生物传感器:疾病诊断和工业生物技术的新时代

摘要

生物传感器的概念及其广泛应用已引起全球研究的关注。它们已被成功地用于改善生活质量的许多方面。从简单的葡萄糖试验到核试验，它们的应用已经扩展到各个领域。本文综述了几种生物传感器在疾病诊断和工业生物技术领域的应用。最后还提到了这些生物传感器的未来，考虑到最近的趋势和可在出版物网上获得的文献。

关键字

生物传感器，医疗诊断，工业生物技术，免疫系统，结核病。

简介

生物传感器

首先，传感器可以定义为能够检测或测量物理特性的设备。它还可以记录或指示并以其他方式作出反应。声音麦克风，温度计、测量温度的热电偶和高温计、测量密度的比重计、测量压力的气压计、测量化学物质的呼吸分析仪和测量风速的风速计，这些都是比较受欢迎的传感器。使用生物成分来检测分析物的传感器，以更高的特异性和灵敏度来检测各种化合物，现在称为生物传感器[1-3.］．它们有助于许多领域的进步，包括生物技术、疾病诊断和医疗保健，以提高生活质量[4]、工业应用[5]、环境和食品工业。它们被用作法医学的关键元素[6］．1)工业过程监测和控制，特别是食品和饮料;2)诊断用药、代谢物、激素;3)军事用于毒气、神经毒剂和人员的战场监测;4)用于家庭监测非急性疾病[7］．

生物传感器是一种新兴的工具，它结合了生物学和电子产品。换句话说，这是结合了传感器技术的优势[8和生命科学。开发生物传感器的成功可能取决于高效的组装、设备和架构。它还需要了解生物学，化学，材料科学，电子学和物理学。6］．

生物传感器由追踪分子(分析物)的生物组件、传感器和电子处理器组成[9］．生物组分和分析物之间的反应导致物理化学变化，然后通过传感器转换为电信号。生物成分可以是任何组织，微生物细胞器、细胞受体、化学物质、抗体、核酸等等。连接(连接或感知)所研究的分析物的生物衍生材料或仿生部分[9］．它们的能力是通过一些生化反应将标志与环境区分开来。而换能器则是将生化信号转换为电信号，再由电子处理器进行处理。传统方法确实适用于分析，但它们缺乏敏感性和特异性[10］．生物传感器克服了这些限制[11并且可以提供更有针对性的可靠数据，甚至在低灵敏度的情况下。

生物传感器的应用

疾病诊断

癌症诊断

癌症是全球医疗死亡的令人震惊的原因。早期诊断对成功治疗和获得更好的机会至关重要[12，13］．肿瘤的发展与基因和蛋白质的变化有关，这些变化通常是由突变引起的，这些变化可以用作诊断的生物标志物。癌症生物标志物可能是早期癌症检测最重要的工具之一。生物传感器的最终目标是加强不同癌症的分析和治疗。适体、ssDNA、dsDNA、抗体和特定抗原(p53抗原)可作为这些生物传感器的生物成分。基于适配体的生物传感器与金纳米颗粒结合。检测原理是基于吸收变化。当特定的适体与靶细胞结合时，纳米颗粒就会在肿瘤细胞上相遇;在此基础上，样品的颜色和吸收会发生变化，从而使我们能够检测癌症。

此程序也可用于发现非小细胞肺疾病(NSCLC)。在另一项研究中，Kwon等人将适体与导演结合起来聚合物生物传感器中的管，用于识别疾病中负责血管生成的专家，称为血管表皮生长因子(VEGF)，进一步发现较小尺寸的管在检测过程中表现出高水平的敏感性[14，15］．

阿尔茨海默病

此外，生物传感器已扩展到神经生成问题的识别[16，17］．

糖尿病

糖尿病是由血糖水平异常引起的[18］．基于葡萄糖氧化酶(GOx)的安培酶电极被用于开发易于使用的葡萄糖检测。它可用于监测血糖水平连续模式。自从Clark和Lyons在1962年提出葡萄糖化学终端的基本概念以来[7，9，19，我们已经看到了巨大的努力协调改善固体设备的糖尿病控制。在葡萄糖酶电极的操作中已经研究了独特的方法[20.-25］．

