生物材料与生物传感器.pdfVIP

王瑞鹏

一生物材料基础

生物传感器要具有生物分子识别功能就得使用生物材料，在此主要介绍生物

材料和生物传感器的开发应用现状与未来展望。有关详细资料，有哪些信誉好的足球投注网站于医学百科，

在此声明。

生物材料包括三部分，即医用生物材料，仿生材料和生物模拟。

医用生物材料最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能，通过组织工

程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神

经系统以外，人的各种器官都可制造。

仿生材料生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿，通过深入研究现有

生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。工业生产中的生

物模拟主要是高效催化剂的探索与光合作用的模拟，因为酶催化的效率和速度千

百万倍于工业催化剂，而后者的成功实现将使CO2和水成为碳水化物，粮食问

题可得到解决，过剩的CO2也有了出路。目前细菌冶金已实现处理低品位铜、

铀矿石、尾矿，并大幅度降低污染，这将是21世纪解决金属矿日趋枯竭的有效

途径。

目前生物材料的种类大致分为酶，蛋白质，细胞质脂质，微生物，动物细胞，

其中以酶和微生物的研究发展较迅速。

酶

酶是生物催化剂，促使生物内反应圆滑的进行。它能识别分子疏密催化反应，因

而酶很早就作为一种试剂开始应用。按化学反应分为6种：氧化转化酶，水解酶，

裂解酶，异构酶，连接酶，转移酶，其中可以作为生物传感识别元件的是氧化还

原酶，水解酶，裂解酶。氧化还原酶对氢原子和电子的授受，对氧原子基质的附

加反应，羟酸的导入反应等起催化作用，其中含有脱氢酶、还原酶、氧化酶、过

氧化酶、羟基溶胞酶等；水解酶是对基质分子随水分子介入而水解共价键的反应

起催化作用的酶，如酯键、糖苷键、醚键、肽键等都由此酶的作用而切断；裂解

酶是指水解以外的方式，原子团由基质分离，使基质生成双键，或者对反双键附

加原子团的反应起催化作用的酶。这些酶以单独用作传感器分子识别元件的居

多，但也有同时固化复合酶的用例。也就是说，对于只要是转换器能测定的化学

物质的消耗或生成，使之与电极或半导体之类器件组合，就能构成酶传感器。

可是，若电极或半导体能测定的物质无反应时，就需要连接别的酶。以计量

蔗糖的蔗糖传感器为例，先在葡萄糖和果糖中用蔗糖酶水解葡萄糖，用变旋酶将

所形成的0L．D葡萄糖变成p-D葡萄糖，再以葡糖氧化酶作用于葡萄糖，以其反应

消耗氧，从而生成葡糖内脂和过氧化氢。以其反应消耗氧，或以其反应生成过氧

化氢，其目的都是为了便于用电极测量。也就是说，要测量蔗糖须将固化三种酶

的膜与电极组合。酶大都为水溶性，故以酶为传感器分子识别元件时就必须用水

不溶性高分子膜固化酶。

2蛋白质

即基于亲合性来识别分子，结构相互交

织较为复杂，但从结构上不难识别亲合分子，如抗体、植物凝集素、结合蛋白质、

激素、药剂等。

例如植物凝集素具有识别糖的特异功能，最近动向是使之用于识别糖类化合

物，现正着力进行这类传感器的应用开发。结合蛋白质和受体一旦与化学物质形

成特异结合就起着透过这类生物膜的输送或信息收受作用。从而，通过有效地利

用这类蛋白质就能识别化学物质。可是，这类蛋白质却存在稳定性欠佳的问题。

今后，尤需重视蛋白工程的稳定化，目前已着手在进行研究。

3细胞质脂质

细胞内存在的小器官，是高度功能汇集的复合酶系。特点是排列有序，反应

极快。有效利用此特点能迅速识别特定的分子，对其进行计量。一般的细胞类脂

质如线粒体、微粒体等，可用线粒体的电子传输粒子识别NADH，用肝微粒体识别

SO2。现正在着力进行细胞类脂质的应用研究，开发细胞类脂质传感器。

细胞类脂质的结构高功能化，多数反应极快，这是可利用的优点。然而，其

反应也未必全能用于分子识别。如果是这样，可考虑施行适当的处理，以使所需

要的酶能用于分子识别。细胞类脂质存在的问题是不稳定。事实上使细胞类脂质

分离后，随其功能或结构的变化，酶活性往往会很快消失。

4微生物

微生物可用作传感器的识别材料。

微生物大致可分为需氧微生物和厌氧微生物两大类。按其形态又可分为霉、

酵母、细菌三大类。需氧微生物生育需要酶，而厌氧微生物则不然，酶