生物傳感器簡(jiǎn)介

　　生物傳感器由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成，生物傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。

生物傳感器把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），主要有電化學(xué)器件、光學(xué)器件、熱敏器件、聲波器件、壓敏器件等，生物傳感器應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的眾多方面。

　　生物傳感器實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：

　　感受：提取出動(dòng)植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產(chǎn)，反復(fù)利用，降低檢測(cè)的難度和成本。

　　觀察：將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。

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

生物傳感器百科

　　生物傳感器（biosensor），是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

　　組成結(jié)構(gòu)生物傳感器由分子識(shí)別部分（敏感元件）和轉(zhuǎn)換部分（換能器）構(gòu)成：

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

　　把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器）

　　各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生物傳感器實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：

　　感受：提取出動(dòng)植物發(fā)揮感知作用的生物材料，包括：生物組織、微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、DNA等。實(shí)現(xiàn)生物材料或類生物材料的批量生產(chǎn)，反復(fù)利用，降低檢測(cè)的難度和成本。

　　觀察：將生物材料感受到的持續(xù)、有規(guī)律的信息轉(zhuǎn)換為人們可以理解的信息。

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

　　主要功能生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。生物體中能夠選擇性地分辯特定物質(zhì)的物質(zhì)有酶、結(jié)構(gòu)抗體、組織、細(xì)胞等。這些分子識(shí)別功能物質(zhì)通過識(shí)別過程可與被測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)合物，如抗體和抗原的結(jié)合，酶與基質(zhì)的結(jié)合。在設(shè)計(jì)生物傳感器時(shí)，選擇適合于測(cè)定對(duì)象的識(shí)別功能物質(zhì)，是極為重要的前提。要考慮到所產(chǎn)生的復(fù)合物的特性。根據(jù)分子識(shí)別功能物質(zhì)制備的敏感元件所引起的化學(xué)變化或物理變化，去選擇換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。生物化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的成果已為檢測(cè)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(gè)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，便制成了葡萄糖傳感器。當(dāng)改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得檢測(cè)其對(duì)應(yīng)物的其他傳感器。固定感受膜的方法有直接化學(xué)結(jié)合法；高分子載體法；高分子膜結(jié)合法。現(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器（微生物、免疫、酶免疫和細(xì)胞器傳感器），研制和開發(fā)第三代生物傳感器，將系統(tǒng)生物技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合起來的場(chǎng)效應(yīng)生物傳感器，90年代開啟了微流控技術(shù)，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(shù)前景。由于酶膜、線粒體電子傳遞系統(tǒng)粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗體膜對(duì)生物物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)具有選擇性識(shí)別功能，只對(duì)特定反應(yīng)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(diǎn)是生物固化膜不穩(wěn)定。生物傳感器涉及的是生物物質(zhì)，主要用于臨床診斷檢查、治療時(shí)實(shí)施監(jiān)控、發(fā)酵工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境和機(jī)器人等方面。生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。在未來21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，生物傳感器技術(shù)必將是介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的臨床診斷、工業(yè)控制、食品和藥物分析（包括生物藥物研究開發(fā)）、環(huán)境保護(hù)以及生物技術(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前景。［1］

　　技術(shù)特點(diǎn)傳感器是一種可以獲取并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(tǒng)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?dú)馕逗臀兜肋@樣的化學(xué)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(xì)胞等）作為生物敏感單元，對(duì)目標(biāo)測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。⑴采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。⑵專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，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(jié)果。⑷準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1%⑸操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析⑹成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)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(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在產(chǎn)控制中能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時(shí)它們還指明了增加產(chǎn)物得率的方向。