心血管疾病

心血管感染是另一种发病率不断发展的常见疾病，因此，从临床角度来看，识别心血管生物标志物至关重要[26-32］．研究发现了开发基于RNA的适体传感器所需的方案。其原理是在电场作用下，GID电容器上的适体- crp复合物呈现出电荷扩散的奇迹。它可以识别c -接受蛋白(CRP)， c -接受蛋白是CVD最广泛认可的生物标志物，其最远位置为100-500 pg/ml。

最近，一种小型而紧凑的基于适体的电化学生物传感器被生产出来，用于鉴定创伤性伤口的生物标志物抗利压素[33-35］．

系统性红斑狼疮

系统性红斑狼疮是一种自动无伤大伤的混乱，影响人体的不同部位。SLE患者会出现各种各样的血清学症状。基于SPR的生物传感器芯片用于识别免疫系统问题SLE的致病性dsDNA。

肺结核

结核病是世界上最危险的疾病之一，是由致病菌引起的结核分枝杆菌．该病的早期诊断对临床有一定的指导意义。许多种类的生物传感器(DNA/RNA/PNA)用于结核病检测，利用光学，压电，电化学原理。

肝炎

肝炎是一种由不同毒株的肝炎病毒(HAV- HGV)引起的传染病。基于金纳米颗粒的DNA生物传感器检测乙型肝炎病毒DNA，检测截止值为15 pmol/L。在另一项研究中，非辅助病毒蛋白3 (NS3)已被基于生物素化RNA测试的生物传感器识别，识别限度为500 pg/ml [36-38］．

腹泻

病原微生物等引起的大肠杆菌O157: H7,美国沙门氏菌感染等。以适体为基础的生物传感器是为利用未修饰的金纳米颗粒比色检测这些微生物而开发的[39］．

霍乱

引起的霍乱弧菌．为发现霍乱弧菌的PCR扩增体，研制了一种DNA生物传感器[40］．

沙门氏菌病

它是一种全球性的疾病，由沙门氏菌的invA基因的测定沙门氏菌是至关重要的，采用SPR检测方法[41，42］．DNA生物传感器已在诊断中得到应用。

登革热

登革热是一种传染病，是病媒传播的。它主要是由登革热病毒基于核酸的生物传感器，现在被用于检测这种发烧，因为高表面积的好处[42］．研究表明，已开发出一种用于检测cDNA排列的无孔氧化铝层状电化学DNA生物传感器。近年来，登革热感染的31位寡核苷酸的鉴定已经通过使用DNA传感技术(43，44］．

生物传感器:工业生物技术

生物传感器和食源性细菌监测

微生物安全是大多数食品生产单位最关心的问题，必须定期进行监测。在这种情况下，生物传感器将是首选，以避免任何安全检查滞后。这些生物传感器将检测与细菌作用有关的特定分子[45，46］．

牛奶净化

铅(Pb II)因其不断扩大的污染水平和令人讨厌的后果而引起了世界卫生研究人员的关注。因此，所有可能进入人体的途径都需要持续监测。[47］．研究人员利用各种方法来创建检测牛奶中铅的生物传感器。Durrieu和trans - minh报道了可溶性磷酸酶在铅视线内的抑制，作为光学藻类生物传感器进展的生物测定标准[48-54］．Kuswandi [54]利用光纤创新技术，构建了一种光学Pb (II)生物传感器。基于脲酶运动的光学生物传感器55，56］．后来Tsai和Doong [56]，该传感器依赖于压倒性金属对脲酶和乙酰胆碱酯酶的基本阻挡规律。两种化学物质都与FITC葡聚糖共固定在溶胶-凝胶网格中进行多分析物的发现。该生物传感器对Cd (II)、Hg (II)和Cu (II)的识别范围为10 ~ 100 nM，但对Pb (II)没有反应。Haron和Ray在考虑了Pb (II)对脲酶和乙酰胆碱酯酶的阻碍的情况下建立了一个生物传感器，以环四色丙烯(CTCT)为标记，实现了4.83 nM的识别限制点[57-67］．

