聚焦生物传感器

生物传感器的专业文章

什么是生物传感器？

生物传感器是能够以高特异性检测某种物质或分析物的装置。这种分析物的实例是葡萄糖、乳酸盐、谷氨酰胺和谷氨酸盐。大多数生物传感器测量水溶液中分析物的浓度，通常产生电信号，该电信号在其测量范围内与分析物的浓度成比例。

酶生物传感器包括酶、换能器和电子放大器，酶识别目标分析物并与目标分析物反应产生化学信号，换能器从化学信号产生物理信号，电子放大器调节并放大信号。生物传感器允许在复杂的生物介质中进行分析。大量化合物的检测不仅对科学研究而且对化学和食品工业中的过程控制具有重要意义。在医疗保健领域，诊断和治疗疾病以及监测疾病也是不可或缺的。制药和生物技术工业非常希望对生物介质进行频繁到连续的分析。

这种分析是在分析仪器如HPLC系统的帮助下进行的，虽然HPLC系统是稳健和可靠的，但昂贵并且对在线操作的适用性有限。因此，收购Jobst Technologies GmbH使IST AG成为高性能和可靠的在线生物传感器的主要供应商。

代谢参数的酶生物传感器

早在20世纪60年代早期，Clark和里昂引入了第一个使用酶（葡萄糖氧化酶，GOx）作为受体的葡萄糖传感器，该酶对葡萄糖是特异性的。即使在发酵液和血液等复杂混合物中，酶也能对其相应的分析物进行高度特异性的测量;这就像大海捞针一样。

葡萄糖、乳酸、谷氨酰胺和谷氨酸等分析物在生物体的代谢中发挥着重要作用。葡萄糖和谷氨酰胺支持细胞功能和生长;乳酸由细胞产生并允许判断细胞代谢的效率;谷氨酸是细胞消耗的氨基酸。这些分析物中的每一种都需要一组特定的酶来检测。

对这些参数的浓度的连续（在线）监测使得能够实现许多其他参数

细胞培养中补料策略的产生、优化和控制
最大限度地降低患者在手术过程中的风险
对食品加工过程进行重症监护现场分析。

多功能传感器

Jobst Technologies GmbH在酶生物传感器方面拥有数十年的经验。酶被固定在铂微电极顶部的四层可渗透聚合物膜中，铂微电极接收来自酶反应的电流。Jobst Technologies的上级膜技术允许轻松调整性能参数，如灵敏度、测量范围和响应时间。此外，该技术与辐照灭菌（伽马、β）兼容。所有这些都使我们的生物传感器适用于各种各样的应用。

由于电极尺寸小，单个芯片可以容纳多个电极。Jobst Technologies的阵列传感器LV5具有多达6个敏感电极，可以同时检测葡萄糖、乳酸盐、谷氨酰胺和谷氨酸盐。非常小的液体样品可以在流过1 μL流动池时进行分析，因此既适合离线分析，也适合在线操作。

最后但并非最不重要的是，每个传感器都经过工厂校准，并在自动化过程中进行标记，提供完全的可追溯性，使其成为即用型和一次性应用的理想选择。

生物医学应用-一种新的标志性产品：EIRUS

危重患者的最佳治疗需要持续监测其血液值。最近，世界领先的医院医疗系统供应商Maquet Critical Care通过引入专门开发的EIRUS平台，为重症患者提供葡萄糖和乳酸盐的连续监测，从而制定了新的标准。除了优化患者护理质量外，与频繁的间歇性血液分析相比，它还减少了护士的工作量。该系统依赖于微透析技术，该技术为Jobst Technologies GmbH在弗赖堡（德国）开发和制造的流通传感器提供信息。

在几天的连续运行期间，EIRUS每分钟报告一次血糖和乳酸盐血液水平，并在数值超出预设范围时发出警报。这使得能够快速评估患者的血糖状况，从而确保使用胰岛素进行及时和迅速的血糖管理。更严格的血糖控制不仅对糖尿病患者有益，而且已被证明可以改善非糖尿病重症监护患者的结局，这些患者经常表现出一种称为“应激性糖尿病”的状况。

乳酸水平升高（高乳酸血症）是发病率和死亡率增加的指标。监测乳酸盐可以实现早期和持续的风险评估、诊断和治疗，最大限度地降低患者的风险。

生物传感器在生物技术中的应用

如今，细胞培养有助于新药和药物的开发。动物细胞被工程化以表达用于治疗多种疾病和病症的蛋白质和抗体。为了使产量和产品质量最大化，细胞培养条件必须满足最佳值。营养物质（如葡萄糖）的监测在细胞培养的补料策略中起着至关重要的作用。在生物技术中使用的一种类型的葡萄糖传感器需要流体稀释阶段，该阶段必须在培养容器外部。这样的系统显示出问题，如由于通过稀释阶段的传输时间而导致的大的延迟;由于需要外部分析仪而导致的更多的占地面积;由于必须在生物反应器内侵入性地取样并处理管中的死体积而导致的污染风险。其他传感器在辐照灭菌后无法长期保存。 IST AG和Jobst Technologies开发的技术允许在培养容器内或通过探测系统进行连续葡萄糖监测。

中国仓鼠卵巢（CHO）细胞系用于常规玻璃生物反应器中的批次1培养。连续监测葡萄糖浓度数天。对于对照测量，使用Nova Bioprofile分析仪和HPLC系统。由于其坚固性，传感器可以在使用前进行伽马辐照和储存。传感器是预先校准的;然而，在开始时进行一次校准可在整个培养持续数天内提高准确性。在此期间，每秒采集一个测量点，而不需要像所使用的参考系统那样进行任何手动操作。

特别感谢来自苏黎世应用科学大学（瑞士瓦登斯维尔生物技术研究所）的Caspar Demuth博士、Iris Poggendorf博士、Fabienne Seiler和Irène Stutz进行了培养并为我们提供了数据。

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1在分批培养中，营养培养基具有起始葡萄糖浓度，并且不进行进一步的营养补料。