阵列生物传感器研究进展

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阵列生物传感器研究进展*

李

丽张云

郁彩虹

黑婷婷张耀东△

（陕西省生命分析化学重点实验室，陕西师范大学化学与材料科学学院陕西西安710062）

摘要：简要介绍了阵列生物传感器的基本原理和分类。根据换能器的不同，评述了光学、电化学、质量型、磁致阻抗等阵列生物传感器的研究进展，并对目前阵列生物传感器研究中存在的问题进行了分析。关键词：生物传感器；阵列；高通量分析Q68，TP212中图分类号：

A文章编号：1673-627301-187-03文献标识码：（2011）

CurrentDevelopmentofArrayBiosensors*

LILi,ZHANGYun,YUCai-hong,HEITing-ting,ZHANGYao-dong△(KeyLaboratoryofAnalyticalChemistryforLifeScienceofShaanxiProvince,SchoolofChemistryandMaterialsScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi'an710062,China)ABSTRACT:Theprinciple,specificationofarraybiosensorisdescribedherein.Theprogressinbasicandapplicationresearchesofarraysbiosensor,includingoptical,electrochemical,massandmagnetoresistancearraysisreviewedindetail.Thecurrentproblemsofarraybiosensorarealsobrieflydiscussed.

Keywords:Biosensor;Array;Highthroughputanalysis

ChineseLibraryClassification:Q68,TP212DocumentCode:AArticleID:1673-6273(2011)01-187-03生物传感器(biosensor)主要由生物识别元件(molecularrecognitionelement)和换能器(transducer)两部分组成[1]。其基本工作原理是，被测物通过扩散进入生物敏感膜层，经分子识别、发生生化反应后，所产生的信号经过换能器转换成与被测物浓度有关的物理化学信号[2-3]。它是将具有生物活性的分子识别物质与各种固态物理换能器相结合而形成的一种检测仪器，具有准确度高、选择性好、检测限低、价格低廉、稳定性灵敏度高、

好、能在复杂的体系中进行快速在线连续监测等特点，能广泛生物、临床化学和诊断、农业和畜牧兽医、化应用于基础研究、

学分析、军事、过程控制与检测、环境监控与保护等领域。阵列生物传感器是在生物传感器的基础上，为适应多样品、多组分的高通量检测的实际要求而快速发展起来的，是生物传感器研究领域近年来最为活跃的课题之一[4-5]。阵列生物传感器受到人们的广泛关注，并且已有部分研究成果商品化投入市场。本文拟简要介绍阵列生物传感器的基本原理和分类，评述阵列生物传感器方面的研究进展。

继而被相应的化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经过二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度[6]。

按照生物识别元件，可将阵列生物传感器分为两大类，即亲和型和催化型，前者是基于底物分子与固定化的敏感成分具有生物亲和作用，两者特异性的结合引起敏感成分分子结构和/或固定介质发生物理化学变化；后者是指当固定化分子与待测物反应后，产生生化代谢物质，再引起敏感成分分子结构和/或固定介质发生物理化学变化。根据换能器的不同可将阵列生电化学、质量型、磁致阻抗物传感器分为以下几种类型：光学、等阵列生物传感器。本文根据换能器的不同，分别介绍最近几年来各种类型阵列生物传感器的研究进展。

2阵列生物传感器的研究进展

2.1阵列光学生物传感器

SPR)是表面等离子体子共振(SurfacePlasmaResonance，电磁波所激励的在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波，是一种光学现象，一种消逝波。表面等离子体共振技术是19世纪70年始逐渐发展起来的一项新型的测量测试技术。利用SPR制成的生物传感器进一步利用了生物BIA)这一分子相互作用分析(bio-molecularinteractionanalysis，实时检测、灵敏度原理。基于SPR技术的传感器具有免标记、

高、非破坏性、样品不需要纯化和抗背景干扰等优点，尤其是在SPR技术被广泛应用于研究各种生物动力学分析上优势明显。

分子如蛋白质之间、核酸之间以及蛋白质核酸之间和药物与蛋白质之间相互作用的结合位点、反应物浓度和反应动力学等各

1阵列生物传感器的基本原理和分类

阵列生物传感器是对生物物质的多项指标同时转换为电信号进行检测的仪器，是高通量分析中很重要的分析技术，可以认为阵列生物传感器是多个生物传感器的有机组合，它能够灵进行高通量的生物学信息转换和获取，并且具有选择性高、敏度高、稳定性好等优点。因此，可以认为阵列生物传感器的原理和生物传感器的原理基本一样，也是待测物质经扩散进入固定化生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息

