生物傳感器

生物傳感器(biosensor)，是一種對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。

生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。^[1]

組成結構

生物傳感器由分子識別部分（敏感元件）和轉換部分（換能器）構成：

以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎。

把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器）

各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

生物傳感器實現以下三個功能：

感受：提取出動植物發揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實現生物材料或類生物材料的批量生產，反覆利用，降低檢測的難度和成本。

觀察：將生物材料感受到的持續、有規律的信息轉換為人們可以理解的信息。

反應：將信息通過光學、壓電、電化學、溫度、電磁等方式展示給人們，為人們的決策提供依據。

主要功能

生物傳感器具有接受器與轉換器的功能。對生物物質敏感並將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。

生物體中能夠選擇性地分辯特定物質的物質有酶、抗體、組織、細胞等。這些分子識別功能物質通過識別過程可與被測目標結合成複合物，如抗體和抗原的結合，酶與基質的結合。

在設計生物傳感器時，選擇適合於測定對象的識別功能物質，是極為重要的前提。要考慮到所產生的複合物的特性。根據分子識別功能物質製備的敏感元件所引起的化學變化或物理變化，去選擇換能器，是研製高質量生物傳感器的另一重要環節。敏感元件中光、熱、化學物質的生成或消耗等會產生相應的變化量。根據這些變化量，可以選擇適當的換能器。

生物化學反應過程產生的信息是多元化的，微電子學和現代傳感技術的成果已為檢測這些信息提供了豐富的手段。

歷史沿革

1967年S.J.烏普迪克等制出了第一個生物傳感器葡萄糖傳感器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便製成了葡萄糖傳感器。當改用其他的酶或微生物等固化膜，便可製得檢測其對應物的其他傳感器。固定感受膜的方法有直接化學結合法；高分子載體法；高分子膜結合法。現已發展了第二代生物傳感器（微生物、免疫、酶免疫和細胞器傳感器），研製和開發第三代生物傳感器，將系統生物技術和電子技術結合起來的場效應生物傳感器，90年代開啟了微流控技術，生物傳感器的微流控芯片集成為藥物篩選與基因診斷等提供了新的技術前景。由於酶膜、線粒體電子傳遞系統粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對生物物質的分子結構具有選擇性識別功能，只對特定反應起催化活化作用，因此生物傳感器具有非常高的選擇性。缺點是生物固化膜不穩定。生物傳感器涉及的是生物物質，主要用於臨床診斷檢查、治療時實施監控、發酵工業、食品工業、環境和機器人等方面。

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀知識經濟發展中，生物傳感器技術必將是介於信息和生物技術之間的新增長點，在國民經濟中的臨床診斷、工業控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發）、環境保護以及生物技術、生物芯片等研究中有着廣泛的應用前景。

技術特點

傳感器是一種可以獲取並處理信息的特殊裝置，如人體的感覺器官就是一套完美的傳感系統通過眼、耳、皮膚來感知外界的光、聲、溫度、壓力等物理信息，通過鼻、舌感知氣味和味道這樣的化學刺激。而生物傳感器是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細胞等）作為生物敏感單元，對目標測物具有高度選擇性的檢測器。

⑴採用固定化生物活性物質作催化劑，價值昂貴的試劑可以重複多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學分析繁瑣複雜的缺點。

⑵專一性強，只對特定的底物起反應，而且不受顏色、濁度的影響。

⑶分析速度快，可以在一分鐘得到結果。

⑷準確度高，一般相對誤差可以達到1%

⑸操作系統比較簡單，容易實現自動分析

⑹成本低，在連續使用時，每例測定僅需要幾分錢人民幣。

⑺有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養系統內的供氧狀況和副產物的產生。在產控制中能得到許多複雜的物理化學傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時它們還指明了增加產物得率的方向。

設備分類

用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器並不專指用於生物技術領域的傳感器，它的應用領域還包括環境監測、醫療衛生和食品檢驗等。生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：

1．根據生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器（enzymesensor），微生物傳感器（microbialsensor），細胞傳感器（organallsensor），組織傳感器（tis-suesensor）和免疫傳感器（immunolsensor）。顯而易見，所應用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。

2．根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導體生物傳感器（semiconductbiosensor），光生物傳感器（opticalbiosensor），熱生物傳感器（calorimetricbiosensor），壓電晶體生物傳感器（piezoelectricbiosensor）等，換能器依次為電化學電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

3．以被測目標與分子識別元件的相互作用方式進行分類有生物親和型生物傳感器（affinitybiosensor）、代謝型或催化型生物傳感器。

三種分類方法之間實際互相交叉使用。

生物傳感器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在複雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。

在國民經濟的各個部門如食品、製藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。特別是分子生物學與微電子學、光電子學、微細加工技術及納米技術等新學科、新技術結合，正改變着傳統醫學、環境科學動植物學的面貌。生物傳感器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。

發展前景

概述

隨着生物科學、信息科學和材料科學發展成果的推動，生物傳感器技術飛速發展。但是，生物傳感器的廣泛應用仍面臨着一些困難，今後一段時間裡，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉換器的使用壽命；生物響應的穩定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。可以預見，未來的生物傳感器將具有以下特點。

功能多樣化

未來的生物傳感器將進一步涉及醫療保健、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工業的各個領域。生物傳感器研究中的重要內容之一就是研究能代替生物視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，這就是仿生傳感器，也稱為以生物系統為模型的生物傳感器。

微型化

隨着微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器將不斷的微型化，各種便攜式生物傳感器的出現使人們在家中進行疾病診斷，在市場上直接檢測食品成為可能。

智能化集成化

未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動採集數據、處理數據，更科學、更準確地提供結果，實現採樣、進樣、結果一條龍，形成檢測的自動化系統。同時，芯片技術將愈加進入傳感器，實現檢測系統的集成化、一體化。

低成本高靈敏度高穩定性高壽命

生物傳感器技術的不斷進步，必然要求不斷降低產品成本，提高靈敏度、穩定性和壽命。這些特性的改善也會加速生物傳感器市場化，商品化的進程。在不久的將來，生物傳感器會給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應用前景，必將在市場上大放異彩。

生物傳感器實用性

是生物體成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身（細胞、細胞器、組織），它們能特異地識別各種被測物質並與之反應；後者主要有電化學電極、離子敏場效應晶體管（ ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體（PZ) 等，其功能為將敏感元件感知的生物化學信號轉變為可測量的電信號。

生物傳感器按所用分子識別元件的不同，可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞器傳感器、免疫傳感器等；按信號轉換元件的不同，可分為電化學生物傳感器、半導體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等；按對輸出電信號的不同測量方式，又可分為電位型生物傳感器、電流型生物傳感器和伏安型生物傳感器。微生物傳感器是生物傳感器的一個重要分支。1975 年Divies 製成了第一支微生物傳感器，由此開闢了生物傳感器發展的又一新領域。

在不損壞微生物機能情況下，可將微生物固定在載體上製作出微生物傳感器。微生物傳感器與酶傳感器相比，它有以下特點：

⑴ 微生物的菌株比分離提純酶的價格低得多，因而製成的傳感器便於推廣普及；

⑵ 微生物細胞內的酶在適當環境下活性不易降低，因此微生物傳感器的壽命更長；

⑶ 即使微生物體內的酶的催化活性已經喪失，也可以因細胞的增殖使之再生；

⑷ 對於需要輔助因子的複雜的連續反應，用微生物則更易於完成

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