生物传感概述

生物传感器通过检测和表征复杂生物流体中的目标分子，彻底改变了医学和生物技术领域。生物传感器是一种利用生物受体分子（如酶）来检测特定化合物的装置。生物传感器采用不同的方法，例如电化学、机械特性或光学技术，来检测特定分子与受体之间的结合。本视频将通过介绍生物传感器的一些基本技术与类型及其应用，帮助您了解生物传感器及其相关研究领域。

首先，让我们讨论典型生物传感器的工作原理。生物传感器包含一个生物识别系统，通常称为生物受体或探针分子。这通常是一种固定的生物分子，例如酶、抗体或核酸，用于选择性地捕获目标分子。探针分子与目标分子之间的结合会引发可测量的事件，例如pH变化、光学变化或氧化还原反应。这种变化由换能器测量，换能器将结合信息转化为可量化的信号。一些生物传感器可量化结合的目标分子数量，从而向用户提供浓度信息。然而，也有一些仅用于简单确认分子的存在，例如妊娠检测。首个生物传感器是Leland C. Clark开发的氧气传感器。该传感器利用葡萄糖氧化酶，当葡萄糖结合时，该酶被还原。在氧气存在下，葡萄糖氧化酶被重新氧化，并在副反应中产生过氧化氢。当过氧化氢被氧化时，会失去一个电子，并由电极测量。氧气越多，产生的过氧化氢越多，测得的电子也越多。这一发现为现代生物传感器的发展奠定了基础。在介绍了生物传感器及其部分历史之后，让我们来看看一些常见的生物传感器类型。

光学传感器利用光来检测目标分子与探针分子的结合。一个非常简单的例子是基于荧光的传感器。在此类传感器中，其表面涂覆有一种具有低基础荧光的聚合物。当该聚合物表面被功能化修饰上探针分子（例如单链DNA）时，荧光信号增强。当目标分子（即互补的DNA链）与探针链结合后，增强的荧光信号随之消失，从而使得使用者能够根据荧光强度的变化来确定结合发生的数量和位置。另一种常见的生物传感器是电化学传感器，它利用电极检测探针分子与目标分子之间的氧化还原反应。这种检测通常通过固定在电极表面的酶来实现。当目标分子在特定施加电位下与酶结合时，复合物会发生还原或氧化反应，从而产生电子过剩或缺失，其程度与结合的目标分子数量成正比。

生物传感领域也面临诸多挑战。首先，一个关键挑战是样品中其他分子对生物传感器表面的污染，称为生物污损（biofouling），这种情况在复杂混合物中尤为常见。此类污染可能阻碍探针分子与目标分子的结合，从而显著降低传感器的检测能力。因此，某些生物传感器的使用寿命有限，需进行再生或废弃处理。另一种解决方法是开发抗生物污损涂层，以减轻该效应。传感器的检测限是指能够可靠地与“无该物质”状态区分开的最低物质含量。较低的检测限有利于准确检测痕量物质，理想情况是实现单分子检测。然而，这往往具有难度，因为低浓度常导致信号微弱，低于背景噪声水平，难以定量。目前大量研究致力于通过提高结合效率和降低噪声来改善检测限。

在讨论了生物传感器的一些常见类型及其面临的挑战之后，让我们来看看这些基本概念的一些应用。一种常用的传感器是石英晶体微天平（QCM）。QCM由两个金电极组成，中间夹有具有压电特性的石英晶体。当施加交流电时，会激发出特定共振频率的振荡。当分子结合到表面时，该共振频率会发生变化。这种频率变化被用于检测目标分子的结合及其结合量。特殊的微悬臂梁则利用机械特性来检测目标分子的结合。在此类传感器中，微悬臂梁被修饰上探针分子，然后暴露于目标分子。当目标分子结合时，由于表面应力的变化，微悬臂梁发生弯曲，该弯曲程度通过激光进行测量。

您刚刚观看了 JoVE 关于生物传感的概述视频。现在您应该对生物传感器的基本原理、一些主要类型的传感器及其面临的挑战，以及该领域的一些应用有了一定的了解。感谢观看。