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生物传感器的工作原理及在智能医疗中的应用

国际金属加工网 2015年07月10日

【编者按】生物传感器是一类特殊形式的传感器,由生物分子识别元件与各类物理、化学换能器组成,用于各种生命物质和化学物质的分析和检测。生物传感器融生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术于一体,已经发展成为一个十分活跃的研究领域。


在医学中有多种检验方法,一般的方法是在实验室检验,但是这种检验方法过程繁琐,花费时间较长,逐渐无法满足现代临床医学的需求,生物传感器的出现大大改观了这种现象。

1.原理和结构

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。

2.分类和特点

按照换能器种类分类,可以分为声波传感器、半导体传感器、热传感器、阻抗传感器等;按照分子识别元件种类分类,可以分为免疫传感器、细胞传感器和组织传感器等。

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,虽然试剂价格昂贵但是可以多次使用;生物传感器有很强的转移性,即只对特定的底物发生反应,不论其浊度和颜色如何;再者分析速度较快,一般一分钟就能得到结果;误差能够控制在1%以内,准确度可以保证;相对于酶分析法操作更加简便,可以进行自动化分析;生物传感器检验效率更高。上述都是生物传感器的优点。

3.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。

3.1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。

3.2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。

3.3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。


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