业生产、环境保护、临床检验以及食品工业等领域，为了监控产品质量，往往要求在很短的时间内完成样品检测，有的甚至要求在线或活体内直接检测。生物传感器作为直接或间接检测生物分子、生理或生化过程相关参数的分析器件，由于具有灵敏度高、选择性好、响应快、操作简便、样品需要量少、可微型化、价格低廉、可以实现连续在位检测等特点，在生物医学、环境监测、食品医药工业等领域展现出十分广阔的应用前景。

　　生物传感器是以生物活性物质（如酶，抗体，核酸，细胞等）为生物敏感基元，通过信号转换器将生物信号转化为相应物理信号的装置。其中以生物活性物质为敏感基元，以电电极为信号转换器，以电势、电流或电容为特征检测信号的生物传感器称为电生物传感器，也称为生物电极。
　　根据媒介体的不同，电生物传感器的发展可分为3个阶段：第一代、第二代和第三代生物传感器。第一代生物传感器（葡萄糖生物传感器）是在１９６２年由Ｃｌａｒｋ和Ｌｙｏｎｓ首先发明的。在这种生物传感器中，氧气作为媒介体来实现蛋白质和电极间电子转移。尽管第一代生物感应器仍在商业中扮演重要角色，它们也有很多缺点，如：过电势高，氧气的干扰，制作过程复杂等。以人工合成的电活性小分子为电子媒介体的电生物传感器称为第二代电生物传感器。具有检测电势低，受环境干扰小，可在复杂的有机、生化样品中进行快速分析检测等优点，明显克服了第一代的一些缺点。然而，电子媒介体促进氧化还原蛋白质电子转移的同时，还会发生各种各样的副反应以及存在污染检测液等问题。在第三代生物传感器中，由于蛋白质的直接电子转移避免了电子媒介体的使用，从而为生物传感器提供了更好的选择性。首先，它们能够在氧化还原蛋白质本身的电势值附近工作，因此产生的副反应少；其次，一些蛋白质和酶是底物的专属催化剂，对底物具有更好的选择性和更高的亲和性。然而，在裸露电极表面，直接实现蛋白质的直接电子转移比较困难，这是由于氧化还原蛋白质的分子很大，氧化还原中心被多肽链包围，深埋在氧化还原蛋白中心，处于具有三维结构的裂隙中且不易暴露，且这些裂隙具有高度的疏水性，因此很难接近电极表面，阻碍了其与电极间的电子转移。实现氧化还原蛋白的直接电，要满足以下条件：一是缩短氧化还原蛋白的活性中心与电极间的距离；二是保持氧化还原蛋白的生物活性，能够催化底物。

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