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1、电生物传感器摘要 压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器与特异的生物反应结合在一起的新型生物分析方法 ,这一方法不需要任何标记 ,且仪器构造简单、操作方便 ,引起人们的浓厚兴趣 ,逐渐成为生物传感器领域中的一项研究热点。本文就压电免疫传感器及压电基因传感器在微生物、蛋白质及基因检测等方面的研究应用作一综述。压电生物传感器将在分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具有很大开发潜力。关键词 压电 生物传感器 微生物 蛋白质 基因Electrical biosensorAbstract Piezoelectric biosensor is a high sensitive piezo
2、electric sensor with the specific biological response together new biological analysis method, this method does not need any tags, and equipment simple structure, convenient operation, arouse peoples interest and gradually become a research hotspot in the field of biosensors.In this paper, the piezo
3、electric immunosensor and piezoelectric gene sensor in microbiology, protein and genetic testing of application.Piezoelectric biosensor will in molecular biology, disease diagnosis and treatment, new drug development, judicial authentication and other fields has great development potential.Keywords:
4、 piezoelectric biosensor microbial protein genes将微电子科技运用在医学及生物学研究领域的生物传感器(Biosensor) 目前已家喻户晓。由于生物传感器技术为基础研究及临床诊断提供了一种快速、操作简便的新型手段 ,因而已广为各国学术界和工业界所瞩目。生物传感器根据检测原理的不同可分类为:光学生物传感器、电化学生物传感器以及压电生物传感器等。随着传感器工艺技术的提高和运用的推广 ,压电生物传感器成为生物传感器领域中的一项研究热点。为此 ,本文就压电生物传感器的研究现状和应用作一综述。1 压电生物传感器的基本原理1880 年雅克. 居里和皮埃尔. 居
5、里兄弟首先发现了石英等一些晶体的压电现象 ,后来 1959 年Sauerbrey 推导出气相中有关晶体表面所载质量与谐振频移的 Sauerbrey 方程:F = KF2MAF 晶体吸附外来物质后振动频率的变化(Hz)K常数A 被吸附物所覆盖的面积F 压电晶体的基本频率(MHz)M 被吸附物质的质量从方程可知 ,石英晶片在气相中振荡时 , F与 M 呈简单的线性关系。如果设法让晶体选择性地吸附外源性生物活性物质 ,便能制成压电生物传感器。后经研究发现:在液相中 ,石英晶体不仅对质量敏感 ,而且会受到温度、气压、液体密度、粘度、介电常数等多因素影响 ,但其中质量负载和粘性耦合是导致压电石英晶体频率
6、变化的两个主要作用机理。因此根据检测原理的不同 ,压电生物传感器分为质量响应型和非质量响应型 ,它们在免疫学、微生物学、基因检测、血液流变、药理研究以及环境等科学领域具有重要运用价值和开发前景。2 压电生物传感器的基本构成压电晶体振荡电路频率计数器电脑压电晶体具有一定的谐振频率 ,如 9MHz 、27MHz 等。最常用的为石英晶体 ,按 AT方式切割。石英晶体片夹在两片金或银电极之间 ,成为夹心形。质量响应型压电传感器则在石英晶体层表面固定有某种生物分子识别物质。一般来说理论上可允许检测 10- 12g 级的痕量物质。压电检测系统一般设置两个振荡电路 ,一个是晶体检测振荡电路 ,一个是晶体的参
7、比振荡电路。参比电路是为另外校正温度、气压、粘度、缓冲体系以及其它一些干扰的影响 ,消除误差。压电晶体的谐振频率以及频率的改变由频率计数器完成 ,再由经电脑进行数据分析和结果报告。3 压电生物传感器的应用如前所述 ,根据检测原理的不同 ,压电生物传感36器一类为质量响应型 ,即晶体表面质量在一定范围内的微小改变将引起频率的改变 ,通过测定 F 可知 M。由于此类传感器对质量改变非常敏感 ,因此有人亦将之称为石英晶体微天平 QCM (QuartsCrystal Microbalance) 。另一类为非质量响应型 ,利用电导率或粘度等变化引起的频率改变来进行检测 ,有人曾报道用此类压电传感器检测凝