细菌孢子的生存周期围绕两个阶段旋转，即休眠状态和代谢动态生长状态。这种从一个阶段开始到下一个阶段的变化只有在其附近环境的有利条件普遍存在以及存在或不存在微生物或非微生物污染物时才会完成。因此，这一特性可以用于检测牛奶中污染物的存在，从而创建基于孢子的生物传感器框架。建立了多种基于孢子的检测框架来检测牛奶中的黄曲霉毒素、抗毒素和微生物病原体。这些生物传感框架比现有的策略更好，因为在牛奶和奶制品的快速检测中，它们具有更好的灵敏度、易用性和帮助。基于孢子的生物传感器是一种新颖的系统，可以保证每个消费者的牛奶安全健康。

其他应用程序

1)环境与军事;2)浸棒试验;3)农业水产养殖；4)生物传感器甚至可以用于检测植物的病毒、真菌和细菌疾病。食品的新鲜度也可以被发现。

生物传感器应用的最新趋势

近年来，生物传感器在环境监测领域的应用迅速增加。《京都议定书》签订后，各国开始注重测量污染控制，从而开始减少对环境的破坏。生物传感器后来作为一种执行这种检测的设备而大受欢迎。生化需氧量(BOD5)技术是测量污染最受研究的策略之一，该技术在20°C下测量废水的有机氧兴趣5天。近年来，由于这些类型的生物传感器能够增强化学和生物制剂的识别量化，它们的扩展正在增加[68-71］．最近，重点已经转移到开发遗传编码FRET生物传感器，因为它们能够分析活细胞和生物体中的信号通路[72-76］．

基于碳纳米管的生物传感器现在能够识别各种食源性病原体，如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌检查时间为1分钟。金黄色葡萄球菌而且美国沙门氏菌感染还可通过双激励检测策略从食品检测中识别[16，77］．生物传感器在诊断尿路感染和识别相关尿路病原体方面起着重要作用，这有助于支持合适的抗生素治疗[16，78］．

石墨烯(GE)是碳材料作为生物传感器的一种新的发展方法，因为它在快速电子传输和低原始材料成本方面具有优势[79-83］．GE与诺贝尔金属纳米颗粒的结合在电化学生物传感器中具有广阔的应用前景。看有利趋势张等。79]在壳聚糖(CS)的帮助下，利用Chox融合技术研制了一种胆固醇生物传感器。他们还成功测定了人血清中的游离胆固醇[84，85］．

生物传感器:未来

配备生物传感器的智能农业

智能农业使农民能够及时获得有关其牲畜的全部信息。动物的实时生理和行为特征将为快速管理活动提供标记，以避免库存和随后的利润损失[86］．利用生物传感器增强决策支持网络，避免库存损失，并有助于总体可持续性和生产力[87，88］．

E-health

基于手机的纳米生物传感器模型的研究，例如横向流分析(LFA)、流式细胞术和光学识别已经成为全球研究的热点。市场上销售的少数基于手机的型号是iHealth、AliveCor、GENTAG、Mobile Assay和CellScope等[89-92］．

芯片实验室(LOAC)

这个想法是从微流体相关的想法开始的。近年来的发展趋势表明，随着流体器件尺寸的减小和响应体积的减小，可以将其纳入纳米流体领域。从根本上说，LOAC是玻璃或硅衬底中的流动通道，考虑到芯片内的液体运输和检测样品处理，将与流注入/泵送框架结合在一起。从生物传感器创新的角度来看，LOAC是成品框架，可以在芯片尺度上做完整的生物样本处理和调查框架[93-One hundred.］．用少量液体的生物样品与芯片相接触，然后与试剂和载体混合，与框架项目相响应，通过将其组装到一个划分单元进行研究，在同一晶圆上进行协调。LOAC将对诊断业务产生重大影响，包括集中实验室检查和护理点检测[16］．

结论

生物传感器通过不同的应用，如体内观察、血液检查、疾病诊断、水质等，在商业领域占有一席之地。生物传感器由精细、灵敏的生物材料组成。耐用性和坚固性等因素可以促进商业部门的发展，并可以在生物传感器的探索和创造中做出重大贡献。生物传感器的发展和应用前景广阔。

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