*基金项目：国家自然科学基金(No.30600494)；高校科研基本业务费资助项目（No.GK200902010）作者简介：李丽，女，硕士研究生，主要研究方向为生物分析△通讯作者：E-mail:ydzhang@snnu.edu.cn张耀东，博士，副教授，2010-10-04接受日期：2010-10-28（收稿日期：）

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种信息，也被广泛应用于光无源器件的制作、新型材料的获取及物质的筛选鉴定等方面[7]。SPR容易变成高通量的并行分析方法，比如多通道分析和成像分析等，其中表面等离子体共振成像分析(SPRI)可以同时对成批样品阵列进行现场适时的动以抗体态或静态观测[8]。Dostalek等[9]利用多通道SPR传感器，作为分子识别元件，可同时检测有机污染物中多种内分泌干扰表面等物，该传感器不仅检测限低，而且还可再生和重复使用。离子体共振显微镜(SPRM)能够以微阵列方式进行无标记实时研究生物分子的相互作用。Liu等[10]对微流控芯片与SPRM进行整合，原位制备了微阵列生物传感器，并对多目标生物分子进行了分析，检测限比传统推荐的方法低6倍。Fernandez等[11]发展了一种新型便携式六通道SPR生物传感器，在仅对全脂牛奶进行加水稀释，而不需要进行脱脂处理的条件下，即可对全脂牛奶中的多种抗生素进行同时检测。

由于荧光分析法具有多种测定参数(如荧光寿命、荧光各向异性、荧光量子产率、荧光激发波长、发射波长等)和多种检导数荧光、荧光偏振、荧光动力学测技术和方法(如同步荧光、

分析法、三维荧光光谱法及相分辨、时间分辨荧光分析法等)，选择性好等许多突出优点，因此，阵列生物传感以及灵敏度高、

器与荧光法的结合非常紧密[9-10]。消除背景干扰是荧光传感器阵列技术的关键问题，一般利用荧光探针在两个不同波长下荧光强度的差异，以内部校准的方式解决[12]。Schultz等[13]用显微镜载玻片制作了一种可应用于DNA杂交分析的阵列生物传感激器，载玻片上既固定有分子识别元件，本身又可作为换能器。发光通过全内反射作用于荧光标记物，对DNA杂交分析的检并可进行DNA杂交反应动力学研究，以及出限是16mol/μm2，

实时监控杂交探针和目标物在阵列传感器表面的反应。Doong等[14]利用溶胶-凝胶技术，将辣根过氧化物酶、谷氨酸脱氢酶和乙酰胆碱酯酶分别与不同的荧光物质共固定于载玻片上，采用荧光法同时测定老年痴呆症的几种生物标示物β-淀粉样多0.55μM谷氨酸和乙酰胆碱，对应的检测限分别为0.63nM、肽、

和1.0μM，并且没有明显的交叉干扰。

与常规有光子进出的反射或透射的方法不同，椭圆偏振光度法是研究进出光的偏振态的技术[15-16]。椭偏光学阵列生物传感器可以实现无标记多元生物分子自动化检测、静态或动态测量及定性和定量测量等，已应用于生物医学与临床检测等方乙肝五项同时检测、蛋白质竞争吸附面，如肿瘤标志蛋白检测、以及多元蛋白质相互作用动态测量等[17]。利用基于椭圆光度法成像原理的微阵列生物传感器并行检测的优势可对乙肝五项HBsAb、指标进行同时检测，通过微流道系统把HBsAg、HBeAg、HBeAb与HBcAb固定在芯片上，分别与患者血清反应，检测结果同ELISA方法检测结果完全一致。同ELISA方法比较，显著降低了试剂及样品的消耗、缩短了检测时间、提高了检测效率[18]。

2.2阵列电化学生物传感器

阵列电化学生物传感器是具有电化学信号转换器的阵列生物传感器，一般认为它是多个化学修饰电极，即以电导、半导体或者离子导电的材料构成电化学电极作为信号转换器，涂上一层生物化学薄膜作为敏感元件，最后以电信号为特征检测信号的传感器。根据电信号测定方式的不同，一般可分为电流式、电位式和电导式三类，电流式和电位式占主导地位。微阵列电

极作为生物传感器的信号转换器，可以同时探测多个参数，或者作为一个测量相同参数的传感器集合。微电极阵列(MEA)保留了微电极的优点，而且可以实现高通量的样品测定，大大降低了单个样品测定测试成本，此外，把微阵列电极并联起来还可以增大响应电流。由于微电极阵列所具有的优越性，以电极微阵列为基础电极的各类生物传感器报道日渐增多[19]。Revzin等[20]使用标准照相平版印刷法结合金属沉积，在SiO2/Si和聚脂薄膜衬底上制造5个金微电极的阵列。由于溶液中微阵列电极间的扩散层可能会发生部分重叠，分别使用单个电极和对两者的电流相邻的2个电极对乳酸盐浓度进行电化学测试，

响应进行比较，发现相邻2个电极总的电流响应比单电极的增说明电极间的扩散层没有互相干扰。Radke等[21]加了接近100%，

用双功能交联剂将多克隆抗体固定在微阵列金电极表面上，用于检测大肠杆菌O157:H7，能够区分菌数104-107CFU/mL，并可用于检测食物样本中的病原体。Arya等[22]使用双功能试剂3,3'-二硫代二丙酸二(N-琥珀酰亚胺)酯(DSTP)，将皮质醇特异性单克隆抗体共价固定在微阵列金电极表面，并采用无标记的电化学阻抗(EIS)的技术测定皮质醇，线性范围为1pM-100nM。

2.3阵列质量型生物传感器

基于质量检测的压电免疫传感器是以石英晶体为敏感材料，通过压电石英谐振器对质量变化的敏感进行测定。阵列石英晶体传感器[23]又称多道石英晶体微天平(MultichannelQuartzCrystalMicrobalance，MQCM)，是将一系列石英晶体振荡器组成石英晶体振荡器阵列，通过一定的制作工艺，组成阵列石英晶体振荡器，再用照相平板印刷术和氢氟酸与铵盐双氟化物的混合液进行化学刻蚀，把阵列石英晶体振荡器装配在一块单独的石英晶体上。阵列石英晶体传感器的多个振荡器与其它传感器技术相结合可同时获得多种分析化学信息，如通过对样品处理系统的改进，可提高电子鼻的定性定量分析容量，提高对特定分析对象的选择性和灵敏度[24]。

Escuderos等[25]以5种气相色谱固定相(OV-17，OV-275，聚Span80和凡士林)作为QCM传感器传感薄膜，制作了乙二醇，

由5个QCM传感器组成的阵列生物传感器，将其作为人造嗅觉分辨系统，并对橄榄原油的芳香气味进行研究。Jin等[26]制作了可检测气体的QCM阵列生物传感器，并考察了制作过程中各种影响因素。电极选择性地涂敷了各种各样的传感膜(离BMIBF4和导电聚合物PVF)，子液体BMICS、可对一些挥发性有机化合物，即乙醇、二氯甲烷、正己烷和水，进行检测和分类。对该QCM阵列生物传感器的传感性能与单个的QCM传感器进行了全面的比较，试验结果表明QCM阵列生物传感器中的每一个QCM的行为都可以对质量及粘度等信号的变化表现出QCM传感器的性能。该种方法具有高灵敏度、可进行低成本、高通量、耗时短、试剂用量少等优点。多元分析、

2.4阵列磁致阻抗生物传感器

磁致阻抗阵列生物传感器通常由磁传感器阵列、流通池和电磁装置构成，通常将磁标记的分子识别物质固定于传感器的表面。Sanvicens等[27]用可被酶识别序列的肽编码顺磁性磁珠，并标记于DNA，构建了磁生物传感器阵列。由于在顺磁性磁珠与DNA之间就多肽相连，目标DNA与顺磁性磁珠标记DNA杂交后，利用蛋白酶对肽的识别水解，进行DNA杂交分析。巨

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electron,2010,doi:10.1016/j.bios.2010.06.012

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GMI)效应，磁阻抗(GiantMagnetoimpedance，是指磁性材料的交流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。采薄带、薄膜和多层膜等不同用非晶或纳米晶材料可以制备丝、

的形态，利用它们的GMI效应制成GMI磁传感器[28]。Chiriac等[29]以CoFeSiB非晶磁性微丝制作了基于巨磁阻抗(GMI)效应的磁性传感器，并用于生物活性分子的检测，响应非常灵敏。GMI传感器与传统的磁电式传感器相比，具有响应快、灵敏度高、无磁滞、非接触、体积小、热稳定性好等优点，因此它在传感器领域中有着十分诱人的应用前景。

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3结束语

阵列生物传感器将生物传感器组合并微型化，是一门集生物理学、微电子技术与生命科学等众多学科领域交叉化技术、

综合的学科。阵列生物传感器作为一种高选择性、测试方法灵活、易于实现仪器微型化和集成化的分析技术，具有同时对不同分析对象进行识别和检测的优点。阵列生物传感器已取得了一系列的研究成果，但是在理论和技术仍有许多问题尚未解阵列决，例如，阵列传感器的批量信号获取和大量的数据处理、之间的交叉干扰、传感器的稳定性和重现性等问题都有待进一步解决。另外，许多应用研究仍处在开发阶段。随着研究工作的逐渐深入及这些问题的逐步解决，阵列生物传感器必将发挥越来越重要的作用。

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