　　設(shè)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）。生物傳感器并不專指用介紹生物傳感器的書籍于生物技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗(yàn)等。生物傳感器主要有下面三種分類命名方式：［2］ 1．根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類：酶?jìng)鞲衅鳎╡nzymesensor），微生物傳感器（microbialsensor），細(xì)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(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。2．根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極（bioelectrode）傳感器，半導(dǎo)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(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。3．以被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)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(shí)際互相交叉使用。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　綜述生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。特別是分子生物學(xué)與微電子學(xué)、光電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)及納米技術(shù)等新學(xué)科、新技術(shù)結(jié)合，正改變著傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)動(dòng)植物學(xué)的面貌。生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，形成21世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。

　　食品工業(yè)生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用包括食品成分、食品添加劑、有害毒物及食品鮮度等的測(cè)定分析。⑴食品成分分析生物傳感器在食品工業(yè)中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和貯藏壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。已開發(fā)的酶電極型生物傳感器可用來分析白酒、蘋果汁、果醬和蜂蜜中的葡萄糖。其它糖類，如果糖，啤酒、麥芽汁中的麥芽糖，也有成熟的測(cè)定傳感器。Niculescu等人研制出一種安培生物傳感器，可用于檢測(cè)飲料中的乙醇含量。這種生物傳感器是將一種配蛋白醇脫氫酶埋在聚乙烯中，酶和聚合物的比例不同可以影響該生物傳感器的性能。在目前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，該生物傳感器對(duì)乙醇的測(cè)量極限為1nmol/L。⑵食品添加劑的分析亞硫酸鹽通常用作食品工業(yè)的漂白劑和防腐劑，采用亞硫酸鹽氧化酶為敏感材料制成的電流型二氧化硫酶電極可用于測(cè)定食品中的亞硫酸鹽含量，測(cè)定的線性范圍為0～6的負(fù)四次方mol/L。又如飲料、布丁、醋等食品中的甜味素，Guibault等采用天冬氨酶結(jié)合氨電極測(cè)定，線性范圍為2×10的負(fù)五次方～1×10的負(fù)三次方 mol/L。此外，也有用生物傳感器測(cè)定色素和乳化劑的報(bào)道。⑶農(nóng)藥殘留量分析人們對(duì)食品中的農(nóng)藥殘留問題越來越重視，各國(guó)政府也不斷加強(qiáng)對(duì)食品中的農(nóng)藥殘留的檢測(cè)工作。Yamazaki等人發(fā)明了一種使用人造酶測(cè)定有機(jī)磷殺蟲劑的電流式生物傳感器，利用有機(jī)磷殺蟲劑水解酶，對(duì)硝基酚和二乙基酚的測(cè)定極限為10的負(fù)七次方mol，在40℃下測(cè)定只要4min。Albareda等用戊二醛交聯(lián)法將乙酞膽堿醋酶固定在銅絲碳糊電極表面，制成一種可檢測(cè)濃度為10的負(fù)十次方mol/L的對(duì)氧磷和10的負(fù)十一次方mol/L的克百威的生物傳感器，可用于直接檢測(cè)自來水和果汁樣品中兩種農(nóng)藥的殘留。⑷微生物和毒素的檢驗(yàn)食品中病原性微生物的存在會(huì)給消費(fèi)者的健康帶來極大的危害，食品中毒素不僅種類很多而且毒性大，大多有致癌、致畸、致突變作用，因此，加強(qiáng)對(duì)食品中的病原性微生物及毒素的檢測(cè)至關(guān)重要。食用牛肉很容易被大腸桿菌0157.H7.所感染，因此，需要快速靈敏的方法檢測(cè)和防御大腸桿菌0157.H7一類的細(xì)菌。Kramerr等人研究的光纖生物傳感器可以在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)出食物中的病原體（如大腸桿菌0157.H7.），而傳統(tǒng)的方法則需要幾天。這種生物傳感器從檢測(cè)出病原體到從樣品中重新獲得病原體并使它在培養(yǎng)基上獨(dú)立生長(zhǎng)總共只需1天時(shí)間，而傳統(tǒng)方法需要4天。還有一種快速靈敏的免疫生物傳感器可以用于測(cè)量牛奶中雙氫除蟲菌素的殘余物，它是基于細(xì)胞質(zhì)基因組的反應(yīng)，通過光學(xué)系統(tǒng)傳輸信號(hào)。已達(dá)到的檢測(cè)極限為16.2ng/mL。一天可以檢測(cè)20個(gè)牛奶樣品。⑸食品鮮度的檢測(cè)食品工業(yè)中對(duì)食品鮮度尤其是魚類、肉類的鮮度檢測(cè)是評(píng)價(jià)食品質(zhì)量的一個(gè)主要指標(biāo)。Volpe等人以黃嗦吟氧化酶為生物敏感材料，結(jié)合過氧化氫電極，通過測(cè)定魚降解過程中產(chǎn)生的一磷酸肌苷（IMP）、肌苷（HXR）和次黃嘌吟（HX）的濃度，從而評(píng)價(jià)魚的鮮度，其線性范圍為5x10的負(fù)10次方～2x10的負(fù)4次方mol/L。