8、血酶原时间和血沉。由于目前关于质量响应型的压电传感器研究较多 ,以下主要介绍此型的应用。压电免疫传感器:通过免疫学原理 ,即抗原抗体特异性结合反应来检测靶分子的一类质量响应型压电传感器。用于微生物的检测:白色念珠菌的检测第一个报道用压电微质量法检测微生物的是Muramatsu 等人1。他们用氨基丙基三乙氧基硅烷处理石英晶体 ,然后用特异性抗体包被。检测时 ,将压电芯片浸入可疑样品液中 ,由于免疫吸附念珠菌 ,晶体表面的质量增加 ,测得谐振频率减少 ,并获得了线性范围。而且在相同的混合液中对酵母菌无响应 ,因而具有一定的特异性。肠道菌的检测Plomer2在 1992 年介绍了一种可以检测食物以及
9、饮用水中的所有肠道细菌压电免疫传感器。他们通过蛋白 A 将抗肠道细菌共同抗原的单克隆抗体包被在 10MHz 的石英晶体表面。实验中以大肠杆菌为例 ,菌液浓度在 106109个ml 范围内可引起晶体频率有意义改变。这样通过频率的变化可以测出肠道细菌的数量。1995 年 Carter3报道利用压电 QCM快速检测第0139 血清型霍乱弧菌。将此型霍乱弧菌的抗体固定在 10MHz AT 切石英晶体上 ,反应体系孵育一小时后检测。这一压电传感器可以在有 01 型霍乱弧菌存在的情况下检测出 105ml- 1个 0139 型霍乱弧菌。1998 年 Park4通过利用一种称为 Sulfo2LC2SPDP的物
10、质来连接巯基化的沙门氏菌抗体和石英晶体表面金膜层 ,该物质可促进抗体与金膜层的结合 ,以提高检 测 的 灵 敏 度 和 特 异 性。反 应 缓 冲 液 为011moleL的磷酸盐 ,pH 712。传感器响应达到稳定需要 3090 分钟 ,可检测菌悬液的浓度范围是 919105118 108CFUml。爱滋病病毒的检测爱滋病严重威胁着人类的健康 ,关于用压电传感器检测爱滋病病毒也有报道5。将 HIV 人工合成肽固定于晶体表面 ,标本中若有抗 HIV 抗体 ,则会与肽链发生反应引起晶体频率改变。用于激素、免疫球蛋白等蛋白物质的定性定量:胰岛素的检测Suri CR6等人研制了一种可检测胰岛素的压电传
11、感器。他们试验用三种方法固定抗胰岛素抗体 ,分别是:32APTES , PEI 和蛋白 A。其中通过蛋白 A的固定方法可以使检测达到较好的敏感性和稳定性。此压电传感器的最低检出浓度为 1ngml。该系统在检测完毕后用一种洗脱剂可洗脱结合上的胰岛素大分子而不影响抗体与芯片的结合 ,从而可反复使用 ,重复使用的芯片基本能保持原有的稳定性和灵敏度。与常规放射免疫检测技术相比 ,该压电传感器对胰岛素的检测可作为替代的侯选方法之一。免疫球蛋白的检测关于免疫球蛋白的压电传感器芯片技术检测有许多报道 ,主要是关于人 IgE、IgM、IgG的定量检测。如新加坡的一个实验室7设计一个压电检测系统检测血清标本中
12、IgE总量。他们将抗人 IgE 抗体以自组装方式固定于 10 MHz 的 AT切石英金膜表面 ,其检测范围为 5300 IUml。用尿素及甘氨酸缓冲液清洗可重复利用 5 次。中国湖南大学曾经报道8利用 9 MHz 的压电晶体检测人 IgM ,固定的抗体为山羊抗人 IgM ,检测范围 593 mgml。用四氢呋喃清洗后可重复使用 20 次。此外 ,Lu HC9等人用高碘酸盐氧化的葡聚糖(亲水物质)作为桥连接经赖氨酸包被的石英晶体电极表面和 SpA (葡萄球菌蛋白A) ,这样处理的 SpA 可大大提高结合的人 IgG数量 ,因而使检测系统有更好的稳定性和活性。该系统检测人 IgG下限可达 013n
13、moleL ,并可重复使用 19 次保持原有性能。另外 ,还有通过固定蛋白 A10或蛋白 G11于晶体表面来检测 IgG的报道。肠毒素的检测1997 年中国天津军事医学科学院12介绍了一种压电免疫传感器检测生物中的肠毒素 ,这种传感器可检测 C2 型葡萄球菌肠毒素 ,检测范围为 10gL10mgL。压电基因传感器:压电基因传感器属于质量响应型传感器 ,是基于压电石英谐振对其表面质量变化敏感的原理 ,在46晶体表面固定大量特异的寡核苷酸序列 ,利用其与溶液中互补的核酸序列发生杂交反应 ,导致晶体表面微质量改变来检测特定的靶基因序列。迄今为止压电基因传感器的研究尚处于起步阶段。1988 年 Faw
14、cett13等首先利用压电谐振器检测晶体电极表面固定的聚尿苷酸与溶液中的聚腺苷酸的互补杂交。1993 年 Naomi14等人详细报道了其研制的压电基因传感器。将含有核酸探针的叠氮基化合物固化在晶体表面 ,也就是用含有 Poly(A)叠氮基物质包被晶体检测与 Poly(U) 杂交。固化的核酸探针和互补的靶核酸进行杂交固化在液体中完成 ,而频率的测定在干燥状态完成。该系统的优点是可将多个探针固化在晶体上 ,并可重复使用 ,且不需标记 ,使用方便。后来随着液相压电传感器技术的成熟 ,通过现场监测杂交过程 ,使压电基因传感器更为简便和快捷;同时也可进行表面杂交过程动力学的研究 ,并为基因传感器的优化提
15、供依据。这方面率先开展研究的是 Okahato15 ,16实验室 ,他们测定了 1030 个碱基的寡核苷酸双链互补结合的平衡常数 ,结合及解离的速度常数等动力学参数以及表面的杂交结合量;通过改变探针的固定方法 ,探针和靶基因的长度、错配的碱基数、杂交温度、杂交液离子强度等因素 ,详细研究了传感器表面杂交过程的动力学特性。压电生物传感器以它操作简便快速、成本低、体积小、易于携带等特点 ,在分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定等领域具有很大潜力 ,尤其对于医院检验工作 ,将取代繁琐的操作 ,庞大的仪器和众多的实验室。基于生物传感器与生物芯片技术而建立的微缩实验室 ( Integrated Laboratory onChi
