生物传感器

电化学生物传感器

生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结

构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分

重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域

中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析

检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科

学及其相关领域的研究提供了许多新的方法

1电化学生物传感器的基本结构及工作原理

1.1基本结构

通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换

器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物

活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将

生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分

析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。

图1电化学生物传感器的基本结构

1.2工作原理

电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表

面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标

分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的

识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或

定性分析的目的。

2电化学生物传感器的分类

由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、

电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定

在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感

器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细

胞传感器等。

2.1电化学免疫传感器

电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析

方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后

的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学

检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而

实现对目标检测物的分析测定。

根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争

法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的

反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获

抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。

图2竞争法

图3夹心法

2.2DNA生物传感器

DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理

如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子

强度下，电极表面的DNA探针分子能与靶序列选择性地杂交，形成双链

DNA(dsDNA)，导致电极表面结构发生改变。然后电极作为信号传导器将在电极表

面发生的杂交反应导出。通过检测这些导出的电信号来达到检测靶序列(或特定

基因)的目的。

图4电化学DNA传感器的工作原理

2.3电化学酶传感器

电化学酶传感器是在固定化酶的催化作用下，生物分子发生化学变化后，通

过换能器记录变化从而间接测定出待测物浓度。根据酶分子与电极间电子传递的

机理不同，酶电化学生物传感器大致经历了三个发展阶段：

（1)以自然界存在的02为电子传递体来沟通酶的电活性中心与电极之间的电子

通道，直接检测酶的反应底物的减少或产物的生成的第一代酶传感器。

（2)为了降低工作电位，减少干扰，以小分子电子媒介体代替O

2

来沟通酶的电活

性中心与电极之间的电子通道，通过检测媒介体在电极上被氧化的电流变化来反

映底物浓度的变化的第二代酶传感器[4]。

（3)利用酶自身能在电极上直接发生电子转移而设计的第三代电化学酶传感器。

这三代酶电化学生物传感器的工作原理如图5所示。

图5三代酶电化学生物传感器的工作原理

2.3.1电化学酶传感器的分类

根据测量信号的不同，大致可分为：电流型、电位型和电导型。

（1）电流型酶传感器是研究以及应用最广泛的一种传感器，它是利用固定在

电极表面上的酶对底物的催化氧化或还原，产生可在电极上还原或氧化的组分，

获得电流信号[5]。

（2）电位型传感器是基于离子选择性电极原理而发展起来的，固定到电极表

面的酶对底物催化，产生离子型物质，能引起指示电极电位改变[6]。

（3）。电导型传感器是利用酶催化底物反应，导致反应体系中离子种类及浓

度的变化，从而引起溶液导电性的改变，以溶液电导率为响应信号。

3

4电化学生物传感器的前景与展望

随着电生物传感器应用范围的扩大，人们对其提出了更高的要求。今后，电

化学生物传感器的研究工作将会围绕着以下几个方面继续发展：

(1)采用纳米材料用于传感器的构建由于纳米材料具有一些独特的性质如比表面

积大、表面反应活性高、生物相容性好、表面吸附能力强、电化学性质良好等优

点，可广泛用于生物分子的固定。

(2)体积小型化随着纳米技术、微电子技术的交叉发展，生物传感器将不断微型

化，使人们在家中自己进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。

(3)人工智能化、微型化、集成化在生命科学研究和医学临床检测中，需要对大

量的各种各样的生物大分子进行选择性测定，既费时，又耗费医药试剂。因此，

构建一个选择性高、灵敏、简单、快速、使用时间长的分析方法和廉价的小型化

分析装置，是一个重要的研究课题。但效率和寿命是决定生物传感器使用的主要

问题，因此在生物传感器的制备过程中必须作为首要问题去解决。

参考文献

[1]陈玲．生物传感器的研究进展综述．传感器与微系统，2006，25(9)：4-7.

[2]KatoN，CarusoF．Homogeneous，CompetitiveFluorescenceQuenchingImmunoassayBad

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[4]UpdikeSJ，HicksGP．TheEnzymeElectrode．Nature，1967，214(5092)：986-988.

[5]DaigleF，LeechD．ReagentlessTyrosinaEnzymeElectrode：EffectsofEnzymeLoading，

ElectrolytepH，IonicStrength，andTemperature．AnalyticalChemistry，1997，69(20)：4108

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[6]GuilbaulGG，MontalvoJG．AnEnzymeElectrodeforSubstrateUrea．Journalofthe

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