　　環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們迫切希望擁有一種能對(duì)污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測(cè)的儀器，生物傳感器滿足了人們的要求。已有相當(dāng)部分的生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中。⑴水環(huán)境監(jiān)測(cè)生化需氧量（BOD）是一種廣泛采用的表征有機(jī)污染程度的綜合性指標(biāo)。在水體監(jiān)測(cè)和污水處理廠的運(yùn)行控制中，生化需氧量也是最常用、最重要的指標(biāo)之一。常規(guī)的BOD測(cè)定需要5d的培養(yǎng)期，而且操作復(fù)雜，重復(fù)性差，耗時(shí)耗力，干擾性大，不適合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。SiyaWakin等人利用一種毛孢子菌（Trichosporoncutaneum）和芽孢桿菌（Bacilluslicheniformis）制作一種微生物BOD傳感器。該BOD生物傳感器能同時(shí)精確測(cè)量葡萄糖和谷氨酸的濃度。測(cè)量范圍為0.5～40mg/L，靈敏度為5.84nA/mgL。該生物傳感器穩(wěn)定性好，在58次實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.0362。所需反應(yīng)時(shí)間為5～lOmin。硝酸根離子是主要的水污染物之一，如果添加到食品中，對(duì)人體的健康極其有害。Zatsll等人提出了一種整體化酶功能場(chǎng)效應(yīng)管裝置檢測(cè)硝酸根離子的方法。該裝置對(duì)硝酸根離子的檢測(cè)極限為7x10的負(fù)5次方mol，響應(yīng)時(shí)間不到50s，系統(tǒng)操作時(shí)間約為85s。此外，Han等人發(fā)明了一種新型微生物傳感器，可用于測(cè)定三氯乙烯。該傳感器將假單細(xì)胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜（直徑：25 mm，孔徑：0.45μm）上。再將薄膜固定在氯離子電極上。帶有AgCl/Ag2S薄膜（7024L，DKK，日本）的氯離子電極和Ag/AgCI參比電極連接到離子計(jì)（IOL-50，DKK，日本）上，記錄電壓的變化，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照，測(cè)出三氯乙烯的濃度。該傳感器線性濃度范圍為0.1～ 4 mg/L，適于檢測(cè)工業(yè)廢水。在最優(yōu)化條件下，其響應(yīng)時(shí)間不到10min。［3］ ⑵大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)二氧化硫（S02）是酸雨酸霧形成的主要原因，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很復(fù)雜。Martyr等人將亞細(xì)胞類脂類（含亞硫酸鹽氧化酶的肝微粒體）固定在醋酸纖維膜上，和氧電極制成安培型生物傳感器，對(duì)S02形成的酸雨酸霧樣品溶液進(jìn)行檢測(cè)，lOmin可以得到穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。NOx不僅是造成酸雨酸霧的原因之一，同時(shí)也是光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)住harles等人用多孔滲透膜、固定生物傳感器化硝化細(xì)菌和氧電極組成的微生物傳感器來測(cè)定樣品中亞硝酸鹽含量，從而推知空氣中NOx的濃度。其檢測(cè)極限為0.01xl0負(fù)6次方mo1/L。

　　發(fā)酵工業(yè)在各種生物傳感器中，微生物傳感器具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、不受發(fā)酵液混濁程度的限制、可能消除發(fā)酵過程中干擾物質(zhì)的干擾等特點(diǎn)。因此，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛地采用微生物傳感器作為一種有效的測(cè)量工具。⑴原材料及代謝產(chǎn)物的測(cè)定微生物傳感器可用于測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的原材料（如糖蜜、乙酸等）和代謝產(chǎn)物（如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、醇類、乳酸等）。測(cè)量的裝置基本上都是由適合的微生物電極與氧電極組成，原理是利用微生物的同化作用耗氧，通過測(cè)量氧電極電流的變化量來測(cè)量氧氣的減少量，從而達(dá)到測(cè)量底物濃度的目的。2002年，Tkac等人將一種以鐵氰化物為媒介的葡萄糖氧化酶細(xì)胞生物傳感器用于測(cè)量發(fā)酵工業(yè)中的乙醇含量，13s內(nèi)可以完成測(cè)量，測(cè)量靈敏度為3.5nA/mM。該微生物傳感器的檢測(cè)極限為0.85nM，測(cè)量范圍為2～270nM，穩(wěn)定性能很好。在連續(xù)8.5h的檢測(cè)中，靈敏度沒有任何降低。⑵微生物細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定發(fā)酵液中細(xì)胞數(shù)的測(cè)定是重要的。細(xì)胞數(shù)（菌體濃度）即單位發(fā)酵液中的細(xì)胞數(shù)量。一般情況下，需取一定的發(fā)酵液樣品，采用顯微計(jì)數(shù)方法測(cè)定，這種測(cè)定方法耗時(shí)較多，不適于連續(xù)測(cè)定。在發(fā)酵控制方面迫切需要直接測(cè)定細(xì)胞數(shù)目的簡(jiǎn)單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)：在陽極（Pt）表面上，菌體可以直接被氧化并產(chǎn)生電流。這種電化學(xué)系統(tǒng)可以應(yīng)用于細(xì)胞數(shù)目的測(cè)定。測(cè)定結(jié)果與常規(guī)的細(xì)胞計(jì)數(shù)法測(cè)定的數(shù)值相近。利用這種電化學(xué)微生物細(xì)胞數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)菌體濃度連續(xù)、在線的測(cè)定。

　　醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來越大的作用。生物傳感技術(shù)不僅為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究及臨床診斷提供了一種快速簡(jiǎn)便的新型方法，而且因?yàn)槠鋵Ｒ弧㈧`敏、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)方面，也具有廣的應(yīng)用前景。⑴臨床醫(yī)學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)用最多的一種傳感器，已成功地應(yīng)用于血糖、乳酸、維生素C、尿酸、尿素、谷氨酸、轉(zhuǎn)氨酶等物質(zhì)的檢測(cè)。其原理是：用固定化技術(shù)將酶裝在生物敏感膜上，檢測(cè)樣品中若含有相應(yīng)的酶底物，則可反應(yīng)產(chǎn)生可接受的信息物質(zhì)，指示電極發(fā)生響應(yīng)可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，根據(jù)這一變化，就可測(cè)定某種物質(zhì)的有無和多少。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，在臨床中應(yīng)用的微生物傳感器有葡萄糖、乙酸、膽固醇等傳感器。若選擇適宜的含某種酶較多的組織，來代替相應(yīng)的酶制成的傳感器稱為生物電極傳感器。如用豬腎、兔肝、牛肝、甜菜、南瓜和黃瓜葉制成的傳感器，可分別用于檢測(cè)谷酰胺、鳥嘌呤、過氧化氫、酪氨酸、維生素C和胱氨酸等。DNA傳感器是目前生物傳感器中報(bào)道最多的一種，用于臨床疾病診斷是DNA傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，它可以幫助醫(yī)生從DNA，RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次上了解疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，有助于對(duì)疾病的及時(shí)診斷和治療。此外，進(jìn)行藥物檢測(cè)也是DNA傳感器的一大亮點(diǎn)。Brabec等人利用DNA傳感器研究了常用鉑類抗癌藥物的作用機(jī)理并測(cè)定了血液中該類藥物的濃度。⑵軍事醫(yī)學(xué)軍事醫(yī)學(xué)中，對(duì)生物毒素的及時(shí)快速檢測(cè)是防御生物武器的有效措施。生物傳感器已應(yīng)用于監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌、病毒及其毒素，如炭疽芽孢桿菌、鼠疫耶爾森菌、埃博拉出血熱病毒、肉毒桿菌類毒素等。2000年，美軍報(bào)道已研制出可檢測(cè)葡萄球菌腸毒素B、蓖麻素、土拉弗氏菌和肉毒桿菌等4種生物戰(zhàn)劑的免疫傳感器。檢測(cè)時(shí)間為3～lOmin，靈敏度分別為10，5Omg/L，5x10的5次方，和5x10的4次方cfu/ml。Song等人制成了檢測(cè)霍亂病毒的生物傳感器。該生物傳感器能在30min內(nèi)檢測(cè)出低于1xlO的負(fù)5次方mol/L的霍亂毒素，而且有較高的敏感性和選擇性，操作簡(jiǎn)單。該方法能夠用于具有多個(gè)信號(hào)識(shí)別位點(diǎn)的蛋白質(zhì)毒素和病原體的檢測(cè)。此外，在法醫(yī)學(xué)中，生物傳感器可用作DNA鑒定和親子認(rèn)證等。

　　操作實(shí)例各種類型的傳感器有許多潛在的應(yīng)用。在研究與商用領(lǐng)域?qū)τ谏飩鞲衅鞯男枨笾饕獊碜杂趯?duì)于特定目標(biāo)分子的辨別、生物識(shí)別成分的實(shí)用性以及在某些場(chǎng)合中優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的可以一次性使用的檢測(cè)系統(tǒng)。下面是一些實(shí)例：應(yīng)用于探測(cè)葡萄糖濃度美國(guó)普渡大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員制成了新型生物傳感器，能夠以非侵入的方式進(jìn)行糖尿病測(cè)試，探測(cè)出人體唾液和眼淚中極低的葡萄糖濃度。這項(xiàng)技術(shù)無需過于繁復(fù)的生產(chǎn)步驟，從而可降低傳感器的制造成本，并可能幫助消除或降低利用針刺進(jìn)行糖尿病測(cè)試的幾率。

　　發(fā)展前景概述隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動(dòng)，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。但是，目前，芯片生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時(shí)間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強(qiáng)、選擇性高的生物傳感元件；提高信號(hào)檢測(cè)器的使用壽命；提高信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用壽命；生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。可以預(yù)見，未來的生物傳感器將具有以下特點(diǎn)。功能多樣化未來的生物傳感器將進(jìn)一步涉及醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。生物傳感器研究中的重要內(nèi)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(tǒng)為模型的生物傳感器。微型化隨著微加工技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)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(xiàn)使人們?cè)诩抑羞M(jìn)行疾病診斷，在市場(chǎng)上直接檢測(cè)食品成為可能。智能化集成化未來的生物傳感器必定與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地提供結(jié)果，實(shí)現(xiàn)采樣、進(jìn)樣、結(jié)果一條龍，形成檢測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)。同時(shí)，芯片技術(shù)將愈加進(jìn)入傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的集成化、一體化。低成本高靈敏度高穩(wěn)定性高壽命生物傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然要求不斷降低產(chǎn)品成本，提高靈敏度、穩(wěn)定性和壽命。這些特性的改善也會(huì)加速生物傳感器市場(chǎng)化，商品化的進(jìn)程。在不久的將來，生物傳感器會(huì)給人們的生活帶來巨大的變化，它具有廣闊的應(yīng)用前景，必將在市場(chǎng)上大放異彩。生物傳感器實(shí)用性是生物體成分（酶、抗原、抗體、激素、DNA） 或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織），它們能特異地識(shí)別各種被測(cè)物質(zhì)并與之反應(yīng)；后者主要有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)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(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)。生物傳感器按所用分子識(shí)別元件的不同，可分為酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅鳌⒔M織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等；按信號(hào)轉(zhuǎn)換元件的不同，可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等；按對(duì)輸出電信號(hào)的不同測(cè)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(gè)重要分支。1975 年Divies 制成了第一支微生物傳感器，由此開辟了生物傳感器發(fā)展的又一新領(lǐng)域。在不損壞微生物機(jī)能情況下，可將微生物固定在載體上制作出微生物傳感器。微生物傳感器與酶?jìng)鞲衅飨啾龋幸韵绿攸c(diǎn)：⑴ 微生物的菌株比分離提純酶的價(jià)格低得多，因而制成的傳感器便于推廣普及；⑵ 微生物細(xì)胞內(nèi)的酶在適當(dāng)環(huán)境下活性不易降低，因此微生物傳感器的壽命更長(zhǎng)；⑶ 即使微生物體內(nèi)的酶的催化活性已經(jīng)喪失，也可以因細(xì)胞的增殖使之再生；⑷ 對(duì)于需要輔助因子的復(fù)雜的連續(xù)反應(yīng)，用微生物則更易于完成

　　衍生設(shè)備DNA生物傳感器DNA生物傳感器是一種能將目標(biāo)DNA的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測(cè)電信號(hào)的傳感裝置。它由兩部分組成，一部分是識(shí)別元件，即DNA探針，另一部分是換能器。識(shí)別元件主要用來感知樣品中是否含有待測(cè)的目標(biāo)DNA；換能器則將識(shí)別元件感知的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以觀察記錄的信號(hào)。通常是在換能器上固化一條單鏈DNA，通過DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)序列的DNA進(jìn)行識(shí)別，形成穩(wěn)定的雙鏈DNA，通過聲、光、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行檢測(cè)。

　　DNA生物傳感器原理是通過固定在傳感器或稱換能器探頭表面上的已知核苷酸序列的單鏈DNA分子和另一條互補(bǔ)的ss－DNA分子雜交，形成的雙鏈DNA會(huì)表現(xiàn)出一定的物理信號(hào)，最后由換能器反應(yīng)出來。［1］ 皮膚生物傳感器驗(yàn)血也許是目前跟蹤某些人體健康指標(biāo)的常用方法，但美國(guó)軍方主導(dǎo)的一個(gè)新項(xiàng)目有可能改變監(jiān)測(cè)健康狀況的方式。事實(shí)表明，人體血液中流動(dòng)的健康指標(biāo)有很多在汗液中也存在。［4］ 美國(guó)軍方的這個(gè)項(xiàng)目旨在開發(fā)出能對(duì)軍人汗液中的流動(dòng)物質(zhì)進(jìn)行跟蹤的皮膚“生物傳感器”，以監(jiān)測(cè)他們的健康狀況，提升他們的表現(xiàn)。研究人員說，這種高技術(shù)裝置看上去和摸上去都像膠布繃帶，可以用來收集心率、呼吸頻率等實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。［4］ 這種傳感器是一種被嵌入繃帶中的扁平狀電子芯片，其設(shè)計(jì)初衷是記錄可以下載到智能手機(jī)和電腦上的健康信息。美國(guó)軍方希望利用這種技術(shù)學(xué)會(huì)如何最有效地部署軍人，如何讓他們以最佳狀態(tài)投入戰(zhàn)